디지털 엔지니어를 위한 RF PCB 설계 지침: 레이아웃과 라우팅

전자 산업에서 다양한 사람들과 함께 일하고 있으며, 그 중 몇몇은 재료 및 반도체 분야의 회사들입니다. 한 회의에서 한 스타트업 창업자가 저에게 말했습니다. "전기공학자들은 자격 시험을 통과하기 위해 RF 설계를 배워야만 했습니다. 이제 우리는 설계하고 있는 제품을 위해 RF PCB 설계 책을 다시 읽고, 그것을 다시 배워야 합니다." 레이저 및 광학 배경에서 온 저로서는 RF 설계와 일반적인 아날로그 설계가 자연스럽고, 디지털 설계의 어려움을 항상 과소평가해왔습니다. 이제 현대 시스템이 더 높은 주파수에서 작동하고, 다양한 무선 프로토콜을 통합하며, 많은 아날로그 센서와 인터페이스하는 고급 설계는 두 분야 모두에서 지식을 요구합니다.

디지털 디자이너라면 시간 영역에서 작업하는 데 익숙하며 시간에 따라 변하는 전자 장치의 동작에 대한 훌륭한 개념적 이해를 가지고 있을 것입니다. 이제 RF 분야에서 작업을 시작하고 전아날로그 또는 혼합 신호 시스템을 설계해야 한다면, RF PCB 레이아웃은 새로운 전문 분야가 되어야 합니다. RF PCB 레이아웃을 생성한 후에는 설계를 평가하고 시스템이 의도한 대로 작동하는지 확인할 수 있는 몇 가지 필드 솔버 도구를 사용할 수 있습니다. 디지털 디자이너이며 이제 고주파 아날로그 설계로 넘어가고 있다면, 레이아웃 및 라우팅에서 RF PCB 설계 지침에 대해 자세히 알아보려면 계속 읽어보세요.

RF 레이아웃 지침 시작하기

RF PCB 레이아웃을 시작할 때는 모든 보드에 대해 일반적인 몇 가지 고려 사항이 있습니다. 보드의 크기는 얼마나 되나요? 중요한 구성 요소나 커넥터는 어디에 위치해야 하나요? 기계적으로 그것의 인클로저에 어떻게 맞을까요? 이러한 질문은 모든 PCB에 중요하지만, RF 시스템은 답해야 할 고유한 설계 고려 사항을 가지고 있습니다.

고주파 RF 섹션이 있는 RF PCB 레이아웃이나 디지털 시스템을 개발할 때 답해야 할 중요한 질문들은 다음과 같습니다:

• 어떤 프로토콜이 관련되어 있나요?RF 시스템은 고주파를 다루어야 할 것이며, 이는 일부 표준화된 프로토콜과 주파수 범위에서 작동할 수 있습니다. 시스템에는 하나 이상의 프로토콜이 있을 수 있으며, 서로 다른 프로토콜은 서로 간섭해서는 안 됩니다.
• 어떤 주파수가 관련되어 있나요? 일반적으로, 낮은 주파수는 높은 주파수보다 더 관대합니다. 왜냐하면 낮은 주파수에서는 기생 현상이 덜 눈에 띄기 때문입니다. RF 시스템은 낮은 주파수에서 서로에게 방사된 잡음을 결합시킬 가능성이 더 적습니다.
• 어떤 디지털 인터페이스가 관련되어 있나요? 일부 시스템에서는 디지털 인터페이스가 느린 에지 속도(SPI, I2C 등)를 가질 수 있으므로, 라우팅과 PCB 레이아웃에 대한 최선의 관행을 무시하지 않는 한 아날로그 성능에 큰 영향을 미치지 않을 수 있습니다. 높은 컴퓨팅 파워를 가진 임베디드 시스템은 기가비트 이더넷, DDR, PCIe 등과 같은 고속 프로토콜을 사용할 것이며, 이는 RF 신호 네트워크로의 크로스토크를 더 쉽게 생성할 수 있습니다.

