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5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室


電磁界を漏らさない技術「差動線路」

マイクロストリップ線路は電磁界が漏れる

図1　マイクロストリップ線路では，RF電流がプリント基板の表層を流れるため，電界の放射が大きくなり，隣接する伝送線路に影響を与えるクロストークが発生しやすくなる．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］加藤 隆志

マイクロストリップ線路の課題

マイクロストリップ線路では，RF電流がプリント基板の表層を流れるため，電界の放射が大きくなります．このため，隣接する伝送線路に影響を与えるクロストークが発生しやすくなります．

遠方の観測点では，進行電流とリターン電流の分布が異なるため，電界が完全に打ち消されることはありません．信号用のパターンと並行する伝送路には強い電界が加わり，ノイズの発生源になります．

マイクロストリップ線路では，プリント基板のリターン電流経路がベタ・グラウンドに依存するため，基板設計の制約が増します．実装密度が高い環境では，グラウンドの確保が困難になり，リターン電流が迷走することでインピーダンスの乱れや信号の減衰，定在波の発生が問題になります．

差動線路の優れた特性

クロストークやノイズの影響を低減するための技術として，「差動線路」が注目されています．差動線路は，進行電流用の線路とリターン電流専用の線路をペアで構成することにより，電磁界の漏洩を最小限に抑えます．

クロストークの抑制

差動線路では，進行電流とリターン電流が最短距離を流れるため，電磁界が狭い範囲に集中します．その結果，遠方での電界の観測値はほぼゼロになり，周囲の信号線への影響を最小限に抑えることができます．

ノイズ耐性の向上

差動線路は，$V_+$信号と$V_-$信号の2つの信号を用いて駆動します．受信回路では，この2つの信号の差分を取り出すため，外部ノイズが両方の信号に同時に加わった場合，ノイズ成分が相殺されます．これにより，ノイズ耐性が大幅に向上します．

高密度実装への適応

差動線路は，リターン電流の経路が専用線路によって確保されているため，グラウンドの切れ目による影響を受けません．そのため，高密度実装が求められる環境でも安定した信号伝送が可能です．

課題

差動線路は，高周波信号の伝送において非常に有効な手法ですが，GHz帯域以上の超高周波では，180°の位相差を正確に維持することが難しくなります．ペアとなる線路間の整合性を高精度で維持する必要があり，設計の自由度が制限されるという課題もあります．

クロストークとは？

クロストークとは，隣接する信号線の間で電磁界が干渉し，意図しない信号が伝播してしまう現象のことです．高周波信号を扱うマイクロストリップ線路では，進行電流とリターン電流の分布が不均一であるため，クロストークが発生しやすくなります．

クロストークが発生する要因としては，以下の点が挙げられます．

  1. 配線の距離が近すぎる:線路間の距離が短いほど，電磁界の干渉が強くなります
  2. グラウンドの不連続性:リターン電流の経路が適切に確保されていないと，電界の放射が増加します
  3. 信号周波数の上昇:高周波信号ほど電磁界の影響が顕著になり，クロストークの影響が強まります

クロストークの対策

クロストークを抑えるためには，以下のような手法が有効です．

  1. 線路間の距離を適切に確保する:配線設計時に，信号線どうしの間隔を広げることで，電磁界の干渉を低減できます
  2. ベタ・グラウンドを適切に配置する:リターン電流の経路を安定させることで，不要な電界の発生を抑えることができます
  3. 差動線路を採用する:差動線路では，電磁界が線路間に集中するため，周囲への影響を最小限に抑えることが可能です

〈著:ZEPマガジン〉

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著者紹介

  • 1990年　無線通信機器メーカで設計開発．その後，計測器メーカでRF測定機器，半導体試験装置の設計開発
  • 2017年　フリーランスエンジニアとして独立，無線通信機器やSDR機器の受託開発
  • 2019年　株式会社ラジアンとして法人化，現在に至る

著書

  1. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.1　分散型マルチビーム無線機のハードウェア］，ZEPエンジニアリング．
  2. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.2　1エレメント1モジュール独立分散型の理由］，ZEPエンジニアリング．
  3. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.3　ソフトウェアによるマルチビーム制御の実験］，ZEPエンジニアリング．
  4. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.4　非接触共振カプラによるアレイ・チャネル拡張］，ZEPエンジニアリング．
  5. ［Webinar/KIT/data］Arm M4/M7/DSP×500MHz！STM32H7ハイスペック計測通信Module開発，ZEPエンジニアリング．
  6. 高感度受信！ソフトウェア無線機の心臓部“Root-Raised Cosine Filter”の設計，ZEPエンジニアリング．
  7. 超長距離無線LoRaからローカル5Gまで！GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機，ZEPエンジニアリング．
  8. 自宅で設計・開発！USBミクスト・シグナル・アナライザ Analog Discovery Pro 3000 誕生，ZEPエンジニアリング．
  9. 高精度基準搭載＆1GSPS広帯域！
  10. プロ用USBマルチ測定器 ADP5250誕生，ZEPエンジニアリング．
  11. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.1]，ZEPエンジニアリング．
  12. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.2]，ZEPエンジニアリング．
  13. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.3]，ZEPエンジニアリング．
  14. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.4]，ZEPエンジニアリング．
  15. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.5]，ZEPエンジニアリング．
  16. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.6]，ZEPエンジニアリング．
  17. ，ZEPエンジニアリング．
  18. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.8]，ZEPエンジニアリング．
  19. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.9]，ZEPエンジニアリング．
  20. GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機，ZEPエンジニアリング．
  21. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ MkⅡ【z-mmcon2】（mz-mmcon1後継機），ZEPエンジニアリング．
  22. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ【mz-mmcon1】（生産終了，後継機 z-mmcon2），ZEPエンジニアリング．
  23. ［KIT］実験用28GHzミリ波パッチ・アンテナ【mz-mmant1】，ZEPエンジニアリング．
  24. ［KIT］実験用800M～6GHz 広帯域90°ハイブリッド【mz-qhybrid】，ZEPエンジニアリング．
  25. ［KIT］実験用27.5G-29.5GHzバンド・パス・フィルタ【mz-mmbpf1】，ZEPエンジニアリング．
  26. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ【z-pptgen-on1】，ZEPエンジニアリング．

参考文献

  1. ［VOD］MATLAB/Simulink×FPGAで作るUSBスペクトラム・アナライザ，ZEPエンジニアリング．
  2. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング．
  3. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計，ZEPエンジニアリング．
  4. ［VOD/KIT］初めてのソフトウェア無線＆信号処理プログラミング 基礎編/応用編，ZEPエンジニアリング．
  5. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング．