5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室

伝送線路の適材適所

ミリ波通信用実験キットの基板を例に

高周波信号を適切に取り扱うための伝送線路の選択は極めて重要です．マイクロストリップ線路，ストリップ線路，差動線路，コプレーナ線路など，さまざまな種類の伝送線路が存在し，それぞれに適した用途があります．

ここでは，5Gミリ波通信実験用のアップ・ダウン・コンバータ MZ-mmCon1（後継機 z-mmcon2）を例に，高周波信号の特性を考慮しながら適材適所でどのように伝送線路を使いわけるべきかを解説します．

ミリ波通信用実験キットの基板設計

MZ-mmCon1は，27G～43GHzのミリ波RF信号と10M～6GHzのベースバンド信号を相互変換する装置です．高周波信号を取り扱うため，基板設計では以下のような点に特に注意が払われています．

1. 差動線路の適用範囲
   RFデバイス間の配線には差動線路が使用されており，スキューを最小限に抑えるために配線長は10mm以内に制限されています
2. コプレーナ線路の選択
   27GHz以上のミリ波伝送にはコプレーナ線路が採用され，グラウンドと信号線の一貫性が保たれています
3. マイクロストリップ線路の活用
   シングルエンドのRF信号用にはマイクロストリップ線路が用いられ，特性インピーダンスの管理がされています

差動線路のメリットと注意点

差動線路の利点

差動線路は次のようなメリットがあります．

1. ノイズ耐性の向上:差動信号は外部ノイズの影響を相殺できるため，高SN比が得られます
2. 低クロストーク:放射が少なく，隣接する配線への影響を抑えられます
3. グラウンド連続性が不要:一般的なシングルエンド配線と異なり，基板の異なるグラウンド層をまたぐことができます

位相ずれによる問題

差動線路には以下のような注意点もあります．

1. スキュー（位相ずれ）
   線路の曲がりや基板の微細な物理的不均一性により，差動信号の位相がずれることがあります．10cmの配線では数psのスキューが発生し，これが信号品質に悪影響を及ぼします．MZ-mmCon1では，差動線路の長さを10mm以内に抑えることで，スキューの影響を最小限にしています
2. 奇モード・遇モード励振
   差動線路が正常に機能するためには，信号が正負対称（奇モード励振）である必要があります．位相がそろった場合（遇モード励振）には，特性インピーダンスが変化し，クロストークや反射が増大します

伝送線路の選択基準

高周波信号の伝送では，特性インピーダンスや信号の種類（差動・シングルエンド）を考慮しながら適切な伝送線路を選択する必要があります．

伝送線路の種類と特徴

マイクロストリップ線路

1. 特徴：表面層に信号線，内層にグラウンドを配置
2. 利点：設計が容易で製造コストが低い
3. 適用例：シングルエンド信号のRF配線

ストリップ線路

1. 特徴：信号線を内層に埋め込み，上下をグラウンドで挟む構造
2. 利点：外部ノイズの影響を受けにくく，均一な特性インピーダンスを維持しやすい
3. 適用例：高周波信号の安定した伝送

差動線路

1. 特徴：2本の並行した配線を逆位相で駆動
2. 利点：ノイズ耐性が高く，放射が少ない
3. 適用例：高速ディジタル信号やRFデバイス間の配線

コプレーナ線路

1. 特徴：信号線の両側にグラウンドを配置
2. 利点：伝送線路のグラウンド一貫性を確保しやすい
3. 適用例：ミリ波帯のRF信号

MZ-mmCon1での適用例

MZ-mmCon1では，伝送線路の特性を考慮して，以下のように使いわけています．

1. ベースバンド信号（～6GHz）:短い差動線路で伝送
2. ミリ波信号（27GHz～43GHz）:コプレーナ線路を使用し，ビアによる影響を低減
3. シングルエンド信号:マイクロストリップ線路を活用

〈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．