PCB Blog - 高周波回路基板設計技術の共有

成功した高周波回路基板の設計は、設計プロセス全体の各ステップと各詳細に注意しなければならない。これは、設計開始段階で徹底的かつ注意深い計画を行い、各設計ステップの進展を全面的に継続的に評価しなければならないことを意味する。

ここ数年来、青芽設備、無線エリアネットワーク（WLAN）設備、行動電話の需要と成長により、業者はますます高周波回路設計の技術に関心を持つようになった。昔から今まで、高周波回路基板の設計は電磁干渉（EMI）問題のように、エンジニアたちが最も制御しにくい部分であり、悪夢でもあった。一度設計を成功させるには、事前に細部に注意して計画しなければならない。

高周波回路基板の設計は理論上の不確実性が多いことから、「ブラックアート」（black art）と形容されることが多い。しかし、これはカバー全体を偏倚させる観点にすぎず、高周波回路基板の設計には多くの法則がある。しかし、実際に設計する際に実際に実用的なテクニックは、これらの法則がさまざまな制限によって実施できない場合に、どのように折衷処理を行うかである。重要な高周波設計課題には、インピーダンスとインピーダンスの整合、絶縁層資料と積層板、波長と高調波などが含まれており、現在、高周波回路基板のパーティション設計に関する様々な問題を集中的に検討している。

1、高周波回路基板設計のマイクロビアの種類

高周波回路基板上の異なる性質の回路は分離しなければならないが、電磁干渉を発生させない最適な場合に接続するには、マイクロビア（microvia）を使用する必要がある。典型的には、マイクロビア直径は0.05 mm〜0.20 mmであり、これらのビアは一般的に3つの種類、すなわちブラインドビア（blind via）、埋め込みビア（bury via）、スルーホール（through via）に分類される。ブラインドホールはプリント配線板の上層と下層表面に位置し、表層線路と下層の内層線路の接続に使用される深さがあり、穴の深さは通常一定の比率（穴径）を超えない。埋め込み穴とは、プリント配線板の内層にある接続穴のことで、配線板の表面には伸びません。上述の2種類の穴はいずれも配線板の内層に位置し、積層前にスルーホール成形プロセスを利用して完成し、スルーホール形成過程中にいくつかの内層を重ねて完成する可能性がある。第三に、配線板全体を貫通する貫通孔と呼ばれ、内部相互接続またはコンポーネントとしての接着位置決め孔を実現するために使用されます。

2、区分技術を採用する

高周波回路基板を設計する際には、できるだけ高出力高周波増幅器（HPA）と低ノイズ増幅器（LNA）を分離しなければならない。簡単に高周波接合といえば、高出力高周波送信回路を低電力受信回路から遠ざけることです。PCBボードにスペースがたくさんあれば、それを容易にすることができます。しかし、通常ゼロコンポーネントが多いとPCB空間が小さくなり、これは達成しにくい。PCBボードの両面に置くか、交互に動作させることができます。高周波回路基板設計技術の共有

3、高周波回路基板設計の実体パーティション

ゼロコンポーネントの配置は優れた高周波設計を実現する鍵であり、最も効果的な科学技術はまず高周波経路上に位置するゼロコンポーネントを固定し、その方位を調整して、高周波経路の長さを最小にすることである。そして、高周波入力を高周波出力から遠ざけ、高電力回路と低電力回路からできるだけ遠ざける。

最も効果的な回路基板スタック方法は、主接地を表層の下の第2層に配置し、できるだけ高周波線を表層の上に歩くことである。高周波経路上のビア寸法を最小にすることは、経路インダクタンスを減らすだけでなく、主接地上の虚溶接点を減らすことができ、高周波エネルギーが積層板内の他の領域に漏れる機会を減らすことができる。

