JP5025376B2 - プリント配線板及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器自身が発生する電磁波が、みずからの性能に悪影響を与える機器内干渉問題を解決するためのプリント配線板及び電子機器に関するものである。

近年、デジタルカメラ、プリンタ等のデジタル周辺機器が普及し、パソコンもしくは周辺機器同士の接続が行われている。このような中、デジタルカメラ、プリンタに無線部を内蔵することで、周辺機器との接続を無線によるインタフェイスを使用して接続できる装置が増えてきている。

図１０は、無線部内蔵型のデジタルカメラの構成を説明する模式図である。通常デジタルカメラで使用されるプリント配線板１４０は、カメラ部１４１と無線部１４２の二つのブロックによって構成されている。カメラ部１４１は画像をデジタル信号処理するのに必要なサンプリング周波数以下のベースバンド信号で駆動するベースバンドブロックである。サンプリング周波数は、画像の持つ帯域の２倍以上の周波数である。例えば８ＭＨｚの帯域を持つベースバンド信号に対し、１６ＭＨｚ以上のサンプリングクロックを使用する事がサンプリング定理として知られている。無線部１４２は、一般的な無線ＬＡＮを使用する場合に使用される周波数帯で駆動する高周波ブロックである。通常、２．４〜２．５ＧＨｚの周波数帯が使用される。

カメラ部１４１は、クロック信号１４３を基準として動作しており、それぞれの処理ならびに動作はこのクロック信号１４３によって行われる。ＣＣＤ１４５に取り込まれた画像は、ＣＣＤインタフェイス１４６を介してＣＰＵ部１４４に送られ、画像のデジタル処理が行われる。また処理された画像は内蔵のメモリ（不図示）もしくは取り外し可能なメモリカード類（不図示）に保存される。１４７は被写体のモニタ画面ならびに各種情報を表示するＬＣＤあり、ＣＰＵ部１４４に取り込まれた画像ならびに各種設定情報等を、ＬＣＤコントローラ１４８を介して表示する。更に変調／復調処理部１４９がＣＰＵ部１４４と接続されており、ＣＰＵ部１４４からの信号を無線として使用する周波数帯に変換される。無線周波数帯に変換された信号は、インタフェイス１５３を介して無線部１４２と接続される。

無線部１４２は、変調／復調処理部１４９からインタフェイス１５３を介して送られた高周波信号を、送信用の電力増幅部１５０で増幅され、アンテナ１５２から無線信号として送信される。またアンテナ１５２で受信した無線信号は、受信用の低雑音増幅部（ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１５１で増幅され、インタフェイス１５３を介して変調／復調処理部１４９におくられる。

このように構成されたデジタルカメラの場合、カメラ部１４１は高速で、振幅の大きいクロック信号によって動作しており、高調波を多く含んだノイズ成分がカメラ部１４１の電源及びグラウンドに混入する。カメラ部１４１の各ＩＣはデジタル信号を使用しており、クロックに同期して各部が動作している。そのためこのようなノイズ成分は、各ＩＣの誤動作を引き起こす。また、これらの高周波信号はグラウンド等の導体から放射ノイズとして空間に輻射されてしまう。これもまた、誤動作を引き起こす要因となる。

一方、無線周波数帯のインタフェイス１５３でやり取りされる信号ならびにアンテナ１５２で受信される信号はアナログ信号であり、その振幅は非常に小さい。そのため、前述のノイズ成分が、無線部１４２の電力増幅部１５０に混入した場合、電力増幅部１５０の入出力特性の非線形性により、電力増幅部１５０の出力に歪成分が生ずる。特に奇数次歪が、伝送周波数の近傍に発生すると、スプリアスノイズを送信することとなってしまう。また、ノイズ成分が、低雑音増幅部１５１に混入すると、所望の帯域外のスプリアスノイズを受信してしまうことになる。また、低雑音増幅部１５１に振幅の大きいノイズ成分が入力された場合、低雑音増幅部１５１が飽和動作状態となり、受信感度の低下を引き起こしてしまう。

そのため、カメラ部１４１のようなベースバンドブロックと、無線部１４２のような高周波ブロックが混在した装置のプリント配線板においては、２つのブロックの空間での結合を防止することが必要である。そこで、お互いのブロックの信号が干渉しないように、高周波部にシールドケースを配置したり、２つのブロック間の電源及びグラウンドを分離することが考えられている。

