RF PCB設計における課題と解決策

RF（無線周波数）PCB（プリント基板）の設計には多くの不確定要素が存在するため、「ブラックアート」とも呼ばれている。一般的に言えば、マイクロ波以下の周波数（低周波および低周波デジタル回路を含む）の回路に関しては、レイアウトを慎重に行い、設計原則を十分に理解していれば、一度目の設計で成功することが保証される。しかし、マイクロ波を超える周波数や、高周波のPCレベル・デジタル回路になると、2～3版のPCBを作成することで回路品質を確保することができる。一方、マイクロ波以上の周波数帯のRF回路に関しては、継続的な改良のために、さらに多くのPCB設計バージョンが必要となる。そのため、RF回路設計の過程では、多くの困難に直面することは避けられない。

RF回路設計で最もよく見られる問題

・デジタル回路モジュールとアナログ回路モジュール間の干渉

アナログ回路（RF 回路）とデジタル回路がそれぞれ独立して動作している場合、それらはほぼ完全に動作できる可能性が高い。しかし、同じ電源に依存し、同一の基板上で混在させた途端、システム全体が不安定になる可能性がある。これは、デジタル信号がしばしばグラウンドと正電源（>3V）の間をスイングし、その周期がナノ秒オーダーと非常に短いからである。振幅が大きく、スイッチング時間が短いため、すべてのデジタル信号にはスイッチング周波数とは無関係な高周波成分が含まれる。 アナログ部では、電圧は通常、ラジオ同調ループから無線機受信部まで 1μV 未満である。そのため、ラジオ同調ループと RF 信号とのレベル差は 120dB に達し得る。明らかに、デジタル信号と RF 信号がきちんと分離されていなければ、微弱な RF 信号は損なわれる可能性がある。その結果、無線機の動作性能は劣化し、場合によってはまったく動作しなくなる。

・電源のノイズ干渉

RF 回路はノイズに非常に敏感であり、これはグリッチ電圧やその他の高周波高調波に対して特に当てはまります。マイクロコントローラは、すべての最新のマイクロコントローラが CMOS 技術を用いて製造されているため、各内部クロック周期ごとに瞬間的に大部分の電流を吸い込みます。したがって、あるマイクロコントローラが 1MHz の内部クロック周波数で動作しているとすると、その周波数で電源から電流を引き出すことになります。適切な電源デカップリングが行われていない場合、電源ライン上に電圧グリッチが発生します。電圧グリッチが RF 回路の電源ピンに到達すると、深刻な場合には故障を引き起こす可能性があります。

・不当な GND

RF回路においてGNDが不適切に設定されると、奇妙な結果が生じる可能性があります。デジタル回路設計の場合、たとえGNDが十分でなくても、ほとんどのデジタル回路の機能は問題なく実現できます。しかしRFに関しては、わずかに短いグランド線であってもインダクタと同等の役割を果たします。一般に、1nHのインダクタンスは1mmの長さに相当するとされており、これに基づけば、長さ10mmのPCBのインダクティブリアクタンスはおおよそ27Ωになると概算できます。GNDが適切に適用されていない場合、ほとんどのグランド線は非常に長くなり、回路は設計どおりの特性を示さなくなります。

・アンテナによる放射妨害が他のアナログ回路へ与える影響

PCBレイアウト設計では、他のアナログ回路も基板上に実装されている。例えば、多くの回路にはアナログ‐デジタルコンバータ（ADC）やデジタル‐アナログコンバータ（DAC）が含まれている。RF送信機によって伝送される高周波信号は、あらゆる回路配線がアンテナのようにRF信号を送受信するため、ADCのアナログ入力端子に到達する可能性がある。もしADCの入力端子の処理が不適切であれば、RF信号がADC入力のESDダイオード内で自己発振を起こし、その結果、ADCの偏差を引き起こす可能性がある。

