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PCBブログ - 携帯電話の無線周波数PCBボードのレイアウトと配線経験のまとめ

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携帯電話の無線周波数PCBボードのレイアウトと配線経験のまとめ

2022-03-21
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Author:pcb

無線周波数(RF)プリント基板設計は、その理論上の不確実性から「ブラックアート」としてよく記述されるが、このような観点は部分的に正しいだけであり、無視された規則に従うべきではないRF基板設計ガイドラインも多い。しかし、実際の設計に関わる場合、真のコツは、様々な設計制約によりこれらのガイドラインや法律を正確に実施できない場合に、どのように妥協するかである。もちろん、インピーダンスとインピーダンスのマッチング、絶縁層材料と積層板、波長、定在波など、重要な無線周波数設計テーマは多く議論に値するため、これらは携帯電話のEMCとEMIに大きな影響を与える。無線周波数レイアウトを設計する際に満たす必要がある条件をまとめた:

プリント配線板

1.高出力無線周波増幅器(HPA)と低ノイズ増幅器(LNA)をできるだけ分離する。簡単に言えば、高出力RF送信機回路を低電力RF受信機回路から遠ざける。携帯電話には多くの機能とコンポーネントがありますが、PCBボードのスペースは小さく、配線設計プロセスの制約を考慮すると、これらすべてに比較的高い設計スキルが必要です。この場合、同時に動作するのではなく、交互に動作するように4層から6層のPCBボードを設計する必要があるかもしれません。高出力回路は、RFバッファ及び電圧制御発振器(VCO)を含むこともある。穴が開いていないPCB上の高電力領域に少なくとも1つの完全な接地があることを確認します。もちろん、銅は多ければ多いほどいいです。敏感なアナログ信号はできるだけ高速デジタル信号とRF信号から離れなければならない。

