RF回路設計とはどのようなものか?

Zachariah Peterson
|  投稿日 July 21, 2021
RF回路設計

デジタルシステムの設計者は、いくつかのRFコンポーネントや配線スタイルをよく知っているはずですが、RF回路の設計にはそれを超えるものがあります。RF回路には、相互に作用して必要な機能を生み出す集積回路、ディスクリート半導体、プリントされたRF素子などがあります。RF回路設計では、これらの要素をすべて組み合わせてシステム全体を構築し、基板レイアウトを作成します。

RF回路は、一般的な回路図のように直感的ではなく、基本的な電気設計ルールに反するような略図になる時もあります。しかしながら、電磁界が伝播するという性質ゆえに、RF周波数で動作する回路は、DCやデジタルバンドで作動する一般的な集積回路とは大きく違う動作をします。無線通信のシステムを設計するのであれ、特定のインピーダンスを持つ伝送線路を設計するだけであれ、マイクロ波工学のこれらの基礎事項に注意してください。

  1. RF回路設計の紹介
  2. 基板構築のプランニング
  3. 一般的なRF回路設計
  4. RF回路設計とレイアウト用ツール

集積回路や基板の無線周波数(RF)設計は、大学での資格試験に合格するためだけに知る必要がある程度のことだ、とよく冗談に言われます。しかしながら、今日の特殊な製品の多くは、混在信号コンポーネントと連携させ、無線通信ブロックを組み込み、あるいはレーダーのような高周波アプリケーションに対応するなどのニーズが求められます。現在、RF設計が主流に戻りつつありますが、RF設計に不慣れな設計者は、このガイドを読んでスキルアップしてください。

RF回路設計の紹介

RF回路は、標準的な回路素子や一部の単純な集積回路を模倣して、回路基板上にプリントされた素子で構造を組み立てるように設計されています。RF回路は、必ずしも市販の部品を使うとは限らず、少し違和感があるかも知れません。その代わりに、RF回路は基板上にプリントされたトレースやいくつかの追加コンポーネントを使用して、回路基板に目的の機能性を提供できます。

プリントRF回路

RF回路基板のプリント部分には、銅のトレースを使って回路素子を作ります。RF回路のトレース、コンデンサやインダクタ素子、半導体の配列は、非直感的に見えるかもしれませんが、電磁界の伝搬特性を利用して目的の電気的挙動を実現します。RF回路の設計と、基板上のRF回路の電気的な挙動について、覚えておくべき重要なコンセプト上の注意点があります。

  • 受動性:すべてのプリントRF回路は、アクティブな既製コンポーネントを設計に追加しない限り、パッシブです。しかしながら、プリントされたトレースだけで作られたアクティブRFコンポーネントについての研究もあります。
  • 直線性:プリントされたトレースで組立られたRF回路は、常に線形です、つまり電圧と電流が一次関数(グラフ上の直線)で関連付けられているということです。これらの回路が非線形になるのは、ダイオードなどの非線形の半導体コンポーネントが回路に加わった場合だけです。
  • 伝播: すべてのRF回路は波動の伝搬を利用しています。これはつまり、回路周辺のインピーダンスをどのように一致させるか、またRF回路の異なるセクション間にインターフェイスをどのように作るかを決定する際に、入力インピーダンスを使用する必要があるということです。
  • シグナルインテグリティ:RFのシグナルインテグリティは、電磁シールディングとアイソレーションに左右されるので、RF信号は可能な限りノイズのない状態である必要があります。RFシステムに必要なシールディングとアイソレーションを提供するために、多くの独特なシールディング構造とレイアウトテクニックが考案されています。

アクティブRF回路

アクティブRF回路には、オシレーターから駆動アンプ、ADC、トランシーバーまで様々なものがあります。これらのコンポーネントは、プリントされたトレースに加えて追加の機能性を提供するために使用できます。レーダーモジュール、無線システム、アンプ、遠隔通信用コンポーネントなどの多くは、RF信号をルーティングし、必要な信号伝搬特性を実現するために、受動回路と一緒にアクティブコンポーネントを使用します。信号のサンプリング、操作、処理はアクティブコンポーネントによって実行され、デジタルシステムに戻すためのインターフェイスの役も果たします。

RF回路設計コプレーナ導波管
Example radar module with the AWR1243FBIGABLQ1 from Texas Instruments.

