10Gbps信号の電磁界空間放射

電磁界シミュレータ入門　CST Studioで3次元解析

10Gbps超高速信号と空間放射

10Gbpsを超える高速信号を扱う際には，信号線から空間への電磁波放射が無視できない要因になります．このような空間放射は，いわゆるRadiation loss（放射損失）と呼ばれ，CST Studioなどの電磁界シミュレータを使って可視化や定量化が可能です．信号がグラウンド面の不連続やレイアウトの屈曲を経由すると，意図しないアンテナ効果が生じ，空間へとエネルギが漏洩する現象が確認されています．

実測あるいはシミュレーションの結果として，周波数1GHzでは放射損失は約0.01dBと小さいですが， 5GHzにおいては約0.4dBに増加します．これは信号周波数が上昇するにつれて放射される電磁エネルギの割合が増えることを示しています．10Gbps相当のデータレートを扱うシステムにおいては，放射損失が明確に影響を与える領域に入るため，空間放射の制御が設計課題として現れてきます．

電磁界解析による放射特性の可視化

CST Studioを使用した3次元解析では，PCBレイアウトからどれだけの電磁波が空間に漏れるかをシミュレーションで評価できます． 直線的な配線では放射が少なく抑えられる傾向がありますが，配線を屈曲させた構造にすると，共振や偶発的なアンテナ作用により放射が増加します． その際，電磁界シミュレータは，漏洩の大きさを定量的に計算し，各方向に放射される強度分布を視覚的に示すことができます．

解析の一例では，3.6秒のシミュレーション時間で得られたデータから， 5cm先の観測点における放射強度が周波数14G～30GHzまでの帯域で可視化されています． このデータは，アンテナ工学で用いられる放射指向特性に相当し，$E$面や$H$面方向での指向性を把握する上でも有効です．

スリット構造の影響と抑制方法

本解析では，スリットのないパターンを使用した結果が示されています． グラウンド層やリターン・パスのスリット構造が存在する場合，信号の経路が不連続となり， 電流のループが開くことで空間への放射が増加する傾向があります． 信号線がスリットを横断する際の放射特性の変化は，放射損失に敏感なシステムにおいて無視できない評価項目です．

1. Radiation lossの評価にはGHz帯のシミュレーションが有効
2. 信号経路の屈曲が空間放射を誘発しやすい
3. 放射損失は周波数に比例して増加しやすい
4. 電磁界シミュレータで空間放射の強度分布を可視化できる
5. スリットの有無が放射特性に大きく影響する

これらの知見は，10Gbps以上の高速信号を扱う回路基板の設計において，不要輻射の低減やEMI（電磁妨害）対策を行ううえで重要な検討材料です．CST Studioのような3次元電磁界解析ツールは，設計段階でこれらの課題を定量的に扱える手段として有効です．

〈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．