最近5Gや6Gなどが注目される中で、伝送損失などの言葉も聞くことはあるのではないでしょうか。
しかしこれらの言葉を検索してもいずれも難しい言葉での解説ばかり….
このサイトでは「小学生で分かるぐらい簡単な解説」を提供していますので、是非一緒に学びましょう！
伝送損失とは、電気や光の信号が通信経路を通るときに弱くなってしまう現象のことです。
例えば、長い糸電話で話すと声が小さくなるのと似ています。
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伝送損失とは？1分で概要を理解しよう！
伝送損失は、信号が通信経路を通過する際に起こる「信号の弱まり」を表します。これは、長い水道管を通る水の勢いが弱くなるのと似ています。
伝送損失は通常デシベル（dB）で測定され、20dBの損失は信号強度が1/10に、40dBの損失は1/100に減少することを意味します
この損失を理解し最小化することで、より効率的な通信システムを設計できます。
例えば、ADSLでは伝送損失が大きいほど通信速度が低下するため、損失を考慮したシステム設計が重要です。
伝送損失が注目される理由
近年、伝送損失が注目されている主な理由は、高速通信技術の急速な発展と需要の増大です。
5Gやミリ波信号の普及に伴い、より高周波数帯域での通信が一般化しています。
これらの高周波数帯域では、伝送損失が顕著に増加し、通信品質や信頼性に大きな影響を与えます。
- データ通信量の急増：高画質動画やクラウドサービスの普及により、より大容量の通信が求められています。
- 高速通信の要求：5G、6Gなどの次世代通信規格では、低遅延・高速通信が不可欠です。
- エネルギー効率の向上：伝送損失の低減は、通信システムの消費電力削減にも直結します。
これらの要因により、伝送損失を最小限に抑える技術開発が急務となっており、低損失材料の開発や新たな伝送技術の研究が活発化しています。
伝送損失の種類 導体損失と誘電損失について
電気が流れるとき、エネルギーの一部が熱に変わってしまうことがあります。
これを「損失」と呼びます。損失には主に2つの種類があります：
- 導体損失（Conductor Loss）: 電気を通す金属の中で、電気が流れるときに生じる熱のことです。例えば、電気コードが長かったり細かったりすると、電気が通るときに熱が出てきます。これは、金属の中で電気が流れるときに抵抗があるためです。
- 誘電損失（Dielectric Loss）: 電気を通さない材料（絶縁体）の中で、電気の力がかかるときに生じる熱のことです。例えば、電子レンジはこの原理を使って食べ物を温めます。電気の力が絶縁体の中の分子を振動させ、その摩擦で熱が生まれます。
簡単に言うと、導体損失は電気を通す材料の中で起こる熱の損失で、誘電損失は電気を通さない材料の中で起こる熱の損失です。どちらも、電気を使うときにエネルギーが無駄になる原因となります。
伝送損失を最小限にするための取り組み
- 高品質な伝送媒体の選択:
- 概要: 信号を伝える媒体（ケーブルや基板）の材質や構造を最適化することで、伝送損失を低減します。
- 詳細:
- 低誘電率・低誘電正接材料の使用: 誘電損失を抑えるため、誘電率（εr）や誘電正接（tanδ）の低い材料を選択します。これにより、高周波数帯での信号減衰を減少させることが可能です。 Resonac
- 高導電率材料の採用: 導体損失を減らすため、銅や銀などの導電率の高い材料を使用します。これにより、抵抗によるエネルギー損失を抑制できます。
- 適切なパターン設計:
- 概要: 伝送路の設計を工夫し、信号の損失や歪みを最小限に抑えます。
- 詳細:
- 配線幅の最適化: 信号線の幅を広くすることで、導体の抵抗を減少させ、導体損失を低減します。ただし、過度に広げると他の問題が発生する可能性があるため、適切な幅の選定が重要です。
- 層構成の工夫: 多層基板において、信号層とグラウンド層の配置を工夫し、不要なクロストークや電磁干渉を防ぎます。これにより、信号品質を維持できます。
- インピーダンス整合の徹底:
- 概要: 伝送路と負荷のインピーダンスを一致させ、信号の反射や損失を防ぎます。
- 詳細:
- 特性インピーダンスの管理: 伝送路の特性インピーダンスを設計段階で適切に設定し、送信側と受信側のインピーダンスと一致させます。これにより、信号の反射を防ぎ、伝送効率を向上させます。
- コネクタや接続部の品質向上: 接続部でのインピーダンスの不整合を避けるため、高品質なコネクタや接続技術を採用します。これにより、信号の劣化を防止します。
- 信号増幅器の活用:
- 概要: 信号が減衰する前に増幅し、伝送損失の影響を補償します。
- 詳細:
- 中継アンプの設置: 長距離伝送時に中継地点で信号を増幅し、減衰を補います。これにより、信号品質を維持し、伝送距離を延長できます。
- リピーターの利用: デジタル信号の場合、リピーターを使用して信号を再生成し、劣化した部分を修復します。これにより、エラーの発生を防ぎます。
- 適切な接続技術の採用:
- 概要: 接続部での損失を最小限に抑えるため、高精度な接続技術を使用します。
- 詳細:
- 高品質コネクタの使用: 信号の反射や損失を防ぐため、特性インピーダンスが適切で、接触抵抗の低いコネクタを選択します。これにより、接続部での信号劣化を防止します。
- 精密なはんだ付け技術: 接続部の品質を確保するため、適切なはんだ付け技術を採用し、接触不良や不要なインピーダンス変化を防ぎます。
- 環境要因の管理:
- 概要: 温度や湿度などの環境要因が伝送損失に与える影響を管理します。
- 詳細:
- 温度管理: 高温環境では導体の抵抗が増加し、伝送損失が大きくなるため、適切な冷却や放熱設計を行います。これにより、安定した信号伝送を維持します。
- 湿度管理: 高湿度環境では絶縁体の特性が劣化し、誘電損失が増加する可能性があるため、防湿対策や適切な材料選択を行います。これにより、信号品質を保ちます。
これらの取り組みを総合的に実施することで、伝送損失を効果的に低減し、高品質な信号伝送を実現できます。
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