デジタルエンジニアのためのRF PCB設計ガイドライン：レイアウトとルーティング

私は電子業界で様々な人々と協力しており、その中には材料や半導体分野の数社も含まれています。ある会議で、あるスタートアップの創業者が私に「EEは資格試験に合格するためにRF設計を学ぶ必要があっただけです。今、私たちは設計している製品のために、RF PCB設計の本をもう一度読んで、それを再学習しなければなりません」と述べました。レーザーと光学の背景から来ている私にとって、RF設計や一般的なアナログ設計は自然なことであり、常にデジタル設計の難しさを過小評価してしまいます。現在、高周波で動作する現代のシステムは、複数の無線プロトコルを組み込み、多くのアナログセンサーとインターフェースするため、高度な設計は両方の分野の知識を必要とします。

デジタルデザイナーであれば、時間領域での作業に慣れており、時間依存型の電子機器の挙動について優れた概念理解を持っていることでしょう。もし今、RF領域での作業を始め、全アナログまたは混合信号システムを設計する必要がある場合、RF PCBレイアウトを新たな専門分野とする必要があります。RF PCBレイアウトを作成したら、設計を評価し、システムが意図した通りに動作することを確認するために使用できるフィールドソルバーツールがいくつかあります。デジタルデザイナーであり、今、高周波アナログ設計に飛び込もうとしている場合は、レイアウトとルーティングにおけるRF PCB設計ガイドラインについてさらに学ぶために読み進めてください。

RFレイアウトガイドラインの基本

RF PCBレイアウトを開始する際、どのボードにも典型的ないくつかの考慮事項があります。ボードの大きさはどれくらいですか？重要なコンポーネントやコネクタはどこに配置する必要がありますか？それはどのように機械的にエンクロージャに収まりますか？これらはすべてのPCBにとって重要な質問ですが、RFシステムには解答が必要な独自の設計上の考慮事項があります。

RF PCBレイアウトを開発する際、または高周波RFセクションを持つデジタルシステムにおいて答えるべき重要な質問はこちらです：

• どのプロトコルが関係していますか？RFシステムは、高周波を扱う必要があり、特定の標準化されたプロトコルや周波数範囲で動作している可能性があります。システム内には複数のプロトコルが存在する場合もあり、異なるプロトコル同士が干渉しないようにする必要があります。
• どのような周波数が関係していますか？ 一般的に、低周波数は高周波数よりも寛容であり、低周波数では寄生成分が目立ちにくいためです。RFシステムは、低周波数では互いに放射ノイズを結合しにくくなります。
• どのようなデジタルインターフェースが関係していますか？ 一部のシステムでは、デジタルインターフェースが遅いエッジレートを持つことがあります（SPI、I2Cなど）。そのため、ルーティングやPCBレイアウトのベストプラクティスを無視しない限り、アナログ性能に大きな影響を与えることはありません。高い計算能力を持つ組み込みシステムでは、ギガビットイーサネット、DDR、PCIeなどの高速プロトコルを使用し、RF信号ネットにクロストークを容易に発生させます。

もちろん、「高周波」という用語は主観的ですが、重要な点は周波数がRF PCBレイアウトの多くの設計決定に影響を与えるということです。そして、レーダーPCBやMIMOアンテナを搭載したシステムのような、システム固有の要件があります。アナログ部分とデジタル部分は、アナログコンポーネントがRF信号とどのように相互作用するかによって、異なる扱いをする必要があります。これにより、レイアウト内のコンポーネントの配置とルーティングの選択に影響を与えます。

混合信号PCBフロアプランニング

デジタル設計者は、フロアプランニングのアプローチでRFシステムに取り組むべきです。ここでの高レベルの目標は、製品に機能を提供する役割に基づいてコンポーネントを機能ブロックにグループ化することです。副次的な目標は、必要な接続を行うためにボード全体に長いRFインターコネクトをルーティングする状況を排除することです。私と私のチームは、これをPCBレイアウトにインポートする際に物事をシンプルに保つために、回路図でこれを行います。そして、このフロントエンドでこれを行うことは物事を整理しておくのに役立ちます。

できるだけコンパクトに保ち、可能な限り異なるブロックに分割してください。機能ブロックを分割し始めると、RFおよびデジタルトレースをボード全体に渡って前後にルーティングする必要が出てくるリスクがあります。これにより、強いクロストークが発生しやすい箇所が増え、ボード全体でのリターンパスを追跡することがより困難になります。フロアプランニングは、もう一つの重要なタスクと並行して行う必要があります：PCBスタックアップの設計。

