RFおよびマイクロ波設計のガイドライン
RFおよびマイクロ波回路は現在、電子産業全体で最も一般的なPCB設計の一部であり、通常の回路よりも高い周波数をキャプチャする能力が認められています。以前はコストがかかりすぎて軍事および航空宇宙産業以外のものを作ることができませんでしたが、RFおよびマイクロ波回路は現在、さまざまな商用および専門製品、特に携帯電話、衛星放送局、ワイヤレスネットワークなどのワイヤレス通信デバイスに不可欠な部品です。ただし、周波数が高くなると、設計上の課題が増えます。
これらの高周波RFおよびマイクロ波回路を確実に成功させるには、サプライヤはPCBのいくつかのRFおよびマイクロ波設計手法を検討する必要があります。
RFおよびマイクロ波PCBの基本
RFおよびマイクロ波PCBを説明する最も簡単な方法は、RFまたはマイクロ波信号を伝送するコンポーネントが含まれていることです。これらの信号は周波数が異なり、周波数の違いにより、RFPCBとマイクロ波PCBおよびその他のPCBタイプ間のコンポーネントの違いが決まります。ただし、RFおよびマイクロ波周波数の基本を理解することは、RFPCB設計およびマイクロ波PCB設計を理解するための最初のステップです。
本質的に、電子信号は時間とともに変化し、ある種の情報を伝達する量です。変化する量は通常、電圧または電流です。これらの信号は、オーディオ、ビデオ、エンコードされたデータなどの情報を送受信する方法としてデバイス間で受け渡されます。これらの信号は多くの場合ワイヤーを介して送信されますが、無線周波数（RF）波によって空中を通過することもできます。
これらの無線周波数波は3kHzから300GHzの間で変化しますが、実用性のために小さなカテゴリに細分されています。これらのカテゴリには、次のものが含まれます。
- 低周波信号： これらは、ほとんどの従来のアナログコンポーネントによって処理される信号であり、最大50MHzの周波数の信号が含まれています。
- RF信号： 無線周波数（RF）信号は技術的には広範囲の信号周波数をカバーしますが、回路設計者はこの用語をより狭い範囲で使用します。このフィールド内では、RF信号周波数は通常50 MHz〜1GHzの範囲です。これらは、AM/FM送信で使用されるのと同じ信号周波数です。
- マイクロ波信号： マイクロ波信号は、1GHzを超える周波数を特徴としています。これらの信号の上限は約30GHzです。これらは、電子レンジで食品を調理するために使用されるのと同じ電子レンジです。また、非常に高い帯域幅の信号を通信するためにも使用されます。
上記の信号はアナログ信号のカテゴリに分類されますが、RFおよびマイクロ波信号は従来のPCB設計で使用されるほとんどの標準的なアナログ信号よりも大幅に高くなっています。アナログ信号は本質的にデジタル信号とは異なり、カテゴリごとに信号を処理するために異なるコンポーネントが必要です。これらの信号については、以下で詳しく説明します。
- アナログ信号： アナログ信号は時間の経過とともに連続的に変化し、グラフでこの信号を見ると、滑らかな波として表示されます。この波では、最大値と最小値の限られた範囲内で、無限の数の値の可能性があります。ほとんどの電子部品（抵抗、コンデンサ、トランジスタなど）はアナログ信号で動作しますが、純粋なアナログ回路はデジタルPCBよりも設計がはるかに困難です。これは主に、ノイズやその他の問題に対する感受性が原因です。標準のアナログ信号は通常、DC〜100 MHz程度ですが、周波数は大きく異なります。 RF信号は本質的にアナログ信号です。
- デジタル信号： アナログ信号とは異なり、デジタル信号は有限の値のセットで動作します。このセットの値の数は非常に多くなる可能性がありますが、無限ではありません。これらのデジタル信号が2つの値で動作しているのを見るのは一般的ですが、信号は一度にこれら2つの値のうちの1つにしかなれません。このタイプの信号を時間の経過とともに見ると、信号の変化によって生成される波は、連続的ではなく正方形になります。デジタル信号は、アナログ信号の滑らかな波を複製しようとする場合がありますが、これらのデジタル波は、滑らかな曲線ではなく、常に個別のステップで構成されます。ただし、これらのディスクリート信号は、通常は高価ですが、デジタル回路はアナログ回路よりも設計が容易であることを意味します。
信号をある形式から別の形式に変換するように設計されたコンポーネントを使用して、両方の信号が単一の回路内で動作しているのを見つけるのが一般的です。ただし、これらのタイプの回路は、特にアナログコンポーネントがRF信号などの高周波信号を処理する場合は、慎重に設計する必要があります。周波数が高いほど、ノイズなどの問題が発生する可能性が高くなります。
RFおよびマイクロ波PCB設計の一般的な問題と解決策
