소개: 고주파 설계의 중요성
고주파 회로 설계는 5G 통신(24-100 GHz)과 자동차 레이더 시스템(77-81 GHz)에서 고속 디지털 인터페이스(25+ Gbps) 및 IoT 장치에 이르기까지 현대 전자 제품에서 점점 더 중요해지고 있습니다.
빠른 참조: 주파수 범위
"고주파"를 일반적으로 100 MHz 이상, 확실히 1 GHz 이상으로 정의할 때, 전통적인 저주파 설계 접근 방식은 부적절해집니다. 이러한 주파수에서 0.1 nH만큼 작은 기생 소자도 상당한 임피던스 불연속을 만들 수 있으며, λ/10(1 GHz에서 약 3 cm)를 초과하는 트레이스 길이는 전송 선로 동작을 나타냅니다.
기본 개념과 고유한 과제
고주파 설계는 파장이 회로 크기와 비슷해지기 때문에 저주파 접근 방식과 근본적으로 다릅니다. 회로 요소가 신호 파장의 1/10에 접근하면 분산 효과가 중요해지고 집중 요소 분석이 실패합니다.
고주파의 주요 과제
- 표피 효과 손실 관리
- 유전 손실 처리
- 전자기 복사 제어
- 다양한 조건에서 신호 무결성 유지
- 더 엄격한 제조 공차
재료 선택 및 유전 특성
기판 재료의 선택은 고주파 PCB 설계에서 가장 중요한 결정일 수 있습니다. 안정적인 유전 상수를 가진 저손실 재료는 신호 무결성을 유지하는 데 필수적입니다.
재료 비교
- Dk: 2.20 ± 0.02
- Df: 0.0009 @ 10 GHz
- 비용: ~$15-25/sq.ft
- 최적: RF/마이크로파
- Dk: 4.4 ± 0.1
- Df: 0.02 @ 1 GHz
- 비용: ~$2-5/sq.ft
- 최적: 비용 민감형
Rogers RT/duroid 시리즈와 같은 PTFE 기반 재료는 매우 낮은 손실 탄젠트(일반적으로 <0.002)로 우수한 성능을 제공합니다. 그러나 이러한 재료는 더 높은 비용과 가공 문제가 있습니다. 재료의 온도 안정성, 수분 흡수 및 열 팽창 계수도 장기 신뢰성에 상당한 영향을 미칩니다.
임피던스 제어 및 정합 기술
임피던스 제어는 고주파 설계 성공의 기본입니다. 반사를 최소화하고 전력 전송을 최대화하기 위해 신호 경로 전체에서 특성 임피던스를 신중하게 제어해야 합니다.
실용적인 임피던스 계산
마이크로스트립 임피던스 (근사값):
예제: w = 0.2mm, h = 0.1mm, εᵣ = 4.4, t = 0.035mm → Z₀ ≈ 50Ω
VSWR의 반사 손실에 대한 영향:
신호 무결성 및 전송선로 이론
고주파에서 PCB 트레이스는 특성 임피던스, 전파 지연 및 손실 파라미터를 가진 전송 선로로 동작합니다. 신호 무결성은 반사, 크로스토크 및 신호 왜곡의 관리를 포함합니다.
시간 영역 반사계측(TDR) 접근 방식은 임피던스 불연속성과 신호 품질에 미치는 영향을 분석하는 데 도움이 됩니다. 차동 신호는 싱글 엔드 신호에 비해 우수한 노이즈 내성과 감소된 EMI를 제공합니다. 직렬, 병렬 및 AC 종단을 포함한 적절한 종단 전략은 신호 무결성을 유지하는 데 중요합니다.
기생 효과 최소화
기생 인덕턴스, 커패시턴스 및 저항은 고주파에서 점점 더 문제가 됩니다. 비아 인덕턴스는 중요한 임피던스 불연속성을 만들 수 있으므로 비아 설계 및 배치에 주의가 필요합니다.
