PCBニュース - ウェアラブルデバイスのマイクロ波PCB設計

ウェアラブルデバイスは高い信頼性を必要とします。そして、それはPCBデザイナーがFR 4（最も費用効果のよいPCB製造材料）またはより高度で高価な材料の選択に直面するとき、問題でありえます。

彼らの小さいサイズとサイズのため、もの市場の成長している着用可能なインターネットのために既製のプリント回路板標準はほとんどありません。これらの規格の前に、我々はボードレベル開発で得られた知識と製造経験に頼らなければならなくて、彼らをユニークな新興の挑戦に適用する方法について考えなければなりませんでした。特別な注意を必要とする3つの領域があります：回路基板表面材料、RF /マイクロ波設計、およびRF伝送ライン。

PCB材料

PCBは一般に、繊維強化エポキシ樹脂（FR 4）、ポリイミドまたはロジャース又は他のラミネートでできていてもよい層からなる。層間の絶縁材料は半透明シートと呼ばれる。

ウェアラブルデバイスは高い信頼性を必要とします。そして、それはPCBデザイナーがFR 4（最も費用効果のよいPCB製造材料）またはより高度で高価な材料の選択に直面するとき、問題でありえます。

着用可能なPCBアプリケーションが高速、高周波材料を必要とする場合、FR 4は最良の選択ではないかもしれない。FR 4の比誘電率（DK）は4.5であり、より進んだロジャース4003シリーズの3.55、ブラロ・ロジャーズ4350の3.66である。

FR 4材料及びロジャース4350及びコア層厚さを示す多層プリント回路基板の積層図。

スタックの誘電率は、スタックの近くの一対の導体のキャパシタンスまたはエネルギーの比率を、真空中の一対の導体のそれとの比である。高周波数では、非常に小さな損失を有することが好ましいので、誘電率が3.66のloger 4350は、誘電率4.5のFR 4より高い周波数に適している。

通常、ウェアラブルデバイスに用いられるPCB層の数は4〜8である。層は8層のPCBであれば十分な層とパワー層を提供し、中間層の配線層をクランプするという原理によって構成される。このようにして、クロストークのリップル効果を最小限に抑え、電磁干渉（EMI）を大幅に低減することができる。

回路基板レイアウト設計フェーズでは、レイアウトスキームは、一般に、大きな層を電力分配層に近接させる。これは非常に低いリップル効果をもたらし、システムノイズをほぼゼロにすることができる。これは特にRFサブシステムにとって重要である。

fr 4はrogers材料より高い散逸因子（df）を持ち，特に高周波数である。より高いパフォーマンスFR 4スタックのために、DF値はおよそ0.002です。しかし、ロジャースは0.001以下の層しか持っていない。FR 4材料を高周波用途に使用すると、挿入損失に大きな差がある。補間損失は、FR 4、ロジャースまたは他の材料が使用されるとき、点Aから点Bまでの電力損失と定義される。

PCB製造問題

装着可能なPCBsは、着用可能なデバイスにとって重要な要因である、より厳しいインピーダンス制御を必要とし、インピーダンス整合は、よりクリーンな信号伝送を生成することができる。以前に、信号を運ぶルートのための標準的な許容範囲は（＋）10 %であった。この指標は明らかに今日の高周波の高速回路には十分ではない。要件は現在（7）の場合は、いくつかの場合でも（5）5 %以下です。このパラメータは、他の変数とともに、非常に厳密なインピーダンス制御を有するウェアラブルPCBの製造に非常に影響を及ぼすことができ、それによってそれらを作ることができるビジネスの数を制限することができる。

ロジャースUHF材料で作られた層の比誘電率は一般的に（2）2 %であり、いくつかの製品はさらに（4）に達することができる。したがって、これらの2つの材料を比較すると、ロジャースの挿入損失は特に低いことが分かる。rogersスタックの伝送損失と挿入損失は従来のfr 4材料の半分と低い。

ほとんどの場合コストが最も重要です。しかし、ロジャースは許容できる価格で比較的低損失、高周波スタッキング性能を提供することができる。市販の用途では、ロジャースは、エポキシ樹脂に基づくFR 4との混合PCBにすることができ、その一部は、ロジャーズなどを使用してFR 4を使用する。