RFまたはマイクロ波回路を備えたPCBレイアウトは、一般的なアナログまたはデジタルPCBよりも設計がはるかに難しい傾向があります。これは、RF信号に関連するより問題のある機能と品質のいくつかが原因です。 RFまたはマイクロ波PCBを設計するときは、次の点と問題に注意してください。
PCB設計の基本
まず、RFおよびマイクロ波PCBは、組み立てプロセス中のエラーの可能性を最小限に抑えるように設計する必要があります。最も基本的なRFレイアウト設計ガイドラインには次のものがあります。
- パーツを分離しておく： ボードに複数のタイプの部品（低レベルのアナログ、RF、デジタルコンポーネントなど）がある場合は、それらを別々に保持する必要があります。これは、設計者が管理しやすいだけでなく、組み立て段階での壊滅的な問題の可能性を最小限に抑えます。
- 多層PCB： 理想的には、RFおよびマイクロ波PCBには複数の層が含まれている必要があります。最上層には、パワーステージとRF信号ラインおよびコンポーネントを含める必要があります。多層PCBを使用している場合は、RFまたはマイクロ波信号線を含むすべての層の下に接地層があることを確認してください。
- ノイズに対する感度： RFおよびマイクロ波PCBの設計者は、これらの高周波信号がノイズにどれほど敏感であるかを理解する必要があります。ほとんどの設計者は、高速デジタル信号でこのような感度を扱うことに慣れていますが、RF信号やマイクロ波信号はさらに感度が高いため、かなり注意する必要があります。これらの信号は、さまざまな種類のノイズの影響を受けやすくなっています。この極端な感度は、信号ノイズ、反射、またはリンギングの可能性を軽減する必要があることを意味します。
ノイズは、回路内にエラーや機能上の問題を引き起こす、電圧の望ましくない変動を説明するために使用される用語です。ノイズにはさまざまな形態があり、周波数の分布に応じて次のカテゴリに分類されます。
- ホワイトノイズ： これは、すべての周波数に等しく追加されるタイプのノイズです。
- ピンクノイズ： ピンクノイズはフラットな応答を生成しませんが、代わりに周波数の増加とともに振動します。
- 帯域制限ノイズ： このノイズの周波数帯域は、フィルターまたはフィルターが通過する回路のいずれかによって制限されます。
RFノイズは、タイプによって分類されるさまざまなソースから発生する可能性があります。これらについて、各ノイズタイプの解決策とともに以下に説明します。
- 熱雑音： ジョンソンまたはジョンソンナイキストノイズとも呼ばれるこの種のノイズは、熱攪拌の結果です。この熱破壊は、導体内の電荷キャリアに影響を与え、意図した以上に電荷キャリアを励起するため、ノイズが発生します。このような問題は通常、回路への温度の影響を最小限に抑えることで解決できます。多くの場合、回路周辺の冷却システムまたは回路自体の熱放散機能によって温度を調整します。
- ショットノイズ： このノイズは、電子電荷の離散的な性質によって引き起こされる、時間の経過に伴う電流の変動に起因します。このノイズは電流の流れによって引き起こされるため、金属抵抗器はその発生を最小限に抑える傾向がありますが、取り除くことは困難です。幸い、ショットノイズは、トンネル接合やバリアダイオードなどのデバイスでのみ発生します。
- 位相ノイズ： このタイプのRFノイズは無線周波数信号に表示され、システムのパフォーマンスに大きな影響を与える可能性があります。このノイズは、信号自体の内部で位相ジッターまたは変動として現れ、信号またはキャリアの両側に広がる側波帯として現れます。位相ノイズはビットエラーレートを低下させ、したがって送信されるデータの品質を低下させる可能性があるため、これはデジタル情報を伝送するときに特に問題となるタイプのノイズになる可能性があります。よりクリーンな信号は、このノイズを低減するための最良の方法であり、設計プロセスの早い段階で考慮する必要があります。
- フリッカーノイズ： 1 / fノイズとも呼ばれるこのノイズは、ほとんどすべての電子機器で発生し、通常は直流電流によって発生します。これは信号周波数の逆数に比例しますが、位相ノイズと同様に現れます。特殊なフィルターを介して信号を処理すると、通常、この種のノイズを減らすのに役立ちます。
- 雪崩ノイズ： このノイズは、接合ダイオードがアバランシェ降伏点に近すぎて動作しているために発生します。その結果、ダイオードで多くのノイズが発生します。このなだれノイズの除去は、コンデンサベースのフィルタまたは平滑化ネットワークを使用するのと同じくらい簡単です。
