RF PCBレイアウトと製造のための設計ガイドライン
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- RF PCBレイアウトの7つの重要な検討事項
- 結論：
RF PCBは、デジタルおよびアナログ設計回路の事前知識を伴ういくつかの基本的なルールに基づいて動作します。アナログやデジタルと直接比較することは直接には不可能です。なぜなら、ここでは周波数範囲がGHz帯にあるからです。この周波数範囲がPCBを非常に異なるものにし、ほぼすべての項目に注意を払う必要があります：
- インピーダンスの不整合
- トレース長
- グラウンディング
- シールド
これらを行わない場合、システム全体の故障を引き起こす可能性があります。また、すべての要件を考慮せずに設計した場合、性能劣化、信号損失、EMI（電磁干渉）、および消費電力の増加につながります。どのような種類の材料を使用できるか、マイクロ波RF PCBでトレースがどのように配線されるか、そして最も重要なこととして信号整合性とインピーダンスのルールについて見ていきます。信号劣化やセクション間のクロストークを防ぐために、慎重なレイアウトが必要です。RFレイアウトを開始する前に、以下のパラメータを検討してください：
RF PCBレイアウトの7つの重要な検討事項
1. 材料の選択
RF PCBには安定した基板が必要です。安定とはどういう意味でしょうか？それは安定した誘電率（Dk）とより低い損失正接（Df）を意味するだけです。RFで使用される一般的な材料は、Rogers RO4000、RO3000、Taconic RFラミネート、およびPTFEです。誘電率が低いほど、伝搬遅延が小さくなります。一方、損失正接が低いほど、エネルギー損失が最小限に抑えられます。
2. 制御インピーダンス
トレースには、マイクロストリップ、ストリップライン、またはコプレーナ導波路構造を使用できます。これらについては以下で説明します。それ以外にも、基準グランドプレーンからのトレース幅と高さを一貫して維持する必要があります。そうすることで、特性インピーダンス（通常50Ωまたは75Ω）を設定できます。ラインがネットワークと一致しない場合、反射と損失が発生します。さらに、鋭い90°の曲がりではなく、曲線的なコーナートレースを使用できます。回路とPCBを設計した後、シミュレーションは非常に重要です。適切なトレース寸法と動作を決定するためのインピーダンス計算機やシミュレーションツールなど、多くのオンラインツールがあります。詳細な記事をご覧ください： インピーダンス制御。
3. トレース設計と配線
高周波のため、寄生を最小限に抑える必要があり、そのためにはRFトレースをできるだけ短く直接的に保ちます。鋭いコーナーを避け、45°の曲がりや曲線トレースを使用してインピーダンスの不連続を防ぎます。RFパスでのビア遷移を避け、バックドリルまたはブラインドビアを使用します。結合を防ぐために、RFトレースと非RFトレースを並行して配線しないでください。インピーダンスの連続性を保つために、テストポイントはトレースの外側に配置します。デジタルセクションとRFセクションを分離し、少なくとも20 mmの間隔を維持します。そうでなければ20Hルールがあり、HはPCBのL1からL2までの距離で、4層PCBの場合はそれらの間のプリプレグ とすることができます。
4. RF伝送ラインの使用
1. マイクロストリップ： 外層に配線され、直下にソリッドグランドプレーンがある信号トレース。
2. ストリップライン： バランスの取れた性能のために、上下にグランドプレーンがある内層に配線された信号トレース。
3. コプレーナ導波路（グラウンド付き）： 優れたアイソレーションのためにビアフェンスを備えたグランドトレースに挟まれた中心導体。
5. グラウンディングとリターンパス
ノイズとEMIを防ぐために、堅牢なグランド戦略が不可欠です。RFトレースの直下に連続したグランドプレーンを使用します。リターンパスを断ち切るグランドプレーンの中断を避けます。通常の手順は、RFを最上層に配線し、そのすぐ下にグランドを配置することです。ビアは推奨されませんが、信号の広がりが多い場合には、寄生容量の低減に役立つビアでPCBをステッチすることができます。デジタルグランドはRFグランドから分離して、ノイズ結合を低減します。特別な考慮事項を伴い、回路内の1点でのみ接続する必要があります。
6. 電源のデカップリング
クリーンな電源はRF回路にとって極めて重要です。広い周波数範囲をフィルタリングするために、異なる値の複数のコンデンサを使用します。RF ICの電源ピンの近くにデカップリングコンデンサを配置することは、常にノイズ低減に役立ちます。電源トレースは個別に配線し、必要に応じてフィルタで分離します。チップ外部でこれらすべてを活用しているPMICを確認できます。
7. シールドとアイソレーション
EMIは適切に管理しないとRF性能を劣化させる可能性があります。RFセクションを分離するために、グラウンド付きシールド缶を使用します。PCB上でRF、デジタル、アナログセクションを分離します。結合を低減するために、敏感なRFトレースの周囲にガードトレース（グラウンド付き）を実装します。トレースを適切に間隔を空けることでクロストークを最小限に抑えます。
結論：
RF PCB設計は、ステップ1で行うように、慎重な基板の選択から始まります。次に、層スタックの計画と制御インピーダンス配線が行われます。RF回路は、クロストークや材料の寄生効果により、レイアウトに起因する損失の影響を受けやすくなっています。与えられたガイドラインに従うことで、RFボードの構築に役立ちます。これは、最小限の損失と干渉で高周波を処理できるものです。周波数がGHz帯に増加するにつれて、シミュレーションとテストを省略することはできません。
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