RF PCB：無線周波数PCBの究極ガイド

  

RF PCB（無線周波数プリント回路基板）は、PCB製造において最も急速に成長している分野の一つです。RF PCBは高周波信号、特にRF（無線周波数）帯域の信号を扱います。

シグナルインテグリティに関連する問題を回避するには、レイアウトと配線を慎重に行うことが重要です。RF PCBレイアウトにはデジタル部品が含まれる場合があり、慎重にレイアウトすることでデジタル信号とRF信号間の干渉を防ぐことができるからです。

この記事では、RF PCBとは何か、その設計原理、材料に関する考慮事項、そしてレイアウト設計について説明します。また、RF PCB設計で直面する一般的な課題についても解説し、実用的なヒントと解決策も提示します。最後に、最適なRF PCBメーカーを選ぶ際に考慮すべきヒントと要素についてもご紹介します。引き続き、このトピックについてご説明いたしますので、どうぞお読みいただき、ご期待ください。

  

  

  

   

RF PCB とは何ですか?

RFとは、電波の放射が発生する周波数を指します。RF周波数範囲は通常300KHzから300GHzの範囲です。マイクロ波PCBとRF PCBの主な違いは、動作する無線周波数です。

RF PCBは100MHzを超える周波数で動作する高周波PCBであり、2GHzを超える周波数で動作するPCBはマイクロ波PCBに分類されます。マイクロ波PCBとRF PCBはどちらも、レーダー装置など、無線信号の送受信を必要とするアプリケーションにおける通信信号に不可欠です。

RF PCBは、高い熱伝導性と低い誘電損失を備えた材料を使用しています。信号の完全性を維持するために、伝送線路構造と制御されたインピーダンスが採用されています。さらに、RF PCBはEMI（電磁干渉）を低減するシールド機能を備えており、これにより信号伝送が向上します。

RF回路基板の用途は多岐にわたります。レーダーシステム、マイクロ波機器、有線通信システムなど、様々な用途に用いられます。また、これらのPCBは、信号干渉、信号損失、ノイズといった高周波回路の機能を低下させる可能性のある問題を軽減するのに役立ちます。

従来の PCB の主な機能は、コンデンサ、抵抗器、集積回路などの電気部品を表面に実装し、銅トレースを使用してそれらを相互接続することにより、電気的接続と機械的サポートを提供することです。

一方、RF回路基板は、無線周波数（RF）信号と高周波信号を扱うことができます。従来のPCBと比較して、RF PCBは独自の設計要件と特性を備えており、高周波領域での信号を効率的に伝送することができます。

RF PCBアプリケーションと材料マッチングガイド

RFアプリケーション	RFマテリアル	接着剤	Attributes
軍事および宇宙用途	RO4000 RT /デュロイド	RO4450F RO4450B	熱性能、電気性能、環境耐久性において最も効果的
家電	RO4835 RO3010 RO3006	2929 Bオンプライ ボンドプライ RO3000シリーズ	収益性が高く、信頼性の高い熱特性と電気特性を備えています。
医療	RO4350B	2929 ボンドプライ RO4400 ボンドプライ	さまざまなデバイスに適した高性能機能
産業用	RO4350B RO4835 XT /デュロイド	RO4400 ボンドプライ 2929 ボンドプライ	優れた耐久性と環境耐性
自動車	RO4000 RO3003 RO4350B	RO4400 ボンドプライ	標準的な製造プロセスに適した優れた電気性能
高出力アプリケーション	XT /デュロイド 6035 HTC	通常は必要ない、またはカスタムサーマル	優れた熱管理nt

コアRF PCB設計ガイドライン

RF PCB設計においては、ノイズ、信号損失、電磁干渉（EMI）を低減することが不可欠です。また、信号の安定性、強度、帯域幅を最大限に高めることも不可欠です。ここでは、RF PCBの主な設計原則をご紹介します。

設計要件

RF PCB設計を始める前に、PCBのインピーダンス整合、電力レベル、周波数範囲の要件を決定することが重要です。また、PCBA（PCBアセンブリ）で使用される電子部品についても理解しておく必要があります。

PCBレイアウト

RF PCB部品を配置することで、信号線の長さを短縮できます。また、ビアをいくつか活用することも重要です。

さらに、重要な部品には小型の部品を取り付けます。RFラインは短くする必要があります。これにより、高速電源プレーン、デジタルトレース、その他のノイズ源に近接して配線されることを防ぎます。

接地

リターンパス、放射、クロストークを減らすために、RF トレースの下にはしっかりとしたグランド プレーンが必要です。

インピーダンス整合

マイクロストリップ伝送線路の使用は不可欠です。これにより、RFトレースのインピーダンスがコネクタやコンポーネントのインピーダンスと適切に整合されます。また、トレース間隔と幅が必要な許容値とインピーダンス値を満たしていることを確認してください。

