'저항 손실'과 '유전 손실'

고속 전송 영역에 있어서, 전송로 등을 경유하면 왜 신호는 「감쇠해 버린다=작아져 버린다」일까요? 이번에는 신호 감쇠 중에서도 전기 저항에 의한 손실과 유전 손실 이라는 전송로 주변의 재질에 의존하는 손실을 테마로 이야기하고 있습니다.
최근 5G나 밀리미터파 신호의 보급을 배경으로, 다양한 「대응!」이라고 불리는 소재나 저손실 부재가 주목을 끌고 있습니다. 커넥터에 있어서도, 그러한 제품과의 매칭이나 설계·개발이 진행될 것으로 생각됩니다. 그렇다고 해서, 그러한 제품의 간단한 기술적인 배경, 왜, 그리고 무엇에 대해 뛰어난지를, 대략적으로 설명할 수 있으면 좋겠습니다.

왜 신호가 작아지는가?

왜 신호가 작아지는지 생각할 때, 이유는 두 개의 계통으로 나뉩니다.

이유 ① 반사 손실

첫 번째는 신호가 다른 방향으로 가 버리는 다른 신호로 변해 버리는 반사와 누화라는 현상. 특히 반사 손실은 커넥터에서는 아직도 지배적이며 현재 25Gbps 상당까지 고속 전송 대응하고 있는 당사의 제품에서는 이를 저감시키기 위한 특성 임피던스의 컨트롤이 고속 대응의 최대 과제가 되고 있습니다. 그쪽에 관해서는, 본 페이지내의 다른 기사 「「플로팅」과 「고속 전송」은 상반되는 요구?』에서 자세히 설명하고 있으므로, 참고해 주시면 다행입니다.

이유 ② 잃어버린 에너지는 열이 된다

두 번째는 신호의 에너지가 열에너지로 바뀌어 결과적으로 신호가 작아지는 현상입니다.
이것은

・도체의 전기 저항에 의존한 발열= 저항 손실
・주변의 재질(유전체)을 발열시켜 버리는 것으로 잃어버리는 현상= 유전 손실

두 가지로 나누어 생각할 수 있습니다. 우선은 아마 익숙한 깊은 편이 많다고 생각되는 저항 손실에서 이야기를 해 나갈 것입니다.

저항 손실에 대하여

저항 손실: 옴의 법칙

중학교에서 들었던 적이 있다고 생각합니다만, 「옴의 법칙」이라고 하는 정리가 있습니다. 전기 저항 = R에 전류 = I가 흐르면 그 전후에서 전압이 발생합니다. 그리고 전기 저항에서는 전력 = W가 소비됩니다. 각각의 관계가 옴의 법칙으로 아래 그림과 같습니다.

이 소비되는 전력은 전기 에너지가 다른 것으로 변환됩니다. 모터 등이라면 운동 에너지로, 콩 전구나 조명기구 등에서는 빛 에너지로 변환됩니다. 이것이 전기 저항에서는 "열"로 변환됩니다. 콘센트에 찔린 플러그측의 전선이 뜨거워지는 것은, 이 현상입니다. 혹은, 어린 시절에 건전지의 양단을 철사로 쇼트시켜 「뜨거워!」라고 놀은 적이 있는 분도 있을지도 모릅니다만, 그것도 이 현상입니다(위험하기 때문에 그만둡시다・・・). 이와 같이, 본래 신호에 사용되고 있던 에너지가 열로 변환되어 소비되어 버리는 것으로, 신호가 작아져 버리는 것입니다.

