2025-07-15
高周波電子機器—信号が10 GHz以上で高速に伝送される場合—では、わずか1 dBの損失でも性能が著しく低下する可能性があります。5G基地局では接続が途絶え、レーダーシステムでは目標を見逃し、衛星トランシーバーではデータ送信に失敗する可能性があります。ここでいう信号損失は単なる不便さではなく、重大な故障の原因となります。良いニュースは、適切な材料と設計を選択することで、信号損失を最大60%削減し、高周波PCBが意図したとおりに動作するようにできることです。その方法をご紹介します。
高周波PCBで信号損失が発生する理由
高周波PCBにおける信号損失（多くの場合、挿入損失と呼ばれます）は、主に3つの原因から生じます。問題を解決するための最初のステップは、それらを理解することです。
a.誘電損失：PCB基板内の熱として浪費されるエネルギーで、材料の誘電率（Dk）と損失正接（Df）によって引き起こされます。Dfが高いほど損失が大きくなり、特に28 GHz以上で顕著になります。
b.導体損失：銅トレースの抵抗で、表皮効果（トレース表面を伝送する高周波信号）と表面粗さによって悪化します。
c.放射損失：不適切なルーティング、不十分な接地、または過剰なトレース長が原因で、信号がトレースから「漏れ」ます。
材料の選択：低損失性能の基盤
PCB基板は、信号損失に対する最初の防御線です。60 GHz（5Gおよびレーダーの一般的なmmWave周波数）での主要な材料の比較を以下に示します。
| 材料 | Dk（60 GHz） | Df（60 GHz） | 誘電損失（dB/インチ） | 導体損失（dB/インチ） | 総損失（dB/インチ） | 最適用途 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 標準FR-4 | 4.4 | 0.025 | 8.2 | 3.1 | 11.3 | <10 GHzの消費者向けデバイス |
| Rogers RO4830 | 3.38 | 0.0027 | 1.9 | 2.8 | 4.7 | 24～30 GHz 5Gミッドバンド |
| Isola Tachyon 100G | 3.0 | 0.0022 | 1.5 | 2.5 | 4.0 | 50～60 GHz mmWaveシステム |
| PTFE（テフロンベース） | 2.1 | 0.0009 | 0.8 | 2.2 | 3.0 | 衛星/マイクロ波（>70 GHz） |
重要なポイント：PTFEおよびRogers材料は、60 GHzでFR-4と比較して総損失を65～73%削減します。ほとんどの高周波設計では、Rogers RO4830が性能とコストのバランスを保っています。
信号損失を最小限に抑えるための設計戦略
最高の材料でも、不適切な設計を克服することはできません。基板の選択を補完するために、これらのテクニックを使用してください。
1. トレース長を短くする
高周波信号は、距離が長くなると急速に劣化します。60 GHzで1インチのトレースごとに：
a.FR-4は〜11 dB（信号強度のほぼ90%）を失います。
b.PTFEは〜3 dB（強度の50%）を失います。
修正：トレースを直接ルーティングし、不要な曲がりを避けます。はんだ付け性を損なうことなく長さを最小限に抑えるために、コンポーネント接続には「ドッグボーン」パターンを使用します。
2. インピーダンスを厳密に制御する
インピーダンスミスマッチ（トレースインピーダンスがターゲット、たとえば50オームから逸脱する場合）は、反射損失を引き起こします—信号が目的地に到達せずに跳ね返ります。
修正方法：
シミュレーションツール（Ansys SIwaveなど）を使用して、材料のトレース幅/間隔を計算します（たとえば、Rogers RO4830の50オームトレースには、幅約7ミル、間隔6ミルが必要です）。
PCBパネルにインピーダンステストクーポンを追加して、製造後の整合性を検証します。
3. グランドプレーンを最適化する
ソリッドグランドプレーンは、信号の「ミラー」として機能し、放射損失を減らし、インピーダンスを安定させます。
ベストプラクティス：
a.信号トレースの真下に連続したグランドプレーンを使用します（分割やギャップはありません）。
b.多層PCBの場合、グランドプレーンを信号層に隣接して配置します（高周波の場合は≤0.02インチの間隔）。
4. ビアとスタブを減らす
ビア（層を接続する穴）は、特に次のような場合にインピーダンスの不連続性を生み出します：
a.大きすぎる（50オーム設計の場合、直径>10ミル）。
b.未メッキまたはメッキ不良。
c.「スタブ」（接続点を超えた未使用のビア長）が伴う。
修正：マイクロビア（6～8ミル）と「バックドリル」を使用してスタブを除去し、ビア関連の損失を40%削減します。
5. 銅トレースを滑らかにする
粗い銅表面は、60 GHzで導体損失を最大30%増加させます（表皮効果により抵抗が増幅されるため）。
a.解決策：標準銅（1.5～2.0 μm）の代わりに、「ロープロファイル」銅（表面粗さ<0.5 μm）を指定します。RogersとIsolaは、この目的のために、あらかじめラミネートされたロープロファイル銅を備えた基板を提供しています。
実際の事例：5Gケーススタディ
ある通信メーカーは、28 GHz 5GモジュールにFR-4からRogers RO4830に切り替え、上記の設計戦略を実装しました。その結果は？
a.信号損失が、4インチのトレースで8 dBから3.2 dBに減少しました。
b.フィールドテストで接続の信頼性が45%向上しました。
c.熱発生（誘電損失による）が28%減少し、コンポーネントの寿命が延びました。
結論
高周波PCBにおける信号損失を止めるには、2つのアプローチが必要です。低Df材料（RogersやPTFEなど）を選択し、それらを厳密な設計管理（短いトレース、インピーダンスマッチング、ソリッドグラウンド）と組み合わせることです。5G、レーダー、または衛星システムにとって、この組み合わせはオプションではなく、製品が機能するか、失敗するかの違いです。
材料性能と設計規律の両方を優先することで、高周波PCBがアプリケーションの要求する速度、範囲、信頼性を確実に実現できます。
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