RFデバイスのためのPCBスタックアップ設計

スタックアップ設計は、フロアプランニングと関連しており、ルーティング戦略とレイアウトは、特に実用的なRF周波数で、グラウンディング戦略を必要とします。使用するPCBスタックアップは、PCBレイアウト内での電源とグラウンドへのアクセス、およびボード内での信号ルーティングのための利用可能なスペースを決定します。RF設計に使用できる8層カウントPCBスタックアップの例を以下に示します。これは一般的ではありませんが、低速、高速、およびRF信号のためのスタックアップ内での信号層とプレーン層の選択と配置のパターンを提供します。

この例のスタックアップでは、高周波アナログコンポーネント間の直接接続を提供するために、トップサーフェスレイヤー上にトレースがあります。これらは、以下で紹介するいずれかのルーティングスタイルで配置することができます。これの直下には、グラウンド/パワープレーンが隣接しており、インタープレーン容量を提供し、システム全体（デジタルおよびアナログコンポーネントの両方）に安定した電力が供給されることを保証します。内部レイヤーでは、他の（低周波数の）RF信号を配置することができるか、または低速デジタル信号を配置することができます。ボトムサーフェスでは、高速デジタル信号の可能性を許容していますが、返り経路が制御されている限り、これらのさまざまな信号をトップとボトムのレイヤーにまたがって混在させることもできます。

混合信号システムのためのPCBスタックアップを計画し、返り経路をトレースする際のRF PCB設計技術について、最近のKella Knackの記事でさらに読む。

ボード上に多くのデジタルコンポーネントを搭載していない場合、2層を諦めることができるかもしれませんが、システム内のグラウンディングが必要なため、少ないコンポーネント数であっても少なくとも4層または6層が必要だと私は主張します。グラウンディングの目的は、ルーティングをサポートすることであり、これについては次のRFレイアウトガイドラインのセクションで説明します。

ルーティングをサポートするためのグラウンディングを計画する

グラウンディングは、RFレイアウトでリターンパスを定義するために重要ですが、トレースを取り巻く移動する電磁波が占めるボード内の空間という観点で考える方がよいでしょう。相互接続上で移動する信号は、導体上で流れる電流として現れるわけではないことに注意してください。これは現実と一致しない概念的なモデルです。実際には、電磁場は導体の周囲の空間の一部を占め、この空間内の場の強さは、相互接続の周囲の導体の存在によって決まります。

トレースの周囲の電場が変位電流として戻り電流を生じさせるのは、以下に示すマイクロストリップトレースとグラウンドプレーンの配置を見ると、異なる電位にされた二つの導体が絶縁体（PCBラミネート材料）によって分離されており、キャパシタを形成しているからです。グラウンドプレーン内の変位電流は、電場の線がグラウンドプレーンで終わるにつれてそれに従います。

これがRF PCBレイアウトにとってなぜこれほど重要なのでしょうか？その理由は、高周波インターコネクトの近くにグラウンドを配置することで、インターコネクトの周囲の電場を制限し、高周波での戻り電流がトレースに近くなるようにするためです。トレースの近くにグラウンドプレーンがない場合、戻り電流がどこにあるか正確にはわからず、強いEMIの発生と受信を引き起こします。

接地に関するこのポイントを簡単にまとめると、RF PCB設計のガイドラインが2つあります：

• デジタルとアナログのコンポーネントでプレーン層を物理的に分割したり、島にしたりして、それらをキャパシタで結びつけようとしないでください。EMIの問題を引き起こす、考えられていない戻りパスができてしまいます。単一のプレーン層を使用し、戻りパスを追跡する方法を学びましょう。
• 信号と電力の整合性を確保するために、プレーン層を活用してください。これは、たとえ数個のコンポーネントしかないシンプルなRFボードであっても、必要なプレーン層を提供するために少なくとも4層ボードが必要であることを意味します。

RF PCBレイアウトにおけるグラウンディングの重要性についてもっと学ぶには、PCBのリターンパスについてこの最近の記事で読んでください。

RFトレースのルーティング

さて、楽しい部分です：RFルーティング。すべてのRFルーティングには制御されたインピーダンスが必要です。これには、コンポーネント（例えば、分配器やアンテナ）への電力伝達を確保するための終端ネットワークの配置、または特定の周波数を調整するためのフィルター/アンプの配置が必要になる場合があります。統合RF出力を持つコンポーネントは、オンダイで必要な終端を持っている可能性があるので、RFインターコネクトのドライバー側に終端コンポーネントを配置する前に、これを確認してください。