표피 효과라는 현상

그런데 전기 신호는 고주파에 갈수록 작아지기 쉬워집니다. 이것은 신호를 다루는 엔지니어는 실체 경험으로 체감되고있는 분도 많지 않을까요? 큰 요인 중 하나는 도체의 "표피 효과 "에 의한 저항 값의 증가입니다. 표피 효과란, 전기 신호를 전달하는 전류가 고주파에 가는 것에 따라, 도체 내부의 전자계에 의해 표면에 당겨져 버리는 현상을 부릅니다. 덧붙여서, 트리비아적인 내용이 될까 생각합니다만, 이계는 대학 등에서 배웠을 것이다 「이상 도체」라고 불리는 것, 저항치가 제로인 것은, 도체의 내부에 전자계가 존재하지 않기 때문에 표피 효과는 일어나지 않습니다. 실은 그러한 경우, 처음(직류의 단계)부터 도체의 표면 밖에 전류가 흐르는 것입니다. 그 때문에, 앞서 「도체 내부의 전자계에 의해 표면에 당겨져 버린다」라고 썼습니다만, 오히려 「도체 내부에 끌어들이는 힘이 약해진다」라고 표현하는 것이 옳을지도 모릅니다. 그리고 이 현상을 수식으로 하면 아래 그림과 같이 조금 복잡한 식이 됩니다. 이것은 조금 다루기가 어렵습니다 ...

표피 두께

다소는 알기 쉬워졌다고 생각합니다만, 아직 조금 복잡하네요. 그래서, 여기에서 대충 잡아 주셨으면 하는 3개의 포인트를 정리합니다.

① √f에 비례하여 표피는 점점 얇아진다 = 고주파로 저항값이 올라간다
② 전도도 하지만 높은 쪽이 그 정도는 크지만, 원래 고유저항값이 낮기 때문에 “가 온다”이다
③ 투자율이 높을수록 그 정도는 크다 = 자성 금속은 고주파에서의 저항이 오르기 쉽다

참고까지 도체로 자주 사용되는 구리의 경우 대략 표피의 두께는 1GHz에서 2μm, 10GHz에서 0.6μm입니다. 최근에는 계산 사이트 등도 충실하고 있으므로, 여러가지 계산해 보세요.

도체의 형상과 재질

여기서 조금 「고주파로 저항치가 오르기 어렵다」도체의 형상과 재질에 대해 생각해 봅니다.
먼저 모양에서. 통상의 경우, 「도체의 단면적이 크다=즉 굵은 도체 쪽이 저항값이 낮고, 전류가 흘러도 열이 나오기 어렵다=신호가 작아지기 어렵다」라는 점은 이해되고 있는 분도 많지 않을까 생각합니다. 같은 계통의 형상이면 굵은 쪽이 저저항이라는 것은 고주파에서도 변하지 않습니다. 한편, 앞의 항목에서 설명한 표피 효과에 의해 도체 표면에 전류가 치우쳐 가면서, 도체의 「단면적이 아니라 표면적이 큰 것이 유리」한 영역에 들어오고 있습니다. 아래 그림이 그 이미지도입니다.

단면적을 확보하기 쉬운 원선을 이용한, 이른바 전선류가 고속 전송에서는 유리하고 계속 있었습니다만, 요즘은 도체의 표면적을 벌기 쉬운 FPC/FFC에 분이 있는 케이스도 나오고 있습니다. 이 근처는 「고속 전송 솔루션」의 「25Gbps 대응 플로팅 기판 대 기판 커넥터(BtoB)」에서도, FFC를 이용한 25Gbps 대응 솔루션에 대해 접하고 있으므로 꼭 보시면 좋겠습니다.

자성인 니켈 도금

또 「표피의 두께」로, 「자성 금속은 고주파에서의 저항이 오르기 쉽다」라고 정리했습니다. 구체적으로 말하면, 니켈 도금 등은 고주파에서의 「긴 전송로로부터 순서대로」 취급이 어려워지고 있습니다. 내식성이 뛰어나 각종 기초 도금으로서도 유효한 니켈 도금, 커넥터에서도 금 도금의 기초는 거의 니켈 도금입니다. 부분 금도금이라면 대체로 부분의 재외층은 니켈이 되어 상당한 고주파에서는 실질 거기밖에 전류가 흐르지 않게 되어 있습니다. 즉, 더 이상 모재는 관련없는 영역으로 들어가고 있습니다.
그러나 다행히 당사가 취급하고 있는 커넥터의 사이즈감으로는 아직 문제가 되지 않고, 처음에 말했듯이 「특성 임피던스의 컨트롤」이 싸움의 장이 되고 있습니다. 한편 장래적으로, 예를 들어 수백 Gbps~Tbps 전송당까지 전기 커넥터가 견딜 필요가 있었을 때에는, 최표면의 저저항 금속 도금을 실시하거나, 무자성의 니켈린 등의 도금으로 이행해 가는 일도 있다고 염두에 두면서 제품 개발을 진행하고 있습니다.

