モード選択型伝送線路を用いたmmWaveルーティングを活用する

高速PCBはデータレートを成層圏まで押し上げ、信号の整合性と低損失を保証するためにインターコネクトに厳しい設計要件を課しています。以前の記事で、RF PCBのための基板統合導波路ルーティングを高周波ルーティングの一つのオプションとして議論しました。このタイプの伝送線は優れた隔離性を提供し、アンテナへの単純な遷移に有用ですが、高周波設計のルーティングにおいて唯一のオプションではありません。

モード選択型伝送線は、非常に高い周波数でコンポーネント間の信号をルーティングするための共面導波路構成の一つの変形です。モード選択型伝送線または他のジオメトリを使用する目的は、特定の帯域幅で単一モード伝播を伴う低分散および低損失ルーティングを提供することです。この記事では、共面導波路に対するこの単純な変形と、RFアプリケーションにおいてモード選択で高隔離ルーティングを提供するためにモード選択型伝送線をどのように使用できるかを紹介します。

高速がRF設計とのギャップを埋める

デジタルデザイナーであろうとRFデザイナーであろうと、高速デジタルチャネルを高周波数に押し上げる動きは、設計時にRFの概念を取り入れることを全員に強いています。この重要なトピックについての私のお気に入りのスピーカーの一人であるジョン・クーンロッドは、非常に雄弁に、RF設計からの概念が実用的なアプリケーションで1psの立ち上がり時間にますます近づくにつれて、デジタル信号の整合性にとって重要になると述べています。しかし、標準的なトレースのジオメトリーの限界に達する原因は具体的に何であり、これについて何ができるのでしょうか？

標準的なPCBトレースはTEM伝送線であり、トレースに沿って伝播する波はおおよそ平面波であることを覚えておいてください。これは低周波数では成り立ちますが、中GHz帯域（WiFi周波数よりもはるかに上！）に達し始めると、構造内の波の伝播に完全に起因する電磁場の振る舞いに気づき始めます。これは、高次（非TEM）モードを抑制し、望ましい帯域での受信機への伝播を確実にするために、代替の伝送線ジオメトリーが役立つ場合です。

TEM伝送線以外の代替ルーティング

上記の理由から、いくつかの導波管の形状は、非常に高い周波数や非常に高いデータレートのアプリケーションにおいて理想的である可能性があります。これは、単一モードのルーティングを設計することができるため、またはPCB導波管内で非TEMモードの励起を防ぐことができるためです。これらの代替ルーティング形状のいくつかは、

• 基板統合導波管です。これらの構造についてもっと学ぶために、この記事をご覧ください。私はこれらを、従来のマイクロ波導波管フランジに結合するために表面にスロットを使用してきました。
• 同軸ストリップライン導波管。 この導波管スタイルは、基板統合導波管内にルーティングされたストリップラインを持ち、合計で3層からなります。この導波管のビア壁は隔離を提供し、多様なモード選択を可能にします。
• モード選択伝送線。 これは共面導波管ルーティングの一種であり、多くの同様の利点を提供します。

研究文献を調べてみると、これらの代替ルーティングスタイルは長い間存在しており、数百GHzまでのルーティングに対する実現可能性を示しています。これらの導波管構造は、標準的な製造技術で簡単に製造できますが、非常に高い周波数になると限界があります。これらの中で、接地共面導波路（GCPW）ジオメトリを用いて容易に製造できるモード選択伝送線（MSTL）があります。

高周波でのMSTLの振る舞い（TEモード）

興奮する特定のモードはいくつかの要因に依存しますが、主にはインターコネクトのジオメトリに依存します。特に、信号周波数が増加すると、従来のマイクロストリップやストリップライントレースの横モードが興奮され、これはデジタルおよびRFルーティングの両方にとって望ましくありません。これが、従来の伝送線の信号整合性の限界に直面している理由であり、特に従来のPCB製造プロセスによって非常に制限されているためです。高GHz周波数でルーティングする必要がある設計者の場合、RFシステムを設計している場合はGPCW構造をMSTL構造として機能させることができますし、高速デジタルシステムを扱っている場合は、デジタル信号の最大帯域幅を持つように設計することができます。

この現象がどのように生じるかを見るために、以下のグラフィックをご覧ください。ここでは、この構造のモード周波数を制御するために使用できるいくつかのパラメータがあります。低周波数では、伝播波が共振以下であるため、構造は単純なTEM導波路のように振る舞います。ある高周波数以上では、構造内のモードが励起され、Sパラメータスペクトラにピークと谷が生じます。構造内の各高次モードにはカットオフ周波数があり、単に構造をカットオフ以上に励起すると、電磁場が非TEMモードで構造を通して伝播することになります。この高次モード励起の可能性は、TEM伝送線における基本的な限界の一つです。

