PCB挿入損失

PCB挿入損失とは?

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「挿入損失 光ファイバーやPCBスタックアップなど、3GHz以上の高速で動作するシステムにおいて、信号がシステムレベルのコンポーネントやケーブル、プリント基板(PCB)上のトレースを通過する際に発生する信号強度の低下を指す。 

減衰」と同義語であることが多い挿入損失は、信号が光リンクや伝送路を通って伝送される際に弱まることを定量化したものです。この値は一般にデシベル(dB)で表される。

PCBにおける挿入損失の重要性

挿入損失は特に高周波で問題となり、信号の減衰と歪みにつながる。信号は、導体抵抗とラミネート材料の漏れによって減衰し、パルス歪みは、損失が信号高調波に不均等に影響するときに発生します。 

損失は周波数に依存するため、高調波ほど減衰が大きくなります。正味の効果は、負荷に到達する信号が元の歪んだバージョンとなり、振幅とフォームの両方が変化することです。

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PCBにおける挿入損失の触媒

RFシステムの初心者にとって、ウェーブの概念はやや抽象的に見えるかもしれない。しかし、その設計原理は、低周波のPCB設計で採用されているものを拡張したものである。PCBの挿入損失は、主に相互接続に沿ったインピーダンスの変化の結果である。挿入損失の測定は、インピーダンスの不連続点における信号劣化の程度を定量化する。

  • 銅の損失: 銅の損失は、コネクタの表面に沿って伝導するために発生する電力散逸に起因する。これは通常、PCB のメッキ品質と材料選択の問題です。
  • 誘電損失: 誘電損失は、PCBの誘電体材料内での電力散逸によるものです。
  • 反射損失: 反射損失は、伝送線路に沿ったコネクタの電圧定在波比(VSWR)により発生する。負荷が電力を吸収できず、エネルギーが反射して線路に戻る場合に発生します。

3Ghzから5Ghzの低周波数帯のPCBでは、インピーダンスの不一致が信号損失の主な原因です。しかし、10Ghzから30Ghz、さらにそれ以上の高周波になると、使用される材料によって決まる誘電率が、挿入損失の原因となる顕著な問題となります。したがって、PCBスタックアップを構築する際には、コア材料、プリプレグ、銅箔の選択が重要です。

ウェーブシステムでは、ビアはインピーダンス制御された相互接続にインピーダンスの不連続をもたらすため、しばしば最も大きな混乱を引き起こす。多層PCB設計のレイヤートランジションには、様々なタイプのビア(ブラインド、埋設、スルーホール)が使用される。これらはすべて、高周波で挿入損失を引き起こす寄生素子を伴っている。

テストクーポンからウェーブ相互接続の時間領域リフレクトメトリートレースを調べると、層遷移のためのメッキスルーホールビアで容量性インピーダンスの低下が見られることがある。このようなインピーダンスの低下は、2つの理由から問題となります。第一に、定在波や強い放射EMIにつながる反射を引き起こす。第二に、終端負荷に到達できる信号レベルを低下させる、つまり挿入損失を引き起こす。

PCBにおける挿入損失の最適化

挿入損失への対処は、特定のニーズに適した高速プリント基板を設計する際の基本です。信号損失の背後にある根本的な問題を認識することで、スタックアップのための材料の正確な選択が可能になり、ガラス織りの稠密度、樹脂密度、PCB厚さに影響を与えます。まとめると、PCBスタックアップを計画する際には、以下を考慮してください:

  • 表皮効果や表面粗さを最小にするため、非常に薄型の ED 銅や代替酸化物など、薄型の銅を選ぶ。
  • 誘電率を向上させるために、よりタイトなグラスファイバー織りを選ぶか、あるいはシグナルインテグリティを維持するために、ルーズな織りの上に銅トレースの角度をつける。
  • 誘電率が低く、フラットな周波数応答で幅広い信号をスムーズに扱える素材を選ぶ。
  • 誘電特性の損失が最も少ない材料を使用し、放散係数を制限するために到達距離を制限する。

異なる考慮点:挿入損失とコネクターのリターンロス

コネクターは、送信機と受信機の間にあるマルチボードシステムの信号経路の伝送路に含まれる数多くの要素の一つに過ぎない。相互接続の議論では、ビアは誘導性インピーダンスディスラプターとして強調されることが多い。高周波ではインダクタに似ており、正しく設計されなければ反射を引き起こす可能性がある。しかし、コネクターも同様の挙動を示し、信号の相互作用に影響を与える独自のインピーダンスを持つ小型伝送線路として機能します。

完璧なコネクターが望まれているにもかかわらず、現実にはリターンロスや挿入ロスが発生する。この損失はインピーダンスの不一致に起因するもので、主にコネクタの表面実装パッドに起因する。スルーホールコネクターもまた、ピンによって誘導性および容量性インピーダンスの不一致が生じ、挿入損失の原因となる。

SMD コネクタのパッドは、幅の広い銅を使用すると、長さあたりの静電容量が増加することが多く、その結果、 コネクタ・パッドでのトレースの特性インピーダンスが低下する。この容量性インピーダンスの差は、信号の反射を引き起こし、コネクタのリターンロスや挿入ロスにつながります。

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