mmWave 라우팅을 모드 선택적 전송선으로 활용하기

고속 PCB는 데이터 전송 속도를 대폭 높여, 신호 무결성과 낮은 손실을 보장하기 위해 연결부에 엄격한 설계 요구 사항을 제시하고 있습니다. 이전 기사에서, 저는 RF PCB를 위한 기판 통합 도파관 라우팅을 고주파 라우팅을 위한 하나의 옵션으로 논의했습니다. 이러한 전송선은 우수한 격리를 제공하며 안테나로의 간단한 전환에 유용하지만, 고주파 설계 라우팅을 위한 유일한 옵션은 아닙니다.

모드 선택적 전송선은 매우 높은 주파수에서 구성 요소 간의 신호를 라우팅하기 위한 공통 평면 도파관 구성의 한 변형입니다. 모드 선택적 전송선이나 다른 기하학적 구성을 사용하는 목표는 특정 대역폭에서 단일 모드 전파를 통해 낮은 분산과 낮은 손실 라우팅을 제공하는 것입니다. 이 기사에서는, 공통 평면 도파관에 대한 이 간단한 변형과 RF 응용 프로그램을 위한 모드 선택으로 고립 라우팅을 제공할 수 있는 방법을 소개할 것입니다.

고속은 RF 설계와의 간극을 메웁니다

디지털 디자이너이든 RF 디자이너이든, 고속 디지털 채널이 더 높은 주파수로 밀어붙이는 추세는 모두가 설계 중에 RF 개념을 적용하도록 강요하고 있습니다. 이 중요한 주제에 대해 내가 가장 좋아하는 연사 중 한 명인 John Coonrod는 RF 디자인에서 나온 개념이 실용적인 응용 분야에서 1 ps 상승 시간에 점점 더 가까워짐에 따라 디지털 신호 무결성에 매우 중요할 것이라고 매우 우아하게 말합니다. 그러나 정확히 무엇이 우리를 표준 트레이스 기하학의 한계에 도달하게 하고, 이에 대해 무엇을 할 수 있을까요?

기억하세요, 표준 PCB 트레이스는 TEM 전송선로로, 트레이스를 따라 전파되는 파동은 대략 평면파입니다. 이는 낮은 주파수에서는 유지되지만, 중간 GHz 대역폭(와이파이 주파수보다 훨씬 높음!)에 도달하기 시작하면, 구조에서 파동 전파로 인해 전적으로 발생하는 전자기장의 행동을 주목하기 시작할 것입니다. 이때 대체 전송선로 기하학이 더 높은 차수(비-TEM) 모드를 억제하고 원하는 대역폭에서 수신기로의 전파를 보장하는 데 유용할 수 있습니다.

TEM 전송선로 대안으로 라우팅하기

제가 위에서 언급한 이유들로, 일부 도파관 형태는 매우 높은 주파수와 매우 높은 데이터 전송률 응용 프로그램에서 더 이상적일 수 있습니다. 이는 단일 모드 라우팅을 허용하도록 설계될 수 있거나, 다시 말해 PCB 도파관에서 비TEM 모드의 여기를 방지할 수 있기 때문입니다. 이러한 대체 라우팅 형태 중 일부는 다음과 같습니다:

• 기판 통합 도파관. 이 구조에 대해 더 알아보려면 이 기사를 확인하세요. 저는 이것을 전통적인 마이크로파 도파관 플랜지에 결합하기 위해 표면에 슬롯을 사용했습니다.
• 동축 스트립라인 도파관. 이 도파관 스타일은 기판 통합 도파관 내부에 라우팅된 스트립라인을 가지며, 총 3개의 레이어를 포함합니다. 이 도파관의 비아 벽은 격리를 제공하고 다양한 모드 선택을 가능하게 합니다.
• 모드 선택적 전송선. 이것은 공평한 도파관 라우팅에 대한 변형이며 많은 같은 장점을 제공합니다.