周波数は、主要な考慮ロジャーズスタックを選択します。これらの材料が厳密なインピーダンス制御を受けるときに、これらの材料がより良い性能を提供できるので、特に周波数が500 MHzを超えるとき、PCB設計者はRogers材料を選択する傾向がある。

fr 4材料と比較して，rogers材料はまた低い誘電損失を提供し，誘電率は広い周波数範囲で安定である。加えて、ロジャース材料は、高周波数動作のための理想的な低損失性能を提供することができる。

rogers 4000シリーズ材料の熱膨張係数（cte）は優れた寸法安定性を有する。これは、PCBが、FR 4と比較して、低温で高温で非常に高温の還流はんだ付けサイクルを受けるとき、プリント回路基板の膨張および収縮は、より高い周波数およびより高い温度で安定した限界に留まることができることを意味する。

ハイブリッド層の場合，一般的な製造プロセス技術を用いてrogersと高性能fr 4を混ぜることは容易であり，高い製造歩留りを達成することは比較的容易である。ロジャーススタッキングは、専用の穴準備プロセスを必要としません。

通常のFR 4は、非常に信頼性の高い電気的性能を達成することはできないが、高性能FR 4材料は、より高いTgなどの良好な信頼性を有しており、比較的安価であり、単純なオーディオ設計から複雑なマイクロ波アプリケーションまで幅広い用途で使用することができる。

PCBRF／マイクロ波PCB設計検討

携帯型技術とBluetoothはウェアラブルデバイスにおけるRF／マイクロ波応用のための道を開く今日の周波数範囲は、よりダイナミックになっています。数年前，非常に高い周波数（vhf）を2 ghz〜3 ghzと定義した。しかし、現在、我々は10 GHzから25 GHzまで及ぶUHFアプリケーションを見ることができます。

したがって、ウェアラブルPCBの場合、RF部分は配線問題に対してより密接な注意を必要とし、個別に信号を分離して高周波信号をグランドから分離する。他の考慮点は、バイパスフィルタ、十分なデカップルキャパシタンス、接地、及び伝送線路及びループラインのほぼ等しい設計を提供することを含む。

バイパスフィルタは、雑音内容および漏話のリップル効果を抑制することができる。デカップリング容量は、電力信号を運ぶデバイスのピンにより近くに配置する必要がある。

高速伝送ラインおよび信号ループは、ノイズ信号によって生成されるジッタを平滑化するために、電力層信号間の層を必要とする。より高い信号速度では、小さなインピーダンス不整合が信号の不平衡伝送および受信を引き起こすことがあり、その結果、歪みが生じる。したがって、高速かつ特別な許容範囲を有するため、無線周波数信号に関するインピーダンス整合に特別な注意を払わなければならない。

RF伝送線路は、特定のIC基板からPCBにRF信号を転送するためのインピーダンス制御を必要とする。これらの伝送ラインは、外側、上、下層に実装することができ、またはそれらを中間層に設計することができる。

PCB RF設計レイアウトで使用される方法はマイクロストリップライン、懸垂ストリップライン、コプレーナ導波路、または接地である。マイクロストリップラインは、金属またはラインの固定長とそれの下で直接平面の全部または一部から成ります。一般的なマイクロストリップ線路構造の特性インピーダンスは50〜75°である。

吊り下げ線は配線とノイズ抑制の別の方法である。線路は、内側導体上の固定幅配線と、中央導体の上下に大きな接地面とからなる。接地層はパワー層の中央にクランプされ、非常に効果的な接地効果をもたらす。ウェアラブルPCB RF信号配線の好ましい方法である。

共平面導波路は、互いに近接して移動する必要があるRFラインおよびラインの近くでより良い分離を提供する。媒体は、その上またはその下に中央導体と接地面で構成されています。無線周波数信号を送信する最良の方法は、ストリップラインまたはコプレーナ導波路をサスペンドすることである。これらの2つの方法は、信号とRFラインとの間の良好な分離を提供することができる。

コプレーナ導波路の両側にはいわゆる「スルーホールフェンス」が推奨される。この方法は、中央導体の各金属床に接地孔の列を与える。中央に走る主なルートは両側にフェンスがあり、それによってリターン電流の下層に近道ができる。この方法は高周波信号の高いリップル効果に関連する雑音レベルを低減することができる。誘電率4.5は半硬化FR 4材料と同じであるが、半ストリップライン、ストリップラインまたはオフセットストリップラインからの半硬化シートの誘電率は約3.8〜3.9である。

グランドレベルを使用するいくつかのデバイスでは、パワー・キャパシタンスのデカップリング性能を改善し、デバイスから接地へのシャントパスを提供するために、ブラインドホールを使用することができる。グランドへのシャントパスは、2つの目的を達成することができますホールの長さを短縮することができます：あなたはシャントやグラウンドを作成するだけでなく、小さなパッチでデバイスの伝送距離を減らすことも重要なRF設計因子です。