メインコンテンツまでスキップ

Wio-LR2021 PCB 設計ガイド

1. レイヤ​

RF PCB レイアウトに利用可能なスペースを最大化するため、特に配線密度の高いアプリケーションでは、4 層以上の PCB スタックアップ設計を使用することを推奨します。

  • 4 層 PCB の場合、RF エリア直下の銅層はグラウンドプレーンとして指定する必要があります。グラウンドプレーンは、リファレンスプレーンの連続性を確保するために、銅で完全に充填されていなければなりません。

  • 2 層 PCB の場合、可能な限り RF エリア全体の下にあるグラウンドプレーンを一体のまま維持し、RF 配線および部品の下にあるグラウンドプレーンの切れ目や分割を最小限に抑えて、電流リターンパスの完全性を維持してください。

2. 50Ω RF 伝送線路の設計​

RF 伝送線路の特性インピーダンスを 50Ω にすることが、RF レイアウト設計の鍵となります。ここでは、RF 配線設計に GCPW（Grounded Coplanar Waveguide：接地付きコプレーナ導波路） 構造を使用します。


GCPW 構造を用いて RF 線路の特性インピーダンスを 50Ω にするには、次の 5 つの主要パラメータを決定する必要があります。

SymbolDescription
S信号線と隣接するグラウンド線との間隔
W信号線幅
T導体の銅厚
H誘電体層の厚さ（信号層からリファレンスグラウンドプレーンまでの距離）
εr誘電体材料の比誘電率
注記

  1. 信号線幅 W は RF 経路全体を通して一貫していなければならず、急激に変化してはなりません。

  2. W は可能な限り部品パッド幅に一致させる 条件が許す場合、インピーダンスの不連続を最小限に抑えるために、使用する RF 部品のパッド幅と W を同一に設計することを推奨します（ただし、常に実現可能とは限りません）。

  3. 無償の計算ソフトウェアを使用して 50Ω インピーダンスを求める AppCAD、Saturn PCB Toolkit、KiCad のインピーダンス計算機などの無償インピーダンス計算ツールを使用して上記パラメータを最適化し、PCB 設計内の RF 線路の特性インピーダンスが正確に 50Ω となるようにすることができます。

ここでは、標準的な 厚さ 0.1mm の FR4 基板 と 1oz 銅張り を例として、50Ω インピーダンスの GCPW（接地付きコプレーナ導波路）を計算します：

ParameterValue(mm)Remark
S0.199信号線間隔
W0.190RF 信号線幅
T0.035 (1oz)銅厚
H0.1誘電体厚さ
Why choose GCPW

  1. クロストークと EMI の低減 – 従来のマイクロストリップ線路やグラウンドのないコプレーナ導波路と比較して、信号線の両側および直下にグラウンドプレーンを配置することで、隣接配線間や層間のクロストークを効果的に抑制し、電磁干渉（EMI）を低減します。これにより、GCPW は高密度・多層 PCB における RF 配線に特に適しています。

  2. 電磁界閉じ込め性能の向上 – 信号線に隣接してグラウンドプレーンを配置する構造により、電磁界を大幅に閉じ込めることができます。これにより、高周波信号エネルギーが周囲空間へ放射される量が減少し、電磁両立性（EMC）要件の達成に役立ちます。

  3. インピーダンスの安定性と許容差の向上 – GCPW 構造では、信号リターンパスは主に両側のグラウンドプレーンを利用し、下層のリファレンスグラウンドのみに依存しません。その結果、GCPW は基板厚（H）の製造ばらつきに対する許容度が高く、より安定した 50Ω インピーダンスを提供します。

3. RF 配線ガイドライン​

1. 幾何学的制約​

1.1. 単一層での連続性​

トップ層での一貫配線 – モジュールの RF ピンパッドからアンテナマウント、マッチングネットワーク、またはアンテナ給電点まで、RF 配線は必ず単一層上で行う必要があります。

ビアによる層変更は禁止 – ビアを使用した層変更は禁止です。ビアは誘導性の不連続（通常 0.5～1.5nH）を導入し、インピーダンスの大きな変動やリターンロスの悪化を引き起こす可能性があります。

