ティム･ギャグノン著
5Gの登場により、RF設計にはさまざまな課題がもたらされました。その課題は明白なものもあれば、あまりはっきりしていないものもあります。例えば、ミリ波（mmWave）に関連する困難さは広く議論されていますが、シグナルインテグリティやハードウェアのコストも大きな問題です。
こうした課題の全貌を明らかにする前に、誰が影響を受けるのかについて考えてみましょう。5Gは、エコシステム全体にとってステップの大きな変化であるという点で特異的です。その恩恵を最大限に受けるには、モバイル通信事業者とそのエンドユーザーの双方が新しい考え方を取り入れる必要があります。アンテナ設計者、マイクロ波回路設計者、そして一見すると無関係な分野（PCB設計など）に携わる人々までもがすべて、新たな問題に直面しています。
では、なぜ5Gがこれほど広範かつ微妙な設計上の課題をもたらすのか、その課題、そして解決策について詳しく見ていきましょう。
信号伝送の弱さ vs アレイアンテナ
まず、重要なポイントである信号伝送について説明します。従来の携帯電話技術とは異なり、ミリ波は遠くまで届きません。建物、地形、人、そして天候でさえも、ミリ波の信号を減衰させてしまいます。その結果、携帯電話会社はエンドユーザーの近くに、より多くの基地局を設置する必要があるのです。
しかし、基地局がたくさんあっても、まだ信号伝送が問題になることがあります。何しろ、人間の体はミリ波帯の周波数を吸収するのに優れている。つまり、携帯電話を持つ手があるだけで信号が使えなくなることがあるのです。そのため、ミリ波帯のシステムでは、複数のアンテナ、それもアンテナアレイが必要になるのが一般的です。
多くのアンテナエンジニアは、 アンテナアレイの経験がないため、 この要件は大きな課題です。多くの場合、エンジニアリングチームは、ミリ波信号が低損失の経路を見つけることができるように、ビームフォーミングとビームステアリングテクニック (図1参照) に精通した人材を新たに確保する必要があります。
図 1. ビームステアリングは、アンテナアレイのメインローブの方向を操作
最初に、重要なポイントである信号伝送について取り上げます。従来の携帯電話技術とは異なり、ミリ波は遠くまで届きません。建物、地形、人、そして天候でさえも、ミリ波の信号を減衰させてしまいます。ひとつの明白な結果として、携帯電話会社はエンドユーザーの近くに、より多くの基地局を設置する必要があります。
しかし、基地局が多数あっても、やはり信号伝送が問題になる可能性があります。結局のところ、人体はミリ波帯の周波数を吸収するのに優れています。つまり、携帯電話を持つ手があるだけで信号が使えなくなることがあります。そのため、ミリ波帯のシステムでは一般的に複数のアンテナ、しかもアンテナアレイが必要です。
多くのアンテナエンジニアはアンテナアレイの経験が不足しているため、この要件は大きな課題になります。多くの場合、エンジニアリングチームは、ミリ波信号が低損失の経路を発見できるよう、ビームフォーミング技法とビームステアリング技法に精通する新たな人材を確保する必要があります。（図1参照。）
図1. ビームステアリングは、アンテナアレイのメインローブの方向を操作
シグナルインテグリティと干渉
しかし、もう一つ考慮すべき点があります。それは、微弱な信号を扱う場合、1dBの単位でカウントされることです。つまり、ミリ波に関する課題は、アンテナをはるかに超えたところにあるのです。
アンテナに接続されるフィード、トレース、および接続はすべて、優れたエンドツーエンドのシグナルインテグリティ（SI）を念頭に置いて設計する必要があります。これらのコンポーネントが40GHz以上の周波数を扱うことを考えると、これは小さな挑戦ではありません。
さらに、ミリ波信号は、典型的な 5G デバイスに含まれる多くの RF 信号の 1 つに過ぎないという事実が、この課題をさらに困難にしています。まず、5G の周波数帯には、ミリ波に加えて、6GHz 以下の周波数も含まれます。サブ 6 GHz 信号は、携帯電話機器の設計者にとってより身近なものであり、LTE 技術と容易に共存することができます。 しかし、サブ6GHz帯の信号が存在することで、設計者はこれまで以上に幅広い周波数帯に対応しなければならなくなります。