「対象の帯域」で信号を送信する適切なバンドパスフィルターを使用すると、多くのノイズを軽減できます。特定の周波数範囲内の信号のみがこのフィルターを通過でき、フィルターは残りをブロックします。ただし、これは周波数範囲内の不正確な信号の問題を解決しません。理想的には、ノイズの発生源は上記のいずれかの方法で除去する必要があります。
インピーダンス整合
インピーダンス整合は、RFPCBのもう1つの重要な要件です。高速デジタル信号はインピーダンス整合に関してはある程度許容範囲がありますが、周波数が高いほど許容誤差は小さくなります。 RFおよびマイクロ波信号の場合、この許容誤差は特に厳しくなります。
設計でインピーダンス整合を検討する際に留意すべき点がいくつかあります。これらには次のものが含まれます：
- 表皮効果の喪失： より高い周波数では、電子は導体の外面に沿って流れ始めます。これは「表皮効果」と呼ばれます。トレースでは、電子を漏斗するために小さな領域が使用されます。ただし、この漏斗は、導体の外側を流れる電子の一部もトラップし、それらの信号エネルギーを熱に変換します。これがいわゆる「表皮効果の喪失」です。この損失は、適切なインピーダンス整合と、金によるPCBメッキでさえも最小限に抑えるのが最適です。
- 行の長さを低く保つ： RF /マイクロ波信号を伝送する回線が長いほど、信号が失われる可能性が高くなります。理想的には、ラインは波長の1/20である必要があります。臨界信号長とも呼ばれる波長の1/16より長くする必要がある場合は、ラインの端にあるLおよびC成分を使用してそのトレースにインピーダンス制御を適用する必要があります。
リターンロス
反射減衰量は、多くの場合、信号の反射によって引き起こされます。残念ながら、RF信号とマイクロ波信号は信号ノイズに対してより敏感であるため、反射減衰量がより顕著な問題になります。リターン信号は通常、抵抗が最小の経路をたどりますが、高周波信号はインダクタンスが最小の経路をたどる傾向があります。このようなパスには、元の信号の下にあるグランドプレーンが含まれる傾向があります。
反射減衰量を最小限に抑えるには、グランドプレーンがドライバからレシーバまで連続している必要があります。そうしないと、リターン信号が他の電源プレーンを通過する可能性があります。これらの代替パスはあまり理想的ではないため、反射やリンギングによって重大な信号ノイズが発生したり、熱の形で失われたりする可能性があります。
クロストーク
クロストークは、導体間の意図しないエネルギーの移動であり、信号が結合されます。このような伝達は通常、相互インダクタンスとシャント容量の結果であり、クロストークの発生率は、PCBの密度と性能が向上するにつれて増加する傾向があります。導体の近接性、導体が平行に走る距離、およびアクティブラインのエッジレートも重要な役割を果たします。クロストークは、RFやマイクロ波の設計などの高周波設計にとって深刻な問題になる傾向があるため、設計者はクロストークを防ぐためにできることを実行する必要があります。
クロストークは可能な限り最小限に抑える必要があります。幸いなことに、これを行うには複数の方法があります。これらの方法は次のとおりです。
- 信号の分離： 中心から中心までの距離は、理想的には信号のトレース幅の約4倍である必要があります。
- 平行線を最小化する： 線が絶対に互いに平行に走る必要がある場合は、線が互いに平行に走る距離を最小限に抑えてください。
- 誘電体の間隔を狭める： 線とその基準面の間の誘電体の間隔を最小限に抑える必要があります。
- 共平面構造を導入する： トレースの間にグランドプレーンを挿入します。
- 回線を終了します： 特性インピーダンスでラインを終了すると、クロストークを最大50％削減できます。
ラミネートプロパティ
PCBラミネートの特性は、RFまたはマイクロ波PCBの機能に大きな影響を与える可能性があります。たとえば、FR4は高周波ラミネートよりも誘電正接が高いため、FR4ラミネートは、信号周波数が高くなるにつれて挿入損失が高くなる可能性があります。さらに、FR4の誘電率（Dk値）は、高周波ラミネートの誘電率よりも高く、変動しやすい傾向があります。 FR4 Dk値は最大10％変動する可能性があり、これによりインピーダンスが変動します。
誘電損失は、ラミネートの特性に関連する一般的な問題です。表皮効果損失と同様に、誘電損失は、電子が導体を通って流れ、FR4PCB基板の電子で跳ね返るときに発生します。これらの電子の相互作用中に、流れる電子からの信号エネルギーの一部がFR4電子に転送され、FR4電子がエネルギーを熱に変換します。この種の損失は、FR4の誘電正接が0.02であるのに対して誘電正接が約0.001であるポリテトラフルオロエチレンテフロンのように、誘電正接が非常に低い基板を使用することで回避できます。
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