전자장 Ch03.8 Microstrip Line 모양이 이런 이유(펌)

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RF회로의 Transmission Line으로 MicrostripLine이 선정된 흐름

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Microstrip을 왜 쓸까?: Wire로서 역할 

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보통 300Mhz  대역 이상이 되면 점차 일반 PCB가 아닌 Microstrip구조를 고려하게 됩니다. Ghz대역을 넘어서기 시작하면? 어떤 식으로든 Microstrip형태가 아니면 구현이 매우 어려워집니다. 어쨌든 Microstrip은 고주파 RF에서 가장 기본적으로 쓰이는 기판이다. 이유는 아래에서 설명하겠다.

 Microstrip은 일반 PCB와 무엇이 다른가?

엄밀히 말해서 마이크로 스트립은 PCB의 한 형태.

고주파대역에선 선로의 형상이나 길이가 엄청나게 아주아주 무지막지하게 회로 성능에 영향을 줍니다. 파장이 짧아서 선로의 위치마다 전압과 위상이 오락가락하기 때문.

 

 PCB에서 중요한것 

 - 일반 PCB에서는 모든 신호선들이 정확히 GND를 공유하기만하면 됩니다. 

(신호선과 GND 선(또는 판) 간의 거리나 위치에 상관없다)

 -  저주파 PCB에서는 보통 GND와 신호선을 기판의 한쪽면에 한꺼번에 올리는 경우가 많으므로, 이 문제를 해결하기 위해 GND는 특별히 회로 뒷편으로 넘기기도 하죠.(FR4) 즉, 앗싸리 기판 아랫면은 아예 금속으로 완전히 덮어버리고, 윗면에는 GND 없이 신호선만 배치

(신호선끼리 혹은 신호선과 소자가 곂치기 때문)

참조 : PCB란(펌) (tistory.com)

PCB란(펌)

 

 Microstrip Line에서 중요한 것 : Signal - Ground 사이의 매질 조건_신호선과 GND(접지)선과의 관계이죠.

 - 앗싸리 기판 아랫면은 아예 금속으로 완전히 덮어버리고, 윗면에는 GND 없이 신호선만 배치 

=> 그렇다면 이제 신호선과 GND 사이에는 오로지 기판만이 존재

=> 이렇게 하면 수백Mhz에서도 잘 동작

 

그런데 주파수가 계속 올라가게되면, 그 신호선과 GND 사이에 교류에너지가 집중되면서 field가 형성되기 시작합니다.

고주파가 되면서 신호선 ~ GND 사이에서 신호의 거의 모든 에너지 성분이 교류필드 형태를 이루면서 진행

 - 매질(즉 기판유전체)의 조건이 완벽하게 일정, 기판의 높이나 유전율까지 정확히 일정

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주요 Factor

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그래서 결국 탄생한 형태가 Microstrip입니다. 맨 아래에는 GND 금속으로 완전히 코팅되어 있으며, 중간 유전체의 높이와 유전율이 명확하게 정의되어 있으며, 그 높이/유전율 조건에 맞추어 맨 윗면에 신호선을 배치하면서 회로를 구성하게 만든, 그런 형태의 기판을 바로 Microstrip이라고 부르는 것입니다. 일단 Microstrip 기판을 선택하면, 그때부턴 빼도박도 못하고 그 기판 수치값에 맞게 윗면에 회로 사이즈와 형태를 결정할 수 밖에 없습니다. 저주파에선 일단 회로를 설계하고 기판을 구하지만, 고주파에선 일단 기판을 선택해야 제대로 회로설계가 됩니다. 큰 차이죠..

 

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결론

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어쨌든 Microstrip은 왜 사용하느냐? 라는 질문은 이렇게 대답할 수 있을 것입니다.

 -> 고주파에선 신호선과 GND 사이에 대부분의 에너지가 집중된다.
-> 신호선과 GND 관계를 명확하게 고정하고 설계하기 위한 기판 구조가 필요하다.
 -> Microstrip 선로 구조가 아니면 고주파 필드 에너지를 모아서 보내기 힘들다!

*사실 어느 책을 봐도 Microstrip을 왜 쓰는지에 대한 설명은 별로 없습니다. 너무 당연시하게 사용해서일까요?

*최근에는 PC의 CPU도 거의 Ghz대에 도달하고, 정상적인 전자회로 설계로는 정확한 동작을 기대하기 힘들기 때문에, 점차 Microstrip 형태의 기판구조로 가고 있습니다.

 

 

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Microstrip

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1.Microstrip이란?

저주파 회로기판에서의 선로배치 문제는 효율적인 공간배치의 개념이 더 강조된다. 같은 양의 선로를 얼마나 더 좁은 공간에서 짧은 거리로 구현하는가가 생산 단가에 미치는 영향은 지대하기 때문이다. 또한 ground의 위치는 그다지 중요하지 않고, 신호선과 ground간의 거리 또한 크게 고려되지 않는다. 한마디로 회로도대로 연결만 된다면 일단은 동작할 수 있다.