上記の参照と共面導波路におけるデジタル信号に関するこの記事を見ると、上で示された電力損失ピークを説明するのに役立つ対応するSパラメータデータが見つかります。

この現象が起こる理由は、構造を通じた波の伝播であり、これが標準的な相互接続上でモードの形成を励起する可能性があります。波の搬送周波数が十分に高くなると、PCB内の伝送線構造でいくつかのモードを励起することができます。これにより、挿入損失と戻り損失のスペクトルにピークと谷が生じます。デジタル信号を扱っている場合、これらの電力損失ピークは信号が歪む可能性があることを示しています。アナログ信号の場合、過度の損失や歪みが発生しない特定の範囲に信号の周波数を制限します。

これはただの接地共面導波管ではないのか？

はい！しかし、このスタイルの導波管を重要にするのは、搬送信号の波長に対する幅の比較です。ビア間の間隔は、有用な帯域幅を制御するために使用する最も重要なメカニズムです。ビア間の幅を変更するこの単純な変更は、接地共面とモード選択型伝送線との唯一の違いではありませんが、モードの励起と標準TEM伝送線の崩壊を予測するために使用される主要な点です。

GCPW動作とMSTL動作がどのように異なるかを比較するために、以下のグラフィックを見てみましょう。このグラフィックは、信号の周波数が非常に高くなり、非TEMモードの励起を引き起こす場合に何が起こるかを示しています。TEMモードは縦方向の磁場（Hz = 0 in the top row）の励起を生み出しません。高い周波数では、縦方向の場成分を持つTEモードの励起があります。

典型的なマイクロストリップやストリップラインでは、最終的に平行板導波管モードを励起します。残念ながら、これらの形状では、ラミネートを薄くする以外にこれらのモードを抑制する方法はありませんが、これには限界があり、すべての設計に適用可能ではありません。

上記のように、導波管には、適切な形状を選択することで、さまざまなモードを許可または抑制できる幾何学的パラメータがあります。モード選択型伝送線の構造は、以下の特性を持ちます：

• 高い隔離性。これは、モード選択型伝送線を含む任意の導波管でのルーティングの主な利点です。端に沿った接地されたビアフェンスが他のトレースからの遮蔽を提供します。
• モード抑制。モード選択型伝送線路のモードは、基板統合導波管モードと中心導体の準TEMモードの組み合わせです。エッジに沿ったビアフェンスの間隔は、基板導波管モードを抑制して単一モード伝搬を確保するために使用できます。
• 広帯域低分散。表面波を抑制することで、マイクロストリップやストリップラインよりも高い帯域幅で平坦な分散を確保しました。広い帯域幅で分散を低く保つことで、目標インピーダンスからの歪みや偏差が少なくなり、受信機で見られるインターシンボル干渉も抑制されます。

PCB内でのモード選択型伝送線路のルーティング

モード選択型伝送線路のような共面導波管ジオメトリをルーティングするには、適切なCADツールが必要です。これらの線をルーティングするための簡単な手順は次のとおりです：

1. 作業する予定のモードに対して波インピーダンスを計算します。これを行うには、必要な伝搬定数を計算し、RF設計の教科書から標準波インピーダンス方程式を使用します。
2. モード選択型伝送線路ネットと近くの接地ポリゴンとの間に必要なクリアランスを設定します。
3. ルーティングされたネットの周囲を接地銅で埋めます。
4. 選択されたポリゴンにステッチングビアを配置して、VL、VP、SGWの目標を達成します。

以下の例の構造は、127.2 GHzまでの50オームのインピーダンスを提供するように設計されています。低損失特性を提供するために、30 mil RO3003上にルーティングされています。まだ製造可能であることを確認するために必要なDFMチェックがいくつかありますが、スペーシング、ビアサイズ、および穴壁から穴壁までの分離は、構造が低損失低歪み波伝播を提供するために当初適切です。

この伝送線の幾何学は、テラビット毎秒のデータ伝送を可能にすることが示されており、高速設計の風景の重要な部分になる可能性があります。上記のRFラインの例で、構造内で特定のモードを励起したい場合、1次モードのカットオフがより低い周波数であるようにVLとVPを変更することができます。モード選択伝送線の理論についてもっと学ぶには、IEEEからのこの論文を読んでください（上記で引用）。

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