적용 — 고주파 PCB 설계
1. 판정 절차
섹션 제목: “1. 판정 절차”| 순서 | 하는 일 |
|---|---|
| 1 | 반송파 주파수와 대역폭을 확인한다 |
| 2 | 그 주파수에서의 유효 파장을 구한다 |
| 3 | 배선(routing) 길이가 파장에 견주어 무시할 수 없으면 전송선(transmission line)으로 다룬다 |
| 4 | 소자마다 정합(matching) 이 필요한 지점을 정한다 |
데이터 전송률은 판정에 쓰지 않는다. 반송파 하나만 다루는 회로도 고주파 설계의 대상이다.
대표적인 대상은 RF 회로 · 마이크로파(microwave) 회로 · Wi-Fi · Bluetooth · 셀룰러 · 레이더(radar) · 위성 통신 · RF 프런트엔드다.
2. 구조가 전기적 특성을 정한다
섹션 제목: “2. 구조가 전기적 특성을 정한다”
마이크로스트립(microstrip) 구조에서는 네 가지 치수와 재료값이 전송선의 특성을 정한다.
| 변수 | 이름 | 늘리면 Z₀ 는 |
|---|---|---|
w | 선폭 | 내려간다 |
h | 유전체 두께 | 올라간다 |
t | 동박 두께 | 조금 내려간다 |
εr | 비유전율(relative permittivity) | 내려간다 |
| 기호 | 이름 | 무엇을 정하는가 |
|---|---|---|
Z₀ | 특성 임피던스(characteristic impedance) | 정합의 기준값 |
εr | 비유전율 | 전파 속도와 유효 파장 |
tanδ | 손실 탄젠트(loss tangent) | 유전체 손실 |
마이크로스트립은 전기력선의 일부가 공기를 지난다. 그래서 유효 비유전율이 재료값보다 작고, 같은 재료의 스트립라인보다 신호가 빠르다. 관계식은 기본 이론 §5 에 있다.
3. S 파라미터
섹션 제목: “3. S 파라미터”
고주파 계통의 판정은 산란 파라미터(S-parameter) 로 한다. 각 포트에 들어간 파가 어느 포트로 얼마나 나오는지를 주파수마다 적은 표다. 2 포트에서는 넷이다.
| 파라미터 | 뜻 | 실무에서 부르는 이름 |
|---|---|---|
S11 | 포트 1 로 들어가 포트 1 로 되돌아온 비 | 입력 반사 손실(return loss) |
S21 | 포트 1 로 들어가 포트 2 로 나온 비 | 삽입 손실(insertion loss) · 이득 |
S12 | 포트 2 로 들어가 포트 1 로 나온 비 | 역방향 격리 |
S22 | 포트 2 로 들어가 포트 2 로 되돌아온 비 | 출력 반사 손실 |
| 읽는 법 | 판정 |
|---|---|
S11 이 낮을수록 | 정합이 좋다 — 되돌아오는 에너지가 적다 |
S21 이 0 dB 에 가까울수록 | 손실이 적다 |
S21 이 주파수에 따라 급변하면 | 불연속이나 공진(resonance)이 있다 |
S12 가 클수록 | 역방향으로 새어 돌아온다 — 격리가 나쁘다 |
S11 과 S21 은 서로 묶여 있다. 수동 회로에서 되돌아온 에너지는 통과하지 못한 에너지이므로,
정합을 개선하면 삽입 손실도 함께 좋아진다.
4. 제어와 정합은 다른 일이다
섹션 제목: “4. 제어와 정합은 다른 일이다”| 임피던스 제어 | 정합 | |
|---|---|---|
| 무엇을 하는가 | 선로 전체를 같은 Z₀ 로 유지한다 | 소자의 임피던스(impedance)를 선로에 맞춘다 |
| 어디서 하는가 | 배선 전 구간 | 소자와 선로가 만나는 지점 |
| 수단 | 선폭 · 층 · 스택업 | 정합 회로 — 소자를 덧붙인다 |
| 고속에서 | 필수다 | 종단(termination)이 그 역할을 한다 |
| 고주파에서 | 필수다 | 주파수마다 달라지므로 회로가 필요하다 |
고속의 종단은 넓은 대역에서 한 값을 맞추는 일이고, 고주파의 정합은 좁은 대역에서 정확히 맞추는 일이다. 그래서 고주파 쪽은 대역폭과 정합 품질을 맞바꾼다.
5. 재료 선정의 기준
섹션 제목: “5. 재료 선정의 기준”고주파에서는 재료가 결과를 지배한다. 보는 축은 값 하나가 아니라 안정성이다.
| 축 | 왜 보는가 |
|---|---|
| 비유전율의 안정성 | 값이 흔들리면 위상과 공진 주파수가 이동한다 |
| 주파수에 따른 변화 | 해석에 쓴 값이 동작 주파수에서 다르면 결과가 어긋난다 |
| 손실 탄젠트 | 유전체 손실이 도달 거리와 이득을 정한다 |
| 동박 조도 | 표피 효과(skin effect)로 전류가 표면에 몰리므로 거칠기가 손실이 된다 |
| 유리 직물 짜임 | 배선이 지나는 자리에 따라 국부 비유전율이 달라진다 |
| 흡습 | 수분이 들어오면 비유전율과 손실이 함께 올라간다 |
| 열·기계 안정성 | 공정과 사용 온도에서 치수와 값이 유지되어야 한다 |
6. 확정 전 점검 항목
섹션 제목: “6. 확정 전 점검 항목”| 축 | 확인 |
|---|---|
| 판정 | 반송파 주파수에서의 유효 파장으로 판정했는가 |
| 구조 | 목표 Z₀ 를 낼 수 있는 스택업인가 |
| 기준면 | 배선 아래 기준면(reference plane)이 끊기지 않는가 |
| 정합 | 정합 지점과 대역이 정해졌는가 |
| 재료 | 동작 주파수에서의 값으로 해석했는가 |
| 조도 | 동박 조도를 손실 모델에 넣었는가 |
| 격리 | 송신과 수신 경로의 격리가 확보되는가 |