PCB Blog - RF基板設計のヒント

成功したRF基板設計では、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持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、Bluetoothデバイス、無線ローカルネットワーク（WLAN）デバイス、および携帯電話の需要と成長により、業者はRF回路設計の技術にますます関心を持つようになった。昔から今まで、RF基板設計は電磁干渉（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。

無線周波（RF）回路基板の設計は理論的に不確実性が多いため、「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、RF基板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RF基板設計課題は：インピーダンスとインピーダンス整合、絶縁層材料と積層板、波長と高調波…などであり、本文は集中的にRF回路基板のパーティション設計に関連する各種問題を検討する。

マイクロビアの種類

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最上部と下層の表面に位置し、表層線路と下層の内層線路との接続のための深さがあり、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位置する接続穴であり、配線板の表面には伸びない。上記の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。3つ目は、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アセンブリ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。

パーティション化テクニックの使用

RF回路基板を設計する際には、できるだけ高出力RF増幅器（HPA）と低騒音増幅器（LNA）を分離しなければならない。簡単に言えば、高出力RF送信回路を低電力RF受信回路から遠ざけることである。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空間が小さくなるので、これは達成しにくい。PCBボードの両面に置くか、同時に動作するのではなく交互に動作させることができます。高出力回路は、RFバッファ（buffer）と電圧制御発振器（VCO）とを含むこともある。

設計パーティションは、ソリッドパーティション（physical partitioning）と電気パーティション（Electrical partitioning）に分けることができます。エンティティパーティションは主にゼロコンポーネントのレイアウト、方位、遮蔽などの問題に関連し、電気パーティションは、電源分配、RF引き廻し、敏感な回路と信号、接地などのパーティションに分割され続けることができる。

エンティティパーティション

ゼロコンポーネントレイアウトは優れたRF基板設計を実現する鍵であり、最も効果的な技術は、まずRF経路上に位置するゼロコンポーネントを固定し、RF経路の長さを最小にするためにその方位を調整することである。そして、RF入力をRF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RF線を表層の上に歩くことである。RF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低減するだけでなく、主接地上の虚溶接点を低減することができ、積層板内の他の領域にRFエネルギーが漏れる機会を低減することができる。

実体空間上では、多段増幅器のような線形回路は、通常、複数のRF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RF／IF信号が干渉しているので、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。RFとIFの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RF経路はPCBボード全体の性能にとって非常に重要であり、これはつまり、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、一般的に、低騒音増幅器回路をPCBボードの片面に配置し、高電力増幅器を他面に配置し、最終的にはデュプレクサによってRFアンテナの一端と基本周波プロセッサの他端に同一面で接続することができる。これには、RFエネルギーが貫通孔によらず、板の片面から他面に伝達されないようにするためのいくつかの技術が必要であり、一般的な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RF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。

メタルシールド

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、金属シールドカバーを使用してRF領域内に無線周波数エネルギーを遮蔽することを考慮しなければなりませんが、金属シールドカバーには製造コストも組立コストも高いなどの副作用もあります。

外形が不規則な金属遮蔽カバー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遮蔽カバー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、金属シールドカバーは部品交換と故障移動に不利である、金属シールドカバー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。

金属遮蔽カバー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、金属遮蔽カバーに入るデジタル信号線はできるだけ内層を歩くべきであり、信号線層の次の層を接地層とすることが望ましい。RF信号線は金属シールドカバーの底部の小さな切欠きと接地切欠きの配線層から出てもよいが、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てもよい。

上記の欠点があるにもかかわらず、金属シールドカバー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。

でんげんデカップリングかいろ

また、適切で効果的なチップ電源デカップリング（decouple）回路も重要である。線形回線を統合したRFチップの多くは電源のノイズに非常に敏感で、通常、各チップは最大4つの容量と1つの分離インダクタンスを採用して電源ノイズを除去する必要があります。

最小容量値は通常、容量自体の共振周波数とピンインダクタンスに依存し、C4の値はこれに基づいて選択される。C3とC2の値は、自身のピンインダクタンスの関係で相対的に大きく、RFデカップリング効果はやや劣るが、低周波数のノイズ信号を除去するのに適している。RFデカップリングは、電源線からチップにRF信号を結合できないようにするインダクタンスL 1によって行われる。すべての引き廻しは、RF信号を受信しても送信してもよい潜在的なアンテナであるため、無線周波数信号をキーライン、ゼロコンポーネントから分離することが必要である。