기생 완화 전략
- 기생 인덕턴스 및 EMI를 줄이기 위해 전류 루프 영역 최소화
- 자기 공진 주파수를 고려한 전략적 디커플링 커패시터 배치
- 전문화된 전력 공급 네트워크 설계로 그라운드 바운스 및 SSN 해결
- 패키지 인덕턴스 및 본딩 와이어 효과 고려
접지 및 차폐 전략
효과적인 접지는 고주파 성능에 중요하며, 신호에 대한 기준 평면과 전류에 대한 리턴 경로를 제공합니다. 솔리드 그라운드 플레인은 가장 낮은 임피던스 리턴 경로를 제공하고 전자기장을 제어하는 데 도움이 됩니다.
차폐 기술
민감한 회로의 완전 차폐
다른 주파수 섹션 격리
인클로저 조인트에서 차폐 유지
PCB 레이아웃 및 라우팅 기술
고주파 PCB 레이아웃은 세부 사항에 대한 세심한 주의와 특정 설계 규칙 준수가 필요합니다. 구성 요소 배치는 열 관리를 위한 적절한 간격을 유지하면서 신호 경로 길이를 최소화해야 합니다.
- 솔리드 기준 평면이 있는 전용 레이어에 고주파 신호 라우팅
- 차동 쌍은 신중한 길이 매칭 및 제어된 간격이 필요합니다
- 신호가 레이어를 변경할 때 비아 스티칭이 기준 평면 연속성을 유지합니다
- 가드 트레이스와 그라운드 절연은 민감한 회로 간 크로스토크를 줄입니다
전자기 간섭 (EMI) 제어
EMI 제어는 방사 효율 증가 및 결합 메커니즘으로 인해 고주파에서 점점 더 어려워집니다. EMI의 소스에는 디지털 스위칭 회로, 클록 신호 및 잘못 설계된 전원 공급 장치가 포함됩니다.
완화 전략에는 적절한 접지, 차폐, 필터링 및 회로 레이아웃 최적화가 포함됩니다. 스펙트럼 확산 클로킹은 더 넓은 주파수 범위에 에너지를 분산시켜 피크 EMI 레벨을 줄일 수 있습니다. 페라이트 비드와 EMI 필터는 전원 및 신호 라인의 고주파 노이즈를 억제하는 데 도움이 됩니다.
열 관리 고려사항
고주파 회로는 종종 높은 전력 수준에서 작동하므로 성능과 신뢰성을 위해 열 관리가 중요합니다. 열 설계는 정상 상태 온도 상승뿐만 아니라 열 사이클링 효과도 고려해야 합니다.
열 관리 기술
- 열 비아는 구성 요소에서 그라운드 플레인 또는 히트 싱크로 열을 전도합니다
- 전기적 특성과 함께 열 전도도 고려
- 고전력 애플리케이션에는 능동 냉각(팬, 액체)이 필요할 수 있습니다
- 열 시뮬레이션은 잠재적 핫스팟 식별에 도움
시뮬레이션 및 측정 기술
현대 고주파 설계는 제조 전에 회로 동작을 예측하기 위해 전자기 시뮬레이션 도구에 크게 의존합니다. HFSS, CST 및 Momentum을 포함한 3D 필드 솔버는 복잡한 기하학의 정확한 모델링을 제공합니다.
필수 측정 도구
S-파라미터 측정, 임피던스 분석
EMI 측정, 고조파 분석
아이 다이어그램, 지터 분석
임피던스 불연속 위치
고주파 설계 체크리스트
레이아웃 전후 검토
레이아웃 전 검토:
- ☐ 주파수 범위에 대한 재료 선택 검증
- ☐ 임피던스 제어를 위한 레이어 스택업 설계
- ☐ 구성 요소 기생 효과 분석
- ☐ 열 요구사항 계산
- ☐ EMC 요구사항 정의
레이아웃 후 검토:
- ☐ 모든 중요 네트 길이 매칭 (<0.1mm)
- ☐ 리턴 경로 연속성 확인
- ☐ RF 경로의 비아 수 최소화
- ☐ 전원 공급 네트워크 최적화
- ☐ EMI 차폐 구현
주요 요점
- 재료 선택은 고주파 성능에 상당한 영향을 미칩니다
- 신호 경로 전체의 임피던스 제어가 필수적입니다
- 기생 효과는 고주파에서 지배적이 됩니다
- 효과적인 접지 및 차폐는 EMI 제어에 중요합니다
- 열 관리는 더 높은 주파수에서 점점 더 중요해집니다
- 시뮬레이션 도구는 동작 예측에 필수적입니다