RF 및 마이크로웨이브 설계 지침

RF 및 마이크로파 회로는 이제 전자 산업 전반에 걸쳐 가장 일반적인 PCB 설계 중 일부이며 일반 회로보다 더 높은 주파수를 캡처하는 능력으로 인정받고 있습니다. 이전에는 군수 및 항공우주 산업 이외의 분야에 적용하기에는 너무 비싸던 RF 및 마이크로파 회로는 이제 광범위한 상업 및 전문 제품, 특히 휴대폰, 위성 방송 및 무선 네트워크와 같은 무선 통신 장치의 필수 부품이 되었습니다. 그러나 주파수가 높을수록 더 많은 설계 문제가 발생합니다.

이러한 고주파수 RF 및 마이크로파 회로의 성공을 보장하기 위해 공급업체는 PCB에 대한 여러 RF 및 마이크로파 설계 기술을 고려해야 합니다.

RF 및 마이크로웨이브 PCB 기본 사항

RF 및 마이크로파 PCB를 설명하는 가장 간단한 방법은 RF 또는 마이크로파 신호를 전달하는 구성 요소가 포함되어 있다는 것입니다. 이러한 신호는 주파수가 다르며 주파수의 차이는 RF 및 마이크로웨이브 PCB와 기타 PCB 유형 간의 구성 요소 차이를 정의합니다. 그러나 RF 및 마이크로웨이브 주파수의 기본을 파악하는 것이 RF PCB 설계 및 마이크로웨이브 PCB 설계를 이해하는 첫 번째 단계입니다.

본질적으로 전자 신호는 시간에 따라 변하는 양이며 일종의 정보를 전달합니다. 변화하는 양은 일반적으로 전압 또는 전류입니다. 이러한 신호는 오디오, 비디오 또는 인코딩된 데이터와 같은 정보를 보내고 받는 방법으로 장치 간에 전달됩니다. 이러한 신호는 종종 유선을 통해 전송되지만 무선 주파수 또는 RF 파동을 통해 공기를 통과할 수도 있습니다.

이러한 무선 주파수는 3kHz에서 300GHz 사이에서 다양하지만 실용성을 위해 더 작은 범주로 세분화됩니다. 이러한 범주에는 다음이 포함됩니다.

• 저주파 신호: 이것은 대부분의 기존 아날로그 구성 요소에서 처리하는 신호이며 최대 50MHz의 주파수를 가진 신호를 포함합니다.

• RF 신호: 무선 주파수(RF) 신호는 기술적으로 광범위한 신호 주파수를 포괄하지만 회로 설계자는 이 용어를 더 좁은 범위에서 사용합니다. 이 필드 내에서 RF 신호 주파수는 일반적으로 50MHz에서 1GHz 사이입니다. AM/FM 전송에 사용되는 동일한 신호 주파수입니다.

• 전자레인지 신호: 마이크로파 신호는 1GHz 이상의 주파수를 특징으로 합니다. 이러한 신호의 상한선은 약 30GHz입니다. 이것들은 전자 레인지에서 음식을 요리하는 데 사용되는 것과 동일한 전자 레인지입니다. 또한 매우 높은 대역폭 신호를 전달하는 데 사용됩니다.

<강한>

위에서 설명한 신호는 아날로그 신호 범주에 속하지만 RF 및 마이크로파 신호는 기존 PCB 설계에 사용되는 대부분의 표준 아날로그 신호보다 훨씬 높습니다. 아날로그 신호는 본질적으로 디지털 신호와 다르며 각 범주에는 신호를 처리하기 위해 서로 다른 구성 요소가 필요합니다. 이러한 신호는 아래에 자세히 설명되어 있습니다.

• 아날로그 신호: 아날로그 신호는 시간이 지남에 따라 지속적으로 변화하며, 이 신호를 그래프로 보면 부드러운 파형으로 나타납니다. 이 파동에는 최대값과 최소값의 제한된 범위 내에서 무한한 수의 값 가능성이 있습니다. 대부분의 전자 부품(저항기, 커패시터, 트랜지스터 등)은 아날로그 신호로 작동하지만 순수한 아날로그 회로는 디지털 PCB보다 설계하기가 훨씬 더 어렵습니다. 이것은 주로 소음 및 기타 문제에 대한 민감성 때문입니다. 표준 아날로그 신호는 일반적으로 DC와 100MHz 정도 사이에 속하지만 주파수가 매우 다양합니다. RF 신호는 본질적으로 아날로그 신호입니다.