さらに、5G 機器は通常、Wi-Fi、Bluetooth、UWB、NFC などの他の RF 技術を多数搭載しています。ミリ波システムからの漏れは、他の周波数帯に影響を与える可能性があります。高周波の信号は本質的に漏洩しやすいので、このリスクは過小評価されるべきではありません。
このような課題に対処するためには、エンジニアリングチームがより協力的に、ワンチームとなる必要があります。
当社の “設計エンジニアに聞く” 調査では、90% のエンジニアチームが近年変化しており、設計エンジニアチームの範囲、専門性、専門性が高まっていることから、コラボレーションが重要であることが明らかになっています。
SI エンジニアがインターコネクトと伝送路の性能を評価する必要がある一方で、電磁気学の専門家は RF リークを同時に検証する必要があります。設計の選択は通常、妥協の産物であることを念頭に置いてください。例えば、SI を向上させるための変更によって、新たなリーク問題が発生する可能性があり、各チームが協力してトレードオフを評価する必要があります。
回路基板設計とコストに関する考慮
もちろん、5Gデバイスの設計には、材料や構造の選択も多く含まれます。RF システムとアンテナの製造プロセス全体は、過去数年間で劇的に変化し、設計オプションの新しい展望が開かれました。
例えば、プリント回路基板（PCB）については、すでに多くのPCBがパッケージングが容易なフレキシブルプリント回路（FPC）に移行しています。この変化には多くの意味がありますが、FPCに使用される材料は進化を続けており、コストと性能の複雑なトレードオフを生み出しています。
現在では、低損失の液晶ポリマー（LCP）を用いたメッキプラスチックやモールド材、ラミネート材への移行が進んでいます。これらの素材は大幅なコストダウンが可能ですが、同時に誘電率に関する新たな懸念も生じます。ミリ波に関連する伝送の問題と弱い信号強度の話に戻ると、ラミネート材料の選択を誤ると、許容できない信号劣化を引き起こすことは容易に想像がつきます。
結論として、5G デバイスの成功には材料エンジニアと製造の専門家が、アンテナの専門家やマイクロ波回路の設計者と同じくらい重要ということなのです。
コラボレーションは早い段階から
実際、すべてのチームが調和して、設計変数の適切なバランスを達成する必要があります。最良の結果を得るためには、このコラボレーションを設計プロセスの早い段階で開始する必要があります。デバイスがほぼ完成するまで RF 設計の開始を待つという旧来のパターンは、もはや通用しないのです。同様に、製造性についても最初から考慮する必要があります。
このような全体的な考え方から始めることは、設計目標の矛盾を避けるためだけでなく、重要なことです。また、サプライヤーが困難な設計上の決定をどの程度サポートする必要があるかということにもつながります。ここでモレックスがお役に立ちます。
モレックスのエンジニアは、RF、シグナルインテグリティ、アンテナ、および製造に関する数十年の専門知識を持ち、多面的な5G設計の課題を解決するのに必要な知識を提供します。 モレックスの5Gへの投資により、最先端の5G製造装置と技術によって最高精度のコンポーネントを製造することができ、また、高周波RFテストチャンバーによって、ミリ波スペクトラムに対応する製品の性能を確保することができます。
モレックスはコネクターに関する専門知識と経験を有することは認知されておりおりますが、それ以外の分野においても、お客様をサポートすることが出来るための知見を有しており、お客様に活用頂きたいと思っています。当社の目標は、お客様の5G設計への旅のアドバイザーとして行動することです。私たちは、この新しい時代のセルラー通信の複雑さを理解しており、お客様の最先端デバイスの製造をお手伝いできることを嬉しく思っています。
しかし、さらに別の角度から考慮する必要もあります。微弱な信号を扱う場合、1dB単位でカウントされることです。つまり、ミリ波に関連する課題は、アンテナをはるかに超えたところにあるのです。
アンテナに接続されるフィード、トレース、接続はすべて、優れたエンドツーエンドのシグナルインテグリティ（SI）を念頭に置いて設計する必要があります。これらのコンポーネントが40GHzを超える周波数を扱うことを考えると、これは小さな課題ではありません。
