月別アーカイブ: 2008年12月

アジレントテクノロジーGenesysを使った解析例の連載終了

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11月から続けていた、ビアのあるマイクロストリップラインの特性解析が、本日終了いたしました。

ここでは、ビアを介してL1からL4にマイクロストリップラインの経路が変わる場合、どのようにしたら、ロス（S21）と、反射（S11）が少なくなるか、を主題に検討を重ね、一定の結論がでましたので、ここに報告したいと思います。

以下のページをごらん頂ければと思います。

ビアのあるマイクロストリップラインの特性解析 Part 4

ビアのあるマイクロストリップラインの特性解析 Part 5

ビアのあるマイクロストリップラインの特性解析 Part 6（まとめ）

Part6で、現在最も良いSパラメータが得られる例を示しました。今後は、この寸法で実際のマイクロストリップラインを作成し、ネットワークアナライザを使った解析を行いたいと思います。

最後に、Genesysを使わせていただいた、アジレントテクノロジー様（現：キーサイトテクノロジー様）に感謝の意を述べさせていただきます。

ありがとうございました。

ビアのあるマイクロストリップラインの特性解析 Part 6（まとめ）

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Part 1からPart 5までで検討した内容をこのパートでまとめておきます。

1．ビアを介して層を渡るマイクロストリップラインのSパラメータを良くするためには、層を渡っているビアの近所にグランドビアを打つ。

2．グランドビアも、層を渡っているビアの近傍に2個対称に打つだけでは、Sパラメータ（特にS11とS21）の大きな改善が見られない（Part 3）

3．現在の所、マイクロストリップラインが層を渡るビアの近辺に対称に6個のビアを打った場合が最良の結果を得られる。

でした。

　今回シミュレーションしたマイクロストリップラインの構造をまとめておきます。

プリント基板の層構成

第1層：銅箔（t=40um）

誘電体：FR-4（Er=4.5、t=220um、tanδ= .0004）
第2層：銅箔（t=35um）
誘電体：FR-4（Er=4.5、t=930um、tanδ= .0004）
第3層：銅箔（t=35um）
誘電体：FR-4（Er=4.5、t=220um、tanδ= .0004）
第4層：銅箔（t=40um）

マイクロストリップラインの幅と長さ

幅 W=0.4mm

全長 L=40mm

ビアの直径とスルーホールの直径

ビアの直径 R=0.3mm

スルーホールの直径　r=0.2mm

グランドビアの配置寸法（図1の通り）

図1　最良の結果を得ることができたグランドビアレイアウト（クリックで拡大）

　くどいですが、このレイアウトで得られたSパラメータ（S11とS21）を図2の示します。

図2　図1のレイアウトで得られたベストのSパラメーター（クリックして拡大）

　ここまでデータがそろったので、次回は実際にこ
の寸法でマイクロストリップラインを作ってみて、S11、S21の実測データがあうかどうか、検証してみたいと思います。

　最後になりましたが、Genesysを使わせていただき、さらに操作上の質問に対しても丁寧に対応していただいた、アジレントテクノロジー様（現：キーサイトテクノロジー様）に深く感謝いたします。

Part5に戻るには、ここをクリックしてください。

ビアのあるマイクロストリップラインの特性解析 Part 5

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　Part4で紹介した、グランドビアはL2とL3を接続するだけにしていたのです。これは計算スピードを上げる為なのですが、このような構成を実際のプリント基板で作ろうとすると、とんでもないコストがかかります。

　そこで、ビアは、L1 – L2 – L3 – L4とまさに「貫通ビア」にする必要があります。その為には、ビアのパーツをグランドビアの所にあと2つ追加することにします。

　ビアのプロパティとして、どこの層からどこの層まで貫通させるか、というものがあるのですが、最初に追加したビアは、L1からL2まで（図ではM1からM2となっているが、MはMetalの略で、金属層のこと）の物1個（図1）とL3からL4までのもの1個（図2）です。L2からL3にわたるビアはそのまま使いました。なお、図1と図2では、それぞれのビアをずらして見やすくしてあります。

図1　L1からL2にわたる貫通ビアのプロパティ

図2　L3からL4にわたる貫通ビアのプロパティ

　では、Part4の最後でベストの結果（共振点が無い）を出したグランドビアの配置（Part4の図5）はそのままで、L1からL4までの貫通ビアを、図2図3の要領で取り付けてシミュレーションした例を図4に示します。