2.設計パーティションは物理パーティションと電気パーティションに分けることができます。物理パーティションは主にコンポーネントの配置、方向、シールドなどの問題に関連し、電気パーティションは、配電、RFトレース、敏感な回路、信号、および接地のためのパーティションに分解され続けます。2.1物理パーティションについて説明します。素子配置は無線周波数設計を実現する鍵である。1つの効果的な技術は、まず無線周波数経路上に位置するコンポーネントを固定し、入力を出力から遠ざけ、コンポーネントをできるだけ分離するために無線周波数経路の長さを最小化するためにそれらの方向を調整することである。電力回路と低電力回路。有効なプレート積層方法の1つは、主接地面(主接地)を表面層の下の第2層上に配置し、できるだけ多くの表面層上でRF線を運転することである。RF経路上のビア寸法を減少させることは、経路インダクタンスを低下させるだけでなく、主接地上のゴースト溶接点を減少させ、RFエネルギーがスタック内の他の領域に漏れる機会を減少させる。物理空間において、多段増幅器のような線形回路は通常、複数のRF領域を互いに分離するのに十分であるが、デュプレクサ、ミキサ、IF増幅器/ミキサは常に複数のRF/IFを有する。信号は互いに干渉するので、この影響を最小限に抑えることに注意しなければならない。2.2 RFとIFトレースはできるだけ交差し、そして、接地はできるだけそれらの間に間隔を空けなければならない。正確な無線周波数経路はPCB全体の性能にとって非常に重要であり、それは携帯電話PCB設計において、要素配置が通常ほとんどの時間を占める理由である。携帯電話PCBボードの設計では、低雑音増幅器回路は通常PCBボードの片側に置くことができ、高電力増幅器はもう一方の側に置くことができ、最後にデュプレクサを介して同じ側の無線周波数端とベースバンド処理に接続することができる。デバイスのアンテナ上にあります。直通孔が回路基板の一方の側から他方の側に無線周波数エネルギーを移動させないようにするには、いくつかの技術が必要であり、一般的な技術は両側にブラインドビアを使用することである。スルーホールの有害な影響は、PCBの両側にRF干渉のない領域にスルーホールを配置することによって最小化することができる。複数の回路ブロック間の十分な分離を確保することはできない場合があり、この場合、RF領域内のRFエネルギーを遮蔽するために金属遮蔽を使用することを考慮しなければならない。金属シュラウドは床に溶接しなければならず、部品から離れなければならない。貴重なPCBボードスペースを占有するための適切な距離。シールドカバーの完全性をできるだけ確保することが重要です。金属シールドカバーに入るデジタル信号線はできるだけ内層に向かうべきであり、配線層の下のPCB板は接地層である。無線周波数信号線は金属遮蔽底部の小ギャップと接地ギャップの配線層から引き出すことができるが、ギャップの周囲にはできるだけ多くの接地が分布しなければならず、異なる層の接地は複数のビアを介して接続することができる。2.3適切で効果的なチップ電源脱結合も非常に重要である。集積された線形線路を有するRFチップの多くは電源からのノイズに非常に敏感であり、通常、各チップは4つまでのコンデンサと1つの分離インダクタを必要とし、すべての電源ノイズを確実に除去する。集積回路または増幅器は通常、オンドレイン出力を有するので、高インピーダンスRF負荷と低インピーダンスDC源を提供するためにインダクタを引き上げる必要がある。同様の原理は、インダクタ側で電源をデカップリングするのにも適している。動作するには複数の電源が必要なチップもあるので、2 ~ 3組のコンデンサとインダクタを別々に接続解除する必要があるかもしれません。インダクタはあまり並列に接続されていません。これは中空トランスを生成し、互いの信号に干渉するため、それらの間の距離は少なくとも1つのデバイスの高さでなければなりません。2.4電気パーティションの原理は通常、物理パーティションと同じであるが、追加の要素もある。携帯電話の一部の部品は異なる電圧で動作し、ソフトウェアによって制御されてバッテリ寿命を延長します。これは、携帯電話が複数の電源で動作する必要があることを意味し、より多くの隔離問題をもたらします。電源は一般的にコネクタに導入され、スイッチまたはボルテージレギュレータのセットを介して割り当てる前にすぐに切り離されて、プレート外のノイズをフィルタリングします。携帯電話PCB上のほとんどの回路にはかなり小さな直流電流があるので、トレース幅は通常問題ではありませんが、転送電圧降下を最小限に抑えるためには、大電力増幅器の電源のためにできるだけ広い単独の高電流トレースを実行しなければなりません。過剰な電流損失を回避するためには、複数のビアが1つの層から別の層に電流を伝達する必要があります。さらに、高電力増幅器が電源ピンで十分にデカップリングされていない場合、高電力ノイズはプレート全体に放射され、様々な問題を引き起こす。高出力増幅器の接地は極めて重要であり、通常は金属遮蔽が必要である。ほとんどの場合、RF出力をRF入力から遠ざけることも重要である。これは増幅器、バッファ、フィルタにも適用されます。最悪の場合、増幅器とバッファの出力が適切な位相と振幅で入力端にフィードバックされると、それらは自励発振する可能性がある。いずれの場合も、温度と電圧のいずれかの条件で安定して動作します。実際には、不安定になり、RF信号にノイズと相互変調信号を追加することがあります。RF信号線がフィルタの入力端から出力端にループバックしなければならない場合、これは深刻な損傷を受ける可能性がある