연구 문헌을 살펴보면, 이러한 대체 라우팅 스타일은 오랫동안 존재해 왔으며 수백 GHz에 이르는 라우팅에 대한 그들의 실행 가능성을 보여주었습니다. 이러한 도파관 구조는 표준 제작 기술로 쉽게 생산할 수 있지만, 우리가 극도로 높은 주파수에 도달하면 그들도 한계를 가지고 있습니다. 이 중에서, 접지된 동축평면 도파관 기하학(GCPW)으로 쉽게 생산할 수 있는 모드 선택적 전송선(MSTL)이 아래와 같이 나타납니다.

MSTL의 고주파에서의 동작 (TE 모드)

특정 모드가 활성화되는 것은 여러 요인에 따라 달라지지만, 주로 연결 기하학에 달려 있습니다. 특히, 신호 주파수가 증가함에 따라, 전통적인 마이크로스트립이나 스트립라인 트레이스에서 횡 모드가 활성화되며, 이는 디지털 및 RF 라우팅 모두에 바람직하지 않습니다. 이것이 우리가 전통적인 전송선의 신호 무결성 한계에 부딪히는 이유이며, 특히 우리가 전통적인 PCB 제조 공정에 의해 매우 제한되어 있기 때문입니다. 고 GHz 주파수에서 라우팅해야 하는 디자이너들은, RF 시스템을 설계하는 경우 GPCW 구조를 MSTL 구조로 설계하거나, 고속 디지털 시스템을 다루는 경우 디지털 신호에 최대 대역폭을 가지도록 설계할 수 있습니다.

이것이 어떻게 발생하는지 보려면 아래 그래픽을 살펴보세요. 여기서 이 구조에서 모드 주파수를 제어할 수 있는 몇 가지 매개변수가 있습니다. 저주파에서 구조는 전파되는 파동이 공진 아래에 있기 때문에 간단한 TEM 도파관처럼 작동할 것입니다. 더 높은 주파수 이상에서 구조 내의 모드가 흥분되어 S-파라미터 스펙트럼에 피크와 계곡이 생깁니다. 구조 내의 각 고차 모드는 컷오프 주파수를 가지며, 단순히 구조를 컷오프 이상으로 흥분시키면 전자기장이 구조를 통해 비TEM 모드로 전파됩니다. 고차 모드 흥분 가능성은 TEM 전송선의 기본 한계 중 하나입니다.

위의 참조와 코플래너 도파관에서 디지털 신호에 관한 이 기사를 보면 위에서 보여준 전력 손실 피크를 설명하는 해당 S-파라미터 데이터를 찾을 수 있습니다.

이 모든 현상이 발생하는 이유는 구조를 통한 파동 전파 때문이며, 이는 표준 인터커넥트에서 모드 형성을 자극할 수 있습니다. 파동의 캐리어 주파수가 충분히 높아지면, PCB 내의 전송선 구조에서 일부 모드를 자극할 수 있습니다. 이는 삽입 손실 및 반환 손실 스펙트럼에서 피크와 계곡을 생성합니다. 디지털 신호를 가지고 있다면, 이러한 전력 손실 피크는 신호가 왜곡될 수 있음을 알려줍니다. 아날로그 신호의 경우, 과도한 손실과 왜곡이 발생하지 않는 특정 범위에서 신호의 주파수를 제한합니다.

이것이 그냥 접지된 공평한 도파관인가요?

네! 하지만 이 도파관 스타일을 중요하게 만드는 것은 캐리어 신호의 파장에 비해 폭이 얼마나 넓은지입니다. 바이어스 사이의 간격은 유용한 대역폭을 제어하는 데 사용할 수 있는 가장 중요한 메커니즘입니다. 바이어스 사이의 폭을 단순히 변경하는 것이 접지된 공평한 도파관과 모드 선택적 전송선 사이의 유일한 차이점은 아니지만, 모드의 자극과 표준 TEM 전송선의 붕괴를 예측하는 데 사용되는 주요 포인트입니다.

