마이크로파 및 RF PCB 설계를 위한 핵심 가이드라인 알아보기
키워드: RF 마이크로파 PCB
몇십 년 전만 해도 RF 마이크로파 PCB에 대한 수요는 많지 않았습니다. 당시 아키텍처에 설계하는 것은 어려웠고, 비용이 매우 많이 드는 프로젝트였습니다. 하지만 오늘날 RF 회로는 다양한 상업용 제품에 집약되어 있습니다. 휴대용 통신 장치가 되기 위해, 이들 대부분은 통신, 산업 및 의료 응용 분야를 위한 휴대용 무선 기기입니다. 데스크탑 모델에서 다양한 분야의 응용 프로그램으로 전환되고 있습니다. RF 및 마이크로파 회로는 초고주파와 매우 높은 주파수를 모두 포착하면서 점점 더 보편화되고 있습니다.
인쇄 회로 기판(PCB)에는 혼합 신호나 순수 디지털 기술보다 훨씬 더 많은 것이 포함되며, 고주파 마이크로파 및 RF를 사용하는 서브 어셈블리를 설계할 때 PCB 레이아웃 설계자는 더 많은 어려움에 직면합니다.
RF의 일반적인 주파수 범위는 500MHz에서 2GHz이며, RF 설계는 100MHz 이상을 말합니다. 2GHz 이상은 마이크로파 주파수 범위입니다. 아날로그 및 일반 디지털 회로와 마이크로파 및 RF 회로 사이에는 상당한 차이가 있습니다. 본질적으로 RF 신호는 매우 높은 주파수의 아날로그 신호입니다. 따라서 디지털과 달리 RF 신호는 시간에 따라 최대 및 최소 한계 사이의 모든 전류 및 전압 레벨에 있을 수 있습니다.
표준 아날로그 신호는 DC에서 수백 메가헤르츠 사이에 있는 것으로 간주됩니다. 그러나 매우 높은 주파수의 반송파에서 마이크로파 및 RF 신호는 하나의 주파수 또는 주파수 대역입니다. 마이크로파 및 RF 신호는 특정 주파수에서 작동합니다.
마이크로파 및 RF 회로는 특정 대역 내에서 신호를 전달하도록 설계되었습니다. 소위 관심 대역에서 신호를 전송하기 위해 대역 통과 필터를 사용합니다. 신호의 나머지 주파수는 필터링되고 신호는 특정 주파수 범위 내에서 이 대역을 통과합니다. 단일 대역은 매우 높은 주파수의 반송파에 실릴 수 있으며 매우 넓거나 좁을 수 있습니다.
마이크로파 또는 RF와 PCB 설계의 문제점
대부분의 경우 마이크로파 또는 RF 회로를 포함하는 PCB 레이아웃은 설계하기 어렵습니다. 그러나 기본 원칙은 어려움에 관계없이 기초부터 시작하고 물리 법칙을 따르는 것입니다. 먼저, 마이크로파 신호는 PCB 설계자가 반드시 알아야 할 노이즈에 매우 민감합니다. 발생하는 반사 및 링잉 가능성은 세심하게 처리해야 합니다.
예를 들어, PCB 설계자는 초당 10Gb 또는 기가헤르츠 범위의 매우 빠른 디지털 신호로 작업할 때 특정 규칙과 지침을 따라야 합니다. PCB 설계자는 마이크로파와 RF가 레이아웃에 포함될 때 동일한 사고 방식을 가져야 합니다. RF는 매우 빠른 디지털 신호보다 훨씬 민감하므로 그 사고 방식을 몇 배로 곱해야 합니다.
둘째, RF의 경우 임피던스 매칭이 매우 중요합니다. 디지털 신호는 매우 빠르더라도 일정한 허용 오차를 가집니다. 그러나 RF 마이크로파 PCB의 경우 주파수가 높을수록 허용 오차는 더 작아집니다.
셋째, 반사 손실을 줄여야 합니다. 링잉 또는 신호 반사로 인해 발생하는 이 손실은 반사 전류에 의해 전달되며, 반사는 경로입니다.
