RF PCBにおけるバランとは何か、そしてそれが必要か？

RF PCB設計の話題でよく出る用語にバランがありますが、これらのデバイスが何をするのか、なぜ必要なのかが時々不明確です。RF PCB設計では、インピーダンスをマッチングさせ、同時にバランス/アンバランス信号を変換する必要がある場合があります。ここでバランが役立ちます。

バランについてもっと詳しく知りたいと思っているなら、このトピックは豊富な内容を持っていますので、読み進めてください。バランに関する説明は、難解だったり単純すぎたりすることがありますが、私は簡潔に、そしてほとんどの設計者が馴染みのあるPCB設計の概念に関連付けて説明するよう努めます。願わくば、バランを選択し、PCBレイアウトに組み込むための十分な背景情報を得られるでしょう。

バランとは何か？

非常に単純に言うと、バランは不平衡（シングルエンド）のAC信号を平衡（差動）AC信号に変換するデバイスです。バランには多くの形態がありますが、低周波RF信号（例えば、CATVやTVアンテナ）に最も一般的に使用されるのは、単純なトランスフォーマーや結合されたインダクターのセットです。シングルエンドRF入力信号と差動信号との間を変換することにより、信号は差動受信機、ダイポールアンテナ、または他の差動動作コンポーネントに入力できます。

一般的なRFシステムで見つけることができるバランの例をいくつか紹介します：

• シンプルなトランス。これはおそらくバランの中で最もシンプルなタイプですが、最もかさばるタイプでもあります。
• 中間タップ付きトランス。これはトランスフォーマーバランにとってより良い選択肢です。トランスフォーマーの中間タップは、バランスの取れた信号の共有参照ネットを提供します。バランの各側のインピーダンスは、タップされていない側とタップされた側の半分の間の巻数比に依存します。
• LC回路での結合。LC回路内のリアクティブ要素間の結合を利用することで、中間タップ付きトランスフォーマーと実質的に同じインピーダンス変換機能を持つ回路を作成できます。これはLC回路でのシミュレーションを伴うより複雑なトピックです。最近のMark Harrisによるプロジェクトで、LCコンポーネントから作成されたバランの例を見ることができます。
• 分散バラン設計。これらのバラン設計は、PCB上に印刷されたトレース間の結合インピーダンスを利用するため、より複雑です。同様の構造は、集積回路内にバランを配置するためにも使用されます。

私がリストアップした最後のタイプのバランは、PCB上に印刷された要素の慎重なレイアウトを必要とする幅広い設計にまたがります。これは、ほとんどの設計者が難解と感じるかもしれないRF PCB設計の一側面です。幸いなことに、マイクロ波工学の教科書や研究文献には、バラン設計の良い出発点となる多くの設計があります。下の画像は、2つのトランスフォーマーバランと、PCBに印刷できるシンプルな四分の一波長バランを示しています。

バランは、受動アンプ、周波数乗数器、位相シフター、変調器、およびダイポールアンテナフィードにおいて、その用途を見出します。これらのアプリケーション内で、バランは2つの重要な機能を果たします。

インピーダンスマッチング

バランの重要な機能の1つは、バランのバランスの取れた端とアンバランスの端との間のインピーダンスマッチングを提供することです。例えば、トランスフォーマーバランでは、これは適切な巻数比、つまり一次コイルと二次コイルのインダクタンスの比を選択することによって行われます。理想的なバランは、リターンロスがS11 = 負の無限大になります。

絶縁

バランは電気的または磁気的結合を通じて電力を伝達するため、バランスの取れた信号とアンバランスの信号の間に自然な隔離を提供します。バランが正しく設計されている限り、これはバランの各側の間で放射されるEMIが伝わるのをうまく隔離するのに役立ちます。バランのバランスの取れた端は、信号が差動受信機に供給される場合、高いコモンモードノイズ耐性を持ちます。

バランを使用したRF PCBのレイアウト方法

RF PCBのレイアウトでバランを扱う際の課題は2つあります：バラン自体のレイアウトと、アンバランスおよびバランスのラインのレイアウトです。他のRF PCBで使用するのと同じ戦略に従ってください：

• 回路ブロック間の隔離を提供する、例えばビアフェンスや電磁帯域ギャップ構造（EBGs）を使用する
• より短いトレースを選択し、必要に応じてインピーダンスを一致させる
• 異なる機能ブロックがボード上の異なる位置にあるようにレイアウトをグリッドアップする

双極子アンテナのフィードラインに使用する場合、バランをグラウンドプレーン領域の端まで置き、バランスの取れた出力を直接アンテナにルーティングします。これは通常、反転Fアンテナや他のマイクロストリップアンテナで行われます。逆方向、例えば単極子アンテナや同軸接続（つまり、U.FLコネクタを持つアンバランスアンテナ）の場合は、とにかく全てをグラウンドプレーン上で行うべきです。高い隔離を提供するために、フィードラインの周りやアンテナ領域と他の回路との間に接地ガードビアを配置することができます。

バランの仕組みを理解すれば、RF PCBに最適なバランのタイプを決定するのがずっと簡単になります。必要なバランを手に入れたら、Altium Designer®の完全なCADツールセットを使用して、プリントバランとRF PCBレイアウトの残りの部分をレイアウトできます。作業を共同作業者と共有する必要がある場合は、Altium 365®プラットフォームを使用して、設計データを共有および管理できます。

Altium DesignerとAltium 365で可能なことの表面をかすめただけです。より詳細な機能説明については、製品ページをチェックするか、オンデマンドウェビナーのいずれかをご覧ください。