RF PCB設計における課題の克服：信頼性の高い性能を実現する実証済みソリューション

RF（無線周波数）PCB（プリント基板）設計には多くの不確定要素があるため、「ブラックアート」と表現されることがあります。一般的に、マイクロ波以下の周波数（低周波および低周波デジタル回路を含む）の回路では、設計原則をすべて習得していれば、慎重なレイアウトが回路設計の初回成功を保証します。しかし、マイクロ波以上の周波数や高周波PCレベルのデジタル回路では、2〜3版のPCB設計で回路品質を確保できます。一方、マイクロ波以上の周波数のRF回路では、継続的な改善のためにより多くの版数のPCB設計が必要となります。したがって、RF回路設計では多くの困難に直面することは避けられません。

RF回路設計で最もよく見られる問題

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、それぞれが完璧に動作する可能性が高いです。しかし、それらが同じ基板上に混在し、同じ電源に依存すると、システム全体が不安定になる可能性があります。デジタル信号はグランドと正電源（3V以上）の間で頻繁にスイッチングし、その周期はナノ秒オーダーで非常に短いためです。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とは無関係な高周波成分が含まれます。アナログ部では、無線同調ループから無線機器受信機までの電圧は通常1μV未満です。したがって、無線同調ループとRF信号の差は120dBに達することがあります。デジタル信号とRF信号が適切に分離されていないと、弱いRF信号が損傷を受ける可能性があり、無線機器の動作が悪化したり、全く動作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、特にグリッチ電圧やその他の高周波高調波に非常に敏感です。マイクロコントローラは内部クロック周期ごとに突発的に大部分の電流を吸収します。これは、現代のマイクロコントローラがすべてCMOS技術で製造されているためです。たとえば、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ている場合、その周波数で電源から電流を取り出します。適切な電源デカップリングが施されていないと、電源ラインに電圧グリッチが発生します。これらの電圧グリッチがRF回路の電源ピンに到達すると、深刻な場合は故障の原因となります。

不適切なGND設計

RF回路のGNDが不適切に設定されていると、奇妙な結果を生じることがあります。デジタル回路設計では、GNDがなくてもほとんどのデジタル回路機能を優れた形で実装できます。しかし、RFではわずかなグランド配線でもインダクタとして機能します。1nHのインダクタンスは1mmの長さに相当することが知られており、これから概算すると、長さ10mmのPCB配線のインダクタンスリアクタンスは約27Ωになります。GNDが適用されていない場合、ほとんどのグランド配線が長くなりすぎて、設計通りの特性を発揮できなくなります。

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、基板上に他のアナログ回路も存在します。たとえば、多くの回路にはA/Dコンバータ（ADC）やD/Aコンバータ（DAC）が含まれます。RF送信機から送信される高周波信号は、あらゆる配線がアンテナのようにRF信号を送受信するため、ADCのアナログ入力端子に到達する可能性があります。ADC入力端子が不適切に処理されていると、RF信号がADC入力のESDダイオード内で自己励起を起こし、ADCの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

RFレイアウトを設計する際は、まず以下の一般原則に従う必要があります：

1. 高出力アンプ（HPA）と低雑音アンプ（LNA）を可能な限り分離する。簡単に言えば、高周波RF送信回路を低周波RF受信回路から遠ざける。
2. PCB基板の高周波エリアには少なくとも1つの完全なグランドプレーンを設け、そこにスルーホールを設けないのが最適。銅箔面積は大きいほど良い。
3. 回路と電源の両方にデカップリングを施すことも同等に重要。
4. RF出力をRF入力から遠ざける。
5. 感度の高いアナログ信号を、高速デジタル信号およびRF信号から可能な限り遠ざける。

物理的パーティショニングと電気的パーティショニングの設計原則

パーティショニングは物理的パーティショニングと電気的パーティショニングに分類されます。前者は主に部品配置、向き、シールドに関わり、後者は電源配分、RF配線、感度回路、信号、グランドのパーティショニングにさらに分類されます。

物理的パーティショニングの原則

部品配置の原則：部品配置は優れたRF設計に不可欠です。最も効果的な技術は、まずRFパス上に配置される部品を固定し、その向きを調整してRFパスを最小化し、入力を出力から遠ざけ、高出力回路と低出力回路を可能な限り分離することです。

PCB積層設計の原則：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表層（第1層）の直下の第2層に配置し、RF配線を第1層に配置することです。RFパス上のスルーホールのサイズを最小限に抑えることで、パスインダクタンスを低減し、メイングランド上のコールドはんだ接合の数を減らせます。さらに、積層内へのRFエネルギー漏洩も減らせます。

RF部品とRF配線の原則：物理空間では、マルチステージアンプのようなリニア回路はすべてのRFエリアを分離できますが、デュプレクサ、ミキサ、中周波アンプ/ミキサは複数のRF/IF信号間の相互干渉を引き起こすことが多いため、この影響を慎重に最小限に抑える必要があります。RF/IF配線は交差させ、その間にグランドを設けます。正しいRFパスはPCB性能に極めて重要であり、これが携帯電話PCB設計で部品配置に大半の時間が費やされる理由です。

電気的パーティショニングの原則

電源伝送の原則：携帯電話のほとんどの回路ではDC電流がかなり低いため、配線幅を慎重に検討する必要はありません。しかし、大電流が流れる配線は可能な限り幅広く独立して設計し、高出力アンプの電源供給用として伝送電圧降下を最小限に抑える必要があります。過度な電流損失を防ぐため、複数のスルーホールを用いて層間で電流を伝送します。

高出力デバイスの電源デカップリング：高出力アンプの電源ピンで完全なデカップリングが達成できない場合、高出力ノイズが基板全体に放射され、多くの問題を引き起こします。高出力アンプのグラウディングは非常に重要で、通常は金属シールドカバーが必要です。

RF入出力の分離原則：ほとんどの状況で、RF出力をRF入力から遠ざけることも同様に重要です。これはアンプ、バッファ、フィルタにも適用されます。最悪の場合、アンプとバッファの入力が適切な位相と振幅で入力端子に戻ると、自己発振が生じる可能性があります。ベストな場合、あらゆる温度と電圧で安定動作します。実際には、不安定になり、RF信号にノイズや相互変調信号を付加する可能性があります。

まとめると、RF回路は分布定数回路であるためスキン効果と結合効果を持ち、これが低周波回路やDC回路との違いとなっています。したがって、上記で議論した問題はRF回路PCB設計時に特に重視すべきであり、効果的で正確な回路設計を実現するために不可欠です。

参考リソース

• RFおよびマイクロ波PCB設計ガイドライン
• 無線周波数回路と電磁両立性のためのPCB設計
• PCBCartのRF PCB製造サービス