基板構築のプランニング

高速デジタルPCBのように、RF回路の設計を成功させるには、RF回路に対応するスタックアップを構築することが重要です。システムのインピーダンスは、RF回路のレイアウトと配線のよりはるかに複雑な機能になりますが、スタックアップはRF素子が目的の特性インピーダンスを持つように設計されなければなりません。さらに、ボードが動作する関連周波数によって、スタックアップの構築方法、必要なプリント回路の種類、使用できるRFコンポーネントが決まります。RFICの設計は、RF PCBの設計と同じ考え方に従っており、これらのコンセプトをマスターすれば、RF設計のどの分野でも成功することができます。

RF PCB材料

FR4材料は、Wi-Fi周波数(6GHzまで)までのRF伝送線路やインターコネクト用に容認できます。これらの周波数を超えると、RFエンジニアは、RF信号の伝播やプリント RF回路の設計に対応するために、別の材料を使用することを推奨します。標準的なFR4 ラミネートでは、コンポーネントを保持するために樹脂充填したガラス繊維の織り目を使用していますが、特定の材料ではこの繊維の織り目の影響により、製造手順が適切に指定されていない場合、シグナルインテグリティやパワーインテグリティの問題が発生する可能性があります。

代替材料システムでは、PTFEベースのラミネートやボンドプライ材料を使用して、スタックアップのPTFE層と次の層を接着します。これらの材料はFR4材料に比べて損失正接が小さいため、信号が減衰せずに遠くまで届き、かつ許容範囲内に収まります。これらのラミネートは、77GHzレーダーのような非常に高い周波数のRF伝送線路や、6GHz Wi-Fiのような低い周波数の非常に長いインターコネクトに対応するサブストレートを形成する必要があります。以下の表は、一般的なRF PCB材料の重要な材料特性をまとめたものです。

RF回路設計表
Some dielectric and thermal properties for RF PCB materials.

RF材料によるスタックアップ

RF設計に合わせてラミネートやボンドプライ材料を選択した後は、それらをスタックアップに追加していく段階です。RF材料を使ってマルチレイヤのPCB全体を構築することもできますが、一般的にはそんな必要はなく、予算超過になる可能性もあります。1つのオプションは、ハイブリッドスタックアップを構築することです。RFラミネートを最上層に配置して RF伝送線路と回路に対応し、内部層はグランドプレーン、デジタル信号の接地平面、配線、および電源に対応するために使用されます。反対側の層は、RFフロントエンドとのインターフェイスが必要なデジタルコンポーネント、RF信号を収集するためのADC、その他のコンポーネントにも対応できます。

RF PCBスタックアップ
Example hybrid stackup with a Rogers PTFE laminate.

RF PCBのレイアウトにデジタルセクションが必要ない場合は、標準または標準に近い厚さの RF ラミネートを使用した2層または3層の基板を使用することができます。基板の層の厚さと材料系を決定した後は、RFトレースのインピーダンスを決定する必要があります。

RFトレースインピーダンスの計算

スタックアップが決定した後、RF回路で目的のインピーダンス(通常は50オーム)を作るために、基板上の導体の幅を計算する必要があります。トレースのインピーダンスとその寸法は、コンフォーマルマッピングと呼ばれる技法で導き出されたいくつかの方程式を用いて関連づけられます。現在、複雑な誘電率を持つトレースインピーダンスを計算する方程式を見つける最良の情報源として、Brian C. Waddellの「Transmission Line Design Handbook」が推奨されます。しかしながら、これらの方程式は特定の幅に対して解決することができないため、伝送線路が特定のインピーダンスを持つために必要な幅を決定するためには、数値的な技法が必要となります。

オフセットストリップラインや導波管など、より複雑な配列については、統合型フィールドソルバーを持つスタックアップ設計ツールを使用するのが賢明なオプションです。これらのユーティリティでは、銅の粗さ、製造時のテーパーリング、差動配線の配列、レイヤ間のトレースのロケーションなどを考慮することができます。また、PCB設計ソフトウェア内での使用も簡単です。

PCBレイヤスタックアップ
The Layer Stack Manager in Altium Designer includes an impedance calculator that accounts for copper roughness.

インターコネクトのインピーダンスがわかった後でもなお、反射シミュレーションの結果を見たり、データシートを見たりして、インピーダンスマッチングの要件を判断する必要があります。プリントRF回路に使用される伝送線路については、様々な伝送線路セクションの入力インピーダンスを使用して、所定の回路のインピーダンス・マッチングを決定します。RF回路で伝送線路とコンポーネントをつなぎ合わせる場合、設計時の入力インピーダンスおよびRF コンポーネントのネットワークをマッチングするインピーダンスを含める必要があります。

一般的なRF回路設計

RF回路(特にパッシブ RF回路)を設計する前に、PCBスタックアップを設計することが重要です。なぜなら、適切に機能するためには特定のインピーダンス目標に到達する必要があるからです。さらに、プリントRF回路は伝送線路上の電磁界伝搬を利用しており、その伝搬挙動はサブストレート材料の誘電体機能に依存します。これらの詳細が決まれば、RF回路の設計を開始し、システム用の追加コンポーネントを選択できます。

