5G展開における高周波データケーブルのCCA導体のコストメリット

CCAワイヤーの理解：構成と電気的特性

カッパーレイテッドアルミニウム（CCA）ワイヤーとは？

銅被覆アルミニウム（CCA）線は、アルミニウムの芯線の周りに薄い銅の被覆層を持つ構造になっており、製造業者にとって費用対効果と十分な導電性のバランスの取れた選択肢となっています。アルミニウムの芯線は、純銅製の代替品と比較して材料コストを大幅に削減し、外側の銅層は錆への耐性を高めるだけでなく、既存のシステムで一般的に使用されている通常の銅端子との互換性も維持しています。近年、特にネットワークエッジにおける予算重視の5Gインフラ構築において、より多くの通信会社がCCAを採用しつつあります。ただし、高周波域でのCCAの性能に関して、多くのエンジニアが現実的に直面する課題もあります。信号の完全性が最も重要となる用途にこの種の配線を導入する際には、必ず事前に試験や実際の運用環境での検証を行う必要があります。

電気的および物理的特性：CCA 対 純銅導体

純銅は100％IACS導電率を実現しますが、CCAはアルミニウムの高い抵抗率により約63％にとどまります。主な違いは以下の通りです：

• 重量 ：純銅に比べて、CCAは50～60％軽量であり、屋外や屋上での設置が容易になります
• 熱性能 ：アルミニウムの融点が低いため（660°C vs. 銅の1,085°C）、持続的な電力処理能力が制限されます
• 耐久性 ：ASTM B-566曲げ試験では、純銅に比べてCCAは25～30％高い疲労率を示します

高周波数用途における直流抵抗と信号完全性への影響

高周波数用途における直流抵抗と信号完全性への影響

IEC 60228規格に基づき、CCAの直流抵抗は純銅より55～60％高い値を示し、高周波数域では以下の要因によりその差はさらに広がります：

• 表皮効果 ：1GHzを超える周波数においては、電流は主に銅層内（0.006～0.008mmの深さ）を流れるため、アルミニウムの抵抗率の影響を一部軽減しますが、完全には解消しません
• 接続損失 : CCA ケーブルは 3 GHz で銅よりも 2.1～3.5 dB/100m の高い減衰を示します（TIA-568-C.2）
• インピーダンス安定性 : 潤滑な環境でのアルミニウムの酸化はインピーダンスの変動（±3～5Ω）を引き起こし、リターンロスを増加させます

これらの要因は、CCA を使用する 5G バックホールおよび小型セルネットワークにおいて、控えめなチャネル長計画を必要とします

5G データケーブルにおける CCA の高周波性能の課題

5G 周波数における CCA の信号損失および挿入損失

CCAワイヤーは、室温（TIA-568.2-D規格に基づく約20度セ氏）で測定した場合、純銅と比較して約28%高い直流抵抗を持っています。これは、特に信号がケーブル内をどのように伝送するかに大きな差を生じ、新しい5Gアプリケーションにおいては些細な差も重要になります。現場でのテストにより、CCAケーブルにおける挿入損失の問題が、銅製ケーブルと比較して明らかに深刻であることが一貫して示されています。中バンド5Gの性能に不可欠な約3.5GHzの周波数では、これらの損失が15〜30パーセントも高くなる場合があります。2023年のETSIからの最新の研究結果はさらに深刻な状況を示しています。それによると、6GHz以下のFR1インストールの約3分の2が、インピーダンスマッチングの問題やCCAベースのシステムでよく見られる厄介なリターンロス違反によって、チャンネル認証要件を満たすことができずに問題を起こしているとのことです。