3.3信号線のルートは電気(接地)層の多層プリント基板の配線にあり、信号線層の残りの線路が多くないため、より多くの層を増やすと無駄になり、生産作業量が増加し、コストもそれに応じて増加する。この矛盾を解決するために、電気(接地)層に配線することが考えられる。まず電源平面を考慮し、次に接地平面を考慮する必要があります。地層の完全性が保たれているからだ。3.4大面積導体における接続脚の処理大面積接地(電気)において、常用部品の脚が接続されており、接続脚の操作を総合的に考慮する必要がある。部品の溶接と組み立てには、次のようないくつかの危険性があります。溶接には高出力ヒーターが必要です。2.虚溶接が発生しやすい。そこで、電気的性能と技術的需要を考慮して、断熱板、通称熱パッドと呼ばれる十字形パッドを作製した。性生活は大幅に減少した。3.5配線におけるネットワークシステムの役割は多くのCADシステムにあり、配線はネットワークシステムによって決定される。メッシュが密集しすぎている場合、チャネル数が増加しているにもかかわらず、ステップサイズが小さすぎたり、画像領域のデータ量が大きすぎたりすると、必然的にデバイスの記憶空間により高い要求があり、コンピュータエレクトロニクス製品の計算速度にも影響を与えます。影響が大きい。一部のビアは無効です。たとえば、素子脚のパッドで占有されたビアや、取り付け穴と固定穴で占有されたビアは無効です。疎すぎるメッシュと少なすぎるチャネルは、分布速度に大きな影響を与えます。したがって、配線をサポートするためには密度の合理的なメッシュシステムが必要です。標準コンポーネントの支柱間の距離は0.1インチ(2.54 mm)であるため、メッシュシステムの基本は通常、0.05インチ、0.025インチ、0.02インチなど、0.1インチ未満の整数倍に設定されています。高周波PCB基板の設計技術と方法は以下の通りである:4.1伝送路の角に45°角を採用し、エコー損失を減少させる。4.2絶縁定数値で厳格に等級制御された高性能絶縁回路基板を採用すべきである。この方法は絶縁材料と隣接配線との間の電磁場を効果的に管理するのに役立つ。4.3高精度エッチングのPCB基板設計仕様を改善する必要がある。ワイヤ幅に+/-0.007インチを指定する総誤差を考慮して、配線形状のアンダーカットと断面を管理し、配線側壁めっき条件を指定します。配線(導体)幾何形状とコーティング表面の全面的な管理はマイクロ波周波数に関連する表皮効果の問題を解決し、これらの規範を実現するために非常に重要である。4.4突出したリードにタップインダクタンスがあるため、鉛含有部品の使用を避ける。高周波環境では、表面実装アセンブリを使用します。4.5信号ビアについては、ビアでのリードインダクタンスを引き起こすため、敏感板でのビア処理(pth)プロセスを使用しないでください。4.6は豊富な接地面を提供します。成形ビアはこれらの接地面を接続して、3 D電磁場が板に与える影響を防止するために使用される。4.7は化学ニッケルめっきまたは金浸漬プロセスを選択し、HASL方法を用いてめっきを行わない。このめっき層の表面は高周波電流により良好な表皮効果を提供している(図2)。また、この高半田付け可能なコーティングに必要なリード線が少なく、環境汚染の低減に役立ちます。4.8半田付け抵抗膜は半田ペーストの流れを防ぐことができます。しかし、厚さの不確実性と未知の絶縁特性のため、はんだマスク材料でプレート表面全体を覆うことは、マイクロストリップ設計における電磁エネルギーの大きな変化をもたらす。半田ダムは半田マスクとしてよく使われている。電磁場この場合、マイクロストリップと同軸ケーブル間の変換を管理します。同軸ケーブルでは、接地面がリング状に絡み合い、均一に分布している。マイクロストリップでは、接地面は能動線の下に位置している。これにより、設計時に理解、予測、考慮が必要なエッジ効果が導入されます。もちろん、この不整合はエコー損失にもつながり、ノイズや信号干渉を回避するためにエコー損失を低減しなければならない。電磁互換性設計電磁互換性とは、様々な電磁環境の中で電子機器が調和して効果的に動作する能力を指す。電磁互換性設計の目的は、電子機器が様々な外部干渉を抑制し、電子機器が特定の電磁環境で正常に動作するようにすることであり、同時に電子機器自体の他の電子機器への電磁干渉を減少させる。5.1合理的なワイヤ幅を選択する過渡電流による印刷ワイヤへのパルス干渉は主に印刷ワイヤのインダクタンス成分によるものであるため、印刷ワイヤのインダクタンスをできるだけ小さくすべきである。プリント配線のインダクタンスはその長さに比例し、幅に反比例するため、短くて正確な配線は干渉を抑制するのに有利である。クロックトレース、ラインドライバ、またはバスドライバの信号線は、通常、大きな過渡電流を搬送し、トレースはできるだけ短く維持されるべきである。ディスクリート素子回路では、プリント配線の幅が約1.5 mmであれば、完全に要求を満たすことができる。集積回路の場合、プリント配線の幅は0.2~1.0 mmの間で選択できます。5.2は正しい配線戦略を採用しています。等しい配線を使用すると配線インダクタンスを下げることができますが、配線間の相互インダクタンスと分布容量