mmWave PCB用の基板統合導波路ルーティング

mmWave信号の応用はかつては防衛に限られていましたが、現在ではmmWaveシステムがより一般的になっています。自動車レーダー、UAVレーダー、5Gの今後の展開、そして6Gに関する現在の研究のおかげで、mmWave技術が主流になりつつあります。mmWave信号を使ったルーティングは、設計者にルーティングの慣行と相互接続設計を再考させることを強いています。これは、商業的に入手可能なPCB基板上で低損失ルーティングを提供する新しい相互接続構造を設計するために、多くの研究グループや革新的な企業を動機付けています。

接地共面導波路（およびその変種）は、マイクロ波周波数で作業するRFエンジニアの間でおそらく最もよく知られている相互接続構造です。基板統合導波路と呼ばれるルーティング構造は、相互接続に沿った電磁場を工学的に扱うのに理想的な代替手段を提供します。John Coonrodのような人々のおかげで、この技術は他の相互接続設計よりもいくつかの利点を提供するため、RF PCB設計者の間でより人気になる可能性があります。このユニークな導波構造とmmWaveルーティングのためのその利点を見てみましょう。

基板統合導波路とは何か？

想像してみてください。古いスタイルの金属製長方形の導波管があり、音響または電磁波を反射によって案内します。このシンプルな構造は、二つの平行な銅ストリップの間にPCB上で実装することができます。側壁の銅線は、スルーホールメッキビアから形成され、誘電体で満たされた金属構造を作り出します。このタイプの構造は基板統合導波管と呼ばれます。

これらの導波管はPCB上で形成するのが非常に簡単です。以下に示すのは、例の導波管の図です。ここでは、相互接続は効果的に2層を占め、表面層のテーパーマイクロストリップカプラーを使用してこの構造に信号を注入することができます。

基板統合導波管構造

これらのシステムは、長方形導波管と同様の方法で機能します。それらは、その幾何学によって定義される一連のモードを持っています。数学的には、電磁場の空間分布を記述する固有関数のセットは、典型的な長方形導波管に使用されるものと同じです。各固有関数には特定の波数と波長があり、これらが組み合わされて導波管に沿った場の空間分布を形成し定義します。伝播モードのおおよその波数は（WとHはそれぞれ構造の幅と高さです）：

同等の誘電体導波路における伝播波数（近似）

nおよびmの項が大きすぎる場合、信号が特定のモードを励起することができません。これは、信号の周波数と構造の形状が、どのモードが励起されるかを決定することを意味します。

一般に、所望の信号周波数に合わせて導波路のサイズを調整することで、TE10モードを簡単に励起することができます。他のすべての高次モードは減衰し、構造を通過することはありません。TE10モードの波数は次のとおりです：

TE10モードのための伝播波数。設計者は、特定のモードを選択するために、オメガ、a、W、およびdを自由に選択できます。

ここで、導波路構造内での閉じ込めを提供する標準要件は、ビア間隔（s）がビア直径（d）の2倍未満であること、およびaがビア直径の5倍以上であることです。所望の周波数で他のモードを励起するための同様の条件を導出することができます。これにより、アンテナ、カプラー、アンプ/共振器、または他の受動RFデバイスに必要な電界分布を設計することができます。

基板統合導波路の利点

基板統合導波管の主な利点は、マイクロストリップ、ストリップライン、接地共面導波管と比較して損失が少ないことです。Kaバンド以下で作業している場合、マイクロストリップとストリップラインは接地共面導波管と同様の損失を提供します。Kaバンドを超え、Vバンド深くまで行くと、接地共面導波管はより少ない損失を提供しますが、挿入損失は依然として-6 dBに達し、40 GHzを超えると0.1 dB/GHz増加します。Jon Coonrodからのこの投稿では、マイクロストリップ、ストリップライン、接地共面導波管の挿入損失の比較がわかりやすく説明されています。

一部の研究では、基板統合導波管の相互接続が、市販の低損失基板（例えば、Rogers、Duroid、Isolaのラミネート）で80 GHzまで低損失を提供することが示されています。挿入損失は、構造内で使用されるビアの間隔に依存して、Vバンド/Mバンドで約-6 dBまで低下する可能性があります（実験的な5Gネットワークの例はこちら）。これらの導波管の低損失は、高出力伝送が重要な回路での使用に理想的です。RF信号チェーン設計に特に適しています。

このシステムは本質的に開放されており、近くの回路に放射EMIを発生させる源となることがあります。これらの構造物で適切な場の閉じ込めを提供するには、波導管の長さに沿ってビアを適切に配置する必要があります。これは、アンテナ領域の境界やボードの端にビアフェンスを配置して、空洞共振を抑制する場合と同様です。

波導管を伝播するモードを選択できる能力は、この構造をRFマルチポートカプラー、スロットアンテナ、およびこれらの構造間の場の転送にモード間の干渉を依存するその他の受動RF構造を設計するのに理想的にします。自分の基板統合波導管を設計することに興味がある場合は、3D電磁場ソルバーを使用するか、または文献で他の人によって提示された結果に従う必要があります。ビアのサイズ（直径と間隔）についての簡単なガイドについては、この記事をご覧ください。

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