表皮効果に関する議論：CCAの導電率の低さを相殺できるのか？

実際の試験結果によると、高周波数におけるアルミニウムの導電性の問題に関して、表皮効果という主張はそれほど説得力があるとは言えません。2024年にWireless Infrastructure Associationが行った28GHzミリ波周波数での制御された実験を見てみましょう。その結果では、複合銅合金ケーブルの方が、通常の銅線に比べて約22％も信号損失が多かったのです。また、このようなケーブルが高負荷で動作すると状況はさらに悪化します。問題は、使用中に温度が上昇すると、CCAが持つ著しく高い抵抗温度係数によって、抵抗がさらに増加してしまう点にあります。つまり、最大限の効率が求められるまさにその瞬間に、より多くのエネルギーが熱として失われるということです。

実際の導入環境におけるCCA性能に関するメーカーの主張の評価

独立テストでは、CCAをベースにした5Gケーブルのうち商用に使用されている37種類を調査した結果、約14％しか1年間屋外に設置した後でも当初の挿入損失仕様を満たしていませんでした。2024年のネットワーク素材研究によると、CCAを都市部の混雑した小型基地局ネットワークに設置する際、通常の銅線配線と比較して、ほぼ1.5倍の信号ブースターが必要になることが判明しました。そして、この追加機器の導入により、当初節約できたコストの約30％が相殺されてしまいました。これらの結果は、CCAを大規模に導入する前に製造業者が取るべき明確な行動を示しています。現場テストの際にTIA-5022規格に従うことを確実にすることです。

高密度5GインフラにおけるCCAケーブルのコスト優位性

高周波データケーブルにおけるCCAの素材コスト削減

純銅と比較して、銅張アルミニウムは材料コストを25～35％削減するとの2024年のネットワーク材料費分析結果があります。導体の断面積のうちアルミニウムコアが60～70％を占め、アルミニウム地金価格の安さを活かしながら表面導電性を維持しています。大規模な5G展開において、RF同軸用途で1メートルあたり7～12米ドルのコスト削減につながります。

5G小型セルおよびエッジネットワークにおける設置および重量の利点

重量を最大40％削減したCCAは、都市環境における複雑な5Gネットワークの設置を、関係者すべてにとってより迅速かつ安全に実現します。また、現場でのテストでも面白い結果が判明しました。CCAケーブルを使用することで、小型セル接続を担当する作業チームは、1日あたりに処理する作業量が約18％増加しました。実際に、重たいケーブルリールを屋上や電柱に持ち上げる作業が以前ほど負担ではなくなったため、納得できます。また、mmWaveアンテナについても見逃せません。軽量な素材のため、設置時に構造物の補強が必要でなくなり、コスト削減に繋がります。設置場所の条件や地域の建築規制にもよりますが、1ノードあたり240ドルから580ドルの費用削減が期待できます。

ライフサイクルコスト比較：5G展開におけるCCAと純銅の比較

CCAは初期コストを削減できますが、長期的な経済性は用途によって異なります：

CCAは、15～20年の交換サイクルがネットワークのアップグレードと一致する、ミッションクリティカルではないエッジノードでよく使用されます。一方、コアフロントホールリンクでは、高出力・高周波環境において無酸素銅の優れた性能があるため、通常無酸素銅が用いられます。

CCA使用における信頼性、耐久性および長期的なトレードオフ

CCA導体の機械的強度と疲労抵抗

CCAのアルミニウム芯は、引張強度が純銅に比べて30%低く、曲げ加工時に永久変形を起こしやすいという特性があります。これは、風による振動が発生する5G小型セル基地局や屋外設置において特に重要です。

CCAを使用する屋外5Gインストールにおけるガルバニック腐食のリスク

CCAケーブルに湿気が侵入すると、アルミニウム芯材と銅コーティングの間に化学反応が起こり、長期間にわたって電気化学的腐食が進行します。保護被覆のしっかりしたCCAケーブルは、通常の気象条件下であれば約20〜25年は耐えると考えられています。しかし、ASTM B117-2023規格に基づく実験室での試験結果によると、これらのケーブルが過酷な環境条件にさらされると、状況が大きく変わるといいます。保護措置の施されていないケーブルは、通常の銅線に比べて約15倍の速さで劣化することが確認されています。現地での実際の観測結果もこれを裏付けています。無被覆のCCAケーブルを使用した都市部の5Gインフラのうち、約5年後の運用時点で修理または交換を余儀なくされた事例は、5件に1件の割合に上っています。