분명히 "고주파"라는 용어는 주관적이지만, 중요한 점은 주파수가 RF PCB 레이아웃에서 많은 설계 결정에 영향을 미친다는 것입니다. 그런 다음 레이더 PCB나 MIMO 안테나가 있는 시스템과 같은 시스템 특정 요구 사항이 있습니다. 아날로그와 디지털 섹션은 아날로그 구성 요소가 RF 신호와 상호 작용하는 방식 때문에 다르게 처리해야 합니다. 이는 레이아웃에서 구성 요소 배치와 라우팅 선택에 영향을 미칠 것입니다.

혼합 신호 PCB 플로어플래닝

디지털 디자이너는 RF 시스템을 플로어플래닝 접근 방식으로 접근해야 합니다. 여기서의 고급 목표는 구성 요소를 제품에 기능을 제공하는 역할에 따라 기능 블록으로 그룹화하는 것입니다. 부수적인 목표는 필요한 연결을 만들기 위해 보드 전체에 긴 RF 연결을 라우팅해야 하는 상황을 제거하는 것입니다. 저와 제 팀은 PCB 레이아웃으로 가져오기 전에 이것을 회로도에서 단순히 유지하기 위해 이 작업을 수행하며, 이를 사전에 수행하면 사물을 정돈된 상태로 유지하는 데 도움이 됩니다.

가능한 한 컴팩트하게 유지하고 다른 블록으로 세분화하는 것이 좋습니다. 기능 블록을 분리하기 시작하면 RF 및 디지털 트레이스를 보드 전체에 걸쳐 왕복 라우팅해야 할 위험이 있습니다. 이로 인해 강한 크로스토크가 발생할 수 있는 지점이 더 많아지며, 보드 전체에서 리턴 패스를 추적하는 것이 더 어려워집니다. 플로어플래닝은 또 다른 중요한 작업과 함께 수행되어야 합니다: PCB 스택업 디자인.

RF 장치용 PCB 스택업 디자인

스택업 디자인은 플로어플래닝과 관련이 있으며, 라우팅 전략과 레이아웃은 실제 RF 주파수에서 특히 접지 전략을 요구합니다. 사용하는 PCB 스택업은 PCB 레이아웃에서의 전원 및 접지 접근성을 결정하며, 보드 내에서 신호 라우팅을 위한 사용 가능한 공간도 결정합니다. RF 디자인에 사용할 수 있는 8층 PCB 스택업의 예는 아래에 나와 있습니다. 이것이 전형적인 것은 아니지만, 저속, 고속 및 RF 신호에 대해 스택업에서 신호층 대 평면층을 선택하고 배열하는 패턴을 제공합니다.

이 예시 스택업에서는 고주파 아날로그 구성 요소 간의 직접 연결을 제공하기 위해 상단 표면 레이어에 트레이스가 있으며, 이는 아래에서 제시할 라우팅 스타일 중 어느 것으로든 라우팅될 수 있습니다. 바로 아래에는 인터플레인 커패시턴스를 제공하고 시스템 전체에 안정적인 전력을 공급하기 위해 인접한 접지/전력 평면이 있습니다(디지털 및 아날로그 구성 요소 모두에 대해). 내부 레이어에서는 다른 (저주파) RF 신호를 가질 수 있거나, 저속 디지털 신호를 가질 수 있습니다. 하단 표면에서는 고속 디지털 신호의 가능성을 허용했지만, 반환 경로가 제어되는 한 상단 및 하단 레이어에 이러한 다양한 신호를 혼합할 수도 있습니다.

혼합 신호 시스템을 위한 PCB 스택업 계획 및 반환 경로 추적에 대한 RF PCB 설계 기술에 대해 켈라 낙의 최근 기사에서 더 읽어보세요.

보드에 디지털 구성 요소를 많이 포장하지 않는 경우, 2개 층을 포기할 수도 있겠지만, 저는 시스템 내에서 접지가 필요하기 때문에 적은 구성 요소 수로도 최소 4개 또는 6개 층이 필요하다고 주장하겠습니다. 접지의 목표는 라우팅을 지원하는 것이며, 이는 RF 레이아웃 지침의 다음 섹션에서 논의할 것입니다.

