5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室

主な伝送路の特性計算式

特性インピーダンスと伝搬速度，そしてロスで評価できる

5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室

特性インピーダンスと伝搬速度

特性インピーダンス，伝搬速度，そしてロスは，信号の品質を決定する重要な要素です．特性インピーダンスは，伝送線路に流れる電流と電圧の関係を表し，伝搬速度は信号が伝わる速さ，ロスは信号が進むにつれて失われるエネルギです．

5G時代の無線通信では，次の3種類の伝送線路が主に使用されます．

1．同軸ケーブル

同軸ケーブルは，シンプルな構造をもち，特性インピーダンスが容易に計算できます．ケーブル内で信号が伝搬する速度は，誘電体の誘電率によって決まり，ポリエチレンなどの絶縁体が使われることが多いです．伝搬速度の計算は，ケーブル内での波長が空気中での波長の約66%に短縮されることを示しています．この波長短縮率が重要で，信号の伝搬における定在波の大きさやインピーダンス・マッチングに役立ちます．

2．ストリップ線路

ストリップ線路は，主にプリント基板に用いられる伝送線路で，その特性インピーダンスは，導体の厚さと幅，基板の厚さによって決まります．基板の厚さが小さくなり，導体厚みと幅の比が小さい現代では，近似式を用いた計算が重要です．ストリップ線路はクロストークが発生しにくい構造をしており，高密度な回路に適していますが，誘電損失や銅損失が比較的大きいという欠点もあります．

3．マイクロストリップ線路

マイクロストリップ線路は，プリント基板の表面に配置された伝送線路で，構造が複雑で電界が広く分布します．これにより，波長短縮率の計算が複雑になりますが，伝搬速度やインピーダンスを正確に計算することが可能です．空間に接しているため，銅損や誘電損が小さく，特性インピーダンスを維持しやすい特徴があります．これにより，ミリ波帯や高周波の信号伝送において高い性能を発揮します．

伝送線路の特性と通信品質

特性インピーダンスの影響

伝送線路の特性インピーダンスは，信号がどれだけ効率的に伝送されるかに直結します．特性インピーダンスが一致していない場合，信号反射が発生し，これが通信の効率を大きく低下させる原因になります．ミリ波帯では，インピーダンスの不整合が伝送品質に与える影響が顕著です．同軸ケーブルやストリップ線路を使用する場合，設計時にこのインピーダンスを適切に調整することが，低損失で効率的な信号伝送を実現する鍵になります．

伝搬速度と通信距離

伝搬速度は，信号が伝送線路内を進む速度を表し，これが伝送距離や通信速度に影響を与えます．伝搬速度が速ければ，信号が長距離を短時間で伝送できるため，通信速度も高速になります．ストリップ線路やマイクロストリップ線路では，信号が基板内の誘電体を通るため，伝搬速度は誘電率に大きく依存します．

ロス（減衰）の影響

ロスは，信号が伝送線路を進む際に失われるエネルギを表します．特に高周波信号においては，ロスが通信品質に与える影響が大きくなります．同軸ケーブルやマイクロストリップ線路のような伝送線路では，導体の抵抗や誘電体の損失がロスを引き起こします．このため，伝送線路の設計においては，ロスを最小限に抑えることが求められます．〈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．