ミッションクリティカルな5Gシステムにおけるコスト削減とネットワーク信頼性のバランス

材料コストが28～35％削減されたにもかかわらず、大半の5G事業者は重要なインフラでCCAの使用を制限しています。2024年の調査では、62%の事業者が非必須リンクでのみCCAを予約し、遅延に敏感で99.999%の稼働時間を必要とするバックホールネットワークには銅線を維持していることがわかりました。

CCAケーブルの業界規格、試験および適合性

関連する認証規格：TIA、UL、およびFlukeによるCCAの試験

CCAケーブルは、北アメリカおよびヨーロッパにおける電気的安全性に関して、ULおよびIECの両方の要件を満たす必要があります。さらに、RoHS適合などの環境関連規制もあります。TIA-568規格は確かにツイストペア配線システムの性能目標を定めていますが、正直に言えば、今日扱っている高周波ミリ波帯域においてCCA材料に関連するすべての問題を実際に網羅しているわけではありません。TÜV Rheinlandなどの試験機関は、挿入損失の試験や信号の完全性を確認しますが、実際にはこれらの試験の多くが、5Gの実環境において信号が実験室条件とは大きく異なる挙動を示すことまでは考慮していないのが現状です。

現在の規格は高周波数におけるCCAの性能を適切に評価していますか？

多くの認証フレームワークは、高周波特性よりも機械的耐久性を重視しており、パフォーマンス上の盲点を生み出しています。IEC 61156-5 のような規格は、CCA 特有の弱点を許容する挿入損失の上限値を定めており、24 GHzを超える周波数（アルミニウムの導電性欠陥が信号品質に大きな影響を与える領域）において信頼性を保証せずに適合性を満たすことを可能にしています。

適合性のパラドックス：なぜ CCA は規格との不一致にもかかわらず広く使われ続けるのか

CCAは、基本的な認証基準を満たしており、コストを25〜40％削減できるため引き続き人気があります。地域によって規制が異なるため、空中に光ファイバーを張る際など、重量が非常に重要になる場所においてもCCAを使用することが可能です。軽量な素材は、電気的性能の一部の不利な点を補う役割を果たします。高周波性能の厳しい要求がなく、価格が重要な要素となる多くの発展途上地域では、この傾向が顕著です。このような理由から、高品位な性能は求められないものの信頼性があり、予算を重視したソリューションが必要な5Gネットワークの一部分では、引き続きCCAが広く使用されています。

よくある質問

なぜ5GネットワークでCCA線材が使われるのか？

CCA線材はコストパフォーマンスに優れ、軽量であるため、都市部における5Gネットワークの設置において、予算と施工性が重要となる場面に適しています。ただし、導電性や高周波数での性能に関する妥協が必要になる場合があります。

CCA線の主な課題は何ですか？

主な課題には、直流抵抗が高いため信号損失が発生すること、湿気の多い環境で特に発生しやすいガルバニック腐食への脆弱性、引張強度が低いことによる空中設置での耐久性の低さが含まれます。

高周波用途において、CCAと純銅を比較するとどうなりますか？

5G用途に必要な高周波数において、純銅と比較してCCAは抵抗と信号損失が大きくなります。これにより、挿入損失やインピーダンスの不一致が増加するため、チャンネル長の計画に注意が必要です。

CCAワイヤーは業界規格に準拠していますか？

CCAワイヤーはULやIECなど多くの認証規格を満たしていますが、これらの規格は高周波性能よりも機械的特性に重点を置いているため、特定の用途において性能上のギャップが生じる場合があります。