高周波PCB技術 - RF回路の原理と応用

1、RFモージュルとは？rf とは？

無線周波数はRFと呼ばれ、無線周波数は無線周波数電流であり、一種の高周波交流電磁波の略語です。1秒間に1000回未満しか変化しない交流は低周波電流と呼ばれ、1000回を超える交流は高周波電流と呼ばれ、無線周波数はそのような高周波電流です。

RFモジュールとは、回路またはデバイスのサイズと同じオーダーの大きさで信号の電磁波長を処理する回路を指します。このとき、デバイスのサイズとワイヤのサイズの関係により、回路は分散パラメータの理論で処理する必要があります。この種の回路はRF回路と見なすことができ、その周波数に厳密な要件はありません。たとえば、長距離送電AC送電線（50または60 Hz）は、RF理論で処理する必要がある場合があります。

2、RFモジュールの原理と開発

RFモージュールの最も重要な応用分野は無線通信です。図Aは、一般的なワイヤレス通信システムのブロック図です。以下では、このシステムを例として取り上げ、無線通信システム全体におけるRF回路の役割を分析します。

図A：典型的なRFシステムのブロック図

これは、送信機回路、受信機回路、通信アンテナを含む無線通信トランシーバーのシステムモデルです。このトランシーバーは、パーソナル通信およびワイヤレスローカルエリアネットワークで使用できます。このシステムでは、デジタル処理部分は主に、サンプリング、圧縮、コーディングなどを含むデジタル信号を処理し、次にA / Dコンバータを介してアナログ形式からアナログ信号回路ユニットに処理することです。アナログ信号回路は、送信部と受信部の2つに分かれています。

送信部の主な機能は次のとおりです。DA変換から出力された低周波アナログ信号とローカル発振器によって提供された高周波キャリアは、ミキサーを介して無線周波数変調信号にアップコンバートされ、無線周波数信号はに放射されます。アンテナを通る空間。受信部の主な機能は、空間放射信号がアンテナを介して受信回路に結合され、受信された弱信号が低雑音増幅器によって増幅され、局所発振信号がIF信号を含む信号にダウンコンバートされることです。ミキサーを介してコンポーネント。フィルターの機能は、有用なif信号をフィルターで除去し、A / Dコンバーターを入力してデジタル信号に変換し、デジタル処理部分に入力して処理することです。

次に、図aのブロック図で、低ノイズアンプ（LNA）の一般的なRF回路の構成と特性について説明します。

図Bは、TriQuint社のtga4506-smを例として、このアンプの回路基板図を示しています。入力信号は、整合フィルターネットワークを介してアンプモジュールに入力されることに注意してください。一般に、トランジスタのエミッタ接地構造は増幅器モジュールで使用され、その入力インピーダンスは、最高の送信電力と最小の反射係数を確保するために、低ノイズ増幅器の前のフィルタの出力インピーダンスと一致する必要があります。このマッチングは、RF回路の設計に必要です。さらに、LNAの出力インピーダンスは、バックエンドでミキサーの入力インピーダンスと一致する必要があります。これにより、アンプの出力信号を完全に反射せずにミキサーに入力できるようになります。これらのマッチングネットワークは、マイクロストリップラインと、場合によっては独立したパッシブデバイスで構成されます。ただし、高周波での電気的特性は、低周波での電気的特性とはかなり異なります。この図から、マイクロストリップラインは実際には特定の長さと幅の銅張ストリップであり、マイクロストリップラインはシート抵抗、コンデンサ、およびインダクタンスで接続されていることがわかります。

図B：tga4506-sm PCBレイアウト

電子工学の理論では、電流が導体を流れると、導体の周りに磁場が形成されます。交流が導体を通過すると、導体の周りに交流電磁界が形成されます。これは電磁波と呼ばれます。

電磁波の周波数が100kHz未満の場合、電磁波は表面に吸収され、効果的な伝送ができなくなります。しかし、電磁波の周波数が100kHzを超えると、電磁波は空気中に広がり、大気の外縁にある電離層を反射して長距離伝送能力を形成する可能性があります。長距離伝送能力のある高周波を無線周波数と呼びます。高周波回路は基本的に受動部品、能動部品、受動ネットワークで構成されています。高周波回路で使用される部品の周波数特性は、低周波回路のものとは異なります。高周波回路のパッシブ線形コンポーネントは主に抵抗（コンデンサ）であり、電子技術の分野では、RF回路の特性は通常の低周波回路とは異なります。主な理由は、高周波状態での回路の特性が低周波条件下でのRF回路の特性と異なるため、高周波回路の動作原理を理解するには、高周波回路の理論を使用する必要があります。高周波では、浮遊容量と浮遊インダクタンスが回路に大きな影響を及ぼします。浮遊インダクタンスは、導体接続とコンポーネント自体の内部自己インダクタンスに存在します。回路の導体間およびコンポーネントとグランド間に浮遊容量が存在します。低周波回路では、これらの漂遊パラメータは回路の性能にほとんど影響を与えません。頻度の増加に伴い、漂遊パラメータの影響はますます深刻になっています。初期のVHFバンドTV受信機では、浮遊容量の影響が非常に大きいため、コンデンサを追加する必要はありません。

また、RFモジュールには表皮効果があります。直流とは異なり、電流はDC条件下で導体全体を流れますが、高周波では導体表面を流れます。その結果、高周波AC抵抗はDC抵抗よりも大きくなります。

高周波回路のもう1つの問題は、電磁放射の影響です。周波数が高くなると、波長が回路サイズ12に匹敵するときに回路はラジエーターになります。このとき、回路間、回路間、および外部環境間でさまざまな結合効果が発生し、多くの干渉問題が発生します。これらの問題は、多くの場合、低周波数では無関係です。

高周波回路基板とは、高周波（周波数が300 MHzまたは波長より大きい）用の高電磁周波を有する専用PCBを指します。一般に、高周波PCBは、周波数が1 GHz以上のPCBと定義することができます。PCB基板材料は優れた電気的性質と良好な化学的安定性を必要とします。電源信号の周波数が高くなるにつれて、基板の損失に対する要求が非常に小さいため、高周波PCBボードの重要性が浮き彫りになりました。

通信技術の発達に伴い、通信機器の頻度は日々増加しています。無線周波数（RF回路）およびマイクロ波（MW）回路は、通信システムで広く使用されています。高周波回路の設計は、業界から特別な注意が払われています。新しい半導体デバイスは高速デジタルシステムを作り、高周波アナログシステムは拡大し続けています。マイクロ波無線周波数識別システム（RFID）の搬送周波数は915MHzと2450MHzです。全地球測位システム（GPS）の搬送周波数は1227.60MHzおよび1575.42MHzです。パーソナル通信システムのRFモジュールは1.9GHzで動作し、より小さなサイズのパーソナル通信システムに統合できます。4GHzアップリンクはCバンド衛星放送通信システム通信リンクと6GHzダウンリンク通信リンクに含まれています。通常、これらのRF回路の動作周波数は1GHzを超えており、通信技術の発展に伴い、この傾向は続くでしょう。ただし、特殊な機器や装置だけでなく、DC回路や低周波回路では使用されない理論的な知識や実務経験も必要です。