반환 신호는 매우 높은 마이크로파 주파수에서 인덕턴스가 가장 적은 경로를 따릅니다. 이러한 경로를 제공할 때 신호 아래의 접지면은 유용합니다. 따라서 신호 아래 평면에 드라이버에서 수신기까지 불연속성이 없어야 합니다. 그러나 접지면에 절단이 있거나 해당 트레이스 아래에 접지가 존재하지 않는 경우에도 신호는 여전히 드라이버로 가는 길을 찾을 것입니다. 다른 경로나 PCB의 다중 레이어를 통해 전원 평면을 거쳐 반환 경로를 찾을 것입니다. 그러나 이러한 경로는 이상적이지 않습니다. 더 이상 임피던스 제어 신호가 아니므로 링잉과 반사가 발생합니다.
마이크로파 및 RF 회로를 설계할 때 PCB 설계자는 누화 요인도 염두에 두어야 합니다. 보드 밀도와 시스템 성능이 증가함에 따라 이를 처리하고 누화를 해결하는 문제가 더욱 중요해집니다. 션트 커패시턴스와 상호 인덕턴스로 인해 누화는 인접한 도체 간의 에너지 전달입니다. 피해 라인에는 활성 라인의 결합 에너지가 중첩됩니다.
순방향 누화는 수신기 방향으로 흐르는 결합 신호에서 구성됩니다. 역방향 누화는 소스 방향으로 진행하는 신호에서 구성됩니다. 용량성 및 유도성 결합의 합은 역방향 누화이며, 둘의 차이는 순방향 누화입니다. 고주파 설계에서 누화는 주요 문제입니다. 이는 활성 라인의 에지 레이트에 직접 비례하기 때문입니다.
두 라인이 서로 평행하게 달리는 거리와 두 라인의 근접성도 다른 요인입니다. 따라서 고속 신호는 가능한 한 멀리 떨어져서 라우팅되어야 합니다. 이상적으로는 이러한 신호의 트레이스 폭의 4배가 중심 간 거리입니다.
서로 평행하게 달리는 라인이 유지하는 거리도 최소로 유지해야 합니다. 기준 평면과 라인 사이에 공면 구조를 도입하거나 유전체 간격을 최소화하는 것이 다른 해결책입니다. 여기서 트레이스 사이에는 접지면이 삽입됩니다. 또한 라인을 특성 임피던스로 종단하면 누화를 최대 50%까지 줄일 수 있습니다.
주파수는 파장에 반비례합니다. 파장이 짧을수록 주파수는 높아집니다. 예를 들어, 마이크로스트립 FR4 기반 PCB에서 1GHz의 임계 길이는 약 0.425인치입니다. 따라서 1GHz 신호를 라우팅하는 경우 총 길이는 425밀보다 큽니다. 이 트레이스는 임피던스 제어되어야 합니다. 임계 길이는 전송선 기술과 PCB 재료에도 의존합니다.
설계자는 RF 회로를 사용할 때 유전율 값 및 손실 계수와 같은 라미네이트 특성과 그 변화를 고려해야 합니다. 고주파 라미네이트와 비교하여 FR4는 손실 계수가 더 높습니다. 이는 FR4를 사용할 때 삽입 손실이 훨씬 더 높다는 것을 나타냅니다. 이러한 손실은 주파수가 상승함에 따라 증가하며 주파수의 함수이기도 합니다. 둘째, FR4의 Dk 값은 최대 10%까지 변할 수 있습니다. 이로 인해 임피던스가 변동됩니다. 고주파 라미네이트는 더 안정적인 주파수 특성을 가지고 있습니다.
그런 다음 Dk 값 자체가 있습니다. RF 마이크로파 PCB 회로의 경우 Dk 값은 회로 요소의 크기와 관련이 있습니다. 따라서 더 높은 Dk 값을 가진 라미네이트를 선택함으로써 설계자는 회로 크기를 줄일 수 있습니다.