この記事で分かること
- インピーダンスとは：交流回路における電気の流れにくさを表し、抵抗だけでなく、コイルやコンデンサが周波数に応じて示す「見かけ上の抵抗（リアクタンス）」も含みます。直流の電気抵抗と異なり、周波数によって値が変化するのが特徴です。
- 6G向けの高周波フィルターに必要な要素：サブテラヘルツ/テラヘルツ帯への対応、高Q値による周波数選択性の向上、超低損失化、小型・高集積化、広帯域・多バンド対応、高い温度安定性が特に重要です。
6G向けの高周波フィルターに必要な要素
村田製作所は、6Gに向けた高周波フィルターの量産を進めていると発表しています。
https://www.nikkan.co.jp/articles/view/00754851
村田製作所が6Gを見据えた技術開発と製品化に積極的に取り組んでいることが伺えます。
前回は高周波フィルターとは何かやその構成についての解説でしたが、今回は、6G向けの高周波フィルターに必要な要素やインピーダンスとは何かについての記事となります。
高周波フィルターとは何か
高周波フィルターは、特定の周波数帯の信号を選び、不要な信号を遮断する電子部品です。携帯電話やWi-Fiなど、様々な電子機器の通信品質を保つ上で不可欠であり、5Gや6Gといった高速通信の要となります。
インダクタ（L）とコンデンサ（C）が持つ周波数によって抵抗値やインピーダンスが変わる特性や、回路の共振現象を利用します。これにより、特定の周波数帯の信号だけが効率良く通過し、それ以外の周波数帯の信号は阻止される仕組みです。
インピーダンスとは何か、電気抵抗との違いは
「インピーダンス」と「電気抵抗」は、どちらも「電気の流れにくさ」を表す概念ですが、対象とする電流の種類と、それに伴う特性に大きな違いがあります。
電気抵抗 (Resistance)
- 対象: 主に直流（DC）回路における電気の流れにくさを表します。
- 性質: 抵抗器などの抵抗成分そのものであり、周波数には依存しません。常に一定の値を示します。
- 原因: 物質内部での電子の流れを原子などが妨げることによって生じます。この妨げられるエネルギーは熱として消費されます。
- 記号: R
- 単位: オーム (Ω)
- オームの法則: V=I×R （電圧 = 電流 × 抵抗）
インピーダンス (Impedance)
- 対象: 主に交流（AC）回路における電気の流れにくさを表します。
- 性質: 抵抗（R）だけでなく、コイル（インダクタンスL）やコンデンサ（キャパシタンスC）が交流電流に対して示す「見かけ上の抵抗」である**リアクタンス（Reactance）**を含んだ、より広範な概念です。
- 抵抗 (Resistance): 電流と電圧の位相が同相の成分。エネルギーを熱として消費します。
- リアクタンス (Reactance): 電流と電圧の位相が90度ずれる成分。エネルギーを磁気や電気の形で蓄えたり放出したりするため、エネルギーを消費しません。
- 誘導性リアクタンス (XL): コイルが交流電流に与える抵抗成分。周波数が高くなるほど大きくなります。
- 容量性リアクタンス (XC): コンデンサが交流電流に与える抵抗成分。周波数が高くなるほど小さくなります。
- 原因:
- 抵抗成分（純粋な電気抵抗）
- インダクタンスによる誘導作用
- キャパシタンスによる静電作用
- 特徴: 周波数に依存して値が変化します。 コイルやコンデンサが含まれる交流回路では、信号の周波数が変わるとインピーダンスの値も変化します。
- 記号: Z
- 単位: オーム (Ω)
- オームの法則（交流版）: V=I×Z
違いのまとめ
| 特徴 | 電気抵抗 (R) | インピーダンス (Z) |
| 対象 | 主に直流回路 | 主に交流回路 |
| 周波数 | 依存しない（一定） | 依存する（変化する） |
| 構成要素 | 抵抗成分のみ | 抵抗成分 + リアクタンス成分 |