라우팅을 지원하기 위한 접지 계획

접지는 RF 레이아웃에서 반환 경로를 정의하는 데 중요하지만, 트레이스를 둘러싼 여행하는 전자기파가 차지하는 보드 내 공간 측면에서 생각하는 것이 더 낫습니다. 인터커넥트에서 신호가 도체 위에서 흐르는 전류로 나타나지 않는다는 점에 유의하세요; 이는 현실과 일치하지 않는 개념적 모델입니다. 사실은 전자기장이 도체 주변의 일부 공간을 차지하며, 이 공간 내에서의 전자기장의 강도는 인터커넥트 주변의 도체의 존재에 의해 결정됩니다.

트레이스 주변의 전장은 변위 전류가 나타나게 합니다. 이는 아래에 보여진 마이크로스트립 트레이스와 접지면 배열을 살펴보면, 절연체(기판 라미네이트 재료)로 분리된 서로 다른 전위에 놓인 두 도체가 캐패시터를 형성하기 때문입니다. 접지면의 변위 전류는 전기장 선이 접지면에서 끝나면서 접지면을 따라 흐릅니다.

이 모든 것이 RF PCB 레이아웃에 왜 그렇게 중요한가요? 이유는 고주파 연결부 근처에 접지를 배치하면 연결부 주변의 전장을 제한하고, 더 높은 주파수에서 트레이스에 더 가까운 반환 전류가 유지되도록 보장하기 때문입니다. 트레이스 근처에 접지면이 없으면 반환 전류가 정확히 어디에 있는지 모르게 되어 강한 EMI 발생과 수신을 초래합니다.

접지에 대한 이 포인트를 빠르게 요약하자면, RF PCB 설계 지침이 두 가지 있습니다:

• 디지털 및 아날로그 구성 요소로 평면 레이어를 섬으로 분리하거나 캐패시터로 연결하려고 시도하지 마십시오. EMI 문제를 일으키는 잘못 구성된 반환 경로가 생깁니다. 단일 평면 레이어를 사용하고 반환 경로를 추적하는 방법을 배우십시오.
• 신호 및 전력 무결성을 보장하기 위해 평면 레이어를 활용하세요. 이는 몇 개의 구성 요소만 있는 간단한 RF 보드라도 필요한 평면 레이어를 제공하기 위해 최소한 4-레이어 보드가 필요함을 의미합니다.

RF PCB 레이아웃에서 접지의 중요성에 대해 자세히 알아보려면, PCB의 반환 경로에 대해 최근 기사에서 더 읽어보세요.

RF 트레이스 라우팅

이제 재미있는 부분, RF 라우팅을 할 시간입니다. 모든 RF 라우팅은 제어된 임피던스를 요구합니다. 이는 구성 요소(예: 분배기 또는 안테나)로의 전력 전달을 보장하기 위해 종단 네트워크를 배치하거나, 인터커넥트를 따라 특정 주파수를 조정하기 위해 필터/증폭기를 배치하는 것을 요구할 수 있습니다. 통합 RF 출력을 가진 구성 요소는 온-다이에 필요한 종단이 있을 수 있으므로, RF 인터커넥트의 드라이버 끝에 종단 구성 요소를 배치하기 전에 이를 확인하세요.

트레이스 기하학

RF 트레이스를 라우팅할 시간이 되면, 트레이스 기하학을 결정해야 합니다. 와이파이 주파수 이상에서, 대부분의 구성 요소 응용 노트는 RF 트레이스를 라우팅하기 위해 접지된 동일 평면 도파관 사용을 권장합니다. 그러나 다양한 트레이스 기하학의 장단점을 디자이너로서 고려하는 것은 여러분의 몫입니다. 아래 표에서 이를 요약했습니다.

의 사용으로 인해 더 많은 단계가 필요합니다. 위의 모든 기하학적 형태에서, 우리는 일반적으로 좁은 대역 신호를 다루고 있으며, FR4 라미네이트는 실제 무선/RF 신호 표준에서 찾을 수 있는 좁은 대역폭 내에서 상당히 낮은 분산을 가지는 경향이 있습니다. 현재로서는 생각할 수 있는 유일한 예외는 소프트웨어 정의 라디오로, 디지털 트레이스에 대한 목표 임피던스를 설계하는 것과 동일한 접근 방식(즉, 광대역 접근 방식)이 필요합니다. 이 응용 분야를 제외하고는 일반적으로 FR4 분산을 무시할 수 있으며, 목표 주파수에서 Dk 및 손실 탄젠트 값을 알고 있다면 필드 솔버로 정확한 임피던스 계산을 얻을 수 있습니다.