実空間上では、多段増幅器のような線形回路は通常、複数の高周波領域間を互いに分離するのに十分であるが、デュプレクサ、ミキサ、および中間周波増幅器は常に複数の高周波／IF信号が干渉しており、この影響を最小限に抑えるために注意しなければならない。高周波とIF引き廻し線はできるだけ十字に交差し、できるだけそれらの間に接地面積を隔てなければならない。正しい高周波経路はPCBボード全体の効率にとって非常に重要であり、これはつまり、どのようなゼロコンポーネントレイアウトが通常、携帯電話PCBボードの設計において時間の大部分を占める理由である。

携帯電話PCBボードでは、通常、低ノイズ増幅器回路をPCBボードの一方の面に配置し、高電力増幅器を他方の面に配置し、最終的にはデュプレクサによって高周波アンテナの一方の端と基本周波プロセッサの他方の端に同一面で接続することができる。これには、高周波エネルギーが貫通孔によらず、板の片面から他方の面に伝達されないようにするための技術が必要であり、よく使われる技術は両面に盲孔を使用することである。PCBボードの両面が高周波干渉を受けない領域にブラインドホールを配置することにより、ビアの悪影響を最小限に抑えることができる。

4、高周波回路基板の金属マスク

複数の回路ブロック間に十分な間隔を保つことはあまりできない場合があります。この場合は、金属マスクを使用して高周波エネルギーを高周波領域内にマスクすることを考慮しなければなりませんが、金属マスクには製造コストと組立コストが高いなどの副作用もあります。

外形が不規則な金属マスクは製造時に高精度を保証することが難しく、長方形または正方形の金属マスクはまたゼロアセンブリのレイアウトをいくつかの制限を受けさせた、金属マスクは部品交換と故障移動に不利である、金属マスクは接地面に溶接しなければならず、ゼロアセンブリと適切な距離を維持しなければならないため、貴重なPCBボード空間を占有する必要があります。

金属マスクの完全性を可能な限り保証することは非常に重要であるため、金属マスクに入るデジタル信号線はできるだけ内層を歩かなければならず、信号線層の次の層を接地層とすることが望ましい。高周波信号線は金属マスクの底部の小さな切欠きと接地切欠きの配線層から出て行くことができるが、切欠きの周囲はできるだけ広い接地面積に囲まれ、異なる信号層上の接地は複数のビアによって連結されることができる。

上記の欠点があるにもかかわらず、金属マスクは非常に効果的であり、しばしば重要な回路を隔離する唯一の解決策である。

5、高周波回路基板の電源脱結合回路

また、適切で効果的なウェハ電源デカップリング（decouple）回路も重要である。線形回路を統合した高周波ウェハの多くは電源のノイズに非常に敏感で、通常、各ウェハは最大4つの容量と1つの分離インダクタンスを使用して電源ノイズを除去する必要があります。

集積回路や増幅器にはしばしばオープンコレクタ出力があり、高インピーダンス高周波負荷と低インピーダンス直流電源を提供するプルアップインダクタンスが必要であり、同様の原則はこのインダクタンスの電源端をデカップリングするのにも適している。動作するために複数の電源が必要なウェハもありますが、ウェハの周囲に十分な空間がなければ、それぞれをデカップリングするために2～3セットの容量とインダクタンスが必要になる可能性があります。

特に注意が必要なのは、インダクタンスが非常に平行にくっついていることです。これにより、空芯変圧器が形成され、相互に誘導されて干渉信号が発生し、その間の距離は少なくともその1つの高さに相当するか、直角に配置されて相互誘導を最小にするためです。

6、高周波回路基板設計の電力区分

電力パーティションは、原則としてエンティティパーティションと同じですが、他にもいくつかの要素が含まれています。現代の携帯電話の一部では、異なる動作電圧が使用されており、ソフトウェアを使用してバッテリの動作寿命を延長するように制御されています。これは、携帯電話が複数の電源を動作させる必要があることを意味し、これにより多くの隔離問題が発生します。電源は通常、接続ケーブルによって導入され、回路基板の外部からのノイズを除去するために直ちにデカップリング処理が行われ、その後、スイッチまたはレギュレータのセットを経て電源分配が行われます。