トレースのジオメトリ

RFトレースをルーティングする際には、トレースの形状を決定する必要があります。Wifi周波数以上では、ほとんどのコンポーネントのアプリケーションノートは、RFトレースをルーティングするために接地共面導波管の使用を推奨します。しかし、異なるトレース形状の利点と欠点を比較するのは、設計者としてのあなたの役割です。以下の表にこれらをまとめました。

の使用により、より多くのステップが必要です。上記の全てのジオメトリーでは、一般的に狭帯域信号を扱っており、FR4ラミネートは実際の無線/RF信号規格で見られる狭い帯域幅内でかなり低い分散を持つ傾向があります。現時点で思いつく唯一の例外は、ソフトウェア定義ラジオで、これはデジタルトレースのトレースと同じように、ターゲットインピーダンスを設計するためのアプローチ（つまり、広帯域アプローチ）を必要とします。このアプリケーション領域を除いて、一般的にFR4の分散を無視でき、ターゲット周波数でのDkおよび損失角度値を知っていれば、フィールドソルバーで正確なインピーダンス計算が得られます。

トレース長とビアの影響

RFインターコネクトにおけるトレース長とビアについて言及するのは、RF PCB内での全体的な損失や信号の歪みに類似した影響を与える可能性があるからですが、同じ方法ではありません。一部の設計者は、高周波信号には常に可能な限り短いトレース長を使用すべきだと述べますが、それが重要な理由を完全に理解しているわけではありません。損失は一因ですが、入力インピーダンスもまた重要で、特に終端ネットワークやカップリングキャパシタを含むインターコネクトでは重要です。

要するに、インターコネクトにおけるトレース長とビア数に関しては、以下のRFレイアウトガイドラインに従うべきリストがあります：
RF回路内のコンポーネント間のトレース、例えばフィルター内の受動部品などは、トレース間のルーティングが短くても、伝送線として振る舞うことがあります。

• 損失は重要ですが、短いインターコネクト上の損失は、二つのインピーダンス間の不一致によるリターンロスによって支配されます。この不一致は、通常フィールドソルバーを用いて正確なインピーダンスに基づいて設計することで対処する必要があります。
• 制御されたインピーダンスを持つマイクロストリップを設計した場合、それをマイクロストリップとしてルーティングしてください。マイクロストリップの周りにグラウンドプアとビアを配置するとインピーダンスが変更されるため、マイクロストリップをコプレーナ波導管としてルーティングしないでください。
• 高周波数では、スルーホール・ビアのように、ビアがフィルターや共振器のように振る舞い始めることがあります。損失が積み重なるため、あまり多くのビアを通過させないでください。また、高周波伝送線上にビアスタブを残さないでください。
• インピーダンスを維持し、損失や歪みを最小限に抑えるために、高速・高周波PCBのための他の標準的なルーティングガイドラインに従ってください。将来の記事でルーティングについてさらに詳しく説明します。

RF PCBのレイアウトはデジタルデザイナーにとって複雑になることがありますが、Altium Designer®の設計機能を使用すると、高精度でルーティングを行い、Ansysフィールドソルバーで解析するために設計をエクスポートできるEDBエクスポーターユーティリティを使用できます。Altium DesignerとAnsysは協力して、RFエンジニアとPCBデザイナーが高周波設計において簡単に協力し、RF PCBレイアウトを完全に評価できる方法を提供しています。

デザインが完成し、製造業者にファイルをリリースしたい場合、Altium 365™プラットフォームはプロジェクトの共有やコラボレーションを容易にします。コメント機能、デザイン共有、ユーザーアクセス管理などの機能により、RF PCBレイアウトをPCBデザインレビューを通して簡単に進めることができ、必要な変更をPCBレイアウトにタグ付けしてデザイナーに修正を依頼することができます。Altium 365を使用すると、メールや外部チャットプログラムを使用せずに、製造データをPCB製造業者と迅速に共有することも簡単です。

このRFデザインブログで紹介したのは、Altium DesignerをAltium 365で使用する際の可能性のほんの一部に過ぎません。RF PCBデザイン技術に関するより詳細な機能説明や、製品ページ、オンデマンドウェビナーをチェックしてください。