バナー

5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室


信号が減衰しない基板

高周波信号の損失要因その1「DC抵抗」

図1　銅の電気抵抗率は 1.68×10^-8$\Omega$m．線路幅0.1mm，箔厚18μm，長さ100mmのストリップ線路のDC抵抗値は約1$\Omega$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

高周波信号の損失要因の1つ「DC抵抗」

電源回路や信号伝送路におけるDC抵抗は，信号減衰の重要な要素の1つです．高速ディジタル信号では長い伝送線路を用いることが多く，DC抵抗による損失が無視できません．DC抵抗は，導体の電気抵抗率 $\rho$ [$\Omega$m]，断面積 $S$ [m$^2$]，長さ $L$ [m] の関係から，次の式で求められます．

\[ R = \frac{\rho L}{S} \]

$\rho$ は金属固有の値であり，銅の電気抵抗率は $1.68 \times 10^{-8}$ $\Omega$m です．線路幅0.1mm，箔厚18μm，長さ100mmのストリップ線路のDC抵抗値は約1$\Omega$になります．

伝送線路のロスを最小化するには？

高周波信号の損失を抑えるためには，以下の対策が考えられます．

  1. 低抵抗率の金属を選択する：銀（1.59 × 10$^{-8}$ $\Omega$m）や銅（1.68 × 10$^{-8}$ $\Omega$m）は低い電気抵抗率をもち，伝送線路に適しています
  2. 線路の断面積を増やす：断面積 $S$ を増やすことで，抵抗値 $R$ を低減できます
  3. 伝送線路を短くする：長さ $L$ を短くすることで，損失を抑えることが可能です

電気抵抗率と高周波信号の関係

高周波信号の伝送には，電気抵抗率 $\rho$ の低い材料が不可欠ですが，DC抵抗だけでなく「表皮効果」も考慮する必要があります．

表皮効果にも配慮

高周波信号が導体を流れる際，電流は導体の表面近くに集中します．この現象を表皮効果と呼び，GHz帯のミリ波では顕著になります．表皮効果により，実際に電流が流れる有効断面積が小さくなり，抵抗が増加します．導体の厚みを増やしても，表皮効果によって内部の電流はほとんど流れず，損失が大きくなるのです．

低損失基板の選定

高周波基板では，以下の特性が求められます．

  1. 低い電気抵抗率：銅や銀などの導体材料を使用する
  2. 低誘電率・低誘電正接の絶縁体：誘電損失を抑え，信号減衰を低減する
  3. 適切な基板厚と線路幅の設計：表皮効果の影響を抑えるための適切な線路設計が必要

〈著:ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

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．