PCB Blog - RFマイクロ波PCBの特徴と設計ポイント

RFマイクロ波PCBは、高周波（無線周波数とマイクロ波周波数帯）回路に特化したプリント基板として、多くの先進的な通信技術と電子機器に重要なサポートを提供している。

RFマイクロ波PCBは、主に無線周波数範囲（一般に3 kHz〜300 GHz）及びマイクロ波周波数帯（一般に300 MHz〜300 GHz）で動作する。一般的なPCBと比較して、次のような顕著な特徴があります。

低誘電率：誘電率は誘電体が電界中に電気エネルギーを貯蔵する能力を測定する物理量である。RFマイクロ波PCBには、安定で低い誘電率が必要である。例えば、一般的なポリテトラフルオロエチレン（PTFE）基板の誘電率は2.2−2.7程度であり、通常のFR−4基板の誘電率（約4.2−4.7）よりも低い。これにより、信号の伝送過程における速度が速く、波長がより安定し、誘電率の変化による信号歪みが減少する。

低損失係数：損失係数とは、電界による誘電体の発熱による損失エネルギーと蓄積されたエネルギーとの比である。無線周波数マイクロ波周波数帯において、信号の損失は主に誘電体損失と導体損失を含む。低損失係数の材料は伝送過程における信号の減衰を著しく減少させ、信号が遠距離で効率的に伝送できることを確保することができる。ロジャーズ（Rogers）社のような特殊な基板材料は、高周波で非常に低い損失係数を持ち、高性能な無線周波マイクロ波回路に理想的な選択を提供している。

適切な熱膨張係数：熱膨張係数は材料が熱を受ける時の寸法膨張の特性指標である。RFマイクロ波PCBは、温度変化時に回路基板の反り、積層などの問題が発生することを防止するために、熱膨張係数と銅箔などの導体材料とが一致する基板材料を選択し、異なる環境温度における回路基板の安定性を保証する必要がある。

設計のポイント

きばん

相対誘電率：相対誘電率とは、誘電率と真空誘電率との比を意味する。RFマイクロ波PCB設計のための基板材料の比誘電率は、空間的および重量的要件を満たすために十分に高くなければならない。しかし、高速相互接続などの他の用途では、許容可能な線幅とインピーダンス許容差を有する高インピーダンス回路を生成するために、極めて低い相対誘電率が必要である。最終基板材料を決定する前に、一定範囲の板厚の線幅、回路動作周波数の波長、主要部品の近似寸法を含むいくつかのパラメータを確認しなければならない。許容可能な大と小の相対誘電率を確立するためには、基板図のスケッチを描く必要があります。また、基板材料製造業者によって提供される比誘電率偏差は、電気特性が公差範囲内になるように十分に低くなければならない。

損失正接：誘電損失は損失角正接と相対誘電率の関数であり、いくつかの基板材料に対して、単位長さ当たりの誘電損失は導体損失を減らすことができる比較的短い線を印加することによって相殺することができ、これは高周波の場合に導体損失が明らかになる時に非常に重要である。したがって、特定の回路における素子損失パラメータを推定する場合、所与の周波数における単位線長当たりの通常損失ではなく、単位長または周波数当たりの損失を推定する。一定の周波数範囲では、基板材料の損失は、放熱問題を回避しながら、入出力電力要件を満たすために十分に低くなければならない。さらに、フィルタなどの回路要素の電力応答の中には、電気的性能要件を満たすために、鋭い周波数ロールオフ特性を維持しなければならないものもある。もちろん、誘電損失はこの周波数特性に影響を与える。

ルーティング規則

マイクロストリップ線とストリップ線：ストリップ線（信号線と信号線と平行な信号線とグランドを含む2つの広い接地を含む伝送路構造であり、その間に挟まれた信号線と平行である）とマイクロストリップ線（信号線と平行な信号線とグランドを含む）は、マイクロ波回路設計に広く応用され、一般的にソフト基材に依存している。ストリップラインまたはマイクロストリップラインの場合、地面距離と導体幅との比率、導体厚と結合導体との距離は、特徴インピーダンスと減衰係数に強く影響する。特定の周波数範囲と伝送路構造において、減衰係数、相対誘電率と特徴インピーダンスは周波数信頼性を特徴とすることができる。帯状ワイヤまたはマイクロストリップの断面寸法が誘電体中の波長よりも大きい場合、他の（より高い）伝送モードが明らかになり、これにより伝送ワイヤの電気的性質が低下する。信号速度と周波数が上昇するにつれて、伝送路のサイズは高次モードを回避するために比例的に小さくなければならず、所与の特性インピーダンスを持つより薄い基板材料を適用する必要がある。

線幅と間隔：無線周波数マイクロ波周波数帯において、線幅と間隔の設計は信号のインピーダンス整合と電磁互換性を考慮しなければならない。一般的に、線幅が狭いほど、信号のインピーダンスが高くなります。線幅が広いほどインピーダンスが低くなります。信号の効率的な伝送を保証するためには、目標インピーダンスに基づいて適切な線幅を計算する必要があります。同時に、線間隔の設計は信号間のクロストークを考慮しなければならない。例えば、マルチチャネル無線周波数マイクロ波PCBを設計する場合、線間隔が小さすぎると、異なるチャネルの信号が干渉し、システムの性能に影響を与える可能性があります。

せっちせっけい

良好な接地は無線周波数RFマイクロ波PCB設計の鍵である。一般的には、多点接地または混合接地の方式が採用されている。多点接地は接地インピーダンスを低下させ、接地ループの干渉を減少させることができる。例えば、1つの無線周波数電力増幅器のPCB設計では、回路基板の各キー部に接地ビアを設け、信号地と電源を効率的に接続することにより、接地電位差による干渉信号を回避し、回路の安定性と信頼性を高めることができる。

要するに、RFマイクロ波PCBは将来の通信をつなぐ重要な技術として、通信、レーダー、航空宇宙などの分野でかけがえのない役割を果たしている。技術の進歩に伴い、RFマイクロ波PCBは絶えず革新と発展を続け、私たちにより効率的で、安定的で、便利な通信体験をもたらします。