反射の起こらない線路を作る
5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室
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高周波信号の伝送においては，反射を抑えるために送信回路，受信回路，伝送線路の特性インピーダンスを一致させることが重要である 〈著：加藤 隆志〉 出典：5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室［Vol.2 反射の起こらない線路を作る］
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反射の起こらない線路設計の重要性
近年，5Gの普及に伴い，高周波帯域，特にミリ波の利用が拡大しています．これにより，伝送線路の設計において反射の抑制が極めて重要な課題となっています．反射とは，信号が伝送線路の終端でインピーダンスが一致しない場合に起こる現象で，信号が受信端から送信端へ跳ね返り，波形の乱れや信号減衰を引き起こします．特に，周波数が300MHzを超えると反射の影響が顕著になり，1GHzを超えると，基板サイズや部品形状が波長に近づくため，伝送線路の設計はより精密なものが要求されます．
低周波のアナログ信号や低速のディジタル信号では，反射の影響はほとんど問題になりません．これは，信号の波長が伝送線路の長さに比べて非常に長いため，インピーダンス不整合による反射が目立たないためです．反対に，高周波信号では，送信回路の出力インピーダンス，受信回路の入力インピーダンス，そして伝送線路の特性インピーダンスの三者を一致させることが不可欠です．これにより，信号は反射なく伝送され，波形のひずみや信号減衰を防止できます．
高周波伝送線路の特性と設計手法
伝送線路の特性インピーダンスは，線路の物理的な構造や材料特性によって決まります．プリント基板上の伝送線路は，インダクタンスとキャパシタンスの分布回路としてモデル化され，線路幅や基板の厚み，誘電率などが主な設計パラメータです．線路幅を広げるとキャパシタンスが増加し，特性インピーダンスは低下します．逆に幅を狭くするとインピーダンスは上昇します．これらの要素を適切に調整し，目標の特性インピーダンスを維持することが設計の基本になります．
伝送速度も重要なパラメータで，信号の波長や伝搬時間を決定します．例えば，同軸ケーブルではポリエチレン絶縁体の誘電率が約2.3であるため，信号の伝搬速度は真空中の約66％に低下します．プリント基板上のストリップ線路やマイクロストリップ線路では，誘電体の配置や構造により伝搬速度や損失特性が異なります．ストリップ線路は電界が基板内部に閉じ込められるためクロストークが少ない反面，誘電損失や銅損が大きくなりやすいです．一方，マイクロストリップ線路は空気と誘電体の両方に電界が広がるため，伝搬速度の計算が複雑になるものの，損失は比較的低くなります．
反射と多重反射の影響と対策
伝送線路の終端が開放や過大なインピーダンスの場合，信号は反射して送信端に戻り，多重反射が発生します．これにより伝送線路内に定在波が形成され，特定の周波数で信号の振幅が増幅または減衰し，受信回路の動作に支障をきたすことがあります．特に，伝送線路の長さと信号の周期が一致すると，定在波現象が顕著になります．数GHzのマイクロ波帯では，プリント基板のわずか数十センチmのパターンでもこの現象が発生し，グラウンド・パターンの共振を引き起こすことがあります．
これらの問題を回避するためには，送信端と受信端のインピーダンスを伝送線路の特性インピーダンスに合わせるインピーダンス・マッチングが必須です．設計段階で特性インピーダンスを計算し，プリント基板のパターン幅や基板材料を選定し，高周波特性を最適化します．また，誘電損失や表皮効果による銅損を考慮して，材料選択やパターン設計を行うことも重要です．これにより，反射や多重反射の発生を抑え，5G時代のミリ波無線通信に適した高性能な伝送線路を構築できます．
- 送信回路，受信回路，伝送線路の特性インピーダンスを一致させる
- プリント基板のパターン幅や基板厚みを調整し，特性インピーダンスを制御する
- 誘電損失や銅損を低減する特殊材料を活用する
- 伝搬速度と波長を計算し，定在波の発生を防止する
参考文献
- 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.1]
- 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.2]
- 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.3]
- 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.4]
- 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.5]
- 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.6]
- 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.7]
- 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.8]
- 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.9]