また、特許文献１では、無線機内部で発生させているクロック信号等による受信感度の劣化を防止する提案もなされている。
特開２００４−２６０４２８号公報

前述したように、高周波ブロックをシールドケースで覆うと、特に電力増幅部から放射される高いレベルの電界を効率よく閉じ込めることができ、ベースバンド部への干渉を抑えられる。また、ベースバンド部より放射されるクロック信号ならびにその高調波信号により、低雑音増幅部において受信される微弱信号の受信が妨害されることを抑制することができる。すなわち、空間での結合に対してはシールドケースが有効に機能する。

更に、ベースバンドブロックと高周波ブロックの電源及びグラウンドを電気的に分離した構成とすることで、一方のブロックで生じた電源及びグラウンドの揺れが他方のブロックに伝達されないようになり、導体を介しての干渉を低減することができる。

しかしながら上記の干渉防止手法では、各ブロック間のグラウンドの接続が断たれているため、インタフェイスを介して送信された信号のリターンパスがプリント配線板上で形成できなくなってしまう。

図１１は、二つのブロックのグラウンドを分離したプリント配線板１３１を示す模式図である。プリント配線板１３１の上面にはベースバンド部１３２と、高周波部１３３とが配置されており、ベースバンド部１３２と高周波部１３３は、インタフェイスとして機能する伝送路１３６にて接続されている。一方、プリント配線板１３１の下面には、ベースバンド部１３２の電源系を含むグラウンドプレーン１３４と、高周波部１３３の電源系を含むグラウンドプレーン１３５とが、互いに分離して配置されている。

このように構成することで、ベースバンド部１３２はグラウンドプレーン１３４と近接して配置されており、ベースバンド部１３３はグラウンドプレーン１３５と近接して配置されることとなる。これにより、それぞれのブロック内で閉じた信号回路は良好に動作する。また、それぞれのブロックのグラウンドは、お互いが分離されているので電源及びグラウンドを介しての干渉が低減される。しかしながらお互いのブロックを接続する伝送路１３６には、対応する良好なグラウンドプレーンが存在せず、最短距離でのリターンパスが形成されない。このため、伝送路１３６を伝送すべき信号の品質が極端に劣化し、最悪の場合信号が伝送できない恐れがある。

すなわち、電子機器に組み込まれたプリント配線板１３１では、通常筐体等で構成されるフレームグラウンド１３７にそれぞれのブロックのグラウンドが接続されるが、上記インタフェイスに対して満足なリターンパス経路とはなり得ない。また、電子機器の電源と前記２つのブロックはそれぞれ接続されるが、これも同様に長いパスとなり有効なリターンパスにならない。

特許文献１では、無線機内部で発生させているクロック信号等による受信感度の劣化を防止する提案がなされている。しかしながら、これは受信帯域内に落ち込むクロックの高調波を除去する技術であり、無線部で副次的に発生してしまう妨害には対処できない。また送信部で副次的に発生するスプリアスノイズについても防止することができない。

本発明は、ベースバンド部と高周波部との間における、ノイズ信号による影響を低減すると共に、放射ノイズも抑制することで、インタフェイスを介して送信される信号の品質を保つことができるプリント配線板及び電子機器を提供することを目的とするものである。

本発明のプリント配線板は、ベースバンド信号で駆動するとともに、前記ベースバンド信号を前記ベースバンド信号よりも周波数の高い高周波信号に変換するベースバンドブロックと、前記高周波信号を処理する高周波ブロックと有する信号プレーンと、該信号プレーンに対向するグラウンドプレーンとを有するプリント配線板において、前記ベースバンドブロックと高周波ブロックとは、前記高周波信号を伝送する伝送路を介して接続されており、前記グラウンドプレーンの、前記ベースバンドブロックに対向する領域には、第１のグラウンド部が設けられ、前記高周波ブロックに対向する領域には、第２のグラウンド部が設けられており、前記第１及び第２のグラウンド部は、前記高周波信号を含む所望の周波数領域の信号に対するインピーダンスが、前記所望の周波数領域よりも高い周波数領域および低い周波数領域の信号に対するインピーダンスよりも低い結合部により電気的に接続されている。