같은 전력이라면 전류는 적은 편이 좋다? (고압선 등)

조금 포인트를 바꾼 이야기를 해보고 싶습니다.
가정의 콘센트에 보내지는 100V의 전원 공급 때문에, 밖에 나오면 「고압 전선」이라고 하는 것을 보거나 들었던 적이 있다고 생각합니다. 발전소에서는 수만 볼트라는 매우 높은 전압으로 발전합니다. 그대로는 쓰기가 나쁘고 위험하므로 전압을 떨어뜨려 가지만 변전소에서는 6600V까지밖에 떨어지지 않습니다. 그것을 각 가정 직전에 전주 위에 있는 변전기로 드디어 100V까지 떨어뜨리는 것입니다. 6600V라고 하는 것은, 아직 위험한 것 같고, 안전 대책에 비용도 걸리고 있을 것이고, 송전선의 사고도 아직 제로가 아닙니다. 그렇다면 더 빨리 100V에 떨어뜨리는 것이 좋지 않을까 생각하는 분이 있을지도 모릅니다. 그러나 어느 정도 높은 전압 그대로 보내주지 않으면 안되는 확실한 이유가 있습니다. 왜냐하면 같은 전력을 보내려고 했을 경우, 「저전압」이라면 「보다 큰 전류」를 보내야 하기 때문입니다. 다시 옴의 법칙 W(전력)=V(전압)×I(전류)의 이야기가 됩니다. 전류가 크면 송전시에 손실되는 에너지도 커집니다.
아래 그림을 참조하십시오. 송전선을 비롯해 모든 기기에서 전력 공급하는 전선도 기판의 트레이스도 「전기 저항」을 가지고 있습니다. 그래서 손실되는 에너지는 저항 손실의 항목에서 설명한 대로 R×I2가 됩니다. 즉, 전류가 적은 쪽이 손실되는 에너지가 작다, 즉 고전압으로 전력을 보내는 쪽이 손실이 작습니다.

전동화 속에서, 특히 유럽에서 하이브리드차의 배터리 전압을 12V→48V로 하는 흐름이 있었습니다. 이것도 이 내용을 반영하고 있습니다(보다 고압인 편이 좋을 것 같습니다만, 선재 등의 안전 규격상의 과제・사용성으로, 48V가 밸런스가 좋았던 것 같습니다).
그럼, 이것이 고주파의 세계에서는 어떻게 되는지를 조금 설명해 보겠습니다.

전송로를 흐르는 전류 = 특성 임피던스

고주파의 세계, 고속 전송인 선로를 흐르는 전류와 전압의 밸런스는 그 선로의 구조와 재질에 의해 결정됩니다. 이 때의 비, 전압/전류야말로 특성 임피던스라는 파라미터가 됩니다. 좀 더 자세한 내용은, 「『플로팅』과『고속 전송』은 상반되는 요구?』로 하고 있으므로, 그쪽도 참조하실 수 있으면 기쁩니다. 같은 신호 에너지를 보내려고 할 때, 특성 임피던스가 높은 쪽이 흐르는 전류값은 작아집니다. 그렇다고 하는 것은, 특성 임피던스가 가능한 한 높은 쪽이 저항 손실은 작게 할 수 있을까요? 조금 번거로운 말을 하면, 이것은 조금 정답입니다만, 대근에서는 잘못되어 있습니다. 조금 정답으로 한 것은, 같은 저항값의 도체를 가지는 경우에는 정답입니다. 다만, 특성 임피던스를 크게 하려고 하면, 같은 도체를 가지고 있는 경우 「보다 큰 공간」이 필요하게 되어 버립니다. 반대의 말을 하면, 한정된 공간 내에서 「보다 큰 도체 = 보다 저항값이 낮은 도체 = 저손실인 것」을 취하려고 하면 특성 임피던스를 점점 낮추어 나가지 않으면 안됩니다.
이쪽도 전술의 「『플로팅』과『고속 전송』은 상반되는 요구?』에서도 설명하고 있습니다만, 아래 그림이 커넥터에 있어서 특성 임피던스를 올리거나 내리는 요소를 간단히 정리한 것입니다.