図4　Part4の図5と同様のグランドビアの配列で、グランドビアをL1からL4まで全てに配置した場合

　残念ながら、2.7GHzと3.5GHｚ近辺に共振点が出てしまいました。これは、マイクロストリップラインの近傍に金属があるためでしょう。

　マイクロストリップラインがL1からL4へと遷移する近辺には、6つのビアがあり、そのビアの金属（特にグランドに接続されているビア）とマイクロストリップラインの相互の影響により、共振点が生まれた物を推察されます。

幸いなのは、それほど大きな共振点ではなく、おそらくこの程度ならシグナルインテグリティに影響はでないであろう、と言うことです。

　図4の特性よりももっと良い物が得られないかどうか、いろいろやってみましたが、Part4の図5ほどのものは得られず断念しました。

　Part4に戻るには、ここをクリックしてください。　　　　　　　　　　まとめはPart6で。

ビアのあるマイクロストリップラインの特性解析 Part 4

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L1からL4へ遷移するマイクロストリップラインのビアには、縦方向に電流が流れるわけですが、この電流の戻り（リターン）を確保するため、その信号ラインビアの近辺にあるグランドにビアを設けることで、周波数特性（S11、S２１）が改善することが分かりました。

　前回ではグランドのビアの数は2個でしたが、図1のように4個に増やしてみました。

図1　L1からL4にわたるビアの近辺にあるグランドに4個のビアを打つ

　この状態のSパラメータ（S11、S21）は図2の通り。

図3　グランドビアを4個打った場合

　2個の時より若干ですが改善されています。さらにもう2個、つまり合計6個のグランドビアを打った状態を図３に示します。

図3　L1からL4にわたるビアの近辺にあるグランドに6個のビアを打つ

　この時のSパラメータの計算結果を図4に示します。

図4　グランドビアを6個打った時のSパラメータ計算結果

　かなり改善できました。それでもまだ共振点が残っています。そこで、6つのグランドビアの配置を変えて共振点が無くなるか、試行錯誤することにしました。「カット＆トライ」のようで、あまり褒められた方法ではありませんが、せっかくシミュレータがあるのでトライすることにしました。

　いくつかのパターンを試したところ、図5の配列がベストと分かりました。

図5　Sパラメータを最適化した6個のグランドビアの配置

　この配置の時のSパラメーターが図6です。

図6　図5の配列で、最良のSパラメータを得た。これなら文句はないはず。

　さて、これで一安心と思ったのですが、ふとレイアウトを見直して「これは現実とは違う」と気がつきました。その件に関しては、次回をお楽しみに。

Part3に戻るにはここをクリック　　　　　　　　　　　　　Part5に進むにはここをクリック

ビアのあるマイクロストリップラインの特性解析 Part 3

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　前回までで、ビアのあるマイクロストリップラインの特性に関するシミュレーションの基本は出来たと思います。

　ですが、まだ共振点が残っているのでこれを無くす必要があります。そこで、レイアウトモデルを以下のように見直しました。

1．今までは、グランド面（L2、L３）を、それぞれL1とL4の対になる部分にしか配置していなかった（図1）のを、L1の下にもL3を、L4の上にもL2を配置した（図2）

図1　従来のシミュレーションで使ったビアのクロスセクション　一部グランドが無い

図２　今回からシミュレーションで使うビアのクロスセクション　全ての層にグランドがある

2．ビアの形状を長方形であったのを、円形形状にした（より現実に近いものとした）（図3）

図3　ビアの形状を丸形にした

3．コネクタ近辺に、全グランド面（L2とL3）を接続するビアをもうける（これも現実の回路に近づける為）（図4）

図4　コネクタのすぐそばにグランドビアを打つ

　これらの対策を行って、まずはL1とL4間のラインの接続に丸形ビアをつけたときの、S21とS11を計算してみました。その結果が図5です。

図5　L1とL4のラインを1個の丸形ビアで接続したときのSパラメータ

　正直なところ、これでは使い物になりません。ではどうするか？実は、Part2で紹介したモデルでは、ビアの周りのグランドは相互に接続されており、ビアに沿って縦方向にも電流が流れるようになっていたのです。その為、電流分布が以下の図6のようになっていました。

図6　ビア付近の電流分布。マイクロストリップラインのビアの周りにもグランドがあるのが分かる。

　今回もこれを行います。その為には、マイクロストリップラインをL1からL2に接続するためのビアの他に、そのビアの周りにもグランドを相互に接続するビアを打ちます。その様子が図7です。

図7　L1からL4へわたるマイクロストリップラインのビアの近傍にグランドビアを打つ

　この時のSパラメータが図8です。

図8　グランドビアを追加することによる周波数特性の変化

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