高周波設計におけるSパラメータとは
1 min
Sパラメータは、回路を評価するために使用される高周波設計における主要なツールの一つです。RFおよびマイクロ波領域では、信号周波数が非常に高くなるため、銅線では信号を伝送できず、情報損失の可能性が大幅に増加します。電圧や電流による信号測定は不可能ですが、特定のパラメータを用いることでシステムの挙動を把握し、散乱パラメータ（Sパラメータ）計算を適用できます。Sパラメータは複雑な複素数のように見えますが、単にネットワーク端口におけるRF信号の挙動を記述する手段です。これは2端口ネットワークを基盤とし、電力の反射量・伝送量・吸収量を決定します。
1. なぜSパラメータが必要なのか？
低周波数では、電圧と電流が明確に定義されるため、オームの法則やキルヒホッフの法則を容易に適用できます。そこでシステムの特性を定義するために、Z、Y、H、Gなどのパラメータを使用します。しかし高周波数（数百MHz以上）では：
配線は分布インダクタンスと容量を持つ伝送線路のように振る舞います。電圧と電流はその伝送線路に沿って変化する。寄生成分と放射効果は大幅に増大し、唯一重要な要素となる。回路を乱さずに電流を直接測定することは困難である。Sパラメータは電圧や電流の代わりに、進行波（入射波と反射波）を用いてネットワークの挙動を記述する。
2. Sパラメータの物理的意味
ある部品（例：増幅器、フィルタ、アンテナ）にポート（入力と出力）があると想像してください。その動作を確認するには、入力励起を加えて応答を記録します。特にSパラメータでは、信号の反射を探します：
これにより、信号が（インピーダンス不整合により）どのように反射されるかを把握できます。信号のどの部分が他のポートへ伝送されるのか？また、放射や熱として失われる信号の部分は何か。Sパラメータは、単にこれらの入射波と反射波の比率です：
場所:
⦁ i = 出力ポート番号
⦁ j = 入力ポート番号
ポートが2つ、端子が4つあるため、合計4通りの組み合わせが存在します。これらは次のセクションで確認します。Sijパラメータは振幅と位相情報を含み、波の挙動を予測するために使用されます：
⦁ 振幅（|Sij|）は信号がどれだけ透過または反射されるかを示します。
⦁ 位相（∠Sij）は入力と出力間の位相差を示します。
3. S11からS22（およびそれ以上）の理解)
2ポートネットワーク（RFで一般的）では、4つのSパラメータがあります：
S11（入力整合性）：
ポート1における入力反射係数。ポート1から反射される信号の量を示す。入力リターンロスやVSWRに関連。S11 = 0なら完全整合（反射なし）、|S11|が大きいほど整合不良（高反射）。デシベル単位でのリターンロスの表現：
S21（順方向利得または損失）：
ポート1からポート2への順方向伝送。入力から出力へ伝わる信号量を示す。利得（または損失）に関連する。正のdBは増幅を、負のdBは減衰を意味する。
S12（逆方向アイソレーション）：
ポート2からポート1への逆方向伝送。逆方向アイソレーションを測定する。増幅器では、フィードバックや発振を避けるため、S12を可能な限り低く抑える必要がある。
S22(出力整合性):
ポート2における出力反射係数。ポート2から反射される信号の量を示す。出力リターンロスおよび負荷整合に関連し、S11と非常に類似しているが、出力側での測定値である。また負荷への最大電力伝送量を測定するために用いられる。
4. Sパラメータ設計アプローチ
まずデバイスのSパラメータを測定またはシミュレーションする必要がある。測定にはベクトルネットワークアナライザ（VNA）を用いる。次にS11とS22を用いてインピーダンス整合回路を設計する。このステップでは反射を最小化し電力伝送を最大化しなければならない。
最大利用可能利得（MAG）または最大安定利得（MSG）を決定する必要があります。測定には、デバイスをカスケード接続する際、Sパラメータを他のネットワークパラメータ（ABCD、Y、Z）に変換する必要があります。目標とするS21（利得）、S11/S22（整合）、S12（アイソレーション）の仕様を満たすよう部品値を調整します。
結論
S-parameters are the language of high-frequency design. An example to 4 parameters are:
Sパラメータは高周波設計の共通言語です。4つのパラメータ例：
⦁ S11 = -15 dB → 良好な入力整合（VSWR ≈ 1.43）
⦁ S21 = 10 dB → 増幅器は約10倍の電圧利得を提供
⦁ S12 = -40 dB → 優れた逆方向アイソレーション
⦁ S22 = -12 dB → 良好な出力整合
RF/マイクロ波設計に携わる場合、Sパラメータを用いた測定と設計は不可欠です。アンテナからフィルタ、高速デジタルインターコネクトに至るまで、Sパラメータは理論と実性能をつなぐ架け橋となります。
学び続ける
高周波設計におけるSパラメータとは
Sパラメータは、回路を評価するために使用される高周波設計における主要なツールの一つです。RFおよびマイクロ波領域では、信号周波数が非常に高くなるため、銅線では信号を伝送できず、情報損失の可能性が大幅に増加します。電圧や電流による信号測定は不可能ですが、特定のパラメータを用いることでシステムの挙動を把握し、散乱パラメータ（Sパラメータ）計算を適用できます。Sパラメータは複雑な複素数のように見えますが、単にネットワーク端口におけるRF信号の挙動を記述する手段です。これは2端口ネットワークを基盤とし、電力の反射量・伝送量・吸収量を決定します。 1. なぜSパラメータが必要なのか？ 低周波数では、電圧と電流が明確に定義されるため、オームの法則やキルヒホッフの法則を容易に適用できます。そこでシステムの特性を定義するために、Z、Y、H、Gなどのパラメータを使用します。しかし高周波数（数百MHz以上）では： 配線は分布インダクタンスと容量を持つ伝送線路のように振る舞います。電圧と電流はその伝送線路に沿って変化する。寄生成分と放射効果は大幅に増大し、唯一重要な要素となる。回路を乱さずに電流を直接測定することは困難......
FR4基板を使用したPCB設計ガイドライン
電気回路基板の設計においては、基板材料に関する考慮が不可欠である。これは、適切なPCB材料なしではプリント基板を製造できないという事実による。回路基板の開発・製造においては、銅層、シルク印刷、表面仕上げと同様に基板材料を考慮しなければならない。一般的に、PCB基板には磁器、マーロン、FR4などの非導電性材料を使用する必要があります。用途に応じて材料を選択できます。特定のコアや材料関連のパラメータが正しく選択されていない場合、回路が予期せぬ動作を示す可能性があります。本記事では、FR4がどのような用途に適しているかを学びます。これにより、特定のFR4 PCB設計に関する推奨事項がわかります。 FR4とは？ 難燃性4（Flame Retardant 4）またはFR4は、PCB製造に使用される材料のグレード指定です。主にガラス繊維を織り、エポキシ樹脂で密封したもので構成され、優れた電気絶縁性と機械的強度を提供します。FR4の「4」は、以前の難燃性材料との差別化を示しています。優れた特性により、現在最も広く使用されている材料です。FR4は20世紀半ば、繊維強化材料と合成樹脂が開発される中で誕生しました。 ......
FR4 vs ロジャース：どのPCB材料を選ぶべきか？
従来、メーカーは耐熱性に優れ、製造コストが低い材料を用いてPCB（プリント基板）を製造してきました。しかし、電子産業が高周波用途へと拡大する中、FR4だけでは不十分です。極端な温度にさらされない機器でも、RF（無線周波数）帯で動作する必要が生じる場合があります。RFが要求する過酷な性能条件に対応するため、PCBの最高の機能性を発揮するには、ロジャース社のような特殊材料が不可欠です。PCB設計における各種ビアの種類に関する最新記事をご覧ください。ロジャースの幅広いPCB材料ポートフォリオは、以下のような多様な用途での使用を可能にします： •5G NRミリ波アンテナ •衛星通信 •レーダーシステム •自動車用センサー •航空宇宙アビオニクス •高速データ通信 •試験計測機器 これらの最先端エレクトロニクス分野において、ロジャースのPCB材料が優れたソリューションとなる理由を探ってみましょう。 FR4とは： FR4は熱硬化性ガラス繊維強化エポキシ樹脂複合材です。これはほとんどのPCBの基盤となる伝統的な材料であり、難燃レベル4（Flame Retardant Level 4）の略称です。エポキシ樹脂とガ......
