高周波回路基礎と測定法を習得する実践設計講座

はじめに ― 製造業における高周波回路の重要性

製造業の現場において、高周波回路の設計や測定技術は年々その重要性が増しています。
IoT機器から自動車、産業用ロボット、エネルギーマネジメントシステムに至るまで、現代の製造業はかつてないほど“つながる”ことを求められています。
高周波回路はその“つながり”――すなわち通信やセンシング機能――を担保する基幹技術です。
しかし実際には、昭和時代から続くアナログ的な「経験則」の世界観が今も根強く残っており、本質や理論への理解が不足したまま“なんとなく”で運用されている現場も少なくありません。

この記事では、高周波回路の基礎から設計、測定まで、現場で本当に役立つ実践知を体系的に解説します。
また、調達やバイヤー目線の考え方、サプライヤーとしてバイヤーが気にしている点などにも触れますので、幅広い立場の方が“高周波回路の今”を掴める内容となっています。

高周波回路の基礎 ― アナログの壁を超えて

高周波回路とは何か

高周波回路とは、主に数MHz〜数GHzの周波数領域で信号を扱う回路のことを指します。
この領域に該当するのは無線通信（Wi-Fi、Bluetooth、LTEなど）、センサ回路、インバータ制御など多岐に渡ります。
高周波領域では、一般的な直流（DC）や低周波回路とは異なり「寄生インダクタンス」「寄生キャパシタンス」「伝送線路効果」などが顕著に現われ、回路基板のパターンや部品配置一つで性能が大きく変化します。

高周波現象の代表例

高周波回路特有の現象として、以下のようなものが挙げられます。

– 反射と定在波：伝送路の途中でインピーダンス不整合があると、信号が反射し、信号の一部が戻って定在波を形成します。
– クロストーク：隣接する配線同士の間で、意図しない信号の漏れ（結合）が発生します。
– EMI／ノイズ問題：高周波信号は容易に外部へ放射（EMI:電磁妨害）し、他の機器に誤動作を与える恐れがあります。
– スキューとジッタ：高速デジタル信号の場合、信号の時間的揺らぎやズレが問題化します。

これらの現象は従来の「アナログ感覚」のままでは把握しきれません。
適切な理論の理解と、確実な測定・解析が不可欠です。

高周波回路設計の実践ポイント

基板パターン設計の勘どころ

高周波回路設計の最大の肝は、基板パターン（プリント基板レイアウト）にあります。
よく言われるのは「パーツ配置より信号パス」「基板配線の長さと幅で特性が左右される」という点です。
具体的には以下のポイントを意識する必要があります。

– 伝送線路のインピーダンス整合（50Ωや75Ωなど）
– 信号ラインの最短・直線化
– グラウンド面の低インピーダンス化（全面グラウンド、ビアスティッチ、GND分割に注意）
– デカップリングコンデンサの配置最適化

よくあるミスとして「広いベタのギャップでGNDループができてしまう」「重要な高周波ラインが屈曲してクロストークが増えてしまう」などがあります。
経験値だけでなく、回路シミュレーションや電磁界シミュレーション（EMシム）も積極活用しましょう。

標準部品の選定と調達・コスト管理

バイヤー・調達担当者視点で高周波部品選定において大切なのは、特性規格の明確化とトレーサビリティの担保です。
たとえば「これまでの感覚でコンデンサを選ぶ」のではなく、
その容量許容誤差、自己共振周波数、Q値・SRF（自己共振周波数）を仕様書で定義し、外注先や社内向けに徹底周知しましょう。
さらに、複数社調達のリスクヘッジと、標準部品の共通化によるコストメリットの追求も外せません。

サプライヤー側の方には、バイヤーがなぜそこまで細かい規格や仕様を気にするのか？という“安心・品質・責任の証明”という側面を理解しておくことが望まれます。

実践的な高周波回路の測定法 ― 現場で使える定番＆最新手法

基本は「オシロスコープ＋スペクトラムアナライザ」

高周波回路の測定には、デジタルオシロスコープ、スペクトラムアナライザ、ネットワークアナライザが欠かせません。
実際の現場では以下のような用途で使い分けます。

– デジタルオシロスコープ：波形観測（時間領域）、立ち上がり・立ち下がり、ジッタ測定
– スペクトラムアナライザ：信号の周波数スペクトル解析、不要放射ノイズの確認
– ネットワークアナライザ：伝送特性（Sパラメータ）測定、インピーダンスマッチングの確認

設備投資が難しい場合でも、近年はUSB接続型や低価格モデルの計測器も登場しており、レンタル活用や「シェアード計測室」の運用も選択肢です。
測定の現場には「測定器の使いこなし」が必要不可欠です。
適切なプローブの選定、グラウンド接続の最適化、SMAコネクタやRFケーブルの整備状況といった細部まで目を光らせましょう。

測定時の落とし穴 ― 測定系自体の「正確さ」に注意

高周波測定では「測定行為」自体が信号の状態（特性）を変えてしまうことが少なくありません。
たとえば、
・プローブの持つ寄生成分による信号波形の歪み
・不適切なグラウンド接続によるループノイズ
・スペクトラムアナライザのリミットライン設定不足による“見逃し”
などが挙げられます。
測定器が「校正済み」であること、リファレンス測定点を決めておくこと、測定環境を一定に保つことなどが、信頼性向上のキーポイントです。

高周波設計に強い現場をつくる ― 知識継承と人財育成

高周波回路設計はブラックボックス化しやすく、“属人化”が大きなリスクとなります。
「なぜこの部品値なのか」「なぜこう配線したのか」という根拠をしっかり設計記録やレビュードキュメントに残す文化を醸成しましょう。
新人や若手への技術継承も、“手を動かしながら”理論と実践を結びつけて解説する機会が大切です。
マニュアルや社内Wiki、失敗事例集の共有なども有効な手段になります。

部門間連携と「全体最適」の視点を持つ

設計と生産管理、品質保証、調達といった各部門が“縦割り”のままでは、真の高周波回路力は育ちません。
たとえば設計から「このスペックが現場で再現できない」「品質管理で測定不適合が続発」などのギャップが生まれます。
部門横断のプロジェクト形式、共同レビュー、部品管理の一元化など、全体最適の意識づくりが今後の業界動向でも大きな鍵となっています。

おわりに ― 変化を恐れず“自分たちでやってみる”

高周波回路の分野は、古き良き経験則と新しい理論・技術がせめぎ合う“進化の現場”です。
昭和的なアナログ思考も大切にしつつ、その上に現代の電磁界理論、ICT、デジタル測定法を積み上げることで、世界水準の生産技術力につながっていきます。
ぜひ、この記事で紹介した実践設計・測定ノウハウを“現場の当たり前”として取り入れ、業界に一歩先の変革を起こしましょう。
バイヤーを目指す方、現場で設計や調達・品質管理に従事する皆様、そしてサプライヤー側の担当者の皆様にとって、“高周波回路技術”が武器となることを願っています。