PCBニュース - プリント基板上のPCB信号注入方法の解析

高周波エネルギーを同軸コネクターからプリント基板（PCB）に伝達するプロセスは通常シグナルインジェクションと呼ばれ、その特性は説明しにくい。エネルギー伝達の効率は、回路構造の違いにより大きく異なります。プリント基板の材質や厚さ、動作周波数範囲、コネクタの設計や回路材料との相互作用などの要因が性能に影響します。様々な信号注入設定を理解し、RFおよびマイクロ波信号注入方法の最適化事例を検討することで、性能を向上させることができます。

効果的な信号注入の達成は設計に関連する. 一般に, 広帯域最適化は狭帯域よりもチャレンジングである. 一般に, 周波数が高くなるにつれて高周波注入はより困難になる, また、回路材料の厚さが増加し、回路構造の複雑さが増すにつれて、さらに問題が生じる.

信号注入の設計と最適化

同軸ケーブルとコネクタからマイクロストリップPCBボードへの信号注入を図1に示す。同軸ケーブルとコネクタを通る電磁界分布は円筒形であり、PCB内の電磁界分布は平坦または長方形である。ある伝搬媒体から別の媒体へ伝搬する場合、電界分布は新しい環境に適応するために変化し、異常終了します。例えば、信号が同軸ケーブルやコネクタからマイクロストリップ、接地コプレーナ導波管（GCPW）、ストリップラインへ注入される場合などです。同軸ケーブル・コネクタのタイプも重要な役割を果たします。

最適化にはいくつかの変数が関係する。同軸ケーブル/ジャンクション内の電磁界分布を理解することは有益ですが、グランドループを伝搬媒体の一部として考慮する必要があります。通常、一方の伝搬媒体から他方の伝搬媒体へのスムーズなインピーダンス遷移を実現するのに役立ちます。インピーダンス不連続部の容量性リアクタンスと誘導性リアクタンスを理解することは、回路の挙動を理解するのに役立つ。三次元（3D）電磁界シミュレーションが可能であれば、電流密度分布を観察することができる。さらに、輻射損失に関しても実際の状況を考慮するのが最善である。

信号送信機コネクタとPCBの間のグランドループは問題ではないかもしれないが, そして、コネクタからPCBまでのグランドループは非常に連続的である, 必ずしもそうではない. 通常、コネクタの金属とPCBとの間に小さな表面抵抗がある. また、これらの部品の異なる部分と金属を接続するはんだ付け工場の電気伝導度には小さな違いもあります. 低RFとマイクロ波周波数で, これらの小さな違いの影響は、通常小さいです, しかし、性能への影響は、より高い周波数で大きい. グランドリターンパスの実際の長さは、与えられたコネクタおよびPCB組合せによって、なしとげられることができる伝送品質に影響を及ぼす.

図2 Aに示すように、電磁エネルギーがコネクタ・ピンからマイクロストリップPCBの信号線に伝達されるとき、コネクタ・ハウジングへのグランド・ループは、太いマイクロストリップ伝送線路に対して長すぎる。誘電率の高いPCB材料を使用すると、グランドループの電気長が長くなり、問題が悪化する。パスの延長は周波数に依存した問題を引き起こし、局所的な位相速度とキャパシタンスの違いを生じさせる。どちらも、変換領域のインピーダンスとの関係で影響し、結果としてリターンロスに差が生じます。理想的には、グランドループの長さを最小にして、信号注入領域にインピーダンス異常が生じないようにする。図 2 A のコネクタのグランドポイントは回路の底部にしかなく、これは最悪のケースであることに注意されたい。多くの RF コネクタは、グランドピンが信号と同じ層にある。この場合、接地パッドもPCB上に設計される。

図 2 B は、接地コプレーナ導波管-マイクロストリップ信号注入回路 100 を示している。回路本体はマイクロストリップであるが、信号注入領域は接地コプレーナ導波路（GCPW）である。コプレーナ型発光マイクロストリップは、グランドループを最小限に抑えることができるため有用である。信号線の両側にグランドピンを持つコネクタを使用する場合、グランドピンの間隔が性能に大きく影響する。この間隔が周波数特性に影響することが示されている。

Rogersの10ミル厚のRO 450 B積層体に基づくコプレーナ導波路からマイクロストリップマイクロストリップを実験するとき、コプレーナ導波路ポートと他の部品との間の異なる接地距離を有するコネクタを使用した（図3参照）。コネクタAの接地間隔は約0.030であり、コネクタBの接地間隔は0.064″である。どちらの場合も、コネクタは同じ回路に送信する。

X軸は周波数を表し、1分割は5GHzである。マイクロ波の周波数が低い場合（＜5GHz）、性能は同等だが、周波数が15GHzより高くなると、グランド間隔が広い回路の性能は悪くなる。コネクターは類似しているが、2つのモデルのピン径はわずかに異なり、コネクターBの方がピン径が大きく、PCB材料も厚く設計されている。これも性能差の原因となる。

