秋葉原コンベンションホール Techセミナ（11月28日）

マクスウェル方程式から始める
実用プリント基板設計 超入門

プロへの登竜門！電気信号と電磁波のふるまいを理解しよう

講演内容

答えは「マクスウェルの方程式」にある

電気信号を伝えるプリント基板から、なぜ、放射ノイズ（電波）が発生するのでしょうか？

ディジタル回路は電波を出すための回路ではありません．ところが，プリント基板で動かすと，信号は配線の中を伝わっているはずなのに，なぜか空中にノイズが放射されます．放射されたノイズは，周辺の電子回路やシステムのパフォーマンスに悪影響を及ぼします．

配線を伝わる信号が電波に変身するメカニズムを紐解くためには，電気系技術者なら誰しも聞いたことがある「マクスウェル方程式」の理解が欠かせません．この方程式は，電気理論の基本中の基本ですが，電気系エンジニアの鬼門になっています．

そこで本講演では，「マクスウェル方程式」を高気圧と低気圧に例えてわかりやすく解説します．また，伝送線路のインピーダンスを測定するTDR（Time Domain Refrectmetry）の正しい測定法と，高周波回路やデバイスをSパラメータで表してシミュレーションに組み込む方法も説明します．

受講対象

• Gbpsオーダのディジタル回路の設計者
• Gbpsオーダのディジタル回路のプリント基板の設計者
• スマ－トフォン，タブレットPCなどのディジタル回路と無線装置が混載する電子機器の設計者
• 車載用電子機器の設計者
• 放射ノイズ対策を基礎から理解したい技術者
• $S$パラメータやTDRの原理を具体的に理解して業務に役立てたい技術者

講師紹介

略歴

• 1994年　東京農工大 電気電子工学科卒
• 1994年　日本航空電子工業株式会社入社．プリント基板設計，シグナル・インティグリティのシミュレーション業務に従事後，USB-IF，PCI-SIG，VESAなどでコネクタの高速伝送規格化活動に携わりながら，ノイズ対策業務を行っている．iNARTE認定EMCエンジニア，EMCマスタ・デザイン・エンジニア

主な著書

1. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング．
2. USB Type-Cのすべて，CQ出版社．
3. USB3.2のすべて，CQ出版社
4. 8K映像/USB3.1対応!ケーブル＆コネクタ 10Gbps伝送技術，CQ出版社
5. 電子回路シミュレータLTspice設計事例大全，CQ出版社

講演内容

「差動線路」が鍵を握る

USB4（最高40Gbps），HDMI2.1（最高48Gbps），PCI Express 6（最高64Gbps）など，汎用ディジタル・インターフェースの伝送速度は，50Gbpsを超えてきました．また，28GHz帯を利用する次世代5G用RFチップのベースバンド・アナログ信号の帯域も6GHzを超えています．

これらの超高速・高周波信号は，同軸ケーブルに代表されるシングルエンド方式の線路では，波形品質を維持し，ノイズ放射を抑えた伝送は不可能です．

この課題を解決する方法は，次のメリットをもつ「差動線路」の採用です．

1. 外来ノイズに強い
2. 配線からの放射が小さい
3. クロストークが発生しにくい
4. ベタGNDの連続性を維持しなくていい

差動線路の正確なモデリングとシミュレーション技術を解説

数十Gbpsの超高速信号がスムーズに流れるパフォーマンスの高い差動線路を設計するためには，アートワークを始める前に，正しい$S$パラメータ・モデルを使ったシミュレーション検証を繰り返す必要があります．不正確に設計された差動線路間の位相差や電位差は，線路インピーダンスの誤差を生み出し，不整合による定在波を発生させたりします．

本講演では，超高速・超高周波時代に備えて，正確な差動線路モデルを作るためのネットワーク・アナライザを使った測定技法やシミュレーションの方法を実例を示しながら解説します．高性能な「差動線路」は，EMCにおいても大きなアドバンテージが得られることでしょう．

受講対象

• USB，HDMI，PIC Expressなどのシリアル・インターフェースの回路および基板設計者
• 次世代通信5G無線機の回路および基板設計者
• スマ－トフォン，タブレットPCなどのディジタル回路と無線装置が混載する電子機器の設計者

講師紹介

略歴

• 1990年　無線通信機器メーカで研究開発．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
  

主な著書

1. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室【ミリ波の性質と広帯域通信の実験環境】，ZEPエンジニアリング．
   医療，自動車，ゲームから工場，教育まで，さまざまな分野・業界で，無線通信技術にさらなる高速性とリアルタイム性，同時接続性が強く求められています．この要求に応えるのが次世代の超広帯域通信規格“5G”です．
2. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室【初めての28GHzミリ波伝搬実験】，ZEPエンジニアリング．
   次世代通信5Gには，400MHzもの超広帯域ベースバンド信号を送受信できる自営用の周波数バンド「ローカル5G」が割り当てられています(連載第1回参照)．本稿では，ローカル5Gが利用する28GHzミリ波を伝搬する実験の方法を紹介します．
3. 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．
4. 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．
5. 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．
6. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ，ZEPエンジニアリング．
7. ［VOD］Linux搭載USBマルチ測定器 Analog Discovery Proで作る私の実験室，ZEPエンジニアリング．
8. ［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．
9. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング．
10. 信号処理プログラミングで操るソフトウェア無線機＆計測機 トランジスタ技術SPECIAL No.146，CQ出版社．
11. 電波解読マシン Piラジオの製作/電波超解像!スペクトラムプロセッサSDR誕生/夢のRFコンピュータ・トランシーバ製作，月刊 トランジスタ技術，CQ出版社．
12. 実践式！トランジスタ回路の読解き方＆組合せ方入門，トランジスタ技術SPECIAL No.139，CQ出版社．
13. KiCad×LTspiceで始める本格プリント基板設計［DVD付き］，トランジスタ技術SPECIAL No.142，CQ出版社．
14. ベスト・アンサ150！電子回路設計ノウハウ全集，トランジスタ技術SPECIAL No.143，CQ出版社．
15. 回路図の描き方から始めるプリント基板設計＆製作入門，トランジスタ技術SPECIAL No.148，CQ出版社．
16. プリント基板設計 実用テクニック集，トランジスタ技術SPECIAL No.157，CQ出版社．
17. はじめての回路の熱設計テクニック，トランジスタ技術SPECIAL No.159，CQ出版社．
18. アナログ回路入門！サウンド＆オーディオ回路集，トランジスタ技術SPECIAL No.160，CQ出版社．

著者が開発したキットやモジュール

1. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ【mz-mmcon1】，ZEPエンジニアリング．
2. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ，ZEPエンジニアリング．
3. ［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．
4. ［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．
5. ［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．