シールド

他のソースからの干渉や RF 信号漏れを回避するには、RF シールドまたはシールド コネクタを使用します。

ホイール試乗

レイアウトが完了したら、回路の性能を評価するためにテストを行うことが重要です。オシロスコープまたはネットワークアナライザを使用して、帯域幅、リターンロス、挿入損失を測定します。

最適化

設計を調整してパフォーマンスを最適化します。トレース間隔、幅、長さを調整することで実現できます。また、電磁界解析ツールを使用して回路のRF動作を解析します。

一般的に、RF PCB設計には適切かつ綿密な計画が必要です。また、RF設計の原理に関する広範な知識も必要です。これらの設計ガイドラインに従い、適切な技術とツールを用いることで、高性能なRF回路を構築することが可能です。

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RF PCB材料の考慮事項

以下は、RF 回路基板を製造する際の材料に関する考慮事項です。

誘電率

誘電率は、媒体における電気信号の伝播速度を表します。この速度は誘電率の平方根に反比例します。誘電率が低いほど、信号伝送速度が速くなります。

さらに、この特性を測定するのは容易ではありません。これは単に媒体の特性だけでなく、試験中および試験前の材料の状態、試験周波数、試験方法にも密接に関係しています。

また、温度変化は誘電率の変化に影響します。そのため、一部の材料を開発する際には温度を考慮する必要があります。誘電率に影響を与えるもう一つの要因は湿度です。水の誘電率は70であるため、少量の水でも大きな変化が生じます。

高周波・高速アプリケーションに最適な材料は、銅箔で包まれた空気媒体です。また、誘電率は信号の伝送速度に直接影響を与えるだけでなく、インピーダンスの決定にもある程度役立ちます。このインピーダンスは、マイクロ波通信においていくつかの部分で重要な役割を果たします。

通常、誘電率は温度変化によって変化するため、マイクロ波材料は従来、宇宙環境であっても屋外で使用されます。

ロスタンジェント

損失正接は、RF PCB材料の電気特性に影響を与えるもう一つの要因です。損失正接は、損失係数や誘電損失とも呼ばれます。これは、媒体における信号またはエネルギーの損失を示します。これは、高周波信号が媒体を通過するたびに、媒体内の分子が電磁信号に合わせて自己調整または適応するためです。

しかし、分子は架橋されているため、それ自体を調整することはほぼ不可能ですが、周波数が変化すると、スコアラーは動き続け、より多くの熱を発生し、エネルギー損失につながります。

さらに、PTFEなどの一部の材料は通常非極性です。つまり、電磁場の影響を受けず、損失が最小限に抑えられます。また、損失正接は試験方法と周波数に関係します。

ここで一般的な法則があります。周波数が高いほど損失は大きくなります。良い例としては、電力消費が挙げられます。回路設計においてわずかな損失があれば、バッテリー寿命は大幅に延びる可能性があります。アンテナが信号を受信する際、材料損失に対する感度が高くなり、よりクリアな信号が得られます。

熱膨張係数

CTE（熱膨張係数）は、材料が異なる温度にさらされた際にどれだけ収縮・膨張するかを示します。また、製造工程において材料を選択する際の重要な基準となります。

電気強度

電気強度は、回路に使用される材料の絶縁強度と密接な関係があります。低電力基板を扱う場合、この要素はそれほど重要ではないかもしれません。しかし、RF PCBなどの高電力アプリケーションでは、電気強度は非常に重要です。

熱係数

材料を選択する前に、熱膨張係数を考慮することが重要です。場合によっては、熱膨張係数のわずかな変化が周波数応答に変化をもたらすことがあります。RF PCBは通常、温度変動にさらされるため、熱膨張係数が50 ppm/°C未満の材料を使用することをお勧めします。

ガラス転移温度

Tgと表記される温度は、PCB基板がガラス状態から容易に変形できる軟化状態に変化する温度です。材料が冷却されると、元の状態に戻ります。

吸湿性

材料の吸湿性は、特に水中に挿入された際に、水分の吸収を抑制する能力です。通常、吸湿性は材料の電気的特性と熱的特性に影響を与えます。基板がどのような環境で動作するかをよく理解しておく必要があります。

分解温度

Tdと表記される分解温度は、RF PCB材料が機械的に分解する温度を表します。使用する材料が、基板が動作する必要があるあらゆる温度に耐えられることを確認してください。これは、材料が分解温度に達すると、すぐには元に戻らないため重要です。

RF PCBレイアウトと部品配置

RF回路基板は通常、干渉に対してより敏感です。そのため、RF PCB設計ではより厳しい許容誤差が求められます。具体的には、反射、リンギング、ノイズを考慮する必要があります。そのため、配線時にはインピーダンス整合を慎重に行う必要があります。