プリントRF回路は、基板上の特定の構造に使用する伝送線路セクションを計算して設計されます。伝送線路の設計は、伝播する波をコンポーネントへ導くと同時に、減衰、増幅、フィルタリング、共振、放出(例:アンテナ)などの動作も提供します。RF信号が伝播する際に生じるインピーダンスの不整合を解消するために、スタブやコンポーネントとのインターフェイス、アンテナなどでインピーダンス変換が必要になることが多いです。これらの機能を生み出す様々なプリント構造は、多くの解説書でよく知られています。

RF回路や基板に使用される構造やコンポーネントには、以下のようなものがあります。

  • パッシブフィルターとアクティブフィルター
  • アッテネーター
  • サーキュレーター
  • アンプ
  • RFパワースプリッター、デバイダー、コンバイナー
  • アンテナ
  • レゾネーター
  • 導波管の空洞

その他のコンポーネントを追加した後、レイアウトを始める前に回路図を作成する必要があります。RF回路を回路図に配置するプロセスは、デジタルシステムの場合と同じです。回路シミュレーションは、基板レイアウトを作成する前に、システムの電気的機能性を評価する必要があるため、フロントエンドのRFエンジニアリングにおいても重要です。これは通常、基板上のプリント素子をSPICEの伝送線路オブジェクトとして定義して、設計でSPICEシミュレーションを使用して実行されます。最良の回路図エディタには、回路基板の電磁的挙動を正確にシミュレーションするための伝送線路オブジェクトが含まれています。

RF回路レイアウト用ツール

RF回路の設計が完了し、必要な周波数範囲で回路シミュレーションツールを実現すれば、物理的なレイアウトを行う準備ができます。RF PCBの設計者は、ビアやトレースの長さを最小限にするなど、標準的な高周波設計ルールに従いつつ、機械的なアプローチを採用して RFインターコネクトを慎重に設計する必要があります。PCB上に登場する高周波回路は、インピーダンスの目標値と幾何学的公差を満たすように設計される必要があるため、CADツールは電気的設計ルールとつなぎ合わせ、これらの目標に確実に適合する必要があります。

また、RF回路と連結されなければならないデジタルコンポーネントもある場合は、同じツールセットを使って基板レイアウトに配置する必要があります。慎重に配置し、適切なスタックアップ設計を行うことで、高周波回路やRF信号収集を破損する干渉を防ぐことができます。RFシステムの中にはマルチボードシステムのものがあり、製造準備の前に全体のアセンブリを検査する必要があるため、ここでネイティブの3D設計ツールが役立ちます。

MCAD設計のPCBコネクタ
Complete your physical layout with the right PCB design tools.

シグナルインテグリティも維持する高度な RF システムを構築する必要があるときは、回路シミュレーションツール、PCB配線とレイアウトツール、およびインピーダンス目標を達成するためのレイヤースタックデザインツールで構成される完全なセットが必要です。信号収集用の低ノイズアンプ、ブロードキャスティング信号用のRF電源アンプ、独特なトレースやビア構造を持つ複雑なインターコネクトをレイアウトするなど、いずれの場合でも最適なPCBレイアウトツールは、RF PCBレイアウトを作成する際に柔軟に対応することができます。

回路設計者、レイアウトエンジニア、SI/PIエンジニアは、RF回路設計と物理レイアウト用に Altium Designer®の高度な設計ツールを信頼しています。設計が完了し、製造作業へ解放する準備ができたら、Altium 365®プラットフォームでプロジェクトと協働および共有することが簡単になります。

ここでは、Altium 365とAltium Designerで何が可能か、その一部を紹介したに過ぎません。今すぐ、Altium Designerの無償評価版を始めてください。

筆者について

筆者について

Zachariah Petersonは、学界と産業界に広範な技術的経歴を持っています。PCB業界で働く前は、ポートランド州立大学で教鞭をとっていました。化学吸着ガスセンサーの研究で物理学修士号、ランダムレーザー理論と安定性に関する研究で応用物理学博士号を取得しました。科学研究の経歴は、ナノ粒子レーザー、電子および光電子半導体デバイス、環境システム、財務分析など多岐に渡っています。彼の研究成果は、いくつかの論文審査のある専門誌や会議議事録に掲載されています。また、さまざまな企業を対象に、PCB設計に関する技術系ブログ記事を何百も書いています。Zachariahは、PCB業界の他の企業と協力し、設計、および研究サービスを提供しています。IEEE Photonics Society、およびアメリカ物理学会の会員でもあります。

最新の記事

ホームに戻る