誘電損失 — CAE用語解説

主に2つの場面だ。①高周波PCB（プリント基板）の信号損失評価——GHz帯の信号が基板（FR4等）の誘電体を伝播するとき、誘電正接（tan delta）が大きいほど信号が熱として失われる。5G基板設計では低損失誘電体（PTFE、低誘電正接材料）の選定がSI（Signal Integrity）設計の核心だ。②マイクロ波加熱・誘電加熱——電子レンジや工業用誘電加熱装置で、材料の誘電損失が発熱を生み出す原理だ。FEM電磁場解析でVolumetric Heat Source = sigma * |E|^2 + omega * epsilon_r * epsilon_0 * tan_delta * |E|^2 を計算する。

複素誘電率の虚部と実部の比だ。複素誘電率は epsilon = epsilon_r - j*epsilon_i と書けて、tan_delta = epsilon_i / epsilon_r だ。実部は電界エネルギーの蓄積を、虚部は損失（熱として散逸するエネルギー）を表す。FR4（標準PCB材料）の tan delta は1GHzで約0.02程度、低損失のPTFEは0.001程度——桁違いに違う。高周波信号が長い配線を伝わるとき、この差が信号品質に大きく効いてくる。

CSTやAnsys HFSSなどの電磁場FEMで材料の複素誘電率（epsilon_r と tan_delta）を設定する。ソルバーは誘電体内部の電場分布E(x,y,z)を計算して、発熱密度 P_loss = 0.5 * omega * epsilon_0 * epsilon_r * tan_delta * |E|^2 を出力する。この発熱分布を熱FEMに渡してCHT解析——電磁加熱の連成だ。COMSOL MultiphysicsのRF+Heat Transferモジュールはこれを一括で解ける。電子レンジの均一加熱設計や、マイクロ波プラズマ装置の設計に使われる。

かなり大きい。28GHz帯の5G信号では、FR4基板（tan_delta=0.02）の50cm配線での伝送損失は約-10dB以上——エネルギーの90%が熱になる計算だ。低損失材料（Megtron6、Rogers RO4000シリーズ、tan_delta=0.002〜0.004）に変えると損失が1/5〜1/10になる。材料コストは10倍以上になるが、信号品質と電力効率を確保するには必要だ。高速サーバー基板（112G PAM4信号）や車載レーダー（76-81GHz）でも同じ問題があって、基板材料と積層設計の最適化にFEM解析が不可欠だよ。