트레이스 길이와 비아의 영향

RF 인터커넥트에서 트레이스 길이와 비아를 언급하는 이유는 RF PCB에서 전체 손실과 신호 왜곡에 비슷한 영향을 줄 수 있기 때문입니다. 그러나 같은 방식으로 작용하지는 않습니다. 일부 설계자들은 고주파 신호에서 가능한 한 짧은 트레이스 길이를 항상 사용해야 한다고 말하지만, 그것이 중요한 이유를 제대로 이해하지 못하는 것 같습니다. 손실은 한 요소이지만, 입력 임피던스도 중요한데, 이는 특히 종단 네트워크와 커플링 커패시터가 있는 인터커넥트에서 중요합니다.

간단히 말해서, 인터커넥트에서 트레이스 길이와 비아 수에 관해 따라야 할 RF 레이아웃 지침 목록이 있습니다:
RF 회로의 구성 요소 사이의 트레이스, 예를 들어 필터의 수동 부품은 트레이스 간 라우팅이 짧더라도 전송선으로 동작할 수 있습니다.

• 손실은 중요하지만, 짧은 인터커넥트에서의 손실은 두 임피던스 간의 불일치로 인한 반사 손실에 의해 지배됩니다. 이러한 불일치는 일반적으로 필드 솔버를 사용하여 정확한 임피던스로 설계함으로써 처리해야 합니다.
• 제어된 임피던스를 가진 마이크로스트립을 설계했다면, 마이크로스트립으로 라우팅하세요. 마이크로스트립 주변에 그라운드 푸어와 비아를 배치하면 임피던스가 변경되므로 마이크로스트립을 공평한 도파관으로 라우팅하지 마세요.
• 고주파에서는 mmWave 주파수에서처럼 관통 홀 비아가 필터나 공진기처럼 작동하기 시작할 수 있습니다. 손실이 누적되므로 너무 많은 비아를 통해 라우팅하지 마시고, 고주파 전송선에 비아 스터브를 남기지 마십시오.
• 임피던스를 유지하고 손실/왜곡을 최소화하기 위해 고속/고주파 PCB에 대한 다른 표준 라우팅 지침을 따르십시오. 향후 기사에서 라우팅에 대해 더 자세히 논의할 예정입니다.

RF PCB 레이아웃은 디지털 디자이너에게 복잡할 수 있지만, Altium Designer®의 디자인 기능은 고정밀도로 라우팅하고 Ansys 필드 솔버에서 EDB Exporter 유틸리티로 디자인을 분석하기 위해 내보낼 수 있도록 도와줍니다.. Altium Designer와 Ansys는 RF 엔지니어와 PCB 디자이너가 고주파 디자인에서 협력하고 RF PCB 레이아웃을 완전히 평가할 수 있는 쉬운 방법을 제공하기 위해 함께 했습니다.

디자인을 마치고 제조업체에 파일을 릴리스하고 싶을 때, Altium 365™ 플랫폼은 프로젝트를 협업하고 공유하는 것을 쉽게 만들어 줍니다. 댓글 달기, 디자인 공유, 사용자 접근 관리와 같은 기능을 통해 RF PCB 레이아웃을 PCB 디자인 검토 과정으로 쉽게 이동시킬 수 있으며, 필요한 변경사항을 PCB 레이아웃에 태그하여 디자이너에게 수정을 위해 다시 보낼 수 있습니다. Altium 365는 또한 이메일을 보내거나 외부 채팅 프로그램을 사용하지 않고도 PCB 제조업체와 제작 데이터를 빠르게 공유할 수 있게 해줍니다.

이 RF 디자인 블로그에서 Altium Designer와 Altium 365를 사용하여 할 수 있는 것의 표면만 긁어낸 것입니다. RF PCB 디자인 기술에 대한 보다 심층적인 기능 설명을 확인하려면 제품 페이지나 온디맨드 웨비나 중 하나를 확인하세요.