| 記号 | R | Z |
| 役割 | 電流を妨げる | 交流における電気の流れにくさ全般 |
簡単に言えば、電気抵抗は「直流における純粋な流れにくさ」であり、インピーダンスは「交流における抵抗と、コイルやコンデンサによる周波数に依存する見かけ上の抵抗（リアクタンス）を合わせた、より包括的な流れにくさ」であると言えます。
インピーダンスは交流回路における電気の流れにくさを表し、抵抗だけでなく、コイルやコンデンサが周波数に応じて示す「見かけ上の抵抗（リアクタンス）」も含みます。直流の電気抵抗と異なり、周波数によって値が変化するのが特徴です。
6G向けの高周波フィルターに必要な要素は何か
6G向け高周波フィルターには、5G時代以上に高度な技術が求められます。主な必要要素は以下の通りです。
超高周波数帯域への対応（サブテラヘルツ・テラヘルツ帯）
- 6Gでは、5Gのミリ波帯（数10GHz帯）をさらに超える、サブテラヘルツ帯（例：90GHz～300GHz）や将来的なテラヘルツ帯（0.3THz～10THz）の利用が検討されています。この極めて高い周波数帯で安定して動作し、目的の信号を正確に分離できるフィルターが必要です。
- 周波数が高くなるほど、信号の伝送損失が大きくなるため、フィルターの低損失化が非常に重要になります。
高Q値（Quality factor）
- Q値とは、フィルターの性能を示す指標の一つで、Q値が高いほど、特定の周波数帯だけを鋭く選択し、隣接する周波数帯への干渉を抑えることができます。6Gでは、より多くの周波数帯が密集して使われるため、高いQ値を持つフィルターが必須です。
広帯域化と多バンド対応
- 6Gは多様なサービスに対応するため、既存の周波数帯から新しい超高周波数帯まで、広範囲の周波数帯をカバーする必要があります。複数の周波数帯に同時に対応できる、広帯域かつ多バンド対応のフィルターが求められます。
小型化・高集積化
- 6G機器は、基地局からスマートフォン、IoTデバイスまで、様々な形状やサイズで展開されます。限られたスペースに多くの機能を詰め込むため、フィルターの極限までの小型化と、他の部品との高集積化が不可欠です。
温度安定性・信頼性
- 屋外の基地局から車載機器、ウェアラブルデバイスまで、様々な環境で使用されるため、広い温度範囲で安定した性能を発揮し、高い信頼性を持つことが求められます。
電力効率の向上
- 特にモバイル機器やIoTデバイスでは、バッテリー駆動時間が重要です。フィルターを含むRF（高周波）フロントエンド全体の電力効率を向上させることが、6Gデバイスの実用化に繋がります。
低コスト化
- 6Gの普及には、デバイスやインフラの低コスト化が重要です。高性能でありながらも、量産に適した製造プロセスや材料を採用し、コストを抑えることが求められます。
村田製作所が取り組んでいるXBAR技術などは、これらの要求に応えるための重要な技術の一つと考えられます。特に、テラヘルツ帯のような超高周波数では、従来のフィルター技術では対応が難しくなるため、新しい材料や構造、製造技術の開発が不可欠となります。
6G向け高周波フィルターは、サブテラヘルツ/テラヘルツ帯への対応、高Q値による周波数選択性の向上、超低損失化、小型・高集積化、広帯域・多バンド対応、高い温度安定性が特に重要です。
周波数が高くなるほど、信号の伝送損失が大きくなるのはなぜか
周波数が高くなるほど、信号の伝送損失が大きくなる主な理由は、以下の3つの現象が顕著になるためです。
表皮効果（Skin Effect）による導体損失の増加
- 交流電流は、導体の表面に近い部分を優先的に流れる性質があります。これを「表皮効果」と呼びます。
- 周波数が高くなるほど、電流が流れる導体の深さ（表皮深さ）が浅くなり、電流が流れる実効的な断面積が減少します。
- 結果として、導体の実効的な抵抗値が増加し、ジュール熱（抵抗による発熱）としてエネルギーが失われる「導体損失」が大きくなります。