電子機器等のベースバンド部と高周波部に対応するグラウンド及び電源を分離する一方で、インタフェイス信号のためのリターンパスを最短で構成できるため、相互の干渉を抑えかつ安定したインタフェイス機能を有するプリント配線板を実現できる。

これによって、雑音の混入、相互変調ひずみの発生を抑え、スプリアスノイズを低減できる。加えて、筐体輻射等ＥＭＩの低減効果もある。また、受信部へのクロック信号混入を防止し、感度抑圧の防止、スプリアスノイズの低減に貢献できる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明における無線部内蔵型のデジタルカメラの、プリント配線板の構成を説明する模式図である。信号プレーン１には、電気的に接続されたベースバンド信号処理部３と変調／復調処理部４とからなるベースバンドブロックと、電力増幅部５からなる高周波ブロックの２つのブロックが形成されている。変調／復調処理部４と電力増幅部５は、インタフェイスである伝送路６により接続されている。

ベースバンド信号処理部３はＣＣＤカメラ等で得られた映像情報のデジタル信号処理を行い、保存、出力等行う機能を担っている。このベースバンド処理部３は通常高速のクロック信号に同期して動作、処理が行われており、変調／復調処理部４で取り扱う信号に比べ非常に大きな振幅の信号が多数存在することになる。

一方、カメラで捉えた映像等を無線伝送する場合、変調／復調処理部４にて伝送周波数の信号（インタフェイス信号）に変換される。伝送周波数帯に変換された信号は、伝送路６で電力増幅部５に接続され、伝送に必要な電力まで電力増幅が行われ、アンテナ出力７に導かれ空間に放射される。このとき、電力増幅部５は通常電力効率を考慮しＡＢ級動作を行っていたり、振幅に情報を持たない変調方式では非線形増幅のＣ級動作を行う。

また、信号プレーンに対向してグラウンドプレーン２が設けられている。グラウンドプレーン２には、ベースバンド信号処理部３と変調／復調処理部４とからなるベースバンドブロックに対向して第１のグラウンド部８が設けられている。また電力増幅部５からなる高周波ブロックに対向して第２のグラウンド部９が設けられている。第１のグラウンド部８と第２のグラウンド部９はインタフェイス信号の周波数帯域に対して低インピーダンスとなる結合部１０を介して結合されている。結合部１０は、第１のグラウンド部８と第２のグラウンド部９に接続された２つの導体が、平行に配置された複数の導体パターンにより形成されている。これにより、第１のグラウンド部８と第２のグラウンド部９は物理的には分離されているが、特定の周波数の信号のみ低インピーダンスとなり、信号を伝送することが可能となる。

図２は、結合部１０の詳細を示した詳細図である。第１の導体パターン５５は端子５７により第１のグラウンド部８に接続されており、第２の導体パターン５６は端子５８により第２のグラウンド部９に接続されている。第１の導体パターン５５及び第２の導体パターン５６の領域５９の部分は、お互いが平行に配置されている。これにより特定の周波数領域の信号のみ電気的に結合されることとなる。すなわち波長がλ信号の場合、領域５９の長さをλ／４およびその奇数倍となる電気長とすることで、結合部を低インピーダンスとすることができ、導体パターン５５と導体パターン５６の電気的な結合は最大とすることができる。すなわち、端子５７と端子５８とを、伝送路の直下のグラウンドプレーン１９、２０に接続することによって、伝送路６を伝送する信号の周波数領域に対してリターンパスを形成することができる。

図３は、図１に示すプリント配線板の透過特性を試験するための装置を示す概略図であり電子機器をイメージしている。信号プレーン６１にはグラウンドパターン６３及びグラウンドパターン６４が設けられている。グラウンドパターン６３には信号源７２が接続され、インタフェイスである伝送路６７を介して、グラウンドパターン６４に接続された負荷７３に信号を伝送する。グラウンドプレーン６２には、グラウンドパターン６３とスルーホールを介して接続された第１のグラウンド部６５と、グラウンドパターン６４とスルーホールを介して接続された第２のグラウンド部６６とが設けられている。第１のグラウンド部６５と第１のグラウンド部６６は物理的に分離されており、２つの平行して配置された導体パターンからなる結合部で結合させている。結合部における２つの導体パターンの平行部領域６８の長さは、１．５ＧＨｚでの電気長のλ／４（ガラスエポキシ基板上の場合、約２３ｍｍ）に設定した。６９は筐体からなるフレームグラウンドであり、インダクタ素子７０を介して第１のグラウンド部６５に、インダクタ素子７１を介して第２のグラウンド部６６に接続されている。

