キャパシタでスリット超え リターン経路は絶対確保

電磁界シミュレータ入門 CST Studioで3次元解析

リターン電流経路の連続性と信号品質

高速信号が伝送される際，そのリターン電流は信号線直下の最短経路を通る傾向があります．しかし，プリント基板上にスリットなどがあると，このリターン経路が分断されてしまいます．スリットによって直下のグラウンドが断絶している場合，信号は伝搬できてもリターン電流は別の経路を選ばざるを得ず，電磁的な整合が失われます．

実際，FR4基板上でベタ・グラウンドが電気的に接続されていない状況でも，信号は表面のマイクロストリップ線路を通じて伝搬します．このとき，信号エネルギはスリット側に漏れるように広がり，そのようすは電磁界シミュレータ上でも赤色の分布として確認できます．スリットの近傍では電界ベクトルが左右に拡散し，局所的にエネルギが放射されていることがわかります．

電磁界シミュレーションによる現象の可視化

CST Studio Suiteなどの3次元電磁界解析ツールを用いることで，スリットの存在が信号伝搬とリターン電流に与える影響を定量的に評価できます．ポート設定によって，エネルギがどのように吸収されるか，またどこに漏れているかを視覚的に観察できます．

解析では，スリットのあるベタ層が浮いている構造に対して，ポート34でエネルギを吸収するよう設定しました．この構成では，反射波は生じず，信号は一方向に伝搬します．リターン経路がないため，信号エネルギの一部がスリット方向に漏れていることが観測されます．

スリット対策としてのキャパシタ実装

スリットによるリターン経路の断絶は，近傍にキャパシタを配置することである程度補うことが可能です．たとえば，0.01μFのチップキャパシタをスリット両端に配置し，交流的なバイパス経路を確保する方法があります．

1. スリットの近傍にキャパシタを配置する
2. ベタ層間の電位差を抑え，信号リターン経路を形成する
3. スリット方向への電界の広がりを抑制する

この方法により，スリットによる信号エネルギの漏れを低減できます．シミュレーション結果でも，赤色のエネルギ分布がスリット方向に減少しているようすが確認できます．

高速信号回路におけるDCカットとリターン設計

PCI ExpressやUSBのような高速信号インターフェースでは，ドライバとレシーバの間にDCカットキャパシタを設ける構成が一般的です．この構成では，信号はキャパシタで分離されつつ，リターン電流は共通のグラウンドを通して流れる設計になっています．

高速差動信号をケーブルで伝送する場合でも，信号対と一緒にリターン用のグラウンドを確保する必要があります．浮いたベタや中途半端なスリット処理は避け，確実なリターン経路を設計することが重要です．

高速伝送路の設計では，信号線だけでなく，そのリターン経路が電気的かつ幾何学的に一貫していることが，ノイズ低減や放射抑制の観点からも欠かせません．

〈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．