SMAコネクタ-PCB接続部の特性改善

SMA(Sub Miniture type A)コネクタ¹はほどよく小さく，ほどよく性能が良いためマイクロ波帯の同軸コネクタとしてよく使われています． SMAコネクタは規格上18 GHzまで使える²ことになっています． しかし，コネクタ-回路間の構造変換部分をきちんと設計しないとその不連続性により反射が大きくなり，高周波帯で本来の性能を発揮することができません． 一方で同軸コネクタ自体は単純な構造であるためこの部分をしっかりとケアできれば1個数十円の安価なコネクタでも数千円を越える高級なコネクタと遜色無い特性を実現できます． そこで今回はSMAコネクタとプリント基板(PCB)上の伝送線路の接続部分の特性改善について考えます．

普段使いの安価なSMAコネクタはハンダ付けする芯線部分のピンの直径が1 mm程度あり，推奨フットプリントではこの部分のパッド幅が1.5 mmとなっています． このコネクタと，線路幅の狭い伝送線路を以下のように何も考えずに繋ぎました．

見るからに反射が大きそうです． とはいえこのセンターピン部分の長さは高々数mm程度です．実際どこまで特性が悪化するのでしょうか？ ということでPCB上の伝送線路(線路長50 mm)の両端になにも考えずSMAコネクタを付けた基板を試作し実測したところ以下のような結果³が得られました．

さて，おわかりいただけたでしょうか？ アマチュア無線で使うような数百 MHz帯以下ではまあ許せそうな気もしますが，GHz帯ではかなり反射が大きいことが見てとれます． 例えばGPSで使われるような1.5 GHz付近ではかなり挿入損失が大きくなっており，宇宙からの微弱な信号を受信すると考えると無視できないかと思います． また，今回は2.4 GHz付近にたまたま反射零点があり，このあたりはかなり特性が良さげではありますが3 GHzあたりでは反射>通過となっておりもはやローパスフィルタのようになってしまっています． ここでは6 GHzまでしか測定できていませんが，6 GHzの時点で\(S_{21}\)が-10 dB程度と入力された電力の1割ほどしか伝わっておらずお話になりません．

おしえて，僕は何処を直せばいい？ずっと探していた……のですがこれは周波数領域の\(S_{11}\)を逆フーリエ変換し，時間領域の反射係数に換算して考えると見えてきます． このような手法をTDR(Time Domain Reflectmetry)と呼びます． さて，測定したデータをいろいろと処理⁴すると以下のような時間-インピーダンスのグラフが得られます． すっげえインピーダンス下がってる．はっきりわかんだね．

ということでコネクタ-PCB上の伝送線路のトランジション部分で特性インピーダンスがかなり下がって容量性が優位になっていることがわかります． この要因としてパッドが広すぎる(50 Ω線路幅が0.29 mmに対して1.5 mm)ことでキャパシタンスが増えていることと， コネクタのセンターピンの分導体厚が増してインダクタンスが減っていることが原因だと考えられます．

ここでは，↑の実測結果から浮かび上がってきた問題点に対する対策の一例を紹介します． 他の種類の線路などより詳細な設計例についてはコネクタメーカーのアプリケーションノート⁵などもかなり参考になるので併せてご確認ください．

以下のように改善前後の回路の片端を終端して入力VSWRを比較します．

どうやら基板厚を間違えたのが結果的にちょうど良い感じになっていそうな気がします． 改善前の回路はGHzオーダーの周波数では反射が大きくお話になりませんが，改善後は6 GHzまでVSWR<2を保っています．

これらのTDR(Lowpass Step→Impedance)の特性は以下のようになります． なんとなくイメージしやすい用にうっすらと対応する回路の画像を入れています． 黄色線で示した改善前と比較して，赤線の改善後の方はコネクタ接続部(水色の破線部分)でのインピーダンスの落ち込みが抑えられていることがわかります． 結果としてセンターピンの影響を考えるとやはりパッド部分は高インピーダンスぎみで設計すべきなようです． またコネクタ取付部(100 psの手前らへん)よりも後で更にインピーダンスが下がっているような結果から，どうやらGCPW部分の特性インピーダンスが50 Ωより低くなっているような気がします． これは，線路を設計する際にレジスト(solder mask)の\(\varepsilon_\mathrm{r}\)を考慮していないことが一つの要因かと思います⁷．

また以下のように未使用の線路を終端し，通過特性も評価しました． この結果からもコネクタ部分の工夫で大きく特性が改善されていることがわかるかと思います． この改善後の特性なら6 GHzでもまあなんとか使い物になるかな？といった印象です．

ここでは安価なエッジマウントSMAコネクタとPCB上の伝送線路の接続について述べました． 何も考えず，CADについてくるライブラリのフットプリントのまま使うと反射が大きく， UHFの上のほうではもはや使い物になりません． フットプリントの寄生キャパシタンスおよびコネクタ芯線の影響を考慮して改善を行ったパターンではUHF帯あたりまで反射を-20 dB程度に抑え，6 GHz付近においても反射を- 10 dB以下に保つことができました． しかし今回の検証結果はまだ最適値では無い可能性が高く，SMAコネクタの上限である18 GHzまで伸ばすには更なる最適化が必要かと思います．

なんにせよSMAコネクタが18 GHzまで使えるからといって適当に接続してしまうとコネクタや回路のせっかくの性能を生かすことができません． 少なくとも1 GHzを越えるような高周波帯においてSMAコネクタを使うときはコネクタ-PCB間のトランジションについて適切に設計を行う必要があります． 近頃マイクロ波帯で動作する便利なMMICが出回り，巷ではそれらを基板に実装し，コネクタを付けたモジュールが安価に出回っていますが，そういったものを購入する際はコネクタ周りがどう設計されているかよく確認することをお勧めします．