熱抵抗と性能におけるPCB基板材料の比較
プリント基板（PCB）は現代の電子機器に不可欠な部品であり、スマートフォンから医療機器に至るまで、多くのデバイスの基盤として機能しています。基板材料の選択はPCB設計において重要な要素であり、特にPCBのインピーダンス、熱抵抗、および全体的な性能に関しては決定的な役割を果たします。本記事では、FR-4、アルミニウム、セラミックという3つの一般的なPCB基板材料の熱抵抗と性能を比較し、PCBの熱性能を最適化したい設計者向けに推奨事項を提供します。また、その他の基板材料についても探求し、これらの材料が一般的に使用される応用例を追加で紹介します。 3つの一般的なPCB基板材料 FR-4基板材料 （Image credits: Jichangsheng Technology） （画像提供：Jichangsheng Technology） FR-4はPCB製造で広く使用される基板材料です。ガラス繊維織物と難燃性樹脂からなるエポキシ樹脂ベースの積層材料です。FR-4は優れた機械的強度と電気絶縁性を備えており、多くの用途で人気があります。しかし熱伝導率が比較的低いため、放熱能力に制限が生じます。 FR-4の熱性......
PCBレイアウトソフトウェアの理解：包括的なガイド
PCBレイアウトソフトウェアの理解：包括的なガイド プリント回路基板（PCB）設計は、回路設計と実際の実行の間のギャップを埋めるエレクトロニクス分野の基本的なプロセスです。 この方法は、エンジニアが回路図を実際のボードレイアウトに変換できるPCBレイアウトソフトウェアに大きく依存しています。この記事では、PCBレイアウトソフトウェアの価値、その主な特性、および要件に適したソフトウェアを選択する方法について説明します。 PCBレイアウトソフトウェアとは？ PCBレイアウトソフトウェアを使用すると、PCBの物理的なレイアウトを設計できます。エンジニアは、ボード上の電子部品を配置および配線して、電気的接続が正しく作成され、ボードが期待どおりに動作するようにすることができます。このソフトウェアは、コンポーネントの位置、トレースルーティング、電源およびグランドプレーンの設計を含む完全な設計を開発するのに役立ちます。 PCBレイアウトソフトウェアの主な機能 - 設計ルールチェック（DRC）： 設計ルールチェック（DRC）は、設計が製造および電気的ガイドラインに準拠していることを確認するために、PCBレイアウト......
PCB設計・開発におけるパッドとは
パッドは電子部品の足やリードの着地点として機能し、これらの部品をPCBに確実にはんだ付けできるようにします。パッドは銅が露出した小さな導電エリアで、部品と基板間の電気的および機械的接続を可能にします。トレースはパッドからPCB全体に配線でき、はんだ付けの際に部品のピンを所定の位置に固定するのにも役立ちます。パッドが重要な理由は以下の通りです： ・PCB上の部品とトレース間の強力な電気的接続を確保する。 ・部品を所定の位置に保持するための機械的サポート。 ・製造時の組み立てやはんだ付け工程を容易にする。 このブログでは、PCB設計で使用されるパッドの種類、基板の全体的な機能におけるパッドの重要性、PCBを設計しパッドを配置するためのベストプラクティスについて説明します。 PCB設計におけるパッドの種類 PCBパッドは長方形、円形、正方形など様々な形状の銅エリアを表します。PCB設計で一般的に使用されるパッドは主に2種類あります： スルーホールパッド（THT）： スルーホールパッド（THT）：従来のスルーホール技術で使用されるもので、部品のリード線がPCBに開けられた穴を通り、反対側ではんだ付けされま......