GCPW 동작과 MSTL 동작이 어떻게 다른지 비교해 보려면 다음 그래픽을 살펴보십시오. 이 그래픽은 신호의 주파수가 매우 높아져 비TEM 모드의 여기를 일으킬 때 발생하는 현상을 보여줍니다. TEM 모드는 종 방향 자기장(Hz = 0 in the top row)의 여기를 생성하지 않습니다. 더 높은 주파수에서, 우리는 이제 종 방향 필드 구성 요소를 가진 TE 모드의 여기를 가지게 됩니다.

전형적인 마이크로스트립이나 스트리플라인에서는 결국 평행판 도파관 모드를 여기시킬 것입니다. 불행히도, 이러한 기하학에서는 라미네이트를 얇게 만드는 것 외에 이러한 모드를 억제할 방법이 없으며, 결국 한계에 도달하고 모든 설계에 적용할 수는 없습니다.

위에서 보여진 바와 같이, 도파관은 다양한 모드를 허용하거나 억제하기 위해 선택된 적절한 기하학을 통해 조정될 수 있는 기하학적 매개변수를 가지고 있습니다. 모드 선택적 전송선의 구조는 다음과 같은 특성을 제공합니다:

• 높은 격리. 이것은 모드 선택적 전송선을 포함한 모든 도파관에서 라우팅의 주요 이점입니다. 가장자리를 따라 있는 접지된 비아 울타리는 다른 트레이스로부터의 차폐를 제공합니다.
• 모드 억제.모드 선택적 전송선에서의 모드는 기판 통합 도파관 모드와 중심 도체의 준-TEM 모드의 조합입니다. 가장자리를 따라 비아 펜스 간격을 사용하여 기판 도파관 모드를 억제하여 단일 모드 전파를 보장할 수 있습니다.
• 광대역 저 분산. 표면파를 억제함으로써 마이크로스트립이나 스트립라인보다 더 높은 대역폭까지 평탄한 분산을 보장했습니다. 더 넓은 대역폭에서 분산을 낮게 유지함으로써 목표 임피던스에서의 왜곡과 편차가 줄어들고, 수신기에서 볼 수 있는 심볼 간 간섭도 억제됩니다.

PCB에서 모드 선택적 전송선 라우팅하기

모드 선택적 전송선과 같은 공평한 도파관 기하학을 라우팅하는 것은 올바른 CAD 도구 세트를 필요로 합니다. 다음은 이러한 선을 라우팅하는 간단한 절차입니다:

1. 작업할 예정인 원하는 모드에 대한 파동 임피던스를 계산합니다. 이를 위해 필요한 전파 상수를 계산하고 RF 설계 교과서에서 표준 파동 임피던스 방정식을 사용하십시오.
2. 모드 선택적 전송선 네트워크와 인근 접지된 폴리곤 사이에 필요한 클리어런스를 설정합니다.
3. 라우팅된 네트 주변 영역을 접지된 구리로 채웁니다.
4. 선택된 폴리곤에 스티칭 비아를 배치하여 VL, VP, SGW 목표를 달성하십시오.

아래 예시 구조는 127.2 GHz까지 50 옴의 임피던스를 제공하도록 설계되었습니다. 이는 낮은 손실 특성을 제공하기 위해 30 mil RO3003 위에 배선되었습니다. 아직 제작 가능성을 보장하기 위해 필요한 DFM 검사가 일부 있지만, 초기에 구조가 낮은 손실, 낮은 왜곡 파동 전파를 제공하기에 적절한 간격, 비아 크기, 그리고 홀 벽 대 홀 벽 분리가 있습니다.

이 전송선 형태는 초당 테라비트 데이터 전송을 허용하는 것으로 나타났으며, 곧 고속 설계 분야에서 중요한 부분이 될 수 있습니다. 위의 RF 라인 예시에서, 구조 내에서 특정 모드를 활성화하고자 한다면, 1차 모드 절단이 더 낮은 주파수에서 이루어지도록 VL과 VP를 변경할 수 있습니다. 모드 선택적 전송선의 이론에 대해 더 알아보려면, IEEE에서 발표한 이 논문을 읽어보세요(위에서 인용함).

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