シンプルで効果的な信号注入の最適化方法は、信号伝達領域のインピーダンス不整合を最小化することである。インピーダンスカーブの増加は本質的にインダクタンスの増加によるものであり、インピーダンスカーブの減少はキャパシタンスの増加によるものである。図2aに示す太いマイクロストリップ伝送線路（PCB材料の誘電率が約3.6と低いと仮定）の場合、ワイヤの幅はコネクタの内部導体よりもはるかに広い。ワイヤの幅はコネクタの内部導体よりもはるかに広い。回路線とコネクタ線の寸法に大きな差があるため、移行時に強い容量性相互作用が発生する。回路線を徐々に細くし、同軸コネクタのピンに接続される部分に通常形成されるサイズのギャップを小さくすることで、容量性変異を減らすことが可能である。PCBワイヤーを細くすると、インダクタンスが増加する（またはキャパシタンスが減少し、インピーダンスカーブの容量性変異を相殺する）。

異なる周波数への影響を考慮しなければならない. より長い階調線は低周波生産により敏感になる. 例えば, 低損失でリターン損失が貧弱であり、同時に容量性インピーダンススパイクがある場合, より長い勾配線を使用することは、より適切である. 逆に, より短い勾配線は、高周波数により大きな影響を有する.

共平面構造, 隣接する接地面が近接しているとき、キャパシタンスは増加する. 通常, 信号注入領域の誘導容量は、漸次信号線と隣接するグランドプレーンとの間の距離を調整することによって、対応する周波数帯域で調整される. 場合によっては, コプレーナ導波路の隣接する接地パッドは、より低い周波数帯域を調整するためにテーパーラインのセクション上でより広い. Then, グラデーションラインの広い部分でピッチが狭くなる, そして、より狭い周波数バンドに影響を及ぼすためにより狭い部分の長さは長くない. 一般的に言えば, ワイヤ勾配の狭まりは感度を増加させる. 勾配線の長さは周波数応答に影響する. コプレーナ導波路の隣接する接地パッドを変化させることにより、キャパシタンスを変化させることができる. パッド間隔は周波数応答を変えることができる, 静電容量の変化には大きな役割がある.

図4に簡単な例を示す。図 4 A は、細長いワイヤを使った太いマイクロストリップ伝送線路である。勾配線の幅は、基板の端で 0.018 インチ（0.46 mm）、長さで 0.110 インチ（2.794 mm）、最後に 50.064 インチ（1.626 mm）です。図4のBとCでは、段階的配線の長さを短くしている。フィールド圧着端子コネクターが選択され、はんだ付けされないため、それぞれのケースで同じ内部導体が使用される。マイクロストリップ伝送線路の長さは2インチ（50.8mm）で、厚さ30mil（0.76mm）のRO4350B?マイクロ波回路オーバーラミネートで加工されており、誘電率は3.66である。図4 Aの青い曲線は挿入損失(S21)を表し、かなり揺らいでいる。一方、図 4 C の S 21 は最も揺らぎが少ない。これらの曲線は勾配線が短く、高性能であることを示している。

ケーブルのインピーダンスは、図4、コネクタ、回路（緑色の曲線）の中で最も分かりやすい曲線である。図4 Aの大きな順波のピークは、同軸ケーブル22に接続されたコネクタポート1を表し、曲線上の他のピークは、回路のもう一方の端にあるコネクタを表している。緩やかな変化線が短くなることで、インピーダンス曲線のばらつきが小さくなる。インピーダンスマッチングの改善は、信号注入領域の勾配線を広くしたり狭くしたりしたことによる。幅広の勾配線はインダクタンスを低減する。

優れた信号注入設計2から、注入領域の回路サイズを知ることができる。この回路も同じプレートと同じ厚さを使用しています。コプレーナ導波管タイプのマイクロストリップ回路は、図4の経験を利用することで、図4よりも優れた効果を生み出しました。最も明らかな改善は、インピーダンス曲線における誘導性のピークがなくなったことである。事実上、これはいくつかの誘導性のピークと容量性の谷によるものである。誘導勾配を最小化するために正しい勾配線を使用し、インダクタンスを増加させるために注入領域でコプレーナグランドパッド結合を使用する。図5の挿入損失曲線は、図4 Cの挿入損失曲線よりも滑らかで、リターンロス曲線も改善されている。誘電率の高いマイクロストリップ回路や厚みの異なるマイクロストリップ回路、コネクタ付きマイクロストリップ回路のPCB材料では、図4の例の結果は異なります。

信号注入は非常に複雑な問題である, 多くの異なる要因に影響される. この例とこれらのガイドラインは、デザイナーが基本原則を理解するのを助けるように設計されています.