レイアウトが回路である
数百 MHz 以下では、配線はただの線です。それを超えると伝送線路になり、インピーダンス、リターン経路、長さが電気設計の一部になります。10のルールが、その違いの大半を覆います。
1. RF 配線の下に基準プレーンを置く
連続で、途切れなく、すぐ下の層に。分割されたプレーンはリターン電流を回り道させ、その回り道が不可解な RF 挙動の多くを生みます。
2. インピーダンスを管理し、検証する
マイクロストリップやストリップラインのインピーダンスは、配線幅、絶縁層厚、比誘電率で決まります。±10 % の公差は、CAD のスタックから前提にするのではなく、パネル上のクーポンで検証します。
3. RF 経路を短く真っ直ぐに保つ
配線の1ミリが損失を増やし、曲がり1つが不連続を増やします。曲げが避けられない場合は、90度の角ではなく45度の面取りか円弧を使います。
4. グラウンドプレーンを縫合する
異なる層のグラウンドプレーンは、RF の遷移部ごとと基板端に沿ってビアで結びます。縫合によって RF で同じ電位に保たれ、それがあって初めて基準として機能します。
5. 敏感な配線の周囲にビアフェンス
敏感な配線の両側にグラウンドビアの列を置くと、導波管のような境界ができ、隣接ネットとの結合が減ります。間隔は配線幅ではなく波長に対して小さく取る必要があります。
6. 配線だけでなく接続部を設計する
コネクタやケーブルが基板と出会う箇所では形状が変わります。パッド幅、グラウンドの戻り、はんだフィレットがすべてインピーダンスに影響します。後回しに描かれた接続部は、いくら配線を調整しても消えない反射を生みます。
7. デジタルと RF を離す
RF 部をスイッチング電源やデジタル配線から離し、リターン電流も1点で合流するまで分けておきます。LNA の隣の DC-DC コンバータは、レイアウトの偶然ではなく設計の判断です。
8. 必要な箇所で長さを合わせる
差動ペアやフェーズドアレイは電気長を合わせる必要があり、その整合にはビアの遷移も含めます。ハイブリッド構成では比誘電率が層で変わるため、物理長だけで合わせると誤ることがあります。
9. 戦っている周波数でデカップリングする
100 nF のコンデンサ1つで 2.4 GHz の電源過渡をデカップリングできるわけではありません。デカップリング網は対象の帯域に合わせて選び、ピンの近くに置き、そのリターン経路はグラウンドプレーンへ直接落とします。
10. 測定できる基板にする
インピーダンス用のテストクーポンを追加し、RF 系にプローブできるアクセスを残し、テストポイントでのグラウンド基準を定めます。試作段階で測定できない基板は、部品を交換しながらデバッグされることになります。
材料選択が関わる場所
FR-4 は多くの 6 GHz 以下の設計に足りますが、散逸率と比誘電率は周波数、温度、樹脂含有率で変わります。損失予算や位相安定性がそれを超える要求をするとき、Rogers、Arlon、Taconic、Nelco といった RF 積層材を使います。コストを抑えるため、コアを FR-4 にしたハイブリッド構成がよく採られます。
材料の比較は高周波材料の記事に、0.06 mm の寸法や ±10 % のインピーダンスを含む工程限界は製造対応能力にまとめてあります。ファインピッチの RF 部は HDIと組み合わせることがよくあります。
