PCB技術 - rfPCBとはの信号輸入と最適化パイプライン

同軸コネクタからプリント基板（PCB）に高周波エネルギーを伝達するプロセスは、一般に信号輸入と呼ばれ、その特徴は説明しにくいです。エネルギー伝達の効率は回路構造によって大きく異なります。PCB資料及びその厚さ及び動作周波数範囲などの要素及びコネクタ設計及び回路資料との相互作用は効能に影響します。異なる信号輸入設定の理解と、いくつかのrf定量とはマイクロ波信号輸入方法の最適化事例の回顧により、効率を向上させることができます。

有効な信号輸入を実現することは設計と関係があり、一般的な広帯域最適化は狭帯域よりも挑戦的です。通常、高周波注入は周波数が高くなるにつれてさらに困難になると同時に、回路資料の厚さに応じて新たに増加する可能性があり、回路構造の複雑性が新たに増加し、より多くの問題があります。

rf定量とは信号輸入の設計と最適化

同軸ケーブルとコネクタからマイクロストリップPCBへの信号輸入。同軸ケーブルとコネクタを通る電磁（EM）場の分布は円筒形で、PCB内のEM場の分布は平面または矩形です。ある伝播媒体から別の媒体に入ると、フィールド分布が変化して新しい環境に適応し、異常が発生します。変更はメディアの種類によって異なります。例えば、信号輸入は同軸ケーブルとコネクタからマイクロストリップ、接地共面導波路（GCPW）に至るのか、それともバンド線になるのか。同軸ケーブルコネクタのタイプも重要な役割を果たします。

図１　同軸ケーブルとコネクタからマイクロストリップへの信号輸入

最適化にはいくつかの変数が含まれます。同軸ケーブル/コネクタ内のEMフィールド分布を理解するのは便利ですが、接地回路を伝播媒体の一部として扱わなければなりません。それは一般的に、ある伝播媒体から別の伝播媒体への定常インピーダンス遷移を実現するのに役立ちます。インピーダンスの不連続点におけるインピーダンスとインピーダンスを理解することで、回路表現を理解することができます。3次元（3 D）EMシミュレーションができれば、電流密度分布が観察できます。また、放射損失に関する実際の状況も考慮することが望ましいです。

信号送信コネクタとPCBの間の接地回路は問題にならないように見えるかもしれないが、コネクタからPCBまでの接地回路は非常に連続しているが、必ずしもそうではない。コネクタの金属とPCBとの間には通常、小さな表面抵抗が存在します。異なる部品を接続する溶接店とこれらの部品の金属の電気伝導率にも小さな違いがあります。rf定量とはおよびマイクロ波周波数が低い場合、これらの小さな差異の影響は一般的に小さいが、周波数が高い場合は効率に与える影響が大きいです。地還流経路の実際の長さは、所与のコネクタとPCBの組み合わせを用いて実現できる伝送品質に影響を与えます。

コネクタピンからマイクロストリップPCBの信号配線に電磁波エネルギーが伝達される場合、コネクタハウジングに戻る接地回路は、厚いマイクロストリップ伝送路には長すぎる可能性があります。誘電率の高いPCB資料を採用すると、接地回路の電気長が新たに増加し、問題が悪化します。パス延長は周波数相関性の問題を引き起こし、さらに局所的な相関速度と容量の違いを生じます。どちらも変換領域内のインピーダンスに関連しており、それに影響を与え、エコー損失の差が生じます。理想的には、信号輸入領域にインピーダンス異常がないように、接地回路の長さを最小にしなければなりません。コネクタの接続場所は回路の底部にのみ存在し、これは最悪の場合であることに注意してください。多くのRF定量とはコネクタの接地ピンは信号と同じ層にあります。この場合、PCBにも接地パッドが設計されます。

図２は接地共面導波路回転マイクロバンド信号輸入回路を示しており、ここでは回路の本体はマイクロバンドであるが、信号輸入領域は接地共面導波路（GCPW）です。接地回路を最小化することができ、他の有用な特性もあるため、共面発光マイクロストリップは有用です。信号線の両側に接地ピンがあるコネクタを使用すると、接地ピンの間隔は効能に重大な影響を与えます。この距離が周波数応答に影響することが実証されています。

図２　厚いマイクロストリップ伝送路回路と長いコネクタへの地還流路（a）

　　　接地共面導波路回転マイクロストリップの信号注入回路（b）

ロジャーズ社の10 mil厚RO4350B積層板に基づく共平面導波路回転マイクロストリップを用いた実験では、共平面導波路口の接地ピッチは異なるが、他の部分は類似したコネクタを用いました。コネクタAの接地間隔は約0.030インチで、コネクタBの接地間隔は0.064インチです。どちらの場合も、コネクタは同じ回路に送信されます。

図３　異なる接地間隔を有する類似ドックを用いた同軸コネクタによる共平面導波管回転マイクロストリップ回路の試験

x軸は周波数を表し、1マスあたり5 GHzです。マイクロ波周波数が低い（<5 GHz）場合、効能は同等であるが、周波数が15 GHzより高い場合、接地間隔が大きい回路の効能は悪くなります。コネクタは似ていますが、これらの2つのモデルのピンの直径は少し異なりますが、コネクタBのピンの直径は大きく、厚いPCB資料のために設計されています。これは効能の違いにもつながる可能性があります。

図３　異なる接地間隔を有する類似ドックを用いた同軸コネクタによる共平面導波管回転マイクロストリップ回路の試験

簡単かつ効果的な信号輸入最適化方法は、信号送信領域内のインピーダンス不整合を最小化することです。インピーダンス曲線の上昇は基本的にインダクタンスの増加によるもので、インピーダンス曲線の低下は容量の増加によるものです。厚いマイクロストリップ伝送路（PCB資料の誘電率が低いと仮定すると、約3.6）に対して、ワイヤは広い−コネクタの内部導体より広い。回路配線とコネクタ配線の寸法差が大きいため、移行時に強いrf定量とは容量突然変異が発生します。一般に、同軸コネクタピンに接続されている箇所に形成される寸法差を小さくするために、回路配線を徐々に細くすることにより、容量突然変異を低減することができます。PCBワイヤを狭くすると、インピーダンス曲線内の容量突然変異を相殺するために、その感性が新たに増加したり、容量が低下したりします。

異なる周波数への影響を考慮しなければならなりません。長いグラデーションラインは、低周波数生成により強い感受性をもたらします。例えば、低周波数バックロスが悪く、容量インピーダンススパイクが同時にある場合は、長いグラデーションラインを使用するのが適切です。逆に、短いグラデーション線は高周波に大きな役割を果たします。

コプレーナ構造では、隣接する接地面が近づくとrf定量とは容量が増加します。一般に、信号注入領域の感性性は、ランプ信号線と隣接する接地面間隔の大きさを調整することによって、対応する周波数帯で調整されます。場合によっては、コプレーナ導波路の隣接する接地パッドは、より低い周波数帯域を調整するために、ランプ線のセグメント上で広いです。その後、ピッチはランプ線の広い部分で狭くなり、狭くなった部分の長さは長くならず、より高い周波数帯に影響を与えます。一般的に、ワイヤランプラインが狭くなると、新たな感性が追加されます。ランプ線の長さは周波数応答に影響します。コプレーナ導波路の近接接地パッドを変更することで容量を変更することができ、パッド間隔が頻繁に音を変更することができるのは、容量の変更に主な役割を果たしています。