注記

層変更が避けられない場合（推奨されず、極端なスペース制約下でのみ許容）、以下を必ず守ってください。

層遷移点において、信号ビアの周囲に対称に配置された少なくとも 4 個のビアからなるコプレーナ GND ビアアレイを配置します。

1.2. 一定の配線幅​

モジュールの RF ピンからアンテナポートまでの 50Ω 特性インピーダンス区間において、配線幅 (W) と両側のギャップ (S) は一定に保たれなければなりません。

1.3. 配線長の最小化​

サブ GHz 帯（433/868/915 MHz）： RF 配線の総延長は 20mm 以下とすることを推奨します。この長さを超えると、伝送線路損失および寄生放射が大幅に増加します。

2.4 GHz 帯： 推奨は ≤ 30 mm です。これを超える場合は、マッチングネットワークの損失バジェットを再評価する必要があります。

注記

総延長には、モジュールのピンパッド出口からマッチングネットワークを経由してアンテナソケットのセンターピンまでの配線を含みますが、アンテナソケット内部およびアンテナ本体は含みません。

1.4. ベンド（曲げ）ルール​

  • 90° の直角配線は禁止です。
  • ベンド半径は配線幅 (W) の少なくとも 3 倍とし、5W 以上が理想的です。ミリ波より低い周波数帯では、曲線ベンドが最も滑らかなインピーダンス遷移を提供します。
  • 1 本の RF 配線内のベンド数は 2 箇所以下とします。

2. グラウンディング、シールド、およびビアスタッチング​

2.1. ビア間隔​

RF 配線の両側に GND ビアを配置して、トップ層のコプレーナ GND と内部グラウンドプレーンを短絡させ、電磁シールド壁を形成します。ビア間隔 (D) は波長によって決まり、D ≤ λ / 20 とします。

Operating BandCenter Frequencyλ/20 (Theoretical Value)Recommended Spacing
EU868868 MHz17.3 mm≤5 mm
US915915 MHz16.4 mm≤5 mm
AS923923 MHz16.3 mm≤5 mm
2.4GHz2400 MHz6.25 mm≤3 mm

appearance

注記

設計で使用するビア間隔は、高次高調波およびエッジ電界漏れを抑制するため、理論値よりも大幅に小さく設定されています。

2.2. ビア配置​

  • 二列千鳥配置 を推奨 – RF 配線の両側にそれぞれ 1 列の GND ビアを配置します。2 列のビアは互いに正対させるのではなく千鳥状に配置し、ギャップアンテナ効果をより効果的に抑制します。

  • ビアは RF 配線のエッジに隣接して配置し、その距離は ≤ 0.3 mm（すなわち、ビアは GND 銅箔エッジ上に配置）とします。

  • 推奨ビア径は 0.2～0.3mm とし、ビア径が大きすぎてトップ層 GND 銅箔を過度に切り欠いてしまうことを避けます。

2.3. エッジスタッチング​

PCB のエッジ（特に RF 領域を含むエッジ）には、高密度の GND スタッチングビアを配置し、基板エッジが寄生放射経路として機能することを防止します。


appearance

3. リファレンスプレーンとスタックアップ制約​

3.1. 下層 GND プレーンの完全性​

RF 配線直下の層（4 層基板では Layer 2、2 層基板ではボトム層）は、切れ目のない完全な GND プレーンでなければなりません。

3.2. コプレーナグラウンド要件​

RF 配線の両側にはコプレーナ GND 銅箔を維持する必要があります。GND エッジは直線かつ連続しており、ギザギザやギャップがあってはなりません。

コプレーナ GND 幅 (F) は F > W + G を満たす必要があります。ここで W は配線幅、G は配線と GND 間のギャップです。F が小さすぎると、電界分布が下層側へシフトし、有効比誘電率が変化して 50Ω インピーダンスから外れてしまいます。

3.3. 層間アイソレーション​

4 層基板では、Layer 3（電源層）の電源アイランドを RF 配線直下に配置して Layer 2 と重ねてはなりません。Layer 3 が RF 配線の下を通過しなければならない場合は、RF 配線と直交するように配線して（結合長を最小化）、Layer 2 と Layer 3 間の完全なグラウンドアイソレーションを維持してください。