「오른다」의 요소는 공간을 크게 사용하거나, 도체를 작게 하는 것이 필요한 것을 봐 받을 수 있을까 생각합니다. 저항 손실 전력은 R×I2이므로, R을 올리면 I가 오른다는 트레이드 오프의 관계군요.
그럼 저항 손실은 특성 임피던스로 최적화할 수 없는가 하면 실은 「딱 좋은 곳=극소가 되는 곳」이 있습니다. 동축 케이블이라고 하는 것이 있습니다만, 메인에서는 50Ω과 75Ω의 2 계통이 있네요. 사실 그것은 각각의 조건하에서 최적해의 임피던스입니다. 특성 임피던스는 절연물의 유전율에도 의존하기 때문에, 절연물에 폴리에틸렌을 사용한 경우를 잘라내는 곳에서 50Ω, 절연층이 공기라면 75Ω, 그렇게 2 계통의 동축 케이블의 표준이 되어, 그 특성 임피던스는 동축 케이블을 넘어 오늘 매우 인기가 되고 있습니다. 어쨌든 특성 임피던스는 전후의 관련 연결과 일치해야합니다. 그리고 현재의 고주파에서의 용도에서는, 디팩트화하고 있는 특성 임피던스의 선택은 저항 손실의 저하·최적화의 관점에서도 밸런스가 좋은 것으로 되어 있으므로, 너무 이 근처에서 독자성을 낼 필요도 없다고 생각합니다.

그런데, 저항 손실에 관련된 화제는 일단 이 근처에 하고, 유전 손실에 이야기를 옮기고 싶습니다.

유전 손실에 대해

유전 손실 : 전자 레인지로 따뜻하기 쉬운 재료는 안됩니까?

저항 손실 이외에 절연체로 에너지가 열로 변해 버리는 손실도 있어, 이러한 현상을 유전 손실이라고 부릅니다. 어떤 현상인지 간단히 설명하겠습니다. 고주파의 전계에서는 재료 분자가 흔들리고 발열합니다만, 핀 때도 있을지도 모릅니다만, 그것이 전자 레인지의 구조와 함께군요. 그런데, 전자 레인지로 가열했을 때, 따뜻해지기 쉬운 것과 따뜻해지기 어려운 것이 있네요. 플라스틱 가방이나 트레이를 레인지 가열에 사용하는 경우, 가방, 트레이 그 자체가 따뜻해지거나 그렇지 않다는 것을 실체험으로 느껴지는 분도 있는 것은 아닐까 생각합니다. 그리고 고주파의 전기 신호를 흘리는 전송로의 절연체에서는, 좀 더 마일드입니다만 전자 레인지 안과 같은 것이 일어나고 있습니다. 그 때문에, 전자레인지로 따뜻해지기 쉬운 재질을 전송로의 절연체에 사용하고 있으면, 신호 에너지의 손실이 커져 버립니다. 그 근처의 이야기를, 자세히 하고 싶습니다.

감쇠 상수와 유전 손실, 유전 탄젠트는 재료와 주파수에 의해 결정됩니다.

칼럼에서는 가능한 한 야한 계산식은 사용하지 않게 하고 있습니다만, 이번은 최초로 조금만 야한 녀석을. 머리가 아파질 것 같은 분은, 이 항목은 살짝 읽어 날려 주세요. 전송선로의 해석을 끊는 방법으로서 「분포정수회로」라고 하는 것이 있습니다. 대잡하게 실용적인 해석으로 설명하면, 전자기학적 현상을 전기 회로적 어프로치로 해석해 버리는 것으로, 신호의 작아지는 방법=감쇠 정수는 다음과 같은 식으로 표현됩니다.

