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PCBブログ - 携帯電話の無線周波数回路基板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回路基板のレイアウトと配線経験のまとめ

2022-01-19
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Author:pcb

無線周波数(RF)回路基板設計は、その理論上の不確実性からしばしば「ブラックアート」として記述されるが、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 pcb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:

1.高出力無線周波増幅器(HPA)と低ノイズ増幅器(LNA)は分離すべきである

高出力RF増幅器(HPA)と低ノイズ増幅器(LNA)をできるだけ分離するためには、高出力RF送信回路と低電力RF受信回路を分離すればよい。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.物理パーティション、電気パーティション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、感受性回路および信号、および接地のためのパーティションに分解され続けることができる。


物理パーティションについて議論します。電子部品の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。


RFとIFトレースはできるだけ交差し、それらの間はできるだけ間隔を置いて接地しなければならない。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、通常、低ノイズ増幅器回路をPCBボードの片側に置き、高電力増幅器を他側に置き、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プレートの両側に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不可能な場合があり、この場合、RF領域における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する必要がある。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。RF信号線は金属シールドの底部の小さな隙間と接地隙間の配線層から引き出すことができるが、隙間の周囲にできるだけ多くの接地が分布し、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。


適切で効果的なチップパワーデカップリング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電源を提供するためにはプルアップインダクタが必要である。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ため、2~3セットのキャパシタとインダクタをそれぞれデカップリングする必要がある場合があります。インダクタはほとんど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になるか、直角に配列して相互インダクタンスを減らす必要があります。


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すが、他の要素も含まれています。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個別の高電流トレースを実行する必要があります。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、フィルタのバンドパス特性が大きく損なわれる可能性があります。入出力間で良好な分離を得るためには、まず、フィルタの周囲に接地を配置しなければならない。次に、フィルタの下部領域に接地を配置し、フィルタの周囲の主接地に接続しなければならない。フィルタを通過する必要がある信号線をフィルタピンからできるだけ遠ざけるのも良いアイデアです。また、プレートのあちこちの接地に注意しなければ、結合チャネルが導入されます。シングルエンドまたは平衡RF信号線を選択することができ、交差干渉とEMC/EMIに関する同じ原理もこれに適用されることがあります。適切に配線すれば、平衡RF信号線はノイズと交差干渉を低減することができるが、それらのインピーダンスは一般的に高く、ソース、トレース、負荷に一致するインピーダンスを得るために合理的な線幅を維持しなければならない。


実際に配線するのは少し難しいかもしれません。バッファは、同じ信号を2つの部分に分割し、異なる回路、特にLOが複数のミキサを駆動するためにバッファを必要とする場合に使用することができるので、分離性を高めるために使用することができます。ミキサが無線周波数でコモンモード分離に達すると、正常に動作しなくなります。バッファは、異なる周波数でのインピーダンス変化をうまく分離することができ、回路が干渉しないようにすることができる。バッファは、駆動する必要がある回路の後ろに置くことができる設計において、バッファの入力信号レベルが相対的に低いため、基板上の他の回路の影響を受けにくい高出力トレースが短いため、バッファは駆動する必要がある回路の後ろに置くことができます。回路が干渉する。


電圧制御発振器(VCO)は、絶えず変化する電圧を絶えず変化する周波数に変換する。これは高速チャネル切替のための機能であるが、制御電圧上の少量のノイズを微小な周波数変化に変換し、RF信号にノイズを増加させる。


ノイズを追加しないようにするためには、まず、制御線の必要な帯域幅がDCから2 MHzの間にある可能性があり、このような広い帯域でフィルタリングしてノイズを除去することはほとんど不可能である、第二に、VCO制御線は通常、周波数を制御するフィードバック回路の一部であり、多くの場合そうである。ノイズはどこにでもある可能性があるので、VCO制御線を非常に注意して処理しなければならない。RFトレースの下の接地がソリッドであり、すべてのコンポーネントが主接地にしっかりと接続され、ノイズを導入する可能性のある他のトレースから隔離されていることを確認します。また、VCOのRF出力は比較的高いレベルになることが多く、VCO出力信号は他の回路と干渉しやすいので、VCOの電源が十分にデカップリングされていることを確認してください。


実際、VCOは通常RF領域の末端に配置され、時に金属遮蔽を必要とする。共振回路(1つは送信機、もう1つは受信機)はVCOに関連していますが、独自の特性もあります。簡単に言えば、共振回路は、VCOの動作周波数を設定し、音声またはデータをRF信号に変調するのに役立つ容量ダイオードを備えた並列共振回路である。すべてのVCO設計原則は共振回路にも適用される。共振回路は一般的にノイズに非常に敏感である。なぜなら、それらのコンポーネントの数は非常に多く、プレート上に広く分布し、通常は非常に高いRF周波数で動作するからである。信号は通常、チップの隣接ピン上に配置されるが、これらの信号ピンは比較的大きなインダクタとキャパシタと一緒に動作する必要があり、逆にこれらのインダクタがキャパシタと緊密に配置され、ノイズ感受性制御回路に接続されることが必要である。それを実現するのは容易ではない。自動利得制御(AGC)増幅器も問題が発生しやすく、送受信回路にAGC増幅器が存在する。


