マイクロ波およびRFプリント基板設計における重要なガイドラインを理解する
キーワード: RFマイクロ波プリント基板
数十年前、RFマイクロ波プリント基板に対する需要はほとんどありませんでした。当時のアーキテクチャに組み込むことは困難であり、非常にコストのかかるプロジェクトでした。しかし、今日ではRF回路は多種多様な商業製品に詰め込まれています。携帯通信ユニットとして、これらのほとんどは、通信、産業、および医療アプリケーション向けのハンドヘルド無線デバイスです。デスクトップモデルから、アプリケーションはさまざまな分野に移行しています。RFおよびマイクロ波回路は、超高周波数と非常に高い周波数を捉えるものとして、ますます遍在するようになっています。
プリント基板には、ミックスドシグナルや純粋なデジタル技術以上のものが含まれており、高周波マイクロ波およびRFを含むサブアセンブリを設計する際、PCBレイアウト設計者はさらに多くの課題に直面します。
RFの周波数範囲は通常500 MHzから2 GHzで、RF設計は100 MHz以上のものです。2 GHzを超えるものはマイクロ波周波数範囲です。アナログおよび標準的なデジタル回路と、マイクロ波およびRF回路の間には、かなりの違いがあります。本質的に、RF信号は非常に高い周波数のアナログ信号です。したがって、デジタル信号とは異なり、RF信号は最大値と最小値の間で、任意の時点で任意の電流および電圧レベルに存在する可能性があります。
標準的なアナログ信号は、DCから数百メガヘルツの範囲であると想定されています。しかし、マイクロ波およびRF信号は、非常に高い周波数の搬送波上で、単一の周波数または周波数の帯域です。マイクロ波およびRF信号は特定の周波数で動作します。
マイクロ波およびRF回路は、特定の帯域内の信号を通過させるように設計されています。いわゆる対象帯域で信号を送信するために、バンドパスフィルターを使用します。信号の残りの周波数はフィルタリングされ、信号は周波数範囲内のこの帯域範囲を通過します。単一の帯域は非常に高い周波数の搬送波に乗せることができ、非常に広い場合も狭い場合もあります。
マイクロ波またはRFとPCB設計に関する問題
マイクロ波またはRF回路を含むPCBレイアウトは、ほとんどの場合設計が困難です。しかし、基本に忠実に従い、困難さに関わらず物理法則に従うことが経験則です。予め、マイクロ波信号はノイズに非常に敏感であり、PCB設計者はこれを認識しておく必要があります。発生する反射やリンギングの可能性には細心の注意を払って対処する必要があります。
例えば、PCB設計者は、1秒あたり10ギガビットまたはギガヘルツ範囲の非常に高速なデジタル信号を扱う場合、特定のルールやガイドラインに従わなければなりません。マイクロ波やRFがレイアウトに含まれる場合、PCB設計者は同じ考え方を持つ必要があります。RFは非常に高速なデジタル信号と比較してはるかに敏感であるため、その考え方を何倍にも増幅する必要があります。
第二に、RFにとってインピーダンス整合は非常に重要です。非常に高速であっても、デジタル信号にはある程度の許容範囲があります。しかし、RFマイクロ波プリント基板では、周波数が高くなるほど許容範囲は小さくなります。
第三に、リターンロスを低減する必要があります。リンギングや信号反射によって引き起こされるこの損失は、リターン電流によって取られる経路がリターンです。
リターン信号は、非常に高いマイクロ波周波数において最小インダクタンスの経路を取ります。この経路を提供するにあたり、信号の下にあるグランドプレーンは有効です。したがって、信号の下にあるプレーンには、ドライバからレシーバまで不連続点があってはなりません。しかし、グランドプレーンにカットがあったり、その配線の下にグランドが存在しない場合でも、信号は何とかしてドライバへの経路を見つけます。他のルートやプリント基板の多層構造を介して、電源プレーンを通り抜け、リターンパスを見つけるでしょう。しかし、そのような経路は理想的ではありません。もはやインピーダンス制御された信号ではなくなるため、リンギングや反射を引き起こします。
マイクロ波やRF回路を設計する際、プリント基板設計者はクロストーク要因にも留意しなければなりません。基板の密度やシステム性能が向上するにつれて、クロストークへの対処方法とその問題はより重要になります。シャント容量と相互インダクタンスにより、クロストークは隣接する導体間でのエネルギー転送です。被害線路上では、アクティブな線路からの結合エネルギーが重畳されます。
フォワードクロストークは、レシーバに向かって流れる結合信号で構成されます。バックワードクロストークは、ソースに向かって進む信号で構成されます。容量性結合と誘導性結合の和がバックワードクロストークであり、その差がフォワードクロストークです。高周波設計において、クロストークは主要な問題です。これは、アクティブ線路のエッジレートに直接比例するためです。
二本の線路が互いに平行に走る距離と、二本の線路の近接性も他の要因です。したがって、高速信号は可能な限り離して配線しなければなりません。理想的には、これらの信号に対するセンター間の距離は、配線幅の4倍です。
また、互いに平行に走る線路によって維持される距離を最小限に抑える必要があります。その基準プレーンと線路の間、またはコプレーナ構造を導入するなど、他の解決策には、誘電体間隔を最小化することが含まれます。トレース間にグランドプレーンが挿入されています。また、線路をその特性インピーダンスで終端することにより、クロストークを最大50%低減できます。
周波数は波長に反比例します。波長が短いほど周波数は高くなります。例えば、マイクロストリップFR4ベースのプリント基板上の1GHzにおける臨界長は、約0.425インチです。したがって、1GHzの信号を配線する場合、その全長は425ミルより長くなります。この配線はインピーダンス制御されなければなりません。臨界長は、伝送線路技術とプリント基板の材料にも依存します。
設計者は、RF回路を使用する際に、誘電率値やその変動、散逸係数などのラミネート特性を考慮する必要があります。高周波ラミネートと比較して、FR4はより高い散逸係数を持ちます。これは、FR4を使用する場合、挿入損失がはるかに高いことを示しています。これらの損失は周波数の関数でもあり、周波数が上昇するにつれて増加します。第二に、FR4のDk値は最大10%変動する可能性があります。これは、結果としてインピーダンスを変動させます。高周波ラミネートは、より安定した周波数特性を示します。
そして、Dk値自体があります。RFマイクロ波プリント基板回路に関しては、Dk値は回路素子のサイズと結びついています。したがって、より高いDk値を持つラミネートを選択することで、設計者は回路のサイズを小さくできる可能性があります。