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RF基板と無線基板の基礎知識を解説!

当技術コラムでは、無線通信機器に用いられるRF基板とアンテナに用いられる無線基板についてご説明します。
RF基板に使われる材料、RF基板を搭載する機器・設備を解説します。
また、無線モジュール選定のワンポイントや、アナログ回路・基板 設計製作.comが行ったRF基板設計における課題解決事例もお伝えします!
アナログ回路・基板設計担当者の方は、是非ご覧くださいませ!

 

RF基板と無線基板について

私たちを取り巻く環境は無線技術無くしては成り立たない社会となりました。
最新の電子機器で無線通信をしないものの方が少なくなってきているような気がします。
これはこれから伸長する5G技術やそれを活用するIoTにより様々なモノがインターネットを介して世界とつながっていくからに他なりません。

様々なデータを高周波伝送するために用いる基板は「RF基板」ということができると思います。

また、無線通信で重要なことのひとつにアンテナが挙げられます。
アンテナは無線通信における電波の出入口であり、チップ・パターン・モジュールなどがありますがこれらが搭載された、もしくはパターンで構成された変調を利用した送受信の機能を持つ基板を「無線基板」ということができます。

 

RFとは?

そもそもRFとはRadio Frequencyの略で、無線通信システムでは「無線周波数」を指しています。
また、相対的に高い周波数のこと、つまり「高周波」をRFという場合もあり混同して使われることが多いようです。

 

RF基板に使われる材料

第5世代移動通信システム(5G)や先進運転支援システム(ADAS)などのミリ波帯での利用で一番問題となるのが高周波信号の「伝送損失」です。
基板上のパターンで構成される伝送路は普通のガラスエポキシ系の基材では「比誘電率」が高く伝送遅延が大きくなってしまいます。

また、高周波信号の領域では「誘電損失」という要因も挙げられます。
詳細は割愛しますが「誘電損失」については「誘電正接」というパラメータ値が低い方が伝送損失が小さくなります。

「比誘電率」と「誘電正接」はRF基板を製造する際には大変重要なポイントです。
高周波信号の伝送損失が小さい低損失材料として代表的なものとしてはフッ素樹脂「テフロン」(PTFE)や液晶ポリマー(LCP)があります。

 

RF基板を搭載する機器・設備

・先進運転支援システム(ADAS)
・衛星通信機器
・アンテナ
・GPS測定器
・携帯基地局
・その他多数

 

 

無線モジュール

ひと口に無線モジュールと言っても様々な規格があります。
一例をご紹介します。

 

周波数 特徴 用途
920MHz 遠距離通信小容量データ転送障害物に強い RFID・テレメータ等
2.4GHz 高速通信大容量データ転送障害物に弱い 無線LAN、WiFi、Bluetooth、ZigBee等
5GHz 高速通信大容量データ転送直進性が強い2.4GHzより障害物に弱い 無線LAN、気象レーダ

 

これ以外にも特定小電力無線の426MHz、429MHz、EnOceanといった315MHz、868 MHz 、905MHz、また1.2GHzなどの周波数帯域に対応した通信モジュールも製造されています。

 

無線モジュール選定のワンポイント

無線通信をする基板をパターンアンテナで実現するにはちょっと手間がかかるのが現実です。
例えば、電波利用をする無線通信機器では、技術基準適合証明(技適)の取得が必要な場合があります。
用意する資料やハードウェアなど少しノウハウが必要になります。

ところが、この技適の取得がなされているモジュールを利用する場合は、基板に実装して使用する分には何ら手間が掛かりませんし、初めから特性も保証されているため開発時間の短縮にもつながるメリットがあります。
当然開発をしなくて良い分コストメリットも大きいと言えます。

次に選定の仕方も重要です。

 

ポイント 条件など
通信距離 どの程度の距離で通信を行うのか

Wi-Fiは1~300m程度

Bluetoothは1~100m程度

ZigBeeは1~30m程度

通信速度 大容量のデータを短時間で送りたいか

リアルタイムに送りたいか

速度は求めなくてよい

消費電力 通信距離と通信速度は大きな要因であり、電波出力が大きければ電力も消費量が大きい
同時接続数 1対1接続なのか、1対N接続なのか

Wi-FiやZigBeeは1対多接続OK

Bluetoothは1対7接続までOK

利用先は国内?海外? 国により電波法が違うので注意

海外モジュールは技適を取っていない場合は国内で使えない

Bluetoothは世界統一規格で使い易い

 

RF基板の設計事例をご紹介!

アナログ回路・基板 設計製作.comはRF基板の設計を行っております。
RF基板の設計事例をご紹介します。

設計事例① GNDとRFラインを等距離に配置しノイズ回避

課題解決事例21 before|アナログ回路・基板 設計製作.com

ノイズの発生していたRF基板において、GNDとRFラインを等距離にすることで、ノイズによる不具合を解消することができました。

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設計事例② インピーダンスの最適化で反射ノイズの抑制

当事例のお客様は、従来依頼している基板設計メーカーだとインピーダンスコントロールが最適化できず、ノイズが発生してしまうというお悩みをお持ちで、アナログ回路・基板のノイズ対策に強みをもつ当社にお声かけ頂きました。この事例では、部品パッドと同一幅で配線パターンを引き出し、そのパターンをインピーダンスマッチングするようにパターンギャップと層構成を規定することで、反射ノイズの発生を防ぐことが可能になりました。

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設計事例③ ビアホールピッチを広くし、ノイズを抑制

課題解決事例19 before|アナログ回路・基板 設計製作.com

このRF基板では、9つのビアホールが空いていましたが、従来の図面ではビアホールのピッチが狭く、上図のようにリターンパスが分断されていました。リターンパスを配慮してビアホールのピッチを広くすることで、信号のリターンパスを最短距離で確保することとしました。それにより、ノイズ発生を抑制できました。

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RF基板・無線基板の設計・製作は当社にお任せください!

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