PCBグラウンドレイヤーをクリアすることで導体損失を回復する

高周波での制御インピーダンスルーティングは十分に難しく、長いルートや損失の大きい媒体で損失予算内に収まるようにすることが重要です。コネクターや別のコンポーネントに長いトレースや長い差動ペアをルーティングする必要がある場合、損失予算の限界に達してしまったらどうすればよいでしょうか？

ほとんどの設計者は、高速/高周波インターコネクトで損失が過度になる場合は、損失タンジェントが低い代替の低損失/RF材料を使用するように言うでしょう。これらの長いインターコネクトで損失が問題になる場合、他に何ができるでしょうか？

5G機器/ハンドセットの設計者が実装するマイクロストリップラインで使用できるテクニックがあります。これは、スキップリファレンスルーティング、または単にスキップルーティングとして私に説明された技術です。この名称は、インターコネクトの負荷端でリファレンス層をスキップすることにより、マイクロストリップトレース周りの場の分布を変更し、全体の損失を減少させることを指します。この記事では、このルーティング方法を見ていき、損失の大きいインターコネクトでいくらかの損失予算を回復するのにどのように役立つかを説明します。

スキップルーティングとは何ですか？

スキップルーティングは、マイクロストリップ伝送線の負荷端において、基板のグラウンド層を参照層から一部クリアすることを含みます。信号がグラウンドクリアランスのある領域に入ると、信号は低損失を経験します。これは、基板のグラウンド層平面をトレースから離す行為が、マイクロストリップ伝送線の周りの場の分布を変更するためです。この方法により、伝送線のインピーダンスは、2つのグラウンド領域が同じ電位に設定されている限り、スタックアップ内の次に近い層を基準としています。下の画像は、これがどのように機能するかを示しています。

目的地のコンポーネントの下の領域でグラウンドの一部をクリアすると、一貫したインピーダンスを維持できるように表面層のマイクロストリップトレースの幅を調整する必要があります。トレースがクリアされたグラウンド層の領域に入ると、両方の領域でインピーダンスを等しく設定するために、クリアされた領域内でトレース幅を広げる必要があります。これにより、これらの領域間のインターフェースで新たなリターンロスを作り出すことなく、クリアされた領域での全体的な挿入損失を減らすことができます。遷移領域には小さなテーパーを含めており、理想的には電気的に短い（RF信号の動作波長の約10％）べきです。

グラウンドカットアウトを使用して導体の損失を減らす

信号が経験する損失は、マイクロストリップラインの周りの場の線の密度に依存しますが、それが損失角が変化するためとは限りません。マイクロストリップの下の最も近いグラウンド層がクリアされ、トレースが次のグラウンド層に参照されると、トレースの幅を快適に増やすことができます。これにより、トレースがそのインピーダンス目標に達するのを助けることができます。

このトレースで損失角を何とか変えずにいくつかの損失削減を得る方法は何でしょうか？答えは導体のスキン効果にあります。クリアされたグラウンド層領域でインピーダンス制御を確保するために導体を広げることで、スキン効果による損失が減少します。これは、矩形断面を持つ導体のスキン効果抵抗の近似式を見ると分かります：

これは単なる抵抗値であるため、トレース幅（W）を増やすと断面積が増加し、したがって抵抗が減少することが分かるはずです。これにより、トレース幅が大きい領域での抵抗性およびリアクティブ損失の少量を回復するのに役立ちます。

グラウンドカットアウトの使用ではなく、コプレーナーにする

これまで、通常のマイクロストリップラインについてのみ説明してきました。しかし、グラウンド付きコプレーナ波導管を設計した場合はどうなるでしょうか？違いは、トレースとグラウンドプアの間隔が狭い場合、コプレーナ波導管の幅対誘電体厚さ比が小さくなるということです。しかし、もう一つ調整できるレバーがあります：トレースとその近くのグラウンドルーティングとの間隔です。

ここで、スキップルーティングの別のバージョンがあります：コプレーナ波導管とマイクロストリップから出る間隔を変更する場合です。以前の記事マイクロストリップのグラウンドクリアランスを覚えているなら、マイクロストリップの近くにグラウンドルーティングを持ってくるとそのインピーダンスが低下することに気づくでしょう。これが、同じ基板厚さでマイクロストリップよりもコプレーナ波導管で細いトレースを使用できる理由です。

以下の例は、狭い共面導波路から広いマイクロストリップへの移行によって、いくつかの損失を回復することができる別の方法を示しています。以前の記事マイクロストリップ対共面導波路の損失を思い出していただければ、共面トレースは、ENIGのような典型的な粗いメッキでより大きなPCB導体の損失を持つことに気づくでしょう。これは（部分的には）粗いメッキによるマイクロストリップラインの損失の変更によるもので、スキン効果の大きさを増加させます。共面ラインからテーパーを持つマイクロストリップに移行することで、マイクロストリップは共面セクションよりも低い損失を持つことになります。

この例では、次の層のグラウンドをクリアしていません。代わりに、同じ層のグラウンドをクリアし、インピーダンスを維持するためにトレースを広げました。ENIGの代わりにイマージョンシルバーメッキを使用することで、さらにいくつかの損失が減少するでしょうし、これらのラインからLPIはんだマスク材料を引き剥がすことで、LPIはんだマスク材料は高い損失角を持っているため、損失が減少します。

有効なDkについてはどうでしょうか？

トレースとグラウンド層との距離を増やすと、フィールド分布が変化し、その結果、トレース上を移動する信号によって見られる有効なDk値も変化します。正当に疑問を持つかもしれません：有効なDk値に何が起こり、それはインターコネクト全体の損失を変えるのでしょうか？

トレースの幅を変更するとトレース周囲のフィールド分布が変化するのは事実ですが、有効な誘電率定数はわずかにしか変わりません。これは、制御されたインピーダンスに必要な幅対誘電体厚さ比がマイクロストリップに対してわずかに非線形であるため、誘電体の厚さを2倍にするにはトレースの幅をほぼ2倍にする必要があり、同じインピーダンスに達します。これにより、マイクロストリップのための同じ有効なDk値に戻ります。これは、インターコネクトでいくつかの損失を取り戻すために損失角が変更する必要がない理由を説明するはずです。

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