誘電損失（Dielectric Loss）の増加
- 信号が伝送されるケーブルや基板の絶縁体（誘電体）は、高周波の電界にさらされると、その内部の分子が電界に追随して振動します。
- 周波数が高くなるほど、分子の振動が激しくなり、電界の変化に追随しきれなくなります。この分子の動きが熱エネルギーとして消費され、信号の減衰につながります。
- この現象を「誘電損失」と呼び、使用される誘電体の種類（誘電正接が大きいほど損失が大きい）や周波数に大きく依存します。周波数が高くなるほど、誘電損失は増加します。
放射損失（Radiation Loss）の増加
- 高周波信号は、電磁波として空間中に放射される性質を持っています。これは、信号がアンテナのように振る舞うことによって起こります。
- 周波数が高くなるほど、信号の波長が短くなり、ケーブルや回路パターンがアンテナとして機能しやすくなります。
- 結果として、本来伝送したい経路から電磁波としてエネルギーが漏れ出し、信号の減衰（放射損失）が発生します。特にシールドが不完全な場合や、回路パターンが適切に設計されていない場合に顕著になります。
これらの要因が複合的に作用し、周波数が高くなるほど信号の伝送損失が大きくなるのです。そのため、5Gや6Gのような超高周波通信では、これらの損失を最小限に抑えるための材料や設計技術が非常に重要になります。
周波数が高くなると、電流が導体表面に集中する表皮効果、絶縁体で熱として消費される誘電損失、そして信号が電磁波として漏れる放射損失が増加し、結果的に伝送損失が大きくなります。
表皮効果が起こる理由は何か
交流電流が導体の表面に近い部分を優先的に流れる現象を「表皮効果（Skin Effect）」と呼びます。これは、以下のように、直流電流とは異なる、交流電流特有の電磁誘導作用によって引き起こされます。
- 交流電流が磁場を生成する:導体に交流電流が流れると、その電流の周りに時間的に変化する磁場が発生します（アンペールの法則）。交流電流なので、この磁場の向きも強さも常に変化しています。
- 変化する磁場が誘導電流（渦電流）を生成する:この時間的に変化する磁場は、導体自身の内部を貫きます。ファラデーの電磁誘導の法則とレンツの法則により、変化する磁場は、その変化を打ち消そうとする方向に「誘導電流（渦電流）」を導体内部に発生させます。
- 渦電流と本来の電流の干渉:
- 導体の中心部: 導体の中心部では、周囲の電流によって発生する磁場が最も強く、その磁場の変化によって発生する渦電流は、本来流れている交流電流の向きとは逆方向になります。これにより、中心部では本来の電流が打ち消され、電流が流れにくくなります。
- 導体の表面付近: 導体の表面付近では、渦電流の発生が相対的に小さく、また、場合によっては本来の電流の向きを助ける方向に働くこともあります。そのため、電流が流れやすくなります。
- 周波数が高いほど効果が顕著になる:交流電流の周波数が高くなると、磁場の変化の速度も速くなります。これにより、発生する誘導起電力（電圧）と渦電流が大きくなり、中心部を流れる電流の「妨げられる」効果がさらに強まります。結果として、電流はより一層、導体の表面に集中するようになります。
このように、導体内部で発生する渦電流が、本来流れる交流電流の分布に影響を与え、周波数が高くなるほどその効果が顕著になることで、電流が表面に偏って流れる「表皮効果」が発生します。これが、高周波で伝送損失が大きくなる主要な理由の一つとなります。
交流電流が導体を流れると、時間変化する磁場が発生します。この磁場が導体内に「渦電流」を誘起し、導体中心部ではこの渦電流が本来の電流の流れを打ち消すように働きます。一方、表面付近では打ち消し効果が小さいため、電流が表面に集中します。周波数が高いほど、この効果は顕著になります。
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