RF回路設計の原理と方式

・RFレイアウトの定義

RF レイアウトを設計する際には、まず次の一般原則に従う必要があります。
① 高出力増幅器（HPA）と低雑音増幅器（LNA）は、可能な限り離して配置する必要があります。簡単に言えば、高周波のRF送信回路は、低周波のRF受信回路から遠くに配置します。
② PCB基板上の高周波エリアには、少なくとも連続したグランドが確保されている必要があり、その部分にはスルーホールを設けないのが望ましい。銅箔面積は大きいほど良い。
③ 回路と電源にとって、デカップリングを行うことは同様に重要です。
④ RF出力はRF入力から十分に離して配置してください。
⑤ 高感度のアナログ信号は、高速デジタル信号やRF信号からできるだけ離して配置する必要があります。

・物理的パーティショニングおよび電気的パーティショニングの設計原則

パーティショニングは、物理的パーティショニングと電気的パーティショニングに分類することができる。前者は主に部品のレイアウト、向き、およびシールドに関係し、後者はさらに電源分配、RF ルーティング、高感度回路、信号、およびグラウンドのパーティショニングに分類することができる。

a. 物理パーティショニングの原則

コンポーネント配置の原則コンポーネントのレイアウトは、性能の高いRF設計に寄与するうえで不可欠な役割を果たす。最も効果的な手法は、まずRFパス上に配置されるコンポーネントを固定し、その向きを調整してRFパスを最小化しつつ、入力を出力から遠ざけ、高出力回路と低出力回路を可能な限り分離することである。

PCB積層設計原則最も効率的な回路積層方法は、第1層の直下である第2層にメインのグランドプレーンを配置し、第1層にRF配線を配置することである。RF経路上のスルーホールのサイズは最小限に抑えるべきであり、これにより経路インダクタンスを低減し、メイングランド上のコールドはんだ接合部の数を減らすことができる。さらに、積層内の他の領域へのRFエネルギーの漏洩も少なくなる。

RFコンポーネントとRFトレースの原理物理空間内では、多段増幅器のような線形回路はすべての RF 領域を分離することが可能だが、デュプレクサ、ミキサ、および中間周波数増幅器／ミキサは、複数の RF/IF 信号間の相互干渉を引き起こすことが多い。したがって、この種の影響は慎重に最小化しなければならない。RF/IF の配線は交差させ、その間にはグラウンドを設けるべきである。正しい RF パスは PCB の性能にとって非常に重要であり、そのため携帯電話の PCB 設計では、部品レイアウトに大部分の時間が費やされる。

b. 電気的パーティショニング原理

動力伝達の原理携帯電話のほとんどの回路における直流電流は通常かなり小さいため、パターン幅を厳密に考慮する必要はありません。しかし、高出力アンプの電源については、大電流が流れるパターンを可能な限り広い幅で独立して設計し、伝送される電圧降下を最小限に抑える必要があります。過度な電流損失を避けるために、電流をある層から別の層へ伝送する際には、複数のスルーホールを用いるべきです。

高出力デバイスの電力デカップリング高出力アンプの電源ピンで完全な結合が達成されない場合、高出力ノイズが基板全体に放射され、多くの問題が発生する。高出力アンプのグラウンディングは非常に重要であり、その設計には通常、金属シールドカバーが必要となる。

RF 入出力分離原則ほとんどの状況において、RF 出力が RF 入力から十分に隔離されていることを保証することは同様に重要であり、これは増幅器、バッファ、フィルタにも当てはまります。より悪い状況では、増幅器やバッファの出力が、適切な位相と振幅でその入力端子に戻されると、自励振動が発生する可能性があります。最良の場合には、これらはあらゆる温度や電圧条件下でも安定して動作することができます。しかし実際には、不安定になり、RF 信号にノイズや相互変調信号を付加してしまうことがあります。

総じて、高周波回路は分布定数回路であるため、表皮効果や結合効果といった特徴を有しており、これが低周波回路や直流回路との相違点となっています。したがって、高周波回路のPCB設計においては、上記で述べた問題に特に留意することで、回路設計を効果的かつ正確なものにする必要があります。

役立つリソース
•RFおよびマイクロ波PCB設計のガイドライン
•高周波回路および電磁両立性のためのPCB設計
•PCBCartは高周波PCB製造サービスを提供しています