RF PCB 設計における後退と解決策

RF (無線周波数) PCB (プリント回路基板) 設計には多くの不確実性が存在するため、「ブラック アート」と呼ばれています。一般に、マイクロ波以下の周波数の回路（低周波や低周波デジタル回路を含む）に関して言えば、慎重なレイアウトは、すべての設計原理を習得した回路設計の最初の成功を保証します。ただし、マイクロ波以上の周波数および高周波 PC レベルのデジタル回路に関しては、2 ～ 3 バージョンの PCB で回路品質を確保できます。ただし、マイクロ波を超える周波数での RF 回路に関する限り、絶え間ない改善のために、より多くのバージョンの PCB 設計が必要です。そのため、RF 回路の設計には多くの困難が待ち受けています。

RF 回路設計でよく見られる問題

• デジタル回路モジュールとアナログ回路モジュール間の干渉

アナログ回路（RF回路）とデジタル回路が独立して動作している場合、それらが完全に動作する可能性が最も高くなります。しかし、それらが依存する同じ電源を使用して同じ回路基板上で混在するとすぐに、システム全体が不安定になる可能性があります.ナノ秒のスケール。振幅が大きくスイッチング時間が短いため、すべてのデジタル信号には、スイッチング周波数に依存しない高周波成分が含まれます。アナログ セクションでは、ラジオ同調ループからラジオ機器の受信機までの電圧は通常 1μV 未満です。したがって、ラジオ同調ループと RF 信号の差は 120dB に達する可能性があります。明らかに、デジタル信号と RF 信号がきちんと分離されていないと、微弱な RF 信号が損傷を受ける可能性があります。その結果、無線設備の稼働率が低下したり、機能しなくなったりします。

• 電源のノイズ干渉

RF 回路はノイズに非常に敏感で、特にグリッチ電圧やその他の高周波高調波に顕著です。マイクロコントローラーは、各内部クロック周期内で突然大部分の電流を吸収します。これは、最新のマイクロコントローラーはすべて CMOS 技術を適用して製造されているためです。したがって、マイクロコントローラが 1MHz の内部クロック周波数で動作し、その周波数で電源から電流を抽出するとします。適切な電源デカップリングが適用されていない場合、電源ラインに電圧グリッチが発生します。電圧グリッチが RF 回路の電源ピンに到達すると、重大な場合は障害が発生する可能性があります。

• 根拠のない GND

RF 回路の GND を無理に設定すると、おかしな結果になることがあります。デジタル回路設計に関して言えば、たとえ GND が利用できなくても、ほとんどのデジタル回路機能は優れた実装が可能です。ただし、RF に関する限り、短いグランド ラインでもインダクタと同等の役割を果たします。 1nH のインダクタンスは長さ 1mm に対応することが知られています。これに基づいて、長さ 10mm の PCB の誘導性リアクタンスは約 27Ω になるはずです。 GND が適用されない場合、ほとんどのグランド ラインが長くなりすぎて、回路が設計に基づいた特性を備えていません。

• アンテナによる他のアナログ回路への放射干渉

PCB レイアウト設計では、他のアナログ回路もボード上で使用できます。たとえば、多くの回路には、アナログ デジタル コンバーター (ADC) またはデジタル アナログ コンバーター (DAC) が含まれています。 RF送信機から送信された高周波信号は、ADCのアナログ入力端子に到達する可能性があります。これは、回路ラインがアンテナと同様にRF信号を送信または受信するためです。 ADC の入力端子が不適切に処理されている場合、RF 信号が ADC 入力の ESD ダイオード内で自己励起され、ADC 偏差を引き起こす可能性があります。