図４は、信号源７２から負荷７３に対して、０ＭＨｚ〜３ＧＨｚの信号を伝送した場合の伝送特性を計測した結果を示すグラフである。横軸は伝送する信号の周波数、縦軸は透過電力比（Ｓ２１特性）を示している。実線７４は、図３の結合部を物理的に接続した時である。すなわち第１のグラウンド部６５と第２のグラウンド部６６を分離しない状態での伝送路６７の透過特性である。実線７４から、グラウンド部を分離しない場合、低域から広域に広い周波数帯域において信号の伝送路が形成されていることがわかる。

一方、破線７５、７６は第１のグラウンド部６５と第２のグラウンド部６６を分離し、結合部６８で結合させた場合の透過特性である。破線７５は通常行われるように各グラウンドとフレームグラウンドを短いワイヤで接続したときの特性である。一方、破線７６はそれぞれのグラウンド６３、６４とフレームグラウンド６９間に素子７０、７１（インダクタ）を挿入した時の透過特性である。

これより周波数が１．５ＧＨｚの伝送信号に対しては、結合部は伝送路として機能していることが分かる。つまり結合部が、伝送路６７を伝送する１．５ＧＨｚの伝送信号のリターンパスとしてきのうしている事を示している。またそれ以外の帯域についてはグラウンドのリターンパスが形成されていない。尚本発明においてリターンパスが形成されるに充分な透過特性（Ｓ２１特性）とは、−３ｄｂ以上であり、本発明ではこの状態を低インピーダンスと定義している。

また、信号系での経路で積極的にクロック信号のような低域の成分を分離したい場合、各グラウンドとフレームグラウンド６９間の接続をインダクタで行い、電源供給のためのみの接続とすることは有効であると言える。

図５は、各ブロックのグラウンド間の伝達特性を試験するための装置を示す概略図であり電子機器をイメージしている。尚、図３と同じ部材には同じ符号を付し、その説明は省略する。グラウンドプレーン６２上の第１のグラウンド部６５、第２のグラウンド部６６はフレームグラウンド６９に誘導性を示す素子７０、７１で接続されている。誘導性を示す素子とは、導線、ビス、電源線等の部材であり、直流的に接続されるものである。

図６は、第１のグラウンド部６５とフレームグラウンド６９の間に信号源７２を配置し、第２のグラウンド部６６とフレームグラウンド６９の間に負荷７３を接続したときの透過特性を計測した結果を示すグラフである。横軸は伝送する信号の周波数、縦軸は透過電力比（Ｓ２１特性）を示している。この透過特性は、グラウンド間の伝達特性を表しており、透過電力比（Ｓ２１）が小さいほどお互いのグラウンド間の干渉が少ないといえる。

グラフ７７、７８はグラウンド結合区間を物理的に接続し、グラウンドを分離しないときの透過特性であり、グラフ７７（実線）は各グラウンド６５、６６とフレームグラウンド６９を短いワイヤで接続したときの特性である。また、グラフ７８（破線）はフレームグラウンド６９との接続をインダクタンスで行ったものである。いずれの場合も低い周波数帯から大きな透過特性を持っており、クロック信号のような低い周波数の成分ではグラウンド間を伝達してしまい、干渉が起こることがわかる。

一方、結合区間を物理的に接続せず結合導体パターンとした場合の特性をグラフ７９、８０で示す。グラフ７９（実線）は各グラウンド６５、６６とフレームグラウンド６９を短いワイヤで接続したときの特性である。また、グラフ８０（破線）は上記フレームグラウンド６９との接続をインダクタンス素子で行ったものである。それぞれのグラウンド６５、６６をプリント配線板上で接続せず、結合区間での結合としたグラフ７９、８０の特性は、グラフ７７、７８の特性に比べて低い周波数で大きく減衰している。通常基本クロックとして使用される２０ＭＨｚ程度の周波数では、結合導体パターンとした場合−３０ｄＢ（電力比：１／１０００）前後と大きくグラウンド間の干渉が減ることが分かる。