AGC増幅器は一般的にノイズを効果的に除去することができるが、携帯電話は送受信信号強度の急速な変化を処理することができるため、AGC回路はかなり広い帯域幅を必要とし、これによりいくつかの重要な回路ノイズにAGC増幅器を導入することが容易になる。AGC回線を設計する際には、非常に短いオペアンプ入力ピンと非常に短いフィードバック経路に関連する良好なアナログ回路設計技術に従う必要があり、どちらもRF、IF、または高速デジタル信号トレースから離れなければなりません。

また、良好な接地も不可欠であり、チップの電源はよく切り離さなければならない。入力端子または出力端子に長い電線を接続しなければならない場合は、出力端子では、通常インピーダンスがはるかに低く、インダクタンスノイズも発生しにくい。通常、信号レベルが高いほど、ノイズを他の回路に導入しやすくなる。すべてのPCB設計において、デジタル回路をアナログ回路からできるだけ遠ざけることは共通の原則であり、RF PCB設計にも適している。一般的なアナログ接地は、信号線を遮蔽して隔離するための接地と同様に重要であるため、設計の初期段階では、綿密な計画、周到なコンポーネント配置、完全な配置*推定が重要である。同様に、無線周波数は、アナログ回線と非常に重要なデジタル信号から遠ざかるべき回線であるべきである。すべての無線周波数トレース、パッド、およびアセンブリは、できるだけ接地銅を充填し、できるだけ主接地に接続する必要があります。RFトレースが信号線を通過しなければならない場合は、それらの間のRFトレースに沿ってプライマリ接地の接地に接続する層を配線してみてください。不可能な場合は、容量結合を最小限に抑え、各RFトレースの周りにできるだけ多くの接地を行い、それを主接地に接続するために、縦横に交差していることを確認してください。さらに、平行RFトレース間の距離を小さくすることにより、インダクタンス結合を低減することができる。堅牢な1枚の接地面が表面層の下に直接配置され、隔離効果があります。少し工夫されていますが、他の方法も適用できます。PCB板の各層には、できるだけ多くの接地を敷設し、それを主接地に接続します。トレースをできるだけ近くに配置して、内部信号と配電層上のパッドの数を増やし、接地接続ビアを表面上の分離パッドに配線できるようにトレースを調整します。小型アンテナのようにノイズを拾ったり注入したりするので、PCB各層の自由接地は避けなければならない。ほとんどの場合、プライマリ接地に接続できない場合は削除できます。


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3.携帯電話PCBボードの設計において、いくつかの点に注意すべき電源とアース線の処理PCBボード全体の配線がよく完成していても、電源とアース線が熟慮されていないことによる干渉は製品の性能を低下させ、製品の電力に影響を与えることもある。そのため、電源とアース線の配線に真剣に対応し、電源とアース線によるノイズ干渉をできるだけ減らし、製品の品質を確保しなければならない。エレクトロニクス製品の設計に携わっている各エンジニアにとって、アース線と電源線の間にノイズが発生する原因はすでに分かっており、現在では低減されたノイズ抑制のみが表現されている:(1)電源とアース線の間にデカップリングキャパシタが増加していることはよく知られている。(2)電源とアースの幅をできるだけ広くする。接地線は電源線より広い。0.05錘0.07 mm、電源ケーブルは1.2錘2.5 mmである。デジタル回路のPCB基板には、広い接地線を用いて回路を形成することができ、すなわち接地網を用いてもよい(アナログ回路の接地はこのようには使用できない)(3)接地線として大面積の銅層を用い、プリント基板上の未使用箇所を接地線として地上に接続することができる。あるいは多層板にして、電源、アース線がそれぞれ1階を占めています。


デジタル回路とアナログ回路の汎用接地処理は、現在では多くのPCBボードが単一の機能回路(デジタルまたはアナログ回路)ではなく、デジタルとアナログ回路の混合で構成されている。したがって、配線の際には、それらの間の相互干渉、特に地線へのノイズ干渉を考慮する必要がある。デジタル回路は周波数が高く、アナログ回路の感度が高い。信号線の場合、高周波信号線はできるだけ敏感なアナログ回路装置から離れなければならない。アース線の場合、PCBボード全体は外部と1つのノードしかありません。そのため、デジタルとアナログの共通接地の問題はPCBボードの内部で処理しなければならないが、デジタル接地とアナログ接地は実際にはボードの内部で分離されており、それらは互いに接続されておらず、PCBボードと外部世界のインタフェース(プラグなど)だけにある。待機中デジタル接地はアナログ接地に対して短絡的で、接続点が1つしかないことに注意してください。PCBボードにも異なる接地があり、これはシステム設計によって異なります。


信号線ルートは電気(接地)層の多層プリント基板の配線にあり、信号線層に残っている配線が多くないため、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。地層の完全性が保護されているからです。


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、常用部品の脚を接続するには、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、電気的性能とプロセスの必要性を考慮して、断熱板、通称熱ガスケットと呼ばれる十字形ガスケットを作製した。性生活は大幅に減少した。多層板の電気(接地)分岐は同じ方法で処理される。


