5G、6G無線通信技術に対応するためのミリ波電子回路設計技術（１）

5G、6G無線通信技術に対応するためのミリ波電子回路設計技術

はじめに

　2020年に5G無線通信サービスが商用化された。以降、研究開発現場では次世代通信規格である6G無線通信技術に関する話題が増えてきている。5G通信技術では38GHzまで周波数を用いるが、6G通信では300GHzに至る周波数帯を用いることが検討されている。したがって、従来のマイクロ波帯(3GHz～30GHz)だけではなく、ミリ波帯(30GHz～300GHz)が主たる利用周波数帯になる。ここでは、ミリ波帯とマイクロ波帯でのデバイス設計にどのような違いが考えられるのか説明する。

デバイス設計の基礎事項

　まずデバイス設計の基礎的な知見をおさらいする。高周波デバイス設計に苦手意識があるエンジニアは多い。それは高校まで学んだ電気工学は低周波（DC～kHz)向けの話であり、MHz以上の高周波では全く異なる理論になるからである。大学受験で必死に学んだ知見との差異が大きく愕然としてしまう。筆者もそのうちの一人であった。
　デバイス設計において最も重要なのは、特性インピーダンスである。特性インピーダンスは、回路の構造や材料物性（誘電率）から算出することができる。取り扱う高周波線路の種類（同軸、導波管、マイクロストリップなど）によってそれぞれ計算方法が異なるので適切な計算式を利用する必要がある（今後、別記事で解説予定）。多くの高周波機器は特性インピーダンスが50Ωで設計されている。2つの高周波機器（線路）を接続するときに双方の特性インピーダンスに差が生じていると、受信側の機器の入り口で高周波信号が反射されて機器の中に入らない。そのため、同軸線路ならば特性インピーダンスが50Ωになるように内部導体と外部導体の寸法を決める必要がある。ちなみに、相手の機器の特性インピーダンスが75Ωで設計されている場合は、75Ωになるように設計する必要がある。

材料物性と回路設計

　前項において材料の誘電率が特性インピーダンスの計算に必要であることを述べた。誘電率は材料の種類（例：アルミナ、PTFE）によって大きく異なるし、同じ種類でも製造プロセスや純度によって値が異なる場合がある。高周波材料のメーカーは必ずその製品（材料）の誘電率を公開しているはずであるので、基本的にはその値を用いて設計を行なうことになる。同軸線路でいえば、内部導体と外部導体の間の材料の誘電率が高いと内部導体と外部導体の間の距離が短くなり、逆に誘電率が低いと内部導体と外部導体の間の距離が長くなる。

ミリ波における設計の落とし穴

　前項にて、設計のために材料メーカーが提供する誘電率の値を用いて設計することに言及した。しかしながら、ここに落とし穴がある。提供されたデータシートをよく見ると、誘電率の値εr=3.8(@1GHz)のように周波数が併記されていないだろうか？（材料メーカーによっては記載がない場合もある）誘電率と周波数はきっても切り離せない関係がある。例えばアルミナでいえば、マイクロ波帯以下では10程度の値で公表されていることが多いが、光学領域（THz以上）では9に近い値で公表される傾向がある。
　実はミリ波帯は材料の誘電率の測定が非常に難しい領域である。そのため現状、材料メーカーが供給する誘電率の値はマイクロ波帯での値であり、ミリ波帯での値を供給しているメーカーはほとんどない。したがって、その値をそのまま利用してミリ波帯向けデバイスを設計すると、特性インピーダンスのズレが生じて、デバイス入口での高周波信号の反射が大きくなってしまう。

応急的な対処法

　前項の通り、ミリ波帯においてはメーカーが供給する値が不適切である場合がある。かといって、自前で評価することも困難である。その場合の対処法として、使用する材料のマイクロ波帯と光学領域（例えばFTIRによる評価事例は多数報告がある）での誘電率を調べる事が挙げられる。ミリ波の測定は難しいが、マイクロ波帯と光学領域での誘電率の報告は多数あり、一般的に利用される材料であれば網羅されているはずだ。双方の値で乖離があるかどうかを調べ、乖離があればその中間値を採用する、といった対処療法を検討することができる。

さいごに

　通信技術の進歩に伴って、今後ミリ波帯の利用は増えていくと思われる。ミリ波帯では材料の誘電率が分かっていない場合が多く、それが回路設計の品質を低下させてしまう。材料の誘電率には周波数依存性があることを理解して回路設計に臨む姿勢が必要である。
　今後、より詳論について解説していく予定である。