高周波伝送線路 完全ガイド — Microstrip/Stripline/CPW/SIW 比較
高周波 PCB 設計、5G/Wi-Fi モジュール、レーダ、衛星通信などで使用する伝送線路の選定は、周波数、損失、製造コスト、放射干渉の 4 軸で決まります。本ガイドではマイクロストリップ、ストリップライン、コプレナーガイド (CPW)、SIW（基板集積導波路）、同軸線路の 5 種類を整理し、FR-4 基板での 50Ω 線路設計例とともに使い分けを解説します。
伝送線路 5 種類 比較表
| 線路 | 周波数 | 損失 | 特徴 | 該当ページ |
|---|---|---|---|---|
| Microstrip | DC〜30 GHz | 中（放射損失あり） | 片面構造、製造容易 | マイクロストリップ |
| Stripline | DC〜40 GHz | 低（放射ゼロ） | 多層、グランド挟込み | ストリップライン |
| CPW (Coplanar Waveguide) | DC〜100 GHz | 中 | 片面、GND バイア最小 | コプレナー線路 |
| SIW (Substrate Integrated Waveguide) | 10〜300 GHz | 低 | 導波管を基板内に埋込 | SIW |
| 同軸 (Coaxial) | DC〜60 GHz | 非常に低 | 独立部品、コネクタ接続 | 同軸線路 |
選定フローチャート
- 動作周波数は？
- 〜10 GHz → Microstrip or Stripline
- 10〜30 GHz → Stripline 推奨（放射損失抑制）、Microstrip も可
- 30〜100 GHz → CPW or SIW、低損失基板（Rogers 4350, PTFE）必須
- >100 GHz → SIW、矩形導波管
- 基板コスト要求は？
- 低コスト（民生品） → Microstrip + FR-4（3 GHz まで）
- 中コスト → Microstrip + Rogers 4003C（10 GHz 程度）
- 高性能 → Stripline + 多層 + Rogers 5880
- 近接配線との干渉は？
- 密集 PCB → Stripline（電磁界が基板内に閉込め）
- 余裕あり → Microstrip でも可。隣接配線とは 3W ルール（線路幅の 3 倍空ける）
- 表面実装デバイス (SMD) 接続が必要？
- はい → Microstrip or CPW（表面アクセス容易）
- いいえ → Stripline（多層内部）
- 独立伝送（モジュール外接続）？
- 同軸ケーブル（SMA, N コネクタ）
特性インピーダンス計算式
1. Microstrip（Hammerstad-Jensen 近似）
$$ Z_0 = \frac{60}{\sqrt{\varepsilon_{eff}}} \ln\left( \frac{8h}{w} + \frac{w}{4h} \right) \quad (w/h \leq 1) $$
$$ Z_0 = \frac{120\pi}{\sqrt{\varepsilon_{eff}} [w/h + 1.393 + 0.667 \ln(w/h + 1.444)]} \quad (w/h > 1) $$
$h$ は基板厚、$w$ は線路幅、$\varepsilon_{eff}$ は実効比誘電率（空気と基板の混合）。
実例 [FR-4 基板, h=1.6mm, ε_r=4.4, 50Ω 設計]:
- w/h = 1.93 → w = 3.1 mm（オリジナル H-J 計算）
- 実効比誘電率 ε_eff ≒ 3.3（空気側で低下）
- 波長 λ_g = λ_0 / √ε_eff = 3.0e8/(2.4e9·√3.3) = 68.7 mm（2.4 GHz）
- 誘電体損失 tanδ = 0.02 で 1 m あたり 0.2 dB の伝送損失
薄基板の場合 [h=0.2mm, ε_r=4.4, 50Ω]: w = 0.38 mm（薄いほど線路幅が狭くなる）
2. Stripline（多層）
$$ Z_0 = \frac{60}{\sqrt{\varepsilon_r}} \ln\left( \frac{4 b}{0.67 \pi w} \right) $$
$b$ は両グランド間隔、$w$ は線路幅。Microstrip より少し線路幅が広くなる傾向。
3. 同軸線路
$$ Z_0 = \frac{60}{\sqrt{\varepsilon_r}} \ln\left( \frac{D}{d} \right) $$
$D$ は外導体内径、$d$ は内導体外径。エアー誘電体 (ε_r=1) で D/d = 2.30 → 50Ω。
4. 伝送損失（誘電体 + 導体）
$$ \alpha_d = \frac{\pi \sqrt{\varepsilon_r} \tan\delta}{\lambda_0} \quad [\text{Np/m}] $$
$$ \alpha_c = \frac{R_s}{Z_0 w} \quad [\text{Np/m}] $$
$R_s = \sqrt{\pi f \mu / \sigma}$ は表面抵抗（銅で 10 GHz: 0.026 Ω/sq）。
主要基板材料の比較
| 基板 | ε_r @ 1 GHz | tan δ | 用途 | 相対コスト |
|---|---|---|---|---|
| FR-4 | 4.4 | 0.02 | 汎用（〜3 GHz） | 1× |
| Rogers 4003C | 3.38 | 0.0027 | 5G, Wi-Fi（〜10 GHz） | 5× |
| Rogers 4350B | 3.48 | 0.0037 | 基地局アンテナ | 6× |
| Rogers 5880 (PTFE) | 2.20 | 0.0009 | レーダ、衛星（〜40 GHz） | 10× |
| アルミナ (Al2O3) | 9.8 | 0.0001 | MMIC, ハイブリッド IC | 20× |
| LTCC | 5.6〜7.5 | 0.001〜0.005 | 多層・小型化（〜80 GHz） | 15× |
5G / Wi-Fi 設計の実例
| アプリ | 周波数 | 推奨線路 | 推奨基板 |
|---|---|---|---|
| Wi-Fi 6 (2.4/5 GHz) | 2.4, 5 GHz | Microstrip | FR-4 or Rogers 4003C |
| Wi-Fi 6E / 7 | 6 GHz 帯 | Microstrip + GND バイア | Rogers 4003C |
| 5G NR Sub-6 | 3.5, 4.9 GHz | Microstrip / Stripline | Rogers 4003C / 4350B |
| 5G NR mmWave | 28, 39, 60 GHz | SIW + CPW | Rogers 5880 / LTCC |
| 車載レーダ | 77 GHz | SIW | Rogers 5880 / 6010 |
| 衛星 (Ku/Ka 帯) | 12〜40 GHz | Stripline / SIW | Rogers 5880 |
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設計でよくある失敗
- FR-4 を 6 GHz 以上で使う: 損失 0.5 dB/cm 超に達し、伝送効率激減。Rogers に変更必須
- 表面実装パッドで Z₀ 不整合: パッド寄生容量で Z₀ 低下、戻り損失悪化。テーパ設計で緩和
- 銅箔粗さの影響無視: 標準箔（Ra=2μm）と Reverse-Treated 箔（Ra=0.5μm）で導体損失が 2 倍違う
- マイクロストリップに GND ホール不足: 隣接配線間で電磁干渉。両側に GND バイアフェンス
- 同軸変換コネクタの不整合: SMA 不適切締付（規定 0.6 N·m）で VSWR 1.5 以上
規格・標準
- IPC-2141: 高周波 PCB 設計ガイドライン
- IEC 61169: 同軸コネクタ規格
- MIL-STD-348: 米軍 RF コネクタ
- 3GPP TS 38.104: 5G NR 無線特性
- IEEE 802.11: Wi-Fi 各規格