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、配線を支持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。標準部品のピン間の距離は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0.1インチ以下の整数倍、例えば0.05インチ、0.025インチ、0.02インチなどに設定されています。4.高周波PCBボードの設計技術と方法伝送路のコーナーで45°角を使用してエコー損失を低減する


絶縁定数値が厳格に等級別に制御された高性能絶縁回路基板を採用しなければならない。この方法は絶縁材料と隣接配線との間の電磁場の効率的な管理を容易にする。


高精度エッチングを実現するためには、PCBボードの設計仕様を改良する必要がある。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、これらの仕様を実現するために非常に重要である。


突出したリードにタップインダクタンスがあるため、リード付きの素子の使用は避けられます。高周波環境の場合は、表面実装アセンブリを使用します。


信号ビアについては、ビアにおけるリードインダクタンスを引き起こすため、感受性プレート上でのビア処理(pth)プロセスの使用は避けてください。


豊富な地表面を提供します。成形ビアは、3 D電磁場がプレートに与える影響を防ぐために、これらの接地面を接続するために使用される。


化学ニッケルめっきまたは浸漬金プロセスを選択するには、HASL方法を使用してめっきを行わないでください。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)。さらに、このような高溶接可能なコーティングは、環境汚染を低減するのに役立つより少ない鉛を必要とする。


ソルダーレジスト膜は、ペーストの流れを防止することができる。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、接地面が環状に交錯して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、このミスマッチはエコー損失を招くこともあり、ノイズや信号干渉を避けるためにエコー損失を低減しなければならない。5電磁互換性設計電磁互換性とは、電子機器が様々な電磁環境の中で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、電子機器がさまざま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とともに、電子機器自体が他の電子機器に対する電磁干渉を低減することである。


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最小限に抑えるべきである。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と1.0 mmの間で選択することができる。


正しい配線戦略を使用して等しい配線を使用すると、ワイヤインダクタンスを下げることができますが、ワイヤ間の相互インダクタンスと分布容量が増加します。レイアウトが許可されている場合は、メッシュ状のメッシュ配線構造を使用します。具体的な方法は、プリント基板の片側を水平に配線し、もう一方の側を垂直に配線することです。交差孔は金属化孔を介して接続されている。


プリント基板導体間のクロストークを抑制するために、配線を設計する際には、長距離と等しい配線をできるだけ避け、線間の距離はできるだけ広く、信号線、アース線、電源線はできるだけ交差しないようにしなければならない。干渉に非常に敏感な信号線の間に接地トレースを設定することで、クロストークを効果的に抑制することができます。


高周波信号がプリント配線を通過する際に電磁放射が発生するのを避けるために、プリント配線基板を配線する際には、(1)プリント配線の不連続性を最大限に減らすこと、例えば、配線の幅を突然変えるべきではなく、配線の角部を90度より大きくし、環状配線を禁止することにも注意しなければならない。(2)クロック信号のリード線は電磁放射干渉を受けやすい。ワイヤは接地回路に近づき、ドライバはコネクタに近づかなければならない。(3)バスの運転手は運転したいバスに近づくべきだ。プリント基板から離れたワイヤの場合は、ドライバはコネクタに隣接している必要があります。(4)データバスの配線は、2本の信号線の間に1本の信号接地線を挟むべきである。接地回路は、通常は高周波電流を搬送するため、重要でないアドレスリードのそばに配置される。(5)プリント基板上に高速、中速、低速の論理回路を配置する場合。


反射干渉を抑制プリント配線の端に現れる反射干渉を抑制するためには、特に必要な場合を除き、プリント配線の長さをできるだけ短くし、低速回路を使用する必要があります。必要に応じて、端子整合を増やすことができます。つまり、伝送路の端に同じ抵抗値の整合抵抗器を追加して、接地と給電端を追加することができます。経験上、一般的に速いTTL回路では、プリント配線長が10 cmを超える場合には、端子整合措置をとるべきである。整合抵抗器の抵抗値は集積回路の出力駆動電流と吸収電流値に基づいて決定しなければならない。6.回路基板の設計過程で差動信号線配線戦略を使用する。配線が非常に近い差動信号対も緊密に結合する。この相互結合はEMI送信を低減する。通常(一部の例外を除く)差分信号も高速信号であるため、通常は高速設計規則が適用されます。差動信号の配線は特にそうであり、特に伝送路のために信号線を設計する場合。これは、信号線の特性インピーダンスが信号線全体で連続的かつ一定であることを保証するために、信号線の配線を非常に注意深く設計しなければならないことを意味します。


差分ペアのレイアウトと配線の過程で、差分ペアの2つのPCBボード回線が完全に同じであることを望んでいます。これは、実際には、差分対のPCBトレースが完全に同じインピーダンスを持ち、トレースが同じ長さを持つことを保証するために、あらゆる努力をしなければならないことを意味している。差動無線周波数回路基板のトレースは通常、常にペアで配線され、それらの間の距離はペアの方向に沿ってどこでも変わらない。