近年、これら無線伝送に８０２．１１ａ、８０２．１１ｂならびに８０２．１１ｇで代表される規格が使用されている。これらに用いられる無線周波数は、２．４ＧＨｚ帯、５．６ＧＨｚ帯であり、これらの周波数に対してのプリント配線板上での電気長λ／４は短く、ガラスエポキシ基板上では１０〜２０ｍｍ前後となり基板上に結合導体パターンを形成するのは容易である。

図７は実施例２を示す。本実施例は、無線で伝送されたデジタルカメラ、デジタルビデを等で撮られた映像を受信し、映像の表示もしくは印刷等行う装置についての実施例である。

本実施例のプリント配線板は、信号プレーン１１とグラウンドプレーン１２の両面で回路が構成されている。信号プレーン１１には回路機能ブロックを有し、グラウンドプレーン１２は信号プレーン１１の各ブロックに対応するグラウンドを有する。受信アンテナ端子１８より入力された無線伝送信号は、高周波ブロックを構成する低雑音増幅部１６で増幅され周波数変換部１５にて中間周波数に周波数変換される。このとき、周波数変換するための局部発振回路１７により、周波数変換のためのローカル信号を周波数変換部１５に供給し、この周波数を任意に選ぶことによって無線受信周波数を選択受信するように構成されている。

周波数変換部１５から出力された中間周波数（通常は固定周波数帯域）の信号は変調／復調処理部１４にて増幅、周波数変換が行われ復調処理が行われベースバンド信号が得られる。復調されたベースバンド信号は、変調／復調処理部１４とともにベースバンド信号処理系ブロックを構成するベースバンド信号処理部１３にて信号処理がなされ、目的に応じた出力がなされる。

このベースバンド信号処理部１３では、実施例１と同様に振幅の大きいクロック信号等によって処理がなされている。受信機と、ベースバンド信号処理部１３が混在するプリント配線板の場合は、非常に微弱なアナログ信号を扱う低雑音増幅部１６に対する妨害波の混入がある。妨害波の混入の仕方としては、受信アンテナ端子１８に対する直接干渉と、装置内部で受ける干渉の二つがある。ただし、受信アンテナ端子１８に混入する外来波は、ケーブル等のシールド、受信機入力端に設ける受信バンドパスフィルタである程度除去できる。

第１のグラウンド部１９と、第２のグラウンド部２０との結合は、インダクタンス素子及びキャパシタンス素子によって構成される集中定数素子による直列共振回路２１を用いている。これにより、特定の周波数に対して低インピーダンスな配線を実現することができる。図８に、インダクタンス５１及びキャパシタンス５２を有する集中定数素子による直列共振回路を示す。この直列共振回路は、インダクタンス５１のリアクタンスＸＬ（ＸＬ＝ｊωＬ）とキャパシタンスのリアクタンスＸＣ（ＸＣ＝１／ｊωＣ）が複素共役になる角周波数で端子５３および端子５４の間のインピーダンスが最小になる。

その角周波数ωＯは、以下の式で表わされる。
ω_Ｏ＝（Ｌ×Ｃ）^−１／２
伝送路６の直下において、端子５３は第１のグラウンド部８に接続されており、端子５４は第２のグラウンド部９に接続されている。これにより、伝送周波数帯域に対してリターンパスを形成することができる。

通常、電源プレーンはグラウンドプレーンと高周波（伝送周波数）に対しては同電位となるように構成されている。したがって、多層基板のように電源プレーンがある場合、電源プレーンの結合としても良いし、また併用する構成としても良い。

尚、図１、図７に示したグラウンドプレーン２に替えて、図９に示すように電源プレーン７２とすることもできる。図９において、図１、図７と異なるのは、第１のグラウンド部８に替えて、第１の電源部７８が、第２のグラウンド部９に替えて、第２の電源部７９が設けられている点である。図９に示した形態でも、図１、図７とほぼ同様の信号特性を示す。