RF 回路設計の原則とスキーム

• RF レイアウトの定義

①ハイパワーアンプ(HPA)とローノイズアンプ(LNA)はできるだけ離す。簡単に言えば、高周波 RF 送信回路は、低周波 RF 受信回路から遠く離れて配置されます。
② PCB 基板の高周波領域では、少なくとも完全なグランドが利用可能である必要があり、スルー ホールを使用しないことが最善です。その上に置きます。銅箔の面積が大きいほど良い。
③ 回路と電源がデカップリングを通過することは同等に重要である。
④ RF 出力は RF 入力から遠く離れている必要がある。
⑤ 敏感なアナログ信号高速デジタル信号と RF 信号をできるだけ離す必要があります。

• 物理パーティションと電気パーティションの設計原則

パーティショニングは、物理パーティショニングと電気パーティショニングに分類できます。前者は主にコンポーネントのレイアウト、向き、およびシールドに関係しており、後者はさらに配電、RF ルーティング、敏感な回路、信号、およびグランドの分割に分類できます。

a.物理パーティションの原則

コンポーネント レイアウトの原則。コンポーネントのレイアウトは、優れた RF 設計に貢献する上で重要な役割を果たします。最も効果的な技術は、最初に RF 経路に沿って配置されたコンポーネントを修正し、それらの向きを修正して、RF 経路を最小限に抑え、入力を出力から遠ざけ、大電力回路と低電力回路をできるだけ分離することです。

PCBラミネーションの設計原理。最も効率的な回路積層方法は、メイン グランド プレーンを第 1 プレーンの下の第 2 層に配置し、RF トレースを第 1 プレーンに配置することです。 RF パスのスルー ホールのサイズは最小限に抑える必要があります。これにより、パスのインダクタンスが減少し、メイン グランドのコールド ソルダ ジョイントの数が減少します。さらに、ラミネーション内の他の領域に漏洩する RF エネルギーが少なくなります。

RF コンポーネントと RF 追跡原理。物理空間内では、多段増幅器のような線形回路はすべての RF 領域を分離できますが、デュプレクサ、ミキサー、および中周波増幅器/ミキサーは、複数の RF/IF 信号間の相互干渉につながることがよくあります。したがって、この種の影響は慎重に最小限に抑える必要があります。 RF/IF トレースを交差させ、その間にグランドを残す必要があります。正しい RF パスは、PCB の性能にとって非常に重要です。そのため、携帯電話の PCB 設計でコンポーネントのレイアウトに多くの時間が費やされます。

b.電気分割の原則

動力伝達原理。携帯電話のほとんどの回路の DC は通常非常に低いため、トレース幅を慎重に考慮する必要はありません。ただし、大電力アンプの電源は、伝送電圧を最小限に抑えるために、できるだけ幅の広い大電流のトレースを独自に設計する必要があります。過度の電流損失を避けるために、複数のスルー ホールを適用して、1 つのプレーンから別のプレーンに電流を伝送する必要があります。

ハイパワーデバイスのパワーデカップリング。ハイパワーアンプの電源端子で完全なカップリングができていないと、ボード全体にハイパワーノイズが放射され、多くの問題が発生します。ハイパワーアンプの接地は非常に重要であり、通常、その設計には金属製のシールドカバーが必要です.

RF 入力/出力分離の原則。ほとんどの状況では、RF 出力が RF 入力から離れていることを保証することも同様に不可欠です。これは、アンプ、バンパー、およびフィルターでも機能します。最悪の場合、アンプとバンパーの入力を、位相と振幅が一致した状態で入力端子に戻すと、自励振動が発生する場合があります。最良の状況では、あらゆる温度と電圧で安定して動作することができます。実際のところ、それらは不安定になり、ノイズや相互変調信号を RF 信号に追加する可能性があります。

全体として、RF 回路は分布定数回路による表皮効果とカップリング効果を特徴とし、低周波回路や DC とは異なります。その結果、回路設計が効果的かつ正確になるように、RF 回路 PCB 設計時に上記の問題を特に強調する必要があります。

役立つリソース
• RF およびマイクロ波 PCB 設計のガイドライン
• 無線周波数回路および電磁適合性のための PCB 設計
• PCBCart は無線周波数 PCB 製造サービスを提供します