하지만 고주파회로에서는 선로의 길이 자체가 회로소자값 그 자체인 경우도 많기 때문에, 함부로 길이를 손댈 수 없다. 또한 신호선과 ground 사이에 다른 선로가 지나간다면 그 영향은 상당히 크기 때문에, ground의 위치가 상당한 중요성을 가진다. 그리고 결정적으로 고주파가 될수록 선로의 내부가 아닌 외부 표면에만 전류가 흐르려는 경향이 발생하고(skin effect), 안테나처럼 방사하려는 경향이 강해지기 때문에 선로금속자체로 신호를 보내기 힘들다.

이러한 고주파의 모든 조건들을 만족시키기 위해 고안된 고주파용 회로기판이 바로 microstrip이다. 전형적인 transmission line구조인 microstrip 기판은 밑면 전체를 하나의 금속판을 이용해 ground로 처리하고, 그 바로 위에 일정두께의 유전체 기판을 올린 후 유전체 위에 선로 형상을 구현한 회로구조이다. 이를 통해 신호선과 ground간의 거리와 매질특성이 균일하게 배치되고, 선로와 ground 사이에 전자파 field에너지에 신호를 보존하며 전송하게 된다. Microstrip이 저주파와 차별되는 중요한 특성은 선로와 ground간의 매질조건 항상 균일하게 고정하는 것이라고 볼 수 있다.

 

2. Microstrip의 특성

Mocrostrip에서 신호는 윗단의 선로와 아랫단의 ground 사이에 field형태로 유기되어 전달된다. 여기서 사용되는 mode는 E field와 H field가 진행방향에 모두 수직인 TEM mode를 사용하며, 실제로는 선로 옆으로 휘는 fringing field가 존재하기 대문에 quasi TEM (유사TEM) 이라고 불리운다.

 

        

Microstrip의 장단점은 다음과 같다.

장점	단점
- 작고 가볍다 - 대량 생산이 용이하다 - 집적화가 쉽다 - 어레이 안테나 구현이 쉽다 - 기판특성으로 크기를 조절할수 있다	- 높은 전력을 다룰 수 없다 (저전력) - 상대적으로 기판값이 비싸다 - surface wave coupling이 있다 - 전송가능한 대역폭이 좁다 - 초고주파에서 fringing field가 늘어난다

 

3. Microstrip parameters

Microstrip을 구현하는데 필요한 파라미터는 다음과 같다. 이중 꼭 고려되어야 할 가장 중요한 파라미터는 높이(h)와 비유전율(εr)로서, 나머지 파라미터의 중요도는 h와 εr에 비해서는 떨어진다. 금속두께(t)의 경우는 성능보다 단가나 무게의 문제 때문에 자주 고려되며, 손실을 고려하려면 tangent delta 등의 파라미터도 고려해야 한다.

 

Microstrip 파라미터 적용시 한가지 고려해야할 점이 있는데 TEM이 아니라 quasi-TEM mode를 사용하기 때문에 기판의 유전율이 그대로 수식에 적용되지 않는다. 그래서 effective dielectric constant (εe)계산이 필요해지는데, 그 계산 수식은 다음과 같다. 만약 RF circuit tool을 사용한다면 이런 계산은 자동적으로 수행되므로 사용자가 신결 쓸 필요는 없다.

 

4. Microstrip 설계

Microstrip에서 선로의 폭은 곧바로 Impedance를 의미한다. 폭이 넓을  수록 임피던스는 작고, 좁을수록 임피던스는 높다. 이것은 자동차 도로를 연상하면 쉽게 이해된다. 그리고 길이는 대부분 파장의 1/4, 1/8 과 같이 파장에 비례한 값으로 설계하게 된다. 일반적인 Microstrip 선로의 선로폭/높이와 임피던스와 관계식은 다음과 같다.

전자 회로도를 Microstrip으로 구현하려면, 저주파의 RLC lumped element처럼 구현된 회로도를 distributed type의 소자들로 변환해야 한다. 여기서 어떠한 형태의 distributed type의 소자로 변환하느냐은 설계자가 결정해야 하는 문제인데, 회로기판인 경우라면 microstrip이나 Stripline으로, 구조물의 경우라면 해당하는 RLC공진구조의 형태로 변환하게 된다. 그리고 Microstrip에서는 변환된 distributed 소자들의 전기적인 회로소자값, 즉 임피던스와 선로위상길이등의 electric size를 실제 크기의 physical size로 변환한다. 여기서 변환에 필요한 변수들이 바로 주파수와 h, εr과 같은 선로 파라미터들이다.

대부분의 RF circuit tool은 electric size로 설계한 후 Microwtrip 기판의 파라미터 정보만 입력하면 자동으로 physical size로 변환해주기 때문에 간편하게 회로설계가 가능하다.

 

 

 

 

출처 : Microstrip을쓰는이유 (rfdh.com)

Microstrip을쓰는이유

Microstrip을왜쓸까? (rfdh.com)

Microstrip을왜쓸까?

출처 : HFE0311_Maloratsky.qxd (highfrequencyelectronics.com)

 

 

출처 : EMI Software Calculations

EMI Software Calculations

출처 : Microstrip Capacitance (emisoftware.com)

Microstrip Capacitance