高速信号のスリットまたぎ

電磁界シミュレータ入門 CST Studioで3次元解析

スリットをまたぐ高速信号の挙動と電磁界解析


図1　高速信号がスリットをまたぐ伝送線路を解析．一見信号はうまく通過するように見えるが，信号波形が薄くなり，エネルギの一部がスリット方向に流出する．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［著］川口正詳細：［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【セッション6】USB4/DDR5からEV用インバータまで！初めての3次元電磁界シミュレータ活用

プリント基板の設計において，高速信号がグラウンドスリットをまたぐ際の挙動を正しく理解することは重要です．多くの回路設計者は，電流がスリットの両側を回り込むという直流的なイメージをもっています．これは低速信号では近似的に正しい場合もあります．

しかし，USBやPCI Expressのようなインターフェースでは，直流成分がカットされ，高周波成分だけが伝送されます．このような環境では，単純な回路イメージでは信号の正しいふるまいを捉えることができません．

CST Studioを用いた評価モデルでは，基板上のスリット幅を1000$\mu$mに設定し，スリットを信号がまたぐ構成を解析しています．信号は一見通過しているように見えますが，信号波形は薄くなり，エネルギの一部がスリット方向に流出していることが確認できます．

さらに，一部のエネルギはスリット終端で反射し，送信方向に戻ることが確認されました．これは時間応答だけでなく，周波数領域でも確認され，14GHzや15GHzにおいても類似の波形が観測されています．

この波形の位相を360°回しても，線路方向に波が伝搬しているようすは確認されず，定在波のように見えます．これは終端が開放あるいは短絡されていることを示し，信号の反射とスタンディング・ウェーブの発生を意味します．

スリット端に150$\Omega$の集団抵抗を配置することで，反射波の一部を吸収することが可能です．この構成はスロット・ラインに近い構造を形成しており，伝送線路の一種とみなすことができます．

このようなスロット・ライン的構造では，正しいインピーダンス・マッチングと吸収設計が必要です．評価版のCSTではメッシュの細分が制限されているため，反射を最小化するにはメッシュ分解能や材料定義の工夫が求められます．

CST Studioには，スリット構造を含む3次元構成に対してI/Oポートを追加し，伝送特性をSパラメータとして評価する機能があります．信号源からの出力端に至る経路をモデリングし，反射波の影響を含めたシステム全体の整合性を評価できます．

信号がスリットをまたぐ場合，構造自体が伝送線路として作用し，期待される信号品質を大きく損なうおそれがあります．CSTによる解析を通じて，目に見えない反射やエネルギ損失を事前に把握し，設計に反映させることが重要です．

〈著：ZEPマガジン〉