PCB設計におけるマイクロ波からミリメートル波への移行を理解する

 

電子工学の分野では、印刷回路基板（PCB）の設計は、動作周波数が増加するにつれて多くの課題と変換に直面し、マイクロ波周波数帯域からミリ波周波数帯域への移行は、重要な技術的ターニングポイントを表しています。

マイクロ波は一般に、300MHzから30GHzの周波数を持つ電磁波を指し、通信（レーダー、衛星通信など）、ナビゲーション、その他のフィールドで広く使用されています。この周波数帯域のPCB設計のために、比較的成熟した技術システムが形成されています。たとえば、伝送ラインの設計では、マイクロストリップラインやストリップなどの構造の特徴的なインピーダンスを制御し、信号の完全性を確保するための広範な実践的な経験があります。

一方、ミリメートル波は、30GHzから300GHzの範囲の周波数を持つ電磁波です。近年、5G\/6G通信、自律運転レーダー、高精度イメージングなどの新たなアプリケーションの需要により、彼らは大きな注目を集めています。ただし、Millimeter Wavesに移行する場合、PCB設計は一連の新しい問題に対処する必要があります。

 

1。マイクロストリップラインテクノロジー
マイクロストリップラインは、製造の容易さと高収量のおかげで、マイクロ波回路で最も単純で一般的に使用されるトランスミッションラインテクノロジーの1つです。それにもかかわらず、ミリ波波周波数に移行する場合、マイクロストリップラインは多くの重要な課題に直面しています。重要な問題の1つは、放射線損失です。より高い周波数では、マイクロストリップ回路はアンテナのように動作する傾向があり、周囲の空気にエネルギーを放射します。これは、不必要な信号損失につながり、周波数が増加するにつれてより深刻になります。さらに、マイクロストリップ回路の製造には非常に高い精度が必要であり、導体の幅と銅の厚さに厳密な耐性があります。頻度が上昇すると、許容要件はさらに厳しくなり、製造プロセスにおける小さな逸脱は深刻なパフォーマンスの問題を引き起こす可能性があります。

別の課題は、マイクロストリップ回路の電磁波の伝播特性にあります。電磁波は、回路材料だけでなく、誘電率が低い周囲の空気を通しても伝播します。空気の低い誘電率は、回路全体の有効誘電率に影響を及ぼし、回路をモデル化するときは考慮する必要があります。ミリ波波周波数では、通常、誘電率が低い回路材料が信号損失を減らすために好まれますが、これにより波の伝播が遅く、位相シフトが遅くなる可能性があります。

 

2。ストリップラインテクノロジー
ストリップラインは、ミリ波周波数で動作できるもう1つの信頼できる回路技術です。導体は誘電体と地上飛行機で完全に囲まれているため、優れた分離を提供します。この設計により、電磁波が周囲の空気と相互作用することなく、回路材料内で完全に伝播することが保証されます。ただし、ストリップラインの問題は、囲まれた構造のために回路に信号を起動することが困難であることです。

特にミリ波周波数では、信号入力と出力用のコネクタの作成がより困難になります。さらに、この技術は製造プロセスの変動に非常に敏感であり、必要な許容範囲を達成することを困難にしています。これらの理由により、ストリップラインは、自動車レーダーシステムなどの特定のアプリケーションを除き、ミリ波回路ではあまり一般的ではありません。

 

3。基質積分導波路（SIW）
基板統合導波路（SIW）テクノロジーは、特に自動車レーダーやその他の通信システムで、ミリ波アプリケーションで人気を高めています。 SIWは、導波路技術と印刷回路基板（PCB）製造の利点を組み合わせています。上部の金属層、底部の接地面、およびメッキのスルーホール（PTH）の列を使用して、コンパクトな長方形の導波路を形成します。この設計により、高周波でも低損失信号伝播が可能になります。

ただし、SIW回路の製造には非常に高い精度が必要です。 PTHは、特により高い周波数の場合、非常に厳しい許容範囲内に配置する必要があり、製造プロセスは非常に困難です。さらに、SIWは誘電率の変動を最小限に抑える材料を必要とし、製造の困難をさらに増加させます。

 

4。接地された正の波動管（GCPW）
接地されたコプラナー導波路（GCPW）は、ミリ波波回路用のもう1つの有望な送電線技術です。 GCPW構造は、誘電体材料と銅導体を組み合わせて、低下信号伝播を実現します。これは、テストや測定システムなどのブロードバンドRF、マイクロ波、およびミリ波アプリケーションに特に適しています。 GCPWは、同じPCBでミリ波と低周波回路の両方が必要な統合設計でも使用できます。

しかし、GCPW回路は、誘電材料の誘電率、基質の厚さ、銅の表面粗さの変化など、製造プロセスの変動に敏感です。これらの要因は、位相の歪みを引き起こす可能性があり、これはミリ波波周波数でより重要になります。最適なパフォーマンスを確保するには、正確な導体の幅と厚さの維持など、製造プロセスを厳密に制御する必要があります。

 

ミリ波回路設計における重要な考慮事項
自動車レーダーや5Gワイヤレスネットワークなどのミリ波回路アプリケーションが成長し続けているため、設計者は回路材料と伝送ラインテクノロジーを選択する際にいくつかの重要な要因を考慮する必要があります。

 

製造耐性：

ミリ波波回路は、導体幅、誘電体層の厚さ、銅の表面の品質について非常に高い許容要件を持っています。

信号の完全性：放射線損失、位相歪み、材料の誘電率の変化などの因子の影響を最小限に抑える必要があります。

材料の選択：PCB材料の選択は、ミリ波波の回路の性能に不可欠です。誘電率が低い材料は、信号損失を減らすために推奨されますが、それらの特性は高周波数で安定したままでなければなりません。

 

結論
ミリ波周波数回路の設計は独自の課題に直面していますが、同時に、5Gネットワークや高度なドライバーアシスタンスシステム（ADA）などの新興アプリケーションに大きな機会をもたらします。マイクロストリップライン、ストライパン、SIW、GCPWなどのさまざまな伝送ラインテクノロジーの利点と制限を理解することは、マイクロ波からミリメートル波設計への移行で情報に基づいた決定を下すために重要です。