高周波PCB技術 - 高速回転PCBにおいて、RF部品はどのように作成すべきか。

低コストPCB（プリント基板）を採用することで、数時間以内にほとんどのCADソフトウェア（無料ソフトウェア）で回路基板を設計することが容易になります。たった2日で、自分の机の上で原型板を完成させることができます。多くのパッケージには良い設計規則があり、ほとんどのPCBメーカーは0.006インチまでの線幅と線距離を作ることができます。

この精度は低周波回路には問題ありませんが、RF回路は通常、正常に動作するには50Ωの引き廻しが必要です。部品の体積はますます小さくなるが、物理法則は変わりません。そのため、今日の厚さ0.062インチの原型プレート上のマイクロストリップワイヤの寸法は幅0.11インチで、30年前も0.11インチでした。しかし、多くのSMT（表面組立技術）素子はその前世代素子よりもはるかに小さいため、RFプロトタイプ用の低コストのデュアルパネルは今日の小型SMT素子には適していないようです。

CPWG（アースコプラナー導波路）構造を採用し、PCB上に50ΩのRF引き廻しを作成することができます。CPWG構造は、マイクロストリップ構造よりも幅が小さい必要な引き廻し線を作成することができます。

トップシート上の接地銅箔をマイクロストリップワイヤに近づけると、マイクロストリップ構造の容量が増加します。補償を行い、構造全体を50Ωに維持するためには、中心引き廻し幅をある点まで下げて、より高インダクタンスにしなければなりません。

低コストで高速PCBプロセスのCPWG構造をどのように設計しますか。インターネット上では多くのCPWG計算機を見つけることができますが、地層間隔は約引き廻し幅の30%未満ですか。RF回路上の銅箔の引き廻しの高さが重要な要素になっているため、これらの計算機は50%で故障します。増加した容量は計算機の仮定値を超えています。そのため、これらの計算機が設計した引き廻し線には高すぎる容量があり、インピーダンスを50Ω以下に低下させました。これらの公式は、数年前のIC設計にさかのぼることができます。

今日のPCBボードはICと本質的に異なるため、多くの計算機の数式は使用できなくなっています。PCBボード上に狭いピッチ−中心線比率でCPWGを正しく設計する最善の方法は、全3次元の電磁エミュレータを使用します。この例では、一般的な構造の値をいくつか提供します。

図１　ブルーソルダーレジストプリント基板

引き廻し線の最小間隔を6 milに維持し、CPWG構造をシミュレーションし、作成し、テストしました。一般的な厚さ0.062インチのFR-4 PCB材料では、幅0.032インチ、間隔0.006インチの引き廻しが50Ωに最も近いです。6 GHzでは、走査線のエコー損失は40 dBより優れています。

このスキームは、0.11インチ幅引き廻し法を採用するのが好ましく、SMT素子に対応しています。0603サイズのSMT素子と一般的なSMA（表面組立アセンブリ）プレートエッジコネクタは、このワイヤに完全に嵌合することができます。完成したPCBを用いて、多種の一般的なRF部品を比較しました。パッドサイズが0.032インチの引き廻し幅より大きい部品では、トップ積層板の接地面からの隙間を増やすだけで補償できます。例えば、0805 SMTパッドからのトップギャップを約0.008インチに増加させ、1206 SMT素子パッドのトップギャップを0.012インチに増加させることで、パッド容量が高すぎるのを防ぐことができます。

一般的な設計規則に合うように、エンジニアはテストPCBの上で銅箔を布製した回路基板の縁から0.01インチに戻しました。しかし、この引き戻しやプレートエッジに取り付けられたコネクタは、変換のために少量のインダクタンスを増加させています。引き廻し端の板辺コネクタの中間の太いピンに追加の容量を追加し、内蔵の容量補償を提供します。ピンを元の長さの約半分に切断すると、ほぼ同等の容量が得られ、インダクタンスを平衡に変換することができます。

CPWG構造は引き廻し下に中実接地層が必要で、最上階の引き廻し線の下の下地接地面に開口を残すと、構造のために小さなインダクタンスが増加し、高周波性能が低下しました。また、トップ接地面とボトム接地面を「縫合」するためには、いくつかの穴を使用する必要があります。この縫合された穴の布の配置は、回路が使用する最高周波数波長の8分の1を超えてはなりません。注意周波数が10 GHzより高い場合、0.1インチ間隔でよく動作することができます。

縫合孔から中心までの引き廻しの間隔は同じ間隔規則に従います。線上を歩くと、正常に動作する十分な穴を簡単に布で置くことができます。

十分なビアがなければ、S 21の輸送特性には、周波数に伴う線形損失ランプではなく、わずかだが高速な0.5 dBから1 dBの低下が見られます。この効果は、VNA（ベクトルネットワークアナライザ）1台ですぐに見ることができます。テストボードの測定により、3 GHzで約0.25 dB/in、10 GHzで1 dB/inとなり、2つのエッジコネクタを含むことが明らかになりました。

0.032インチより狭いパッドでSMTデバイスまたはICに接続するには、必要に応じて中心導体を狭くし、できるだけデバイスに近づけることができます。実際の不連続性が小さい場合は、RF周波数が非常に高くない場合は無視できます。