전파광파소자

실습-02 PCB 전송선로(Printed Circuit Board Transmission Lines)

I. 이론

1. 인쇄회로기판(PCB)에 사용되는 전송선로의 종류

ㅇ 마이크로스트립: 접지면 + 유전체 + 스트립

ㅇ 스트립선로: 접지면 + 유전체 + 스트립 + 유전체 + 접지면

ㅇ CPW(coplanar waveguide): 유전체 + (접지면 + 스트립 + 접지면)

ㅇ GCPW(grounded coplanar waveguide): (접지면 + 비아홀) + 유전체 + 유전체 + (접지면 + 스트립 + 접지면)

ㅇ 슬롯선로: 유전체 + (접지면 + 신호면)

ㅇ CPS(coplanar strip): 유전체 + (신호선 + 신호선)

그림 L2.1 PCB 전송선로

ㅇ 다층회로 기판에는 여러 종류의 전송선로가 사용된다.

ㅇ 층간 연결을 위해 비아홀(via hole) 사용

1: Blind via, 2: Buried via, 3: Through-hole via

그림 L2.2 다층회로기판(MLB) 구조[CircuitMaker]

(a) 좌: 회로보드 윗면, 우: 뒷면

(b)

(c)

(d)

(e) 좌: RF 회로보드, 우: 제어/신호처리 회로보드

그림 L2.3 PCB 전송선로가 사용된 제품. (a) Xilinx XCM-014 FPGA 보드, (b) Norsat 8520 C-band 3.4-4.2GHz LNB 회로, (c) Standardised Modular Transmit/Receive Module (SMTRM) [EADS Defence & Security], (d) Queens' University 27-30GHz GaInP/GaAs HBT 수신기 칩 회로, (e) 자동차용 77GHz 중거리 레이더 [Bosch]

ㅇ 그림 L2.3은 PCB 전송선로가 사용된 제품, 부품의 예를 보인 것이다.

ㅇ 실제 제품에는 단층에서부터 다층(예: 12층, 24층)의 PCB가 사용된다.

ㅇ 고속 디지털 회로, 마이크로파/밀리미터파 다층회로 기판설계: 고도의 전문기술 필요

- 다층에 선로를 최적으로 배치(레이아웃)하는 기술

- 선로간 간섭이 최소화되도록 배치하는 기술

- 고속디지털 신호의 왜곡, 고주파 신호의 반사/감쇠가 최소가 되도록 레이아웃하는 기술

- 설계된 다층 PCB의 신호전송 특성을 모델링하는 기술

ㅇ 단일 선로의 특성 임피던스 설계는 상용툴의 선로설계 기능을 사용한다.

ㅇ 복잡한 다층 PCB 회로 설계에는 고성능 CAD 툴 사용 필수

ㅇ 상용 RF PCB 설계 툴

Company Tool Name Features

Keysight ADS Powerful RF simulation

AWR Microwave Office Schematic, layout, simulation, optimization, tuning

Altium Designer Most-widely used for general PCB layout

CST PCB Studio Powerful RF simulation

Mentor Xpedition PCB design + RF design

Durst Hyde Up to 50 layers

CAD Design Services MRFD PCB design + RF design

ㅇ 그림 L2.4는 CAD Dessign Services 사의 Master RF Designer Suite(MRFD) 사례를 보인 것이다.

(a)

(b)

(c)

(d)

그림 L2.4 RF 회로개발 툴[CAD Dessign Services 사의 Master RF Designer Suite(MRFD)]. (a) 개발환경, (b) RF 소자 모델링 툴, (c) RF 회로 모델링 툴, (d) 다층기판 레이아웃 툴

2. 마이크로스트립 선로(Microstrip Line)

1) 중요성

- 인쇄회로, 인쇄형 안테나의 기본 요소

- 저주파부터 밀리미터파까지 사용

- 회로패턴 구현: 상용 기판을 이용하여 화학적 식각 (etchiing), 반도체 공정 (진공증착 포함), 기계적 가공 등

2) 구조

그림 L2.5 마이크로스트립 선로의 구조

(a) (b)

그림 L2.6 마이크로스트립 선로 단면에서의 의 (a) 전기장 분포, (b) 자기장 분포

그림 L2.7 마크로스트립 선로의 전류분포

3) 마이크로스트립 설계 공식

ㅇ 전류분포

: ground current density

ㅇ 위상정수/파장

: 선로상 파장 (wavelength)

: 진공에서 평면파의 파장

: 유효 유전상수 (effective dielectric constant)

: 위상정수 (phase constant)

: 길이 L인 선로 통과후 위상지연

: 전기적 길이 (electrical length) (단위: radian)

: 위상속도 (phase velocity)

: 길이 L인 선로 통과후 시간지연

ㅇ 유효 유전상수[Hammerstad(1975)]

