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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

高周波信号ならではの損失要因「表皮効果」

図1　高周波電流が導体の表面に集中する現象「表皮効果」によって，電流が流れる断面積が小さくなり，信号の減衰が増大する問題を引き起こす．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

高周波信号伝送の鍵は基板の損失への対応

ミリ波帯（30GHz前後）では，t低周波センスの基板設計技術では対応しきれない損失要因が顕著になります．中でももっとも重要な要因の1つが「表皮効果」です．

表皮効果とは，高周波電流が導体の表面に集中する現象であり，その結果として電流が流れる断面積が小さくなり，信号の減衰が増大する問題を引き起こします．この影響を最小限に抑えるためには，基板の選定や配線設計に高度な工夫が求められます．

表皮効果がもたらす損失とその対策

表皮効果の深さ $d$ は次式で表されます．

\[ d = \sqrt{ \frac{2 \rho}{\omega \mu} } \]

$\omega = 2\pi f$ であり，周波数 $f$ が高くなるほど $d$ は小さくなります．10MHz では $d \approx 20\mu m$ ですが，28GHz ではわずか $0.4\mu m$ になります．高周波信号では導体の表面近くに電流が集中し，表面の粗さや導体の材質による影響を大きく受けます．

基板の設計では以下の点が考慮されます．

  1. 導体の表面処理の最適化:無電解金フラッシュのような薄いコーティングを施し，表面の平滑性を高める
  2. 線路の幅を広げる:横方向に広げることで表面積を確保し，表皮効果による影響を低減する
  3. 適切な材料選定:低損失な基板材料を採用し，信号伝送特性を最適化する

これらの技術を駆使することで，5G通信の高周波信号伝送の課題を克服し，安定した無線通信を実現できます．

表皮効果の影響

表皮効果の発生メカニズム

交流電流は，周波数が高くなるほど導体の表面に集中する性質をもちます．これは，電磁場との相互作用によって電流が内部に浸透しにくくなるためです．表皮効果の深さ $d$ は周波数の平方根の逆数に比例し，高周波になるほど小さくなります．

  1. 10MHz では $d \approx 20\mu m$
  2. 1GHz では $d \approx 2\mu m$
  3. 28GHz では $d \approx 0.4\mu m$

となり，28GHz ではわずか $0.4\mu m$ の厚さしか電流が流れないため，表面の荒れや酸化層の影響が増大します．

表皮効果による損失と対策

表皮効果による損失は，導体の有効な断面積が減少することで発生します．これを低減するためには，以下のような対策が有効です．

  1. 線路の幅を広げる：線路を横方向に広げることで，表面積を増やし損失を低減
  2. 表面の平滑化：銅箔の表面を滑らかにすることで，表皮効果による抵抗増加を抑制
  3. 適切な材料の選定：低損失な導体や基板を選択し，特性インピーダンスを適正化

〈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．