さらに、RF設計の高周波回路においては、信号リターンパスが不可欠です。これらの信号リターン電流は、最も低いインピーダンスの経路を流れます。RF PCBレイアウトプロセスにおいては、問題箇所を特定し、解決策を見つけるために回路シミュレーションが重要になります。

従来のPCBレイアウトルールには、最適な信号性能を実現するはずの逸脱が存在します。これには、パッドサイズの縮小や配置間隔の狭さなどが含まれます。しかし、必要なDFMルールを維持し、エラーのない組み立てと製造を保証するために、必要に応じてこれらの変更を加えることが有効です。

最高のパフォーマンスを実現するための要件のいくつかを考えてみましょう。

RFコンポーネントの配置

RF回路ブロックの部品配置では、通常、回路上、よりタイトで堅牢な部品配置が求められます。この部品配置の変更は、設計者が標準の自動組立設備で基板製造を確実に行えるようにするために、慎重に管理しなければならない妥協点の一つです。これにより、製造コストの上昇を防ぐことができます。

さらに、RFボードの外層には通常、電源ネットワーク用の余分な金属層があり、部品は通常その領域に配置されます。この接続はRF回路の性能には優れているかもしれませんが、PCBアセンブリに問題が生じる可能性があります。

また、レイアウト段階では、コンポーネントの変更が必要になる場合があります。これには、PCBフットプリントパッドの形状とサイズの変更、フットプリントへの金属形状やフィーチャの組み込みなどが含まれます。これらのタスクは、ベースライブラリセクションを変更するのではなく、ボードのコンポーネントごとに個別に処理されます。それでは、RF PCB設計中に考慮される可能性のあるトレース配線要件について考えてみましょう。

トレースルーティング

他の高速配線と同様に、高電流電源トレースやインピーダンス制御された配線には、異なる幅を持つ直接的で短い配線が必要となります。以下は、RF配線において考慮すべきポイントです。

● 一部のRFトポロジでは、トレースルーティングの大部分を手動で追加する必要がある

● 設計ルールの設定と活用は成功に不可欠です

● また、コピー＆ペーストなどの配線機能は、類似の回路領域を複製する際に重要になる可能性がある。

● ビアはシールドのためにグランドプレーン領域の周囲にフェンスを提供します

● 斜めの角によりインピーダンスの変動が低減されます

多くのRF設計では、一部の配線領域がコンポーネントとして扱われます。このような配線には、トレースセグメントをRF解析システムに送信するために、パラメトリックコンポーネント配線に対応したツールが必要です。

さらに、RF設計ではグラウンドプレーンと電源プレーンにより高い電力が必要となり、自動はんだ付け時にサーマルリリーフが電流を処理できるようにする必要があります。また、CADツールの製図機能を活用してRF素子用の異形状金属領域を作成し、これらの領域をインテリジェントネットオブジェクトに変換することも不可欠です。

RF PCB設計における一般的な課題と解決策

RF PCBにおける一般的な課題としては、重量の最小化、ガス放出、ブリード防止、インピーダンス整合などが挙げられます。以下に、その他の課題をいくつか挙げます。

難しい設計プロセス

多層衛星PCBでは、異なる部品を個別に保管する必要があります。これにより、組み立て工程で発生する可能性のある問題を軽減できます。さらに、RF PCBは多層構造で、最上層にはRF信号線と電源段が配置されます。また、RF信号を扱う部品の下にはグランド層も必要です。

ノイズ

RF信号はノイズの影響を受けやすく、標準的なPCBよりも様々な種類のノイズに対してより敏感です。ノイズの種類には、帯域制限ノイズ、ピンクノイズ、ホワイトノイズ、ショットノイズ、熱ノイズ、フリッカーノイズ、位相ノイズ、アバランシェノイズなど、様々なものがあります。信号ノイズ、反射ノイズ、リンギングを可能な限り低減することが重要です。

広い温度範囲

温度レベルの変化は、考慮すべきもう一つの一般的な課題です。衛星の温度が変化すると、PCBの材料特性が変化する可能性があります。基板材料を比較し、様々な衛星アプリケーションへの適合性を確認するには、温度係数の確認が不可欠です。

さらに、RF PCBは、特に狭隘な領域において、適切に熱を放散する能力を備えている必要があります。RF PCBの材料がどのように熱を放散するかを理解するために、PCBの熱伝導率を調べましょう。

信頼性の向上

軽量化は、多層回路基板の使用増加とRF回路密度の増加に関係しています。さらに、宇宙空間における極度の温度環境下での動作においては、層間の相互接続に使用されるめっきスルーホールの信頼性が懸念されています。

マイクロ波 PCB とは何ですか?