携帯電話では、ほとんどの回路の直流電流はかなり小さいので、この引き廻し幅は通常問題ではありませんが、送信時の電圧降下（voltage drop）エネルギーを最小限に抑えるためには、高電力増幅器の電源のためにできるだけ広い大電流回路を単独で設計しなければなりません。過剰な電流損失を回避するためには、複数のビアを使用して、ある層から別の層に電流を伝達する必要があります。また、高電力増幅器の電源ピン端子で十分なデカップリングができないと、高電力ノイズが回路基板全体に放射され、さまざまな問題が発生します。高出力増幅器の接地は非常に重要であり、金属マスクを設計する必要があることがよくあります。

7、高周波出力は高周波入力から離れなければならない

ほとんどの場合、高周波出力を高周波入力から遠ざける必要があります。この原則は、増幅器、バッファ、フィルタにも適用されます。最悪の場合、増幅器とバッファの出力が適切な位相と振幅で入力端に反響すれば、それらは自励発振を発生する可能性がある。不安定になり、ノイズと相互調整の乗算信号を高周波信号に追加することがあります。

高周波信号線がフィルタの入力端から出力端を迂回すると、フィルタのバンドパス特性が大きく損なわれる可能性があります。入出力を良好に分離するためには、まずフィルタの周囲に主接地面積が必要であり、次にフィルタの下層領域も接地面積が必要であり、この接地面積はフィルタを囲む主接地に接続しなければならない。フィルタを通す必要がある信号線をフィルタピンからできるだけ遠ざけるのも良い方法です。また、回路基板全体の接地には十分注意しなければなりません。そうしないと、知らないうちに発生したくない結合チャネルが導入される可能性があります。この接地方法を詳しく説明した。

シングルエンド（single-ended）またはバランスのとれた高周波信号線（balanced高周波traces）を選択することができ、クロストーク（crosstalk）とEMC/EMIに関する原則はここでも同様に適用される。平衡高周波信号線は、正しい引き廻しをすればノイズやクロストークを減らすことができますが、インピーダンスは一般的に高いです。また、インピーダンス整合信号源、引き廻し、負荷を得るためには、実際に配線する際に困難な合理的な線幅を維持する必要があります。

8、高周波回路基板設計のバッファ

バッファは、同じ信号を2つの部分に分割し、異なる回路を駆動するために使用できるため、分離効果を高めるために使用できます。特にローカル発振器は、複数のミキサを駆動するためにバッファを必要とする場合がある。ミキサが高周波数でコモンモードアイソレーション（common mode isolation）状態に達すると、本人は通常動作しません。バッファは、異なる周波数におけるインピーダンス変化を良好に分離することができ、したがって、回路間が干渉することはない。

バッファは設計に非常に役立ち、被駆動回路を必要とする後ろに続くことができ、それによって高出力を非常に短くすることができ、バッファの入力信号レベルが比較的低いため、基板上の他の回路に干渉しにくい。

9、高周波回路基板設計の電圧制御発振器

電圧制御発振器（VCO）は変化した電圧を変化した周波数に変換することができ、この特性は高速チャンネル切り替えに用いられるが、同様に制御電圧上の微量ノイズを微小な周波数変化に変換し、これにより高周波信号にノイズを追加した。つまり、電圧制御発振器が処理された後、高周波出力信号からノイズを除去することはできない。VCO制御線（control line）の所望の周波数幅範囲がDCから2 MHzになる可能性があるが、フィルタによってこのような広い周波数帯域ノイズを除去することはほとんど不可能である。第二に、VCO制御線は通常、周波数を制御する反響回路の一部であり、多くの場所で騒音を導入する可能性があり、VCO制御線を非常に注意して処理しなければならない。

高周波回路基板

10、高周波回路基板設計の共振回路

共振回路（tank circuit）は送信機と受信機に用いられ、VCOと関係があるが、独自の特徴もある。簡単に言えば、共振回路は一連のインダクタンス容量を有する二極体を並列に接続した共振回路であり、VCO動作周波数の設定と音声またはデータの高周波キャリアへの同調を容易にする。