α=R/2x√(C/L)+G/2x√(L/C)

이 중 제2항의 「G/2x√(L/C)」가 유전 손실에 해당합니다. RLCG는 각각 전송선로의 R=저항 성분, L=인덕턴스 성분, C=커패시턴스 성분, G=컨덕턴스 성분이라고 불립니다. 여기서 곡자는 G의 컨덕턴스 성분으로, 고주파에서는 G=tanδ×ωC라는 관계가 이루어집니다. 여기에서 온 tanδ가 유전정접이라고 불리는 파라미터로, 재료 고유의 전자레인지에서의 따뜻함의 용이함을 나타내는 파라미터입니다. 이것을 근거로 한 다음 변형하면

tanδ×ω×C×√(L/C)/2=1/2×tanδ×ω√(LC)

또한√(LC)는 √ε _trueç재료의 (참) 유전율과 상당히 제한없이 동일하기 때문에

1/2×tanδ×ω×√εtrue

됩니다. (참) 유전율로 한 것은, 재료의 유전율은 공기의 유전율과의 비를 취한 「비유전율」이 실용상 많이 사용되고 있어, 단순히 유전율이라고 불리는 것이 정착하고 있기 때문에, 학술적(?)인 본래의 유전율인 상기를 (진)으로 보았습니다(레서 팬더와, 자이언트 팬더) ω는 각주파수=2πf=주파수를 2배로 하여 원주율을 곱한 것입니다. 그렇다고 하는 것은, 유전 손실은 재료마다의 고유치인 유전 정접과 유전율과 주파수 밖에 의존하지 않고 정해져 버립니다. 크기 등의 구조적인 요건이 없네요.

고속전송과 저유전재의 보급

전항에서 알 수 있듯이 유전 손실은 주파수 비례입니다. 반면 저항 손실은 '표피 두께' 섹션에서 언급하지만 √f = 주파수의 1/2승에 비례합니다. 주파수가 낮은 곳에서는 저항 손실이 지배적이지만, 주파수가 올라갔을 때의 커지는 쪽이 유전 손실 쪽이 현저해지기 때문에, 각종 부품으로 대응이 필요한 전송 속도가 10Gbps를 넘어 온 현재는 따라잡아 추월해, 유전 손실 쪽이 심각한 과제가 되어 왔습니다. 전항대로 유전정접(비례), 유전율(1/2승에 비례) 모두 낮은 것이 유전손실을 작게 할 수 있습니다. 직접 영향으로는 유전 정접 쪽이 크지만, 유전율 쪽은 낮아지면 그 안쪽의 금속을 크게 사용할 수 있다(특성 임피던스)라는 점에서 저항손의 저하에도 공헌하기 때문에 양쪽이 똑같이 중요한 파라미터입니다. 이러한 배경으로, PCB에서는 종래의 FR-4로 바뀌는 다양한 저유전 기판재가 개발되고 있습니다. 구조적, 또 내프로세스의 특성을 유지하면서 저유전이라고 하는 곳에서 각사 시노기를 깎고 있다고 묻고 있습니다. 또, FPC에서는 종래재의 PI(폴리이미드)보다 훨씬 저유전 정접/저유전율의 LCP 타입, 나아가 초저손실인 PTFE에 의한 것이 개발되어 왔습니다.

고속 전송용 FFC와 그 커넥터

마지막으로

해마다 고속 전송과 관련된 부품과 소재의 발전이 눈에 띄고 있습니다. 당사가 개발하고 있는 커넥터류도, 서두에서 접하고 있습니다만 특성 임피던스 일점 돌파의 성능 향상으로부터, 서서히 저항 손실, 유전 손실의 저하를 의식하는 스테이지에 들어가고 있습니다. 고속화가 한층 더 진행되면, 표피 효과에 의해 금속 표면의 「부드러움」의 영향이 현저하게 나올 수도 있고, 저유전재의 개발은 한층 더 진행해 갈 것이라고 생각합니다. 그런 시대가 와도 "확실히 연결"할 수있는 제품을 개발하여 고객의 근원에 전달할 수있는 일리소 전자 IRISO 되고 싶습니다!

여기에 당사의 고속 전송 커넥터에 대한 다양한 대처를 게재하고 있습니다. 꼭 봐 주세요.