GNSSモジュールの実装

高周波センスで基板設計

GNSSモジュールにおける基板設計の基本


図1　GNSSの信号周波数は1.2～1.6GHz程度であり，この帯域では信号線がアンテナや受信回路へと伝送される際に，インピーダンスの不整合や不要放射などの問題が発生しやすくなる．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］樋田啓詳細:自動運転＆SLAMロボット開発要点100【セッション5】cm測位「キネマティックGNSS」の始め方

図1　GNSSの信号周波数は1.2～1.6GHz程度であり，この帯域では信号線がアンテナや受信回路へと伝送される際に，インピーダンスの不整合や不要放射などの問題が発生しやすくなる．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］樋田啓
詳細:自動運転＆SLAMロボット開発要点100【セッション5】cm測位「キネマティックGNSS」の始め方

GNSSモジュールはマイクロ波帯の信号を扱うため，高周波特有の設計配慮が必要です．一般にGNSSの信号周波数は1.2～1.6GHz程度であり，この帯域では信号線がアンテナや受信回路へと伝送される際に，インピーダンスの不整合や不要放射などの問題が発生しやすくなります．

高周波設計では，単なる配線ではなく「伝送線路」として設計しなければなりません．伝送線路では，インピーダンス整合やグラウンドの配置が信号品質を左右します．また，部品自体の周波数特性も重要です．たとえば，$C$や$L$の周波数依存性，TVSダイオードの動作帯域などを事前に確認します．

高周波設計では，次のような流れで設計を進めることが一般的です．

パターン幅やギャップ幅はオンライン計算機（I-laboratory，JLCPCBなど）や，電磁界シミュレータ（SonnetやCST Studio LE）を活用して設計します．データシートやmurataのSimSurfingなども有用なツールです．

パターン長が波長（約19cm）に対して十分短ければ，集中定数モデルとして扱うことも可能です．これは設計を簡素化する一方で，波長に近い長さの配線では分布定数としての扱いが必要です．

高周波配線では，線路の長さを極力短くすることで，信号反射や放射ノイズを低減できます．また，線路幅の2倍以上のグラウンド幅を確保することで，スロットモードや不要輻射を抑制できます．

高周波回路ではviaの配置も重要です．グラウンドの戻り電流経路を短く保つようにし，可能であれば複数viaでグラウンドを接続します．MCXコネクタなどの外部インターフェースでは，ピン配列に応じてギャップ幅の調整が必要です．

最終的にはシミュレーションと現物評価を繰り返すことで，設計品質を高めることができます．

インピーダンス整合は，高周波回路設計における基本的かつ重要な概念です．送信側と受信側，あるいは伝送線路間でインピーダンスが一致していないと，信号の一部が反射され，波形のひずみや受信感度の劣化が生じます．GNSSモジュールでは，アンテナと受信回路，信号線路のすべてで整合性を取る必要があります．

たとえば，アンテナが$50\Omega$に設計されている場合，信号線も$50\Omega$の特性インピーダンスになるように設計します．これにより反射係数を最小限に抑え，最大の電力伝送効率が得られます．

整合をとるためには，主に以下の3つのアプローチがあります．

コプレーナ線路では，パターン幅とグラウンドとのギャップ幅を調整することで，目標の特性インピーダンスを得ます．これは基板の誘電率や層構成にも依存するため，一律の値ではなく，個別に最適化する必要があります．

また，周辺部品の配置やパッド形状にも整合性の影響が及びます．特にコネクタやフィルタ部品周辺では，急激なライン幅変化が整合を崩す要因になります．

インピーダンス整合は理想的な目標ですが，実際の設計ではすべてを完全に整合させることは困難です．ある程度の不整合を許容しながら，実装性やコストとのバランスを取る必要があります．

もっとも重要なのは，設計段階で整合の必要性を理解し，無視できない影響がある箇所を重点的に設計・検証することです．GNSSモジュールにおいては，アンテナ入力部やフィルタ出力部が整合性の重要ポイントです．

測定機器を用いたSパラメータ評価や，TDR（時間領域反射測定）によって，整合状況を定量的に評価することも効果的です．

〈著:ZEPマガジン〉