すべてのVCOの設計原則は共振回路にも適用される。共振回路がかなりの数のゼロコンポーネントを含み、占有面積が大きく、通常は高い高周波数で動作するため、この共振回路は通常ノイズに非常に敏感である。信号は通常、ウェハの隣接する接合部に配置されていますが、これらの信号接合部は大きなインダクタンスと容量と協働して動作する必要があり、逆にこれらのインダクタンスと容量の位置をできるだけ接合部に近づけ、ノイズに敏感な制御ループに戻す必要がありますが、ノイズの干渉をできるだけ避けなければなりません。それをするのは容易ではない。

11、高周波回路基板設計の自動利得制御増幅器

自動利得制御（AGC）増幅器も同様に問題が発生しやすい場所であり、送信回路にも受信回路にもAGC増幅器がある。AGC増幅器は通常、ノイズを効果的にフィルタリングすることができるが、携帯電話は送信信号と受信信号の強度の急速な変化を処理する能力を備えているため、AGC回路にはかなりの周波数幅が必要であり、これによりAGC増幅器はノイズを導入しやすくなる。

AGC線路を設計するには、類比回路の設計原則、つまり短い入力ピンと短い反響経路を使用しなければならず、しかもこの2つの場所は高周波、IFまたは高速デジタル信号線路から離れなければならない。同様に、良好な接地も不可欠であり、ウェハの電源は良好なデカップリングを得なければならない。入力端子または出力端子に長い引き廻し線を設計しなければならない場合は、通常、出力端子のインピーダンスは入力端子よりずっと低く、ノイズも導入しにくいので、出力端子で実装することを選択することが望ましい。通常、信号レベルが高いほど、ノイズを他の回路に導入しやすくなります。

12、高周波回路基板設計の接地

高周波引き廻し線の下層の接地がソリッドであり、すべてのゼロコンポーネントが主接地にしっかりと接続され、他のノイズを発生させる可能性のある引き廻し線から隔離されていることを確認します。また、VCOの電源が十分にデカップリングされていることを確保するには、VCOの高周波出力はかなり高いレベルであることが多く、VCO出力信号は他の回路と干渉しやすいため、VCOに特に注意しなければならない。実際、VCOは高周波領域の端に置かれることが多く、金属が必要な場合もあります

13、高周波回路基板設計のマスク

すべてのPCB設計において、できるだけデジタル回路をクラス比回路から遠ざけることが大原則であり、高周波PCB設計にも同様に適用される。共通クラス比接地は、マスクと信号線を隔てるための接地と一般的に同等に重要である。同様に、高周波回路を類比回路といくつかの重要なデジタル信号から遠ざけるべきであり、すべての高周波走査線、パッド、アセンブリの周囲はできるだけ接地銅の皮であり、できるだけ主接地に接続されているべきである。マイクロビア構造板は高周波回線開発段階で有用であり、コストをかけずに多くのビアを自由に使用できる。そうしないと、通常のPCBにドリルすると開発コストが増加し、大量量産時には経済的ではない。

ソリッドな接地面全体を直接表面の第1層に置くと、隔離効果が最も高い。接地面をいくつかに分けて類比、デジタル、高周波回線を隔離する場合、その効果はよくありません。最終的には常にいくつかの高速信号線がこれらの別々の接地面を通過する必要があるため、これはあまり良い設計ではありません。

高周波回路基板の設計が「ブラックアート」であるかどうかにかかわらず、基本的な高周波設計規則を遵守し、優れた高周波回路基板の設計例を参考にすることで、高周波設計の仕事を完成するのに役立ちます。成功した高周波設計は、設計プロセス全体の各ステップおよび各詳細に注意しなければならない。これは、設計開始段階で徹底的かつ注意深い計画を行い、各高周波回路基板設計のステップの進展を全面的に継続的に評価しなければならないことを意味する。