ミリ波伝送線路コプレーナの設計

低エラー・レート広帯域SDR入門

コプレーナ構造によるミリ波伝送線路の実装

ミリ波帯における伝送線路は，一般的にマイクロストリップ線路が基礎構造として用いられます．この構造に加えて，信号線の両側にグラウンドを配置した形式は，コプレーナ線路と呼ばれます．信号線とグラウンドとの位置関係が対称であるため，不要放射を抑える効果があります．

ここで扱う構造は，純粋なコプレーナではなく，上下方向にもグラウンド層をもつ複合型です．この構造は高周波デバイスとの接続がしやすく，またコネクタ実装時の電気的安定性を確保する上でも有利です．これらの理由により，広帯域SDRシステムなどの高周波応用で多用されます．

グラウンド構造における共振現象と対策

上下のグラウンド層を併用した構造では，内層のベタ・グラウンドにおいて特定の周波数で共振が発生することがあります．シミュレーションにより確認された現象では，$\pi/2$やその整数倍の周波数で定在波が形成され，エネルギが特定方向に集中することがあります．

この共振が発生すると，通過特性が劣化し，たとえば42GHz帯で信号が急激に減衰する現象が確認されます．これを防ぐには，ビアを高密度に配置して，グラウンドプレーン間の導通を強化する必要があります．

1. 共振の起点となるグラウンド構造を事前に電磁界解析で確認する
2. 対象周波数の波長から逆算してビアのピッチを設定する
3. グラウンド間の電位差を抑えるため，2列以上のビア配置を検討する

たとえば42GHzに対しては波長が約7mmとなり，この1/10以下である0.4mm間隔でビアを配置すれば，24GHzから44GHzの範囲で共振は発生しません．

実装例と構造の具体化

高密度ビアを採用した実装では，2.92mm型コネクタが接続され，グラウンドとホットラインの距離が非常に狭く設計されています．この構造により，信号の立ち上がりや反射特性の制御が向上します．

内層には0.4mm間隔でビアがびっしりと打たれており，共振の抑制に効果があります．設計上はもう少しピッチを緩くすることも可能ですが，伝送品質を優先して高密度配置が選択されています．

EMCの観点でも同様の手法が使われており，ビアの密度と配置により，グラウンド共振の発生周波数を意図的に高めることが可能です．設計時にはこの点を意識することが重要です．

〈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！プロ用USBマルチ測定器 ADP5250誕生，ZEPエンジニアリング．
10. 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．
11. 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．
12. 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．
13. 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．
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18. 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．
19. GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機，ZEPエンジニアリング．
20. ［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．
21. ［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．
22. ［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．
23. ［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．
24. ［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．
25. ［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．