ㅇ 특성 임피던스[Hammerstad(1975)]

ㅇ 감쇠 (attenuation)

- 유전체 손실 (dielectric loss)

- 도체 손실 (conductor loss)

- 표면파 손실 (loss due to surface wave conversion)

- 방사 손실 (loss due to radiation)

- 고차모드 손실 (loss due to higher-order mode conversion)

: 총손실

: 도체손실[Hammerstad(1975)]

[Delinger(1980)]

ㅇ 분산 (dispersion): 주파수에 따라 가 변하는 현상

: Hammerstad and Jensen(1980)

ㅇ 종단 보상

: Hammerstad(1981)

: fringing capacitance

ㅇ 사용 상한 주파수: 주파수가 증가할수록 표면파 발생, 고차모드 발생 등으로 전송선으로서 성능 감소. 각 모드의 차단 주파수 이하에서 사용

: 최저 표면파 모드 차단주파수

: 최저 고차 모드 차단주파수

ㅇ 온라인 마이크로스트립 선로 계산툴

(1) RHDH

- 마이크로스트립 선로: http://www.rfdh.com/rfdb/msline.htm

- 스트립 선로: http://www.rfdh.com/rfdb/sline.htm

- CPW: http://www.rfdh.com/rfdb/cpw.htm

- GCPW: http://www.rfdh.com/rfdb/cpwg.htm

- 슬롯 선로: http://www.rfdh.com/rfdb/slotline.htm

- CPS 선로: http://www.rfdh.com/rfdb/cps.htm

3. 기타 선로

1) CWP

ㅇ 특징

- 기판의 두께에 관계없이 선로의 폭을 적절한 값으로 설계할 수 있다. 마이크로스트립의 경우 기판이 너무 얇으면 선로폭도 너무 얇아지거나, 너무 두꺼우면 선로폭도 너무 두꺼워진다.

- 선로와 접지면의 가깝기 때문에 마이크로스트립 선로의 경우보다 선로 상부공간의 전자기장 분포 영역이 감소. 따라서 회로상자의 금속 뚜꼉의 영향이 적다.

II. 실습

1. PCB 선로 설계

ㅇ 다음 선로를 RFDH의 온라인 계산툴을 이용하여 설계하라.

- 기판: FR-4, h = 1.0 mm, ε_r = 4.3, tanδ = 0.02, t = 0.035mm (선로 및 접지면)

- 주파수: 1GHz

a) 마이크로스트립 선로: 특성 임피던스 50Ω

- 선로단면 치수

b) 스트립 선로: 유전체 총두께 1mm, 특성 임피던스 50Ω

c) CPW: 특성 임피던스 50Ω

d) GCPW without via holes: 특성 임피던스 50Ω

e) 슬롯 선로: 특성 임피던스 150Ω

f) CPS 선로: 선로간격 0.3mm, 특성 임피던스 150Ω

2. PCB 선로 해석

ㅇ 다음 선로를 CST Microwave Studio를 이용하여 포트만 해석하고 다음 내용을 보고서로 작성하라.

- 기판: FR-4, h = 1.0 mm, ε_r = 4.3, tanδ = 0.02, t = 0.035mm (선로 및 접지면)

- 기판 크기 30×30mm

- 주파수: 1GHz

(참고) Wave port 설정: 선로의 특성해석 시 전송선 단면의 전기장/자기장 분포를 계산한다. 포트 면의 사각형 면적은 주어진 선로 단면 전기장이 전력 기준으로 총전력의 95% 이상이 포함되도록 충분히 크게 설정. 마이크로스트립 경우 포트면 가로는 선로 폭의 약 5배, 높이는 유전체 높이의 4배 정도로 설정

a) 마이크로스트립 선로: 특성 임피던스 50Ω

- 포트의 전기장 벡터 2차원도

- 특성 임피던스 설계 값(Ω)

- 전파상수 β (rad/m)

b) 스트립 선로: 유전체 총두께 1mm, 특성 임피던스 50Ω

c) CPW: 특성 임피던스 50Ω

d-1) GCPW without via holes: 특성 임피던스 50Ω

d-2) GCPW with via holes: 특성 임피던스 50Ω, 비아홀 직경 0.5mm, 비아홀 중심간 간격 2mm, 상부접지판 테두리에서 비홀중심까지 간격 1mm

e) 슬롯 선로: 특성 임피던스 100Ω

f) CPS 선로: 선로간격 0.3mm, 특성 임피던스 100Ω

III. 고찰

마이크로스트립 선로의 경우 1GHz에서 실험노트의 공식에 의한 값(주파수 분산효과 무시)과 위에서 시뮬레이션에 의한 값을 비교하라.

1. 특성 임피던스(Ω)

2. 전파상수 β (rad/m)