RF PCBは、無線周波数信号を伝送し、処理するために作られたプリント回路基板（PCB）の一種です。これらの信号は高周波である。通常、300kHz以上、300GHzまでの周波数を持つ。.

無線周波数（RF）とは、電磁波の一群の名称である。電波が無線通信に利用できる場合、人々はこの名前を使う。RFの周波数範囲は、本によって必ずしも同じではない。30MHzから3GHzまでと書いてある本もあれば、300MHzから3GHzまでと書いてある本もある。300MHzから40GHzと書いてある本もある。これらの範囲は、マイクロ波と呼ばれる範囲と重なることもある。また、スペクトルの分け方が違う本もある。波長が1メガ・メートルから1メートルまでの波が1つのグループだというのだ。そうすると、30Hzから300MHzの周波数になる。RFとマイクロ波の境界線はあまり明確ではない。部品や設計方法が良くなるにつれて、その境界線は変わる可能性がある。.

RF PCBとその主な特徴

RF用にPCBを設計する場合、伝送線路がどのように振る舞うかを考えなければなりません。PCB上のワイヤーやトレースについては、2つの方法でモデル化することができます。ひとつは集中素子モデル。もう1つは分散パラメータ・モデルです。一般的な法則はこうです。幾何学的長さlを波長λで割った値が0.05以上であれば、分布モデルを使用する。このノートでは、RFリンクとは、伝送線路が分布モデルを必要とする回路を意味する。実際には、PCBトレースの長さが50cmを超えることはほとんどありません。そのため、30MHzのアナログ信号から始めることができる。3GHz以上の信号はマイクロ波と呼ばれることが多い。素子間隔が0.5mmになるような製造上の制限のために、最高周波数を30GHzに設定することがある。しかし、それは必ずしも有用ではない。.

これらの点から、RFプリント基板とは、周波数約30MHz～6GHzのアナログ信号用プリント基板と言える。集中型か分散型かの選択は、上記の式と使用周波数に従うべきである。.

基板の誘電率は通常高いため、波の動きは空気中よりも遅くなる。そのため、基板上では波長が短くなる。マイクロストリップやその他の線路の場合、基板は誘電損失が低くなければなりません。誘電率は、必要な周波数と温度範囲であまり変化しないことが望ましい。基板は熱伝導率がよく、表面が滑らかでなければならない。導体との密着性が高いこと。.

トレース上の金属には高い導電性が必要である。金属は抵抗の温度係数が小さくなければならない。基板によくくっつくこと。はんだ付けが容易であること。.

RFボード素材選択の原則

マイクロ波PCBにおける基板の役割

マイクロ波周波数プリント基板は、部品を支持するだけではありません。マイクロ波電磁界の媒体でもあります。そのため、RF回路には高周波またはマイクロ波グレードの基板が最適です。.

トレース・インピーダンス・コントロール

RF PCBでは、印刷されたトレースは電流容量などの通常の規則に従わなければならない。さらに、トレースの特性インピーダンスを制御しなければならない。トレースはインピーダンスを合わせなければならない。そのため、PCBプロセスではトレース・インピーダンスを制御しなければならない。トレースの特性インピーダンスは、PCB材料とその物理的パラメータに依存します。そのため、PCB設計者は材料の性能を知っておく必要があります。.

RFボードの材料要件

RF基板は通常、高い周波数と性能を必要とする。人々は正確な誘電率を持つ基板を選ぶ。基板は安定していて、低損失でなければなりません。また、製造に適した材料でなければならない。例えば、高温のリフローはんだ付けに対応しなければなりません。当社では、RF基材にfr4、TACONIC、ROGERSの材料をよく使用しています。.

FR-4の特徴

fr4（難燃性銅クラッドエポキシガラス織物）の誘電率Erは1GHzでEr=4.3±0.2。ガラス転移温度Tgは135℃です。一般的な基板には2種類の板材を使用する。一つは標準的な板材である。これは低コストでプロセスも成熟している。もう一つはUVボードで、しばしばイエローボードと呼ばれる。これは紫外線を遮断するUV-BLOCKING機能を持っています。私たちはこれを外層に使っています。性能は標準板より少し良い。.

タコニック素材

タコニック は有名なブランドだ。多くのスペックを持っている。価格はfr4より高い。.

