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10Gbps時代の基板設計 線路間結合の波形シミュレーション


Sパラ対応シミュレータ QucsStudioでクロストーク解析

線路モデルの選択から誘電率/厚みの設定まで

図1　高速信号では，線路間結合「クロストーク」が通信の品質に悪影響を及ぼす．LTspiceにはできないSパラメータ解析対応のSPICE系回路シミュレータ“QucsStudio”で波形シミュレーションを行う．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］川口 正
詳細：［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術

10Gbps時代の基板設計における線路間結合の波形シミュレーション

高速通信時代の基板設計と線路間結合

10Gbpsを超える高速通信が普及する中で，基板設計の重要性が一層増しています．

線路間結合（クロストーク）は，高速信号の品質に重大な影響を与えるため，設計段階での詳細なシミュレーションが必要不可欠です．クロストークは近端（NEX:Near End Crosstalk）と遠端（FEX:Far End Crosstalk）の2つに大別され，信号の遅延時間や波形のひずみを生じさせる原因になります．

このような課題に対応するためには，基板の誘電率や厚み，線路間距離などのパラメータを適切に設定し，波形シミュレーションを行うことが必要です．ここでは，SPICE系シミュレータの代替として注目されるQucsStudioを用いて，線路間結合の波形シミュレーションを行う方法を解説します．

QucsStudioでの波形シミュレーションの流れ

QucsStudioは，Windows環境で動作する高性能なフリー回路シミュレータです．特に高速信号や高周波回路の解析において，次のような特徴があります．

  1. 伝送線路のモデル化
    基板材質の損失やパターンサイズを考慮した伝送線路のSパラ応答を計算可能
  2. 波形シミュレーション
    マイクロストリップ線を用いた時間応答計算に対応
  3. 最適化機能
    設計パラメータの自動調整が可能

具体的には，次の手順でクロストークのシミュレーションを行います．

  1. 基板パラメータの設定
    誘電率（$\varepsilon_r$），基板厚み（$h$），線路幅（$w$）を入力
  2. 伝送線路モデルの選択
    無損失または有損失モデルを使用
  3. クロストーク解析:近端と遠端のノイズを計算し，それぞれの発生メカニズムを可視化

シミュレーションの結果から，クロストーク・ノイズの低減に有効な設計指針を得ることができます．

クロストーク低減のための技術的ポイント

クロストークの基礎と抑制技術

クロストークは，信号線路間の電磁的な干渉によって発生します．近端クロストーク（NEX）は主に信号源の近くで，遠端クロストーク（FEX）は信号終端付近で発生します．これらは，信号の伝播速度や線路間の結合係数に依存します．

  1. 近端クロストーク（NEX）
    時間的な信号の急峻な変化が原因となるため，信号の立ち上がり・立ち下がりを緩やかにすることが有効です
  2. 遠端クロストーク（FEX）
    線路の長さや間隔を適切に設計することで抑制できます

設計における具体的対策

  1. 線路間隔の最適化
    線路間の距離を大きく取り，結合係数を低減します
  2. 基板の誘電率の選択
    適切な誘電率を設定することで信号の伝播特性を改善
  3. シールド導体の配置
    ノイズ発生源と被害線路の間にグラウンド・シールドを配置し，クロストークを遮断します

高速信号時代に求められる解析技術

QucsStudioでは，Sパラメータを用いた詳細な線路特性の解析が可能であり，伝送線路の特性を正確にモデル化できます．これにより，設計段階でクロストークの影響を定量的に把握し，適切な対策を講じることができます．

10Gbps時代の基板設計では，これらの技術を駆使して，信号品質の劣化を最小限に抑えることが求められます．〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

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．