実施例１を示す模式図である。 結合部を説明する詳細図である。 伝送路の透過特性試験を行うための装置構成を示す模式図である。 伝送路の透過特性試験の結果を示すグラフである。 伝達特性試験を行うための装置構成を示す模式図である。 伝達特性試験の結果を示すグラフである。 実施例２を説明する模式図である。 結合部を説明する詳細図である。 他の実施例を示す模式図である。 従来のデジタルカメラ用プリント配線板の構成を示す模式図である。 従来のプリント配線板の構成例を説明する模式図である。

符号の説明

１、１１ 信号プレーン
２、１２ グラウンドプレーン
３、１３ ベースバンド信号処理部
４ 無線変調部
５ 電力増幅部
６ 伝送路
８、９、１９、２０ グラウンド
１０ 結合部
２１ 直列共振回路

Claims (7)

1. ベースバンド信号で駆動するとともに、前記ベースバンド信号を前記ベースバンド信号よりも周波数の高い高周波信号に変換するベースバンドブロックと、前記高周波信号を処理する高周波ブロックとを有する信号プレーンと、該信号プレーンに対向するグラウンドプレーンとを有するプリント配線板において、
   前記ベースバンドブロックと高周波ブロックとは、前記高周波信号を伝送する伝送路を介して接続されており、
   前記グラウンドプレーンの、前記ベースバンドブロックに対向する領域には、第１のグラウンド部が設けられ、前記高周波ブロックに対向する領域には、第２のグラウンド部が設けられており、
   前記第１及び第２のグラウンド部は、前記高周波信号を含む所望の周波数領域の信号に対するインピーダンスが、前記所望の周波数領域よりも高い周波数領域および低い周波数領域の信号に対するインピーダンスよりも低い結合部により電気的に接続されていることを特徴とするプリント配線板。
2. 前記結合部は、互いに平行に配置された、前記第１のグラウンド部に接続された第１の導体パターンと、前記第２のグラウンド部に接続された第２の導体パターンとからなり、前記第１の導体パターンと第２の導体パターンとは物理的に分離され、前記第１の導体パターンと第２の導体パターンの平行に配置された領域の長さは、前記所望の周波数領域の信号の波長の１／４もしくはその奇数倍の電気長となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のプリント配線板。
3. 前記結合部は、インダクタンス素子とキャパシタンス素子とを有する直列共振回路であることを特徴とする請求項１記載のプリント配線板。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載のプリント配線板と、該プリント配線板が取り付けられている筐体を有しており、前記前記第１及び前記第２のグラウンド部は、インダクタンス素子を介して前記筐体と接続されていることを特徴とする電子機器。
5. ベースバンド信号で駆動するとともに、前記ベースバンド信号を前記ベースバンド信号よりも周波数の高い高周波信号に変換するベースバンドブロックと、前記高周波信号を処理する高周波ブロックとを有する信号プレーンと、該信号プレーンに対向する電源プレーンとを有するプリント配線板において、
   前記ベースバンドブロックと高周波ブロックとは、前記高周波信号を伝送する伝送路を介して接続されており、
   前記電源プレーンの、前記ベースバンドブロックに対向する領域には、第１の電源部が設けられ、前記高周波ブロックに対向する領域には、第２の電源部が設けられており、
   前記第１及び第２の電源部は、前記高周波信号を含む所望の周波数領域の信号に対するインピーダンスが、前記所望の周波数領域よりも高い周波数領域および低い周波数領域の信号に対するインピーダンスよりも低い結合部により電気的に接続されていることを特徴とするプリント配線板。
6. 前記結合部は、互いに平行に配置された、前記第１の電源部に接続された第１の導体パターンと、前記第２の電源部に接続された第２の導体パターンとからなり、前記第１の導体パターンと第２の導体パターンとは物理的に分離され、前記第１の導体パターンと第２の導体パターンの平行に配置された領域の長さは、前記所望の周波数領域の信号の波長の１／４もしくはその奇数倍の電気長となるように設定されていることを特徴とする請求項５に記載のプリント配線板。
7. 前記結合部は、インダクタンス素子とキャパシタンス素子とを有する直列共振回路であることを特徴とする請求項５記載のプリント配線板。