ロジャースの素材

ROGERSの素材は高い誘電率精度を誇ります。温度に対して安定しており、低損失です。大電力回路に使用しています。PCBの製造とプロセスはfr4と同様なので、製造コストは低い。しかし、銅箔の密着性は低い。.

基板テーブル

PCB設計におけるRF問題とその解決策

一般に、マイクロ波以下の周波数の回路（低周波や低速のデジタルも含まれる）では、慎重なレイアウトが成功への最初の鍵である。ルールを知っていれば、良い設計ができる。PCBレベルのマイクロストリップ回路や高速デジタル回路では、回路品質を確保するために2～3枚のPCBバージョンが必要になることがあります。マイクロ波以上の周波数のRF回路では、性能を向上させるためにさらに多くのバージョンが必要になります。そのため、RF回路設計では多くの課題に直面することになります。.

以下に、よくある問題と解決策を列挙する。.

RF回路設計における一般的な問題

1. デジタル・モジュールとアナログ・モジュールの干渉
   アナログのRF部品とデジタルの部品が単独で動作する場合、それぞれがうまく機能することがある。しかし、それらが同じ基板上で混在し、電力を共有すると、システム全体が不安定になる可能性がある。デジタル信号はグランドとVccの間を3V以上スイングする。振幅が大きくスイッチングが速いため、デジタル信号にはスイッチング・クロックに依存しない高周波成分が含まれる。同調無線ループからレシーバーに至るアナログ部分では、電圧は1μV未満になる。小さなRF信号とデジタル・ノイズの差は120dB以上にもなる。デジタル信号をRFから遠ざけておかないと、微弱なRF信号がダメージを受けます。無線機が動作しなくなったり、動作が悪くなったりすることがあります。.

2. 電源ノイズ干渉
   RF回路はノイズに敏感である。スパイクや高周波の高調波に敏感です。マイクロコントローラーは、内部クロック・サイクルのたびに突然大電流を流す。最近のマイクロコントローラーのほとんどはCMOSを使用しています。マイクロコントローラーが1MHzの内部クロックで動作する場合、そのレートで電流を消費します。電源デカップリングがうまくいかないと、電源ラインに電圧ノイズが発生する。電圧スパイクがRF電源ピンにかかると、RFブロックが故障する可能性がある。.

3. グラウンド設計が悪い
   グラウンドがRF用にうまく設計されていないと、奇妙な結果になることがある。デジタル設計では、グラウンドが完全でなくてもほとんどの回路は動作する。しかしRFでは、短いアース線でもインダクタのように作用する。例えば、1nHのインダクタンスは長さ1mmに近い。このことから、長さ10mmのPCBトレースは約27オームのリアクタンスを持つことが推測できる。もし良いグラウンドがなければ、多くのグラウンド・トレースが長くなり、回路は設計された特性を保てなくなる。.

4. 他のアナログ回路と干渉するアンテナ放射
   PCBレイアウトでは、他にもアナログ部品がある。多くの基板にはADCやDACがある。送信機からの強いRF信号はADC入力に到達する可能性がある。どのトレースもアンテナのように機能します。ADC入力のハンドリングが良くないと、RFがESDダイオードに入り、ADCオフセットやエラーを引き起こす可能性があります。.

RF回路設計の原理とソリューション

1.RFレイアウトの定義

RFレイアウトを設計する際には、以下のルールに従ってください。.

1. ハイパワーアンプ（HPA）とローノイズアンプ（LNA）はできるだけ離してください。高出力送信部は、低出力受信部から遠くに置く。.

2. PCB上の高周波エリアでは、少なくとも1つの完全なグランドプレーンを下に置き、その中にビアを入れないようにする。銅の面積は大きいほど良い。.

3. 回路と電源のデカップリングも同様に重要である。.

4. RF出力をRF入力から離してください。.

5. デリケートなアナログ信号を高速デジタル信号やRF信号から遠ざける。.