さらに、ミリ波信号は、典型的な5Gデバイスに含まれる多くのRF信号の1つに過ぎないという事実がこの課題をさらに複雑にしています。第一に、5Gの周波数帯には、ミリ波に加え、6GHz未満の周波数も含まれます。サブ6GHz信号は携帯電話機器の設計者にもっと馴染みの深いもので、LTEテクノロジーと容易に共存させることができます。しかし、サブ6GHz帯の信号が存在するだけで、設計者はこれまで以上に広範な周波数帯に対応する必要があります。
さらに、5G機器は一般的に、Wi-Fi、Bluetooth、UWB、NFCといった他のRFテクノロジーを多数搭載しています。ミリ波システムからの漏洩は、他の周波数帯に影響を与える可能性があります。高周波の信号は本質的に漏洩しやすいことを考えると、このリスクは過小評価されるべきではありません。
このような課題に対処するには、エンジニアリングチームがもっと連携を強める必要があります。
モレックスの「設計エンジニアに聞く」調査では、エンジニアリングチームの90%が近年変化しており、設計エンジニアリングチームの範囲、専門知識、専門性の増大に伴い、連携が極めて重要であることが明らかになっています。
SIエンジニアは相互接続と伝送路の性能を評価する必要があり、電磁気学の専門家は同軸リーケージを同時に検証しなければなりません。設計の選択は通常、妥協の産物であることを覚えておいてください。例えば、SIを改善する変更によって新たなリーク問題が発生する可能性があり、各チームは連携してトレードオフを評価する必要があります。
回路基板設計とコストに関する考慮事項
もちろん、5Gデバイスの設計には材料や構造の選択も多数含まれます。RFシステムとアンテナの全製造プロセスはここ数年で劇的に変化し、設計オプションの新しい展望が開かれています。
ハンブルプリント基板（PCB）について検討してみましょう。すでに多くのPCBがパッケージングが容易なフレキシブルプリント回路（FPC）に移行しています。この変化には多くの意味があり、それらは本稿で取り上げるテーマの範囲外ですが、FPCに使用される材料は進化を続けており、コストと性能の複雑なトレードオフが生み出されています。
現在、低損失の液晶ポリマー（LCP）を用いたメッキプラスチックやモールド材、ラミネート材への移行が進んでいます。これらの材料によってコストを大幅に削減できますが、誘電率に関する新たな懸念も生じます。ミリ波に関連する伝送の問題と弱い信号強度に話を戻すと、ラミネート材の選択を誤ると許容不能な信号劣化が発生しかねないことは容易に想像できます。
では、結論は? 5Gデバイスを成功に導く上で、材料エンジニアと製造の専門家は、アンテナの専門家やマイクロ波回路の設計者と同じくらい重要であるということです。
連携は早い段階で
実際に、すべてのチームが協調性をもって連携し、設計変数の適切なバランスを達成する必要があります。最良の成果を得るには、この連携を設計プロセスの早い段階で開始する必要があります。デバイスがほぼ完成してからRF設計を開始するという古いパターンはもはや通用しません。同様に、製造性も最初から考慮する必要があります。
この全体論的な考え方から開始することは、設計目標の矛盾を避けるためだけでなく重要なことです。また、準備の整ったサプライヤーが困難な設計上の決定をどの程度サポートする必要があるかについても情報も得られます。ここでモレックスがお役に立ちます。
モレックスのエンジニアは、多面的な5G設計の課題の解決に必要な、RF、シグナルインテグリティ、アンテナ、製造に関する数十年の専門知識を提供します。モレックスの5G投資により、最先端の5G製造設備と技術がもたらす最高精度のコンポーネントを製造できる上、高周波RFテストチャンバーによって、ミリ波スペクトラムに対応する製品の性能を確保できます。
モレックスはコネクターに関する専門知識で最もよく知られていますが、こうした他のエクセレンス領域もお客様をサポートする上で非常に重要です。当社の目標は、お客様の5G設計への旅のアドバイザーとして行動することです。モレックスはこの新しい時代のセルラー通信の複雑さを理解しており、お客様の最先端デバイスの製造を喜んでお手伝いさせていただきます。