マイクロ波PCBはRF PCBの一種で、高周波信号伝送用に特別に設計されています。動作周波数は通常1GHz以上、つまり「マイクロ波」周波数帯に属します。簡単に言えば、衛星通信、5G基地局、高速レーダー、軍用レーダーシステムなど、非常に高い周波数で信号を送信する必要がある回路では、マイクロ波PCBが使用される可能性が高いでしょう。

RF PCBとマイクロ波 PCB

すべてのマイクロ波PCBはRF回路基板に属し、つまり無線周波数範囲内のアプリケーションで使用されますが、すべてのRF PCBがマイクロ波レベルの信号伝送に対応できるわけではありません。例えば、動作周波数が100MHzから1GHzの範囲にある一部のRF PCBは、無線通信やBluetoothなどの用途にも使用されていますが、精度、インピーダンス制御、材料安定性といったマイクロ波システムの高度な要件を満たすことができません。

したがって、RF PCB設計、特にマイクロ波周波数帯においては、最初から適切なRF PCB材料を選択し、厳格なRFレイアウトおよびRF PCB設計ガイドラインに従う必要があります。これにより、信号の伝送品質が確保されるだけでなく、製品全体の信頼性も大幅に向上します。

ここでは、RF PCB とマイクロ波 PCB の違いを表で説明します。

機能	RF PCB（無線周波数PCB）	マイクロ波PCB
周波数範囲	100 MHz～1 GHz（標準的なRF範囲）	1 GHz以上（マイクロ波範囲、一般的に3～30 GHzのアプリケーションで使用される）
信号タイプ	FM、Wi-Fi、Bluetooth、Zigbeeなどの低周波から中周波のRF信号	レーダー波、ミリ波通信、衛星リンクなどの高速高周波信号
一般的な資料	Rogers 4350B、Taconic TLX、Isola FR408HR – 標準RF PCB材料	RT/duroid® 5880、RO3003、RO4003 – 特殊なマイクロ波PCB材料
材料特性	中程度の誘電率（Dk ≈ 3.4～4.2）、中程度の損失係数（Df ≈ 0.004～0.009）	低いDk（≈2.2〜3.0）、極めて低いDf（≈0.0009〜0.003）により信号損失を最小限に抑えます
層構造	2層または多層構造が可能。一般的なRF PCB設計に適しています。	通常は厳密なRFレイアウトと絶縁制御を備えた多層構造
アプリケーションシナリオ	ワイヤレスモジュール、Bluetoothデバイス、RFリモート、RFトランシーバー	衛星システム、5Gミリ波モジュール、軍用レーダー、航空宇宙通信システム
設計の複雑さ	比較的中程度、標準的なRF PCB設計ガイドラインに準拠	非常に複雑で、厳格なRFレイアウトガイドラインとマイクロ波インピーダンス整合が必要
コストと製造	標準的なPCBプロセス、中程度のコスト	複雑な製造、厳しい公差、材料と性能要件による高コスト

これらの違いを理解することで、エンジニアや設計者は、特定の周波数範囲とアプリケーションに適したRF PCB材料と基板タイプを選択することができます。一般的なRF回路基板と高性能マイクロ波PCBのどちらを選択するかは、信号品質とシステム全体の信頼性を確保する上で非常に重要です。

信頼できるRF PCBメーカーの選択

RF PCBメーカーを選ぶ前に考慮すべきいくつかの特徴があります

確かな実績と

RF PCB製造の経験がない会社と仕事をするのは避けたいものです。完璧な製品を作るには、経験が不可欠です。経験豊富なメーカーは、高周波PCBの製造において最新の技術と機械を使用しています。

経験を積めば、RF PCBが故障する可能性は低くなります。最良の結果を得るには、この分野で豊富な経験を持つメーカーに依頼してください。

認定

RF PCBメーカーを選ぶ際には、品質が重要な要素となります。まず考慮すべきは、メーカーの品質管理システム（QMS）です。最低要件はISO 9001認証です。これは、基本的なQMSが整備されていることを示しています。

これには、作業指示書、手順、プロセス、品質マニュアル、品質方針、予防措置などが含まれます。ISO 13485、A-610、A-600、IPC J-STDなどの認証は、企業の能力を証明するのに役立ちます。

技術的能力

PCBasicのような優れた技術力を持つRF PCBメーカーと協力することは非常に重要です。これらの技術力には、適切な設計と材料選定、加工技術、厳格な品質管理、そして使用する機器の状態などが含まれます。

公正な価格設定

RF PCBメーカーと取引する前に、コストを把握しておきましょう。様々なメーカーのウェブサイトをチェックして、市場価格の違いを把握することで、コストを把握できます。

結論

RF PCBの設計と製造には、適切な材料の選択、設計ルール、そして製造プロセスが必要です。だからこそ、PCBasicのような信頼できるRF PCBメーカーと協力することが重要です。