2.物理的パーティションと電気的パーティションの設計ルール

パーティションとは、機能ごとにボードを分割すること。物理的な分割と電気的な分割ができる。物理的パーティションは、部品レイアウト、方向、シールドを扱う。電気的パーティションは、配電、RF配線、高感度部品、信号、グランドゾーンを扱う。.

a.物理的パーティションの原理

部品のレイアウトは、優れたRF設計の鍵である。良い方法は、まずRFパスに沿って部品を配置することです。次に、その方向を決めます。入力は出力から離して配置する。高出力部品と低出力部品を離す。これはRFパスを短くするのに役立ちます。.

b.PCBスタックアップ設計原理

良いスタックアップは、トレース層の下の層にメイン・グランド・プレーンを置く。RFトレースはプレーン層に置く。RF パスのビアを小さくする。こうすることで、パスのインダクタンスが減少し、メイングランド上の冷たいはんだ接合が減ります。また、RFエネルギーが他の層に漏れることも少なくなります。.

c.RF部品とRFトレースの原理

基板スペースでは、多段アンプのようなリニア回路でRFゾーンを分離できる。しかし、デュプレクサ、ミキサー、IFアンプは、多くのRF信号とIF信号を互いに近くに出現させることが多い。このカップリングを下げるように注意する必要がある。RFトレースとIFトレースを注意深く配線し、それらの間にグランドスペースを空けてください。適切なRF経路はPCBの性能に不可欠です。そのため、携帯電話のPCB設計では、部品レイアウトにほとんどの時間がかかります。.

d.電気的仕切りの原理

電話回路のほとんどの電力は低DCなので、特別な幅広トレースは必要ありません。しかし、大電力アンプに電力を供給する場合は、大電流用に幅広のトレースを作る必要があります。これにより電圧降下を小さく保つことができる。電流損失を避けるため、あるプレーンから別のプレーンへ電流を移動させるために多くのビアを使用する。.

パワー部品のパワーデカップリングは重要である。ハイパワーアンプのピンで電源のデカップリングを怠ると、多くの問題が起こる可能性がある。ハイパワーノイズが基板全体に放射される可能性があります。ハイパワーアンプのグランドは非常に重要である。設計者はしばしば金属シールド缶を必要とする。.

e.RF入出力絶縁原理

RF出力をRF入力から遠ざけることは非常に重要である。これはアンプ、バッファー、フィルターに適用される。最悪の場合、アンプやバッファーの出力が正しい位相と振幅で入力に戻ると、部品は自己発振に陥る可能性がある。良い場合、回路はあらゆる温度と電圧で安定する。悪い場合は、RF信号にノイズや相互変調を加えることになる。.

概要

要するに、RF回路は分散パラメータ・ラインで動作する。表皮効果とカップリングが見られる。そのため、低周波回路やDC回路とは異なります。そのため、RFプリント基板設計では、上記の点を重視しなければなりません。そうすれば、設計は効果的で正確なものになります。.

1. 可能な限りトレースを短くする。短いトレースは、損失と不要なリアクタンスを低減します。.

2. 必要な周波数に適した基板を使用してください。高周波での低損失にはロジャースまたはPTFEを使用する。.

3. トレースのインピーダンスをコントロールする。適切な幅と間隔、スタックアップを使用する。ツールで測定または計算する。.

4. デジタル部とRF部を分離する。各セクションに独自のグランドリターンを与える。部品に近いパワーピンでデカップリングを使用する。.

5. RFリターンにはグランドプレーンと小さなビアを使用する。これによってインダクタンスが下がる。.

6. 敏感な部品の近くにフィルターやシールドを配置する。こうすることで、不要なピックアップが少なくなります。.

7. プロトタイプでテストする。RFは通常、レイアウトとチューニングを何度も繰り返す必要がある。小さな変更が高周波では大きな影響を与えることがある。.

8. アンテナの場合は、金属や他のトレースを近づけないようにし、クリアなエリアを確保する。アンテナのマッチングとチューニングには、ボードスペースとテストが必要な場合が多い。.

9. ハイパワートレースを作る場合は、幅を広くし、層間で電流を流すために多くのビアを使用する。.

基本的な計算式とルール

1. l/λ≥0.05を使用して、トレースに分布モデルが必要かどうかを確認する。lは幾何学的な長さ、λは媒体中の作業波長。.

2. インダクタンスを素早く感じるには、1 nH はトレースの約 1 mm です。長いグランドがインダクタンスを増加させるかどうかをチェックするために使用する。.

3. インピーダンスを制御するには、スタッ クアップ、トレース幅、誘電率、平面までの 距離を知る必要がある。正 確 な 値 を 求 め る に は 、電 界 ソ ル バ ー ま た は イ ン ピ ー ダ ン ス 計 算 機 を 使 用 す る 。.