• 디지털 신호: 아날로그 신호와 달리 디지털 신호는 유한한 값 집합으로 작동합니다. 이 집합에 있는 값의 수는 매우 클 수 있지만 무한하지는 않습니다. 이러한 디지털 신호가 두 값으로 작동하는 것을 보는 것이 일반적이지만 신호는 한 번에 두 값 중 하나만 될 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 이러한 유형의 신호를 볼 때 신호의 변화에 ​​의해 생성된 파동은 연속적이지 않고 정사각형입니다. 디지털 신호는 아날로그 신호의 부드러운 파형을 복제하려고 시도할 수 있지만 이러한 디지털 파형은 항상 부드러운 곡선이 아닌 개별 단계로 구성됩니다. 그러나 이러한 개별 신호는 일반적으로 더 비싸지만 디지털 회로가 아날로그 회로보다 설계하기 쉽다는 것을 의미합니다.

신호를 한 형식에서 다른 형식으로 변환하도록 설계된 구성 요소와 함께 단일 회로 내에서 작동하는 두 신호를 모두 찾는 것이 일반적입니다. 그러나 이러한 유형의 회로는 특히 아날로그 구성 요소가 RF 신호와 같은 고주파수 신호를 처리할 때 신중하게 설계해야 합니다. 주파수가 높을수록 노이즈와 같은 문제가 발생할 가능성이 커집니다.

RF 및 마이크로웨이브 PCB 설계의 일반적인 문제 및 솔루션

RF 또는 마이크로파 회로가 있는 PCB 레이아웃은 일반적인 아날로그 또는 디지털 PCB보다 설계하기가 훨씬 더 어려운 경향이 있습니다. 이는 RF 신호와 관련된 몇 가지 문제가 더 많은 기능 및 품질 때문입니다. RF 또는 Microwave PCB를 설계할 때 다음 사항과 문제점을 염두에 두십시오.

PCB 디자인 기본 사항

먼저 RF 및 마이크로웨이브 PCB는 조립 과정에서 발생할 수 있는 오류 가능성을 최소화하도록 설계되어야 합니다. 가장 기본적인 RF 레이아웃 설계 지침은 다음과 같습니다.

• 부품 분리: 보드에 저수준 아날로그, RF 및 디지털 구성 요소와 같은 여러 유형의 부품이 있는 경우 별도로 유지해야 합니다. 이는 설계자가 관리하기 쉬울 뿐만 아니라 조립 단계에서 치명적인 문제가 발생할 가능성을 최소화합니다.
• 다층 PCB: 이상적으로 RF 및 마이크로웨이브 PCB는 하나 이상의 레이어를 포함해야 합니다. 최상위 계층에는 RF 신호 라인 및 구성 요소뿐만 아니라 전력 스테이지도 포함되어야 합니다. 다중 레이어 PCB가 있는 경우 RF 또는 마이크로웨이브 신호 라인을 포함하는 레이어 아래에 접지 레이어가 있는지 확인하십시오.
• 소음에 대한 민감도: RF 및 마이크로파 PCB 설계자는 이러한 고주파 신호가 노이즈에 얼마나 민감한지 이해해야 합니다. 대부분의 설계자는 고속 디지털 신호에서 이러한 감도로 작업하는 데 익숙하지만 RF 및 마이크로파 신호는 훨씬 더 민감하기 때문에 훨씬 더 주의해야 합니다. 이러한 신호는 또한 더 다양한 노이즈 유형에 민감합니다. 이 극도의 감도는 신호 노이즈, 반사 또는 링잉 가능성을 완화해야 함을 의미합니다.

노이즈는 회로 내에서 오류와 기능적 문제를 일으키는 원치 않는 전압 변동을 설명하는 데 사용되는 용어입니다. 소음은 다양한 형태로 나타나며 주파수 분포에 따라 다음 범주에 속합니다.

• 백색 소음: 이것은 모든 주파수에 동일하게 추가되는 노이즈 유형입니다.
• 핑크 노이즈: 핑크 노이즈는 균일한 응답을 생성하지 않고 대신 주파수가 증가함에 따라 진동합니다.
• 대역 제한 소음: 이 노이즈의 주파수 대역은 필터 또는 통과하는 회로에 의해 제한됩니다.

