30Gbps/0.03ns！超高速パルスの波形観測

電磁界シミュレータ入門 CST Studioで3次元解析

超高速パルス信号とその波形観測

30Gbpsクラスの超高速ディジタル信号が一般的になっています．このような高速信号は，立ち上がり・立ち下がり時間が非常に短く，0.03nsといった時間スケールでの解析が必要です．伝送路上での波形変化，反射，漏洩などを正確に評価するには，時間領域での電磁界解析が不可欠です．

受信側で波形をサンプリングする場合，伝送経路上で信号の変形や反射が生じていれば，それがそのまま観測波形に影響します．時間応答を解析できるシミュレータを用いることで，信号品質を正確に把握することが可能です．

CST Studio Suiteによる3次元解析の基本

CST Studio Suiteは，3次元の電磁界シミュレーションを行うための強力なツールです．数百万円クラスの商用ソフトですが，ラーニング・エディションではモデル規模を制限することで，無料でも多くの機能を体験できます．

モデルは，例えば50mm×50mmの小型基板上に幅1mm，誘電体厚0.5mmのマイクロストリップ線路を設置したものです．この構成で特性インピーダンスが50$\Omega$程度になります．信号の入出力はポートとして定義し，時間応答のパルス信号を印加します．

1. 時間応答電界を解析して伝送波形の変化を観測
2. パターン下部やベタ層を通じた電磁波の漏洩を確認
3. 反射係数（$S_{11}$）や伝送損失（$S_{21}$）を評価

リターン電流の挙動と表面電流の可視化

電磁界シミュレーションにおいては，電界・磁界だけでなく，表面電流も重要です．$V_{in}$に相当する入力信号を与えると，信号線とその直下のグラウンド間でペアをなす電流が進行します．直流と異なり，リターン電流は伝送路全体を経由するのではなく，信号の進行に伴って同方向に進む傾向があります．

表面電流は，CST Studio内で可視化できます．これにより，基板上での不要な共振や放射源の特定が可能です．とくに数十GHz帯では，ベタ層に挟まれた誘電体での共振が問題になることがあります．これらは単なる回路シミュレーションでは捉えきれない現象であり，3次元電磁界解析の利点が活きる部分です．

1. 高周波では電流が信号線とグラウンド間でペアで進行
2. メッシュ密度が粗いと詳細表現が難しい
3. 必要に応じてモデルを簡略化して制限内に収める

〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• メーカで高速ディジタル回路と高周波回路の開発設計に30年以上従事．高速回路設計，EMC対策回路設計のコンサルタント

著書

1. ［VOD/KIT］Tinyスペアナ×Tinyネットアナで作る6GHz My実験ベンチ，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］小型＆高出力！高効率電源設計のためのSiC/GaNトランジスタ活用 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

1. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［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エンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］高精度アナログ計測回路＆基板設計ノウハウ，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室 [Vol.8 初めての28GHzミリ波伝搬実験]，ZEPエンジニアリング株式会社．