4. シャント部品とマッチングネットワーク​

4.1. 同一直線上のレイアウト​

  • すべてのシャント部品は RF 配線と完全に直列となるように配置する必要があります。つまり、部品パッドの長辺が RF 配線の方向と一致し、部品本体が RF 経路上に「寝る」形で配置されます。

  • RF 配線からシャント部品へ接続するための垂直スタブの引き出しは禁止です。垂直スタブは開放スタブとして動作し、868 MHz では 5mm のスタブでも大きな反射を引き起こす可能性があります。

4.2. グラウンドビア​

  • シャント部品のグラウンドパッドは、パッドにできるだけ近接させた 3 個以上の GND ビアを介して Layer 2 に接続しなければなりません。

  • ビアはパッドエッジ付近に配置し、三角形または直線状に並べて、最短かつ対称なグラウンドパスを確保します。

  • 部品パッドの中心にビアを直接開けてはいけません。中心ビアは SMT リフロー時のはんだペーストの流れを妨げてコールドジョイントを引き起こし、同時に寄生インダクタンスも増加させます。


appearance

4.3. 部品の向きと間隔​

  • 同一のマッチングネットワーク内に複数のシャント部品がある場合、並列配置による相互結合を避けるため、RF配線の進行方向に沿って直列に配置する必要があります。

  • 隣接するシャント部品間の推奨間隔は、部品長の少なくとも1.5倍（0402パッケージの場合はおおよそ 1.0 mm 以上）です。

5. アイソレーションと間隔​

5.1. デジタル／電源信号からのアイソレーション​

  • 並走間隔 – RF配線と隣接するデジタルまたは電源配線との間隔は、配線幅の少なくとも 3 倍（または1 mm以上のうち大きい方）でなければなりません。

  • 並走長の制限 – 間隔が 3 mm 未満の場合、並走する配線長は 10 mm 以下でなければなりません。この長さを超える場合は、GNDアイソレーションストリップ（ビアスタッチ付き幅1 mm以上のGND銅箔パッチ）を追加する必要があります。

  • 垂直交差 – RF配線が他の信号配線と交差する場合は、直交交差を優先します。交差点の直下では、Layer 2 のGNDが連続していなければなりません。

5.2. 高周波干渉源からのアイソレーション​

RF配線およびアンテナエリアは、次のものから離して配置する必要があります：

  • 高速クロックライン（USB、SPI CLK、SDIO）
  • DC-DCバックインダクタおよびスイッチング（SW）ノード
  • 水晶発振器／TCXO（TCXOがモジュール内に内蔵されている場合でも、基板上の他の水晶発振器は十分に離す必要があります）

推奨される最小クリアランス：

  • DC-DCインダクタから：≥ 20 mm
  • USB差動ラインから：≥ 10 mm
  • 32 MHz水晶発振器から：≥ 15 mm

4. リファレンスデザイン​


注記

  1. C1 (10uF) と C2 (100nF) は、VCC_IN ピンのできるだけ近くに配置してください。不適切な配置はRF性能を低下させ、スプリアス放射を引き起こす可能性があります。

  2. すべてのSPIライン（NSS、SCK、MOSI、MISO）に 470Ω の直列抵抗を、モジュールのできるだけ近くに実装し、高周波高調波を抑制してください。モジュールは連続フレームモードをサポートしていないため、NSSはコマンド間でトグルし、HIGH時間は最小125nsとする必要があります。

RFインターフェース（SubG_RF / 2.4G_RF）​

本モジュールは、Sub-GHz 帯用と 2.4GHz 帯用の2つの独立したRF出力ピンを提供します。両方のRF経路には内部で 50Ω のインピーダンスマッチングが実装されています。アンテナインターフェースとして、標準的な IPEX1 または SMA コネクタの使用を推奨します。

appearance
appearance

技術サポートと製品ディスカッション​

弊社製品をお選びいただきありがとうございます。弊社は、製品をできるだけスムーズにご利用いただけるよう、さまざまなサポートを提供しています。お好みやニーズに応じてお選びいただける、複数のコミュニケーションチャネルをご用意しています。

Loading Comments...