RF 노이즈는 유형에 따라 분류되는 여러 소스에서 발생할 수 있습니다. 각 소음 유형에 대한 솔루션과 함께 아래에 설명되어 있습니다.

• 열 소음: Johnson 또는 Johnson Nyquist 소음이라고도 하는 이러한 종류의 소음은 열 교반의 결과입니다. 이 열 교란은 도체의 전하 캐리어에 영향을 미치고 의도한 것보다 더 많이 여기시켜 노이즈를 생성합니다. 이러한 문제는 일반적으로 회로 주변의 냉각 시스템이나 회로 자체의 방열 기능을 통해 온도를 조절하여 회로에 대한 온도의 영향을 최소화함으로써 해결할 수 있습니다.
• 샷 노이즈: 이 노이즈는 전자 전하의 불연속적인 특성으로 인해 시간이 지남에 따라 전류가 변동하기 때문에 발생합니다. 이 노이즈는 전류의 흐름에 의해 발생하기 때문에 금속 저항이 발생을 최소화하는 경향이 있지만 제거하기가 어렵습니다. 다행히 샷 노이즈는 터널 접합 및 배리어 다이오드와 같은 장치에서만 나타납니다.
• 위상 잡음: 이러한 유형의 RF 노이즈는 무선 주파수 신호에서 볼 수 있으며 시스템 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 이 노이즈는 신호 자체 내에서 위상 지터 또는 변동으로 나타나며, 이는 신호 또는 반송파의 양쪽으로 측파대가 확산되는 것으로 나타납니다. 위상 노이즈는 비트 오류율을 저하시키고 전송되는 데이터의 품질을 저하시킬 수 있으므로 디지털 정보를 전달할 때 특히 문제가 되는 노이즈 유형이 될 수 있습니다. 더 깨끗한 신호는 이 노이즈를 줄이는 가장 좋은 방법이며 설계 프로세스 초기에 고려해야 합니다.
• 플리커 노이즈: 1/f 노이즈라고도 하는 이 노이즈는 거의 모든 전자 장치에서 발생하며 일반적으로 직류 흐름에 의해 발생합니다. 신호 주파수의 역수에 비례하지만 위상 잡음과 유사하게 나타납니다. 특수 필터를 통해 신호를 처리하면 일반적으로 이러한 종류의 노이즈를 줄이는 데 도움이 됩니다.
• 눈사태 소음: 이 노이즈는 애벌랜치 브레이크다운 지점에 너무 가깝게 작동하는 접합 다이오드로 인해 발생합니다. 그 결과 다이오드에서 많은 노이즈가 생성됩니다. 이 애벌랜치 노이즈를 제거하는 것은 커패시터 기반 필터 또는 평활 네트워크를 사용하는 것만큼 간단합니다.

"관심 대역"에서 신호를 전송하는 적절한 대역 통과 필터를 사용하면 많은 잡음을 완화할 수 있습니다. 특정 주파수 범위 내의 신호만 이 필터를 통과할 수 있고 필터는 나머지를 차단합니다. 그러나 이것은 주파수 범위 내에서 부정확한 신호의 문제를 해결하지 못합니다. 이상적으로는 위의 방법 중 하나를 통해 노이즈의 원인을 제거해야 합니다.

임피던스 매칭

임피던스 매칭은 RF PCB의 또 다른 중요한 요구 사항입니다. 고속 디지털 신호는 임피던스 매칭과 관련하여 어느 정도 허용 오차가 있지만 주파수가 높을수록 허용 오차는 작아집니다. RF 및 마이크로파 신호의 경우 이 허용 오차가 특히 엄격합니다.

설계에서 임피던스 매칭을 고려할 때 염두에 두어야 할 몇 가지 사항이 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

• 피부 효과 손실: 더 높은 주파수에서 전자는 도체의 외부 표면을 따라 흐르기 시작할 것입니다. 이것을 "피부 효과"라고 ​​합니다. 트레이스에서 전자를 퍼내기 위해 작은 영역이 사용됩니다. 그러나 이 깔때기는 도체 외부로 흐르는 전자의 일부를 잡아서 신호 에너지를 열로 변환합니다. 이것은 "피부 효과 손실"이라고 불리는 것입니다. 이 손실은 적절한 임피던스 매칭과 PCB 도금으로 가장 잘 최소화됩니다.

