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5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室


電磁波の漏れが少ない伝送線路

伝送線路の電流と電界に注目

図1　高周波基板設計においては電界と電流の関係を理解することが重要．電界は金属の端など尖った部分に集中しやすく，RF電流もその影響を受けやすい性質をもつ．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

電磁波の漏れが少ない伝送線路を作る

電磁波の漏れを最小限に抑え，信号品質を維持するための伝送線路設計が重要です．伝送線路における電流の流れや電界の分布を適切に制御することで，クロストークやノイズの影響を抑制し，安定した通信を実現できます．

RF電流とDC電流の流れるルートの違い

電流は，往路と復路が揃って初めて流れるため，伝送線路内では必ずループが形成されます．これは，DC（直流）でもRF（高周波）でも同様ですが，流れるルートには違いがあります．マイクロストリップ線路では，RF電流のリターン電流は伝送路の直下を流れる傾向があります．一方，DC電流のリターン電流は，もっとも抵抗値が低いルートを選びます．この違いを理解し，適切な配線設計を行うことで，ノイズや電磁波漏れを抑えることができます．

電界と電流の関係を考慮した設計

電界と電流の関係を適切に理解することが，高周波基板設計において極めて重要です．電界は金属の端など尖った部分に集中しやすく，RF電流もその影響を受けやすい性質をもちます．プリント・パターンの端に進行電流が集中し，リターン電流はベタ・グラウンド内で広がるため，電界の封じ込めが不十分な場合には，ノイズ放射やクロストークの原因になります．基板の誘電体層が薄ければ，電界は狭い範囲に収まり，リターン電流の広がりも制御しやすくなります．

キーワード

1．マイクロストリップ線路とストリップ線路の違い

ミリ波帯で使用される代表的な伝送線路には，マイクロストリップ線路とストリップ線路があります．マイクロストリップ線路は，基板表面に導体パターンを配置し，裏面をベタ・グラウンドとする構造をもちます．この構造では，電磁波が外部に放射されやすい一方，設計が容易であるという利点があります．一方，ストリップ線路は，導体が基板内に埋め込まれ，上下をグラウンド・プレーンで挟んでいるため，電磁波の漏れが少なく，安定した伝送が可能です．

2．リターン電流とクロストークの関係

リターン電流の流れ方によって，クロストークやノイズの影響が変わります．リターン電流が広範囲に広がると，隣接する伝送線路との間で不要な結合が発生し，クロストークが増加します．これを防ぐためには，リターン電流を意図的に制御し，グラウンド・プレーンを適切に配置することが重要です．誘電体層の厚みを適切に選定することで，電界の広がりを抑制し，不要な放射を低減できます．

3．ミリ波帯の電磁波漏れ対策

ミリ波帯では，波長が短いため，金属パターンの形状や基板材料の影響を受けやすくなります．パターンの角やギャップ部分で電磁波の放射が発生しやすいため，適切なシミュレーションを行い，損失を最小限に抑える設計が求められます．グラウンドの貫通ビア（スルーホール）を適切に配置し，リターン電流の経路を短縮することで，電磁波漏れを抑制することが可能です．〈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．