マイクロストリップ対ストリップライン： レイアウトの違いと使用するタイミング

　RF（無線周波数）PCB設計は、エンジニアリングとアートが出会う場所です。RF設計者のツールキットの中で、マイクロストリップとストリップライン伝送線路は隠れたヒーローです。干渉や損失、インピーダンスの不整合に悩まされることなく、信号がPCBをシームレスに伝わることを保証します。しかし、これらの線路はどのようなもので、どのように選べばよいのでしょうか？PCBについてもっと知りたい方は、PCB製造に関する詳細ブログをご覧ください。

マイクロストリップ伝送線路とストリップライン伝送線路とは？

マイクロストリップ伝送線路：

マイクロストリップはPCB表面の導電性トレースで、その下にグランドプレーンがあり、その間に誘電体（PCB基板）が挟まれています。トレースの上面は空気にさらされている。その電磁界挙動は次のようになる：

・電磁界は、一部は基板内を、一部は空気中を伝搬する。

・これにより、ハイブリッド誘電体媒質が形成され、マイクロストリップ特有の特性が得られる。

ストリップライン伝送線路：

対照的に、ストリップラインはPCB内の2つのグランドプレーン間に埋設された導体である。その周囲はすべて誘電体で覆われている。その電磁界特性は次のようになる：

・電磁界は誘電体に完全に閉じ込められる。

・このシールドにより、外部ノイズの影響を受けにくくなります。

なぜこれらの線がRF設計で重要なのか？

RF設計では、文字通り1ミリ単位が重要です。マイクロストリップやストリップラインのような伝送線路は、次のことを保証します：

1. 信号の完全性： 長いトレースでの歪みを防ぎます。

2. インピーダンスの整合：電力伝送を最大化するため、インピーダンスを一定に保つ（50Ωや75Ωなど）。

3. ノイズ抑制： 放射を抑制し、外部EMIの影響を受けにくくする。

4. 電力効率： 損失を最小限に抑え、信号強度を維持。

マイクロストリップとストリップラインの使い分け

この2つの選択は、スニーカーとドレスシューズを選ぶようなものです。

マイクロストリップ

・高速デジタル信号 よりシンプルな設計のマイクロストリップは、コストと効率が重視される高速アプリケーションに最適です。

・低周波数（～10 GHz）： 損失やノイズが重要でない場合に有効です。

・コスト重視の設計： 表面トレースにより製造が簡素化されるため、低コストのプロジェクトに最適です。

ストリップライン

・高周波RFアプリケーション（～10 GHz以上）： より優れたシールドにより、放射と干渉を最小限に抑えます。

・ノイズに敏感な回路： 電磁両立性（EMC）要件が厳しい環境で使用できます。

・密度PCBレイアウト インピーダンスコントロールとクロストークの最小化を必要とする複雑な多層設計に最適です。

使用例

例1：Wi-Fiアンテナ用マイクロストリップ

　マイクロストリップパッチアンテナは、コスト効率が良く、軽量で2.4GHz帯に適しているため、Wi-Fiルーターによく使用されます。表面が露出しているため、効率的な信号放射に役立ちます。

例2：レーダーシステムにおけるストリップライン

　77 GHzで動作するレーダー・システムは、精度と耐ノイズ性を要求されます。ストリップラインのシールド特性は、このような高周波でノイズに敏感な環境では不可欠です。

トレース長とインピーダンスの計算

マイクロストリップトレースとストリップライントレースのインピーダンスは、その寸法とPCBの材料特性に依存します。設計には、以下の式を使用してください：

マイクロストリップインピーダンス (Z₀)

どこで：

・ ϵ: 基板の誘電率

・ h: 誘電体の高さ

・ w: トレースの幅

・ t: トレースの厚さ

ストリップラインのインピーダンス（Z₀）：

どこで：

・ h: 2つのグランドプレーン間の距離

・ w: トレースの幅

マイクロストリップとストリップラインの変調のヒント

これらの伝送線をアプリケーションに合わせて調整するには

1. トレース幅の調整：トレースを太くするとインピーダンスは低下し、細くするとインピーダンスは上昇する。

2. シミュレーションツールの使用： HFSS、ADS、RFモジュール内蔵のKiCadなどのソフトウェアが設計の微調整に役立ちます。

3. 誘電体材料のコントロール： 高周波での性能を向上させるために、低損失の接線を持つ基板を選択する。

4. レイヤーの高さの微調整： 多層PCBでは、層間の厚みを正確に制御します。

マイクロストリップとストリップラインを使用したRF PCB設計のヒント

マイクロストリップとストリップライン使用したRF PCB設計のヒント

1. 最良のルーティング方法

・屈曲の最小化： 信号の反射を避けるため、滑らかなカーブまたは45°のカーブを使用する。

・ショート・イズ・スウィート： 特に高周波では、トレースをできるだけ短くする。

2. グランドプレーンに関する考慮

・マイクロストリップラインの下には、切れ目のない連続したグランドプレーンを確保する。

・ストリップラインの場合、信号のスキューを避けるため、グランドプレーン間の対称性を保つ。

3. クロストークの回避

・隣接するトレース間の十分な間隔を保つ。

・必要であれば、ガードトレースや追加のグランドプレーンを使用してください。

4. テスト、テスト、そして再度のテスト

- ベクトルネットワークアナライザ（VNA）を使用して、製造後のインピーダンスとシグナルインテグリティを検証する。

RF、IF、低周波回路間の干渉はどのように防ぐことができますか？

　通常、システム内のRF回路は、レイアウトと配線のために独立した単一基板として実装され、多くの場合、専用のシールド・チャンバーに収められます。RF回路は一般的に単層または二層基板で、回路は比較的単純です。このような対策により、RF回路に分布するパラメータの影響を最小限に抑え、RFシステムの一貫性を高めている。標準的なFR4材料と比較して、RF PCBは高Q材料を使用する傾向がある。これらの材料は誘電率が低く、伝送線路の分布容量が小さく、インピーダンスが高く、信号伝送遅延が短い。

　混在回路設計では、RF回路とデジタル回路が同じPCB上に存在することもあるが、一般的にはRFセクションとデジタルセクションに分けられ、それぞれ異なるレイアウトと配線が施される。これらのセクションを分離し、干渉を防ぐために、グラウンド・ビアとシールド・ボックスが使用される。

結論

　マイクロストリップとストリップラインは、最新のRFおよび高速PCB設計のバックボーンです。マイクロストリップはシンプルでコスト効率が高く、ストリップラインはノイズに敏感な高周波アプリケーションで威力を発揮します。いつ、どのように使用するかを知ることで、信頼性の高い製品と見栄えのするペーパーウェイトの違いが生まれます。

　RF設計は魔法ではありません。賢く選択し、細心の注意を払って設計し、避けられない微調整のために常にはんだごてを温めておきましょう！

よくある質問

1. 電源プレーンとグランドプレーン間の信号線にストリップライン・モデルを使用できますか？

　はい、特性インピーダンスを計算する際、電源プレーンとグランドプレーンの両方が基準プレーンとみなされます。例えば、4層基板（最上層-電源プレーン-グランドプレーン-最下層）の場合、最上層のトレースインピーダンスはマイクロストリップモデルの基準として電源プレーンを使用します。