• 줄 길이를 짧게 유지: RF/마이크로웨이브 신호를 전달하는 라인이 길수록 신호 손실 가능성이 커집니다. 이상적으로는 선이 파장의 1/20이어야 합니다. 임계 신호 길이라고도 하는 파장의 1/16보다 길어야 하는 경우 라인 끝에 L 및 C 구성요소를 사용하여 해당 트레이스에 임피던스 제어를 적용해야 합니다.

수익 손실

반사 손실은 종종 신호 반사로 인해 발생합니다. 불행히도 RF 및 마이크로파 신호는 신호 노이즈에 더 민감하기 때문에 반사 손실이 더 두드러진 문제입니다. 리턴 신호는 일반적으로 저항이 가장 적은 경로를 따르지만 주파수가 높은 신호는 인덕턴스가 가장 적은 경로를 따르는 경향이 있습니다. 이러한 경로는 원래 신호 아래의 접지면을 포함하는 경향이 있습니다.

반사 손실을 최소화하려면 접지 플레인이 드라이버에서 수신기까지 연속적이어야 합니다. 그렇지 않으면 리턴 신호가 다른 전원 플레인을 통과할 수 있습니다. 이러한 대체 경로는 덜 이상적이기 때문에 반사 및 링잉을 통해 상당한 신호 노이즈를 발생시키거나 열의 형태로 손실될 수도 있습니다.

크로스토크

누화는 전도체 간의 의도하지 않은 에너지 전달로 인해 결합된 신호가 발생합니다. 이러한 전송은 일반적으로 상호 인덕턴스와 션트 커패시턴스의 결과이며 PCB의 밀도와 성능이 증가함에 따라 누화의 발생이 증가하는 경향이 있습니다. 도체의 근접성, 도체가 평행하게 흐르는 거리 및 활성 라인의 에지 속도도 중요한 역할을 합니다. 누화는 RF 및 마이크로웨이브 설계와 같은 고주파수 설계에서 심각한 문제인 경향이 있습니다. 따라서 설계자는 혼선을 방지하기 위해 최선을 다해야 합니다.

Crosstalk는 가능한 한 최소화되어야 합니다. 다행히도 여러 가지 방법이 있습니다. 이러한 방법에는 다음이 포함됩니다.

• 신호 분리: 중심에서 중심까지의 거리는 이상적으로는 신호 추적 너비의 약 4배여야 합니다.

• 평행선 최소화: 선이 절대적으로 서로 평행해야 하는 경우 선이 서로 평행을 이루는 거리를 최소로 유지하십시오.

• 유전체 간격 줄이기: 선과 기준 평면 사이의 유전체 간격을 최소화해야 합니다.

• 공동 평면 구조 도입: 트레이스 사이에 접지면을 삽입합니다.

• 회선 종료: 특성 임피던스에서 라인을 종료하면 누화를 50%까지 줄일 수 있습니다.

라미네이트 속성

PCB 라미네이트의 특성은 RF 또는 마이크로웨이브 PCB의 기능에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어 FR4는 고주파 라미네이트보다 손실 계수가 더 높기 때문에 신호 주파수가 증가함에 따라 FR4 라미네이트가 더 높은 삽입 손실을 초래할 수 있습니다. 또한 FR4의 유전 상수 또는 Dk 값은 고주파 라미네이트보다 더 높고 가변적인 경향이 있습니다. FR4 Dk 값은 최대 10%까지 변할 수 있으며, 이에 따라 임피던스가 변합니다.

유전 손실은 라미네이트의 특성과 관련된 일반적인 문제입니다. 표피 효과 손실과 유사하게 전자가 전도체를 통해 흐르고 FR4 PCB 기판의 전자에 반사될 때 유전 손실이 발생합니다. 이들 전자의 상호작용 동안, 흐르는 전자로부터의 신호 에너지의 일부가 FR4 전자로 전달되고, 이는 차례로 에너지를 열로 변환합니다. FR4의 손실 계수가 0.02인 것과 대조적으로 약 0.001의 소산 계수를 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌 테플론과 같이 소산 계수가 매우 낮은 기판을 사용하면 이러한 종류의 손실을 피할 수 있습니다.

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