これらのデカップリングコンポーネントのエンティティ位置も一般的に重要です。これらの重要なコンポーネントのレイアウトの原則は、C4はできるだけICピンに接近して接地しなければならず、C3はC4に最も接近しなければならず、C2はC3に最も接近しなければならない。また、ICピンとC4の接続の引き廻しはできるだけ短くなければならない。これらのコンポーネントの接地端（特にC4）は通常、板面の最初の接地層とチップの接地脚によって接続されなければならない。コンポーネントと接地層を接続する貫通孔はできるだけPCB基板上のコンポーネントパッドに近づけるべきであり、好ましくはパッドに打ち込まれた盲孔を使用して接続線インダクタンスを最小にし、インダクタンスL1はC1に近づけるべきである。

集積回路や増幅器はしばしばオープンコレクタ出力を持つので、高インピーダンスRF負荷と低インピーダンス直流電源を提供するためにプルアップインダクタンス（pullup inductor）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。動作するには複数の電源が必要なチップもあるため、それぞれをデカップリングするには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、そのチップの周囲に十分なスペースがないとデカップリング効果が低下する可能性があります。

特に注意が必要なのは、インダクタンスが空芯変圧器を形成し、相互に誘導して干渉信号を生成するため、少なくともその1つの高さに相当するか、直角に配置して相互インダクタンスを最小にするための距離が必要であるため、非常に平行に近接することが少ないことです。

電気パーティション

電気パーティションは、原則としてエンティティパーティションと同じですが、その他の要素も含まれています。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、携帯電話では複数の電源を実行する必要があり、これにより多くの隔離問題が発生することを意味します。電源は通常、接続ケーブル（connector）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すぐ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、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用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、金属シールドカバーを設計する必要があることが多い。

RF出力はRF入力から離れなければならない

ほとんどの場合、RF出力がRF入力から遠ざかるようにしなければならない。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フィードバックされると、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、ノイズと相互調整乗算信号（intermodulation products）をRF信号に追加することがあります。

無線周波数信号線がフィルタの入力端から出力端を迂回すると、フィルタの帯域通過特性が大きく損なわれる可能性がある。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。さらに、回路基板全体の接地には十分注意しなければならない。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る。

シングルエンド（single-ended）または平衡RF信号線（balanced RF 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RF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るが、通常はインピーダンスが高い。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。

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ので、分離効果を高めるために使用することができます。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RF周波数でコモンモード分離（common mode isolation）状態に達すると、正常に動作しなくなります。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。

バッファは設計に大きく役立ち、被駆動回路が必要な後に続くことができ、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低いため、ボード上の他の回路に干渉しにくい。

でんあつせいぎょはっしんき

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、RF信号にノイズを増加させる。つまり、圧力制御発振器が処理された後、RF出力信号からノイズを除去することはできない。困難は、VCO制御線（control line）の所望の周波数幅範囲がDCから2 MHzになる可能性があり、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、周波数を制御するフィードバック回路の一部であり、多くの場所でノイズを導入する可能性があるため、VCO制御線を慎重に処理しなければならない。

きょうしんかいろ

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、VCO動作周波数の設定と音声またはデータのRF搬送波への同調を容易にする一連のインダクタンス容量を有するダイオードから連結された共振回路である。

すべてのVCOの設計原則は共振回路にも適用される。共振回路は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RF周波数で動作するため、共振回路は通常ノイズに非常に敏感である。信号は通常、チップの隣接するピンに配置されていますが、これらの信号ピンはまた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ます。これにより、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信号ピンに近づけ、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。

じどうりとくせいぎょぞうふくき

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増幅器にノイズを導入しやすくなる。

AGC回線を設計するには、アナログ回路の設計原則、つまり短い入力ピンと短いフィードバック経路を使用しなければならず、両方ともRF、IF、または高速デジタル信号回線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、チップ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。

アース

RF引き廻し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、他のノイズをもたらす可能性のある引き廻し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認するには、VCOのRF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RF領域の端に置かれることが多く、金属遮蔽カバーが必要な場合もあります。

すべてのPCB設計において、デジタル回路をアナログ回路からできるだけ遠ざけることは大きな原則であり、RF基板設計にも同様に適用される。共通のアナログ接地と信号線を遮蔽して分離するための接地は通常、同等に重要である。同様にRF回線をアナログ回線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RF引き廻し、パッドと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しなければならない。マイクロポーラス（microvia）構造板はRF回線開発段階で有用であり、いかなるオーバーヘッドをかけずに多くのポーラスを自由に使用することができ、そうでなければ通常のPCB板に穴をあけることは開発コストを増加させ、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。接地面をいくつかのブロックに分けてアナログ、デジタル、RF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。

特に注意が必要な信号や制御線に関する課題も多いが、本稿で検討した範囲を超えている。

おわりに

RF基板設計が「ブラックアート」であるかどうかにかかわらず、いくつかの基本的なRF基板設計規則を遵守し、いくつかの優れた設計例を参考にすることはRF基板設計の仕事を完成するのに役立つだろう。成功したRF基板設計では、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持続的に評価しなければならないことを意味する。