高周波回路および電磁両立性のためのPCB設計

通信技術の発展により、携帯電話やBluetooth製品などの分野で無線周波数（RF）回路の応用が徐々に広がり、RF回路は電波伝搬の中核技術となってきた。しかし近年、4Gの普及が進み、データ転送量の桁違いの増加が顕著になるにつれて、RF回路のPCB設計には大きな課題が生じている。結局のところ、伝送される信号の数がRF回路毎日何百倍もの勢いで増大しています。さらに、RF 回路は主に小型で携帯性を備えたポータブル機器に用いられるため、回路全体に対する基本的な要求は、小型であること、配線が均一かつ合理的であること、そして微小部品同士が干渉しないことにあります。しかしながら、携帯電話内部の部品間で電磁干渉が発生することは避けがたいように思われます。心配はいりません。電磁干渉による影響を効果的に低減するために適用できるいくつかの対策があります。本稿では、RF 回路向けの合理的な PCB 設計を紹介します。この設計は、小型であることと、顕著な耐干渉能力を備えていることを特徴としています。

基板材料の選定

一部のIC（集積回路）は基板上に実装されるため、まず電子部品を搭載するためのテンプレートとして、RF回路に適した基板を選定しなければならない。選定という観点から言えば基板材料まず検討すべき要素としては、誘電率、誘電損失、および熱膨張係数が挙げられますが、その中でも誘電率が最も重要です。なぜなら、誘電率は回路のインピーダンスや伝送速度に大きな影響を与えるからであり、特に誘電率に対して厳しい要求が課される超高周波回路では顕著です。そのため、一般的には比較的低い誘電率をもつ基板材料を選定することが原則となっています。

PCB設計手順

・回路図設計

PCB設計の最初のステップは回路図を設計することであり、これはコンピュータの支援を受けて完了しなければならない。回路図の設計は、～を通じて実施される。PCB設計ソフトウェアすべての電子アナログ部品を含むものです。まず最初に、実際の回路をコンピュータ上でシミュレーションして回路図を設計します。次に、その回路図を対応する部品に接続する必要があります。続いて、基本動作の実現可能性を判断するために、回路図に基づいて動作シミュレーションを実行します。

・PCB設計

回路図設計の後、回路図に基づいてPCBのパターンおよびサイズを科学的に決定することができる。PCBのパターンおよびサイズは、位置、寸法、パターンなどのパラメータに従って最適化され、システム全体が最適な性能に到達するようにすることができる。この過程では、位置決め穴、視準孔、および基準穴の位置を決定する必要がある。

必要なすべての部品を見つけてください。一般的な部品は倉庫で簡単に見つかります。倉庫に部品がない場合は、部品を調達するか製造する必要があります。PCBCart専門的で安定した部品調達システムを備えており、クライアントが信頼できるようになっています。次に、部品を配置し、それらを中心に配線を実装する必要があります。最終段階では、回路の動作を検出し、回路の性能が要求を満たしていること、そして回路の動作が基本的に安定していることを確認します。

コンポーネントレイアウト

普通とは異なるコンポーネントレイアウトRF 回路では、回路の小型化に伴い、すべての部品が非常に小さくなるため、部品の実装には SMT（表面実装技術）が用いられ、マイクロ電子部品のはんだ付けには赤外線リフロー炉が使用される。はんだ付けは RF 回路設計における重要な工程であり、その品質は回路全体の総合的な品質に直接影響する。RF 回路用の PCB では、電子部品間に優れた電磁両立性を形成する必要があり、これは最も重視すべき要素である。異なる電子部品間の電磁放射は、それぞれの電子部品の独立した動作に影響を与えるため、まずは耐干渉性能を備えた部品を選定する必要がある。

さらに、回路全体の動作過程においては、回路内の電流は磁場の発生を引き起こしやすい。そのため、RF 回路の観点からは、部品間の干渉を考慮するだけでなく、回路が他の回路に与える電磁干渉も考慮しなければならない。マクロな回路レイアウトは非常に重要であり、以下の基本的な回路レイアウト原則を参考とすることができる。

まず、部品の配置は一列に配置する必要があります。PCBがはんだ付け装置に進入する方向の決定は、はんだ付け不良による問題を減らすために適用されます。一般的に、部品間の間隔は0.5mm以上とし、部品間にはんだ付けが行えるようにする必要があります。そうでない場合、部品間の距離が短すぎるため、はんだ付けを行うことができません。

第二に、PCB システムでは、すべてのインターフェースが互いに互換性を持たなければなりません。部品インターフェースの位置、寸法、および形状のすべてを考慮して、それらの間の円滑な接続を確保する必要があります。回路の複雑さにより、回路間の電位差が生じることは避けられません。これらの電位差の間隔が小さい結果として、しばしば短絡が発生します。したがって、高電位の部品は短絡の発生を避けるため、互いにあまり近くに配置すべきではありません。高電圧環境では、より一層の注意が必要です。

最後に、回路構成は全体として慎重に検討する必要があり、回路は多数の電子部品を含む複数の独立したモジュールに分割しなければなりません。部品はそれぞれのモジュールに応じて配置されるべきです。例えば、高周波増幅回路やミキサ回路は、配線設計の段階で互いに近接して配置することで、配線ループ面積を効果的に減らし、回路の損失や電磁放射も低減できます。さらに、異なるモジュール間の相互干渉を防ぐことも可能になります。

ルーティング

配線は基本レイアウトの後に実装され、詳細配線と全体配線に分類される。前者は回路内の各種モジュール内部の配線を指す。詳細配線はIC設計において行われる場合もあるが、部品の調達に先立って予備的な詳細配線が完了している。場合によっては、わずかな修正だけで済むこともある。

全体配線とは、各モジュール間の相互配線、あるいは電源と各モジュール間のネットワーク配線を指します。全体配線の過程では、いくつかの側面を考慮する必要があります。モジュールの配置の特殊性やモジュール間距離の違いにより、多くの制約が生じます。各モジュールを一点とみなし、点と点の接続関係を決定すれば、配線長が最短となる最適なプランを導き出すことができ、これにより材料コストを節約し、回路をシンプルで整然とした外観にすることができます。

役立つリソース:
•PCB EMC設計における初回成功の確保
•EMC向上のためのPCB分割設計ルール
•RFおよびマイクロ波PCB設計のガイドライン
•RF PCB設計における課題と解決策
•PCBCart のフル機能 PCB 製造サービス - 複数の付加価値オプション
•PCBCart の高度な PCB アセンブリサービス - 1 個から対応