임피던스 매칭 네트워크 아래의 접지를 제거해야 할까요?

임피던스 정합 네트워크에서의 목표는 회로의 저항, 용량, 인덕턴스를 조정하여 부하로의 전력 또는 전압 전달을 최대화하는 것입니다. PCB 내 임피던스 정합 회로 주변에서 이러한 요소들을 제어하는 것은 트레이스와 접지의 배치 및 크기 조정, 그리고 이것들을 여러분의 개별 부품의 패드에 맞추는 것에 관한 것입니다. 패드 크기와 이러한 부품에 연결된 트레이스로부터 추가적인 기생성분을 제거하기 위해서는 때때로 임피던스 정합 회로 부품 주변에 접지가 배치되는 위치를 수정해야 할 필요가 있습니다.

접지가 제거될 수 있는 이유

많은 시스템에서, 일반적으로 SMD 수동 부품으로 구성된 임피던스 정합 회로를 구축하는 것이 일반적입니다. 때때로, 임피던스 정합 네트워크 아래에서 접지를 제거했을 때, 우리는 이러한 회로 아래의 접지를 완전히 제거하는 것이 아닙니다. 이는 회로로 들어오고 나가는 급전선이 목표 임피던스(보통 50 옴)가 되어야 하므로, 장치에서 여전히 접지가 필요하기 때문입니다. 접지의 배치를 수정하는 옵션에는 다음이 포함됩니다:

• PCB의 하부 레이어에 접지를 사용하고,
• 임피던스 매칭 네트워크 주변에 동일 평면 접지를 배치하는 것

이를 수행하는 이유는 매우 간단합니다: 임피던스 매칭 회로 구성 요소 주변의 추가적인 기생 커패시턴스와 인덕턴스의 양을 줄이고자 합니다. 고주파 회로에서 기생성분이 실제 수동 부품의 성능을 변화시키며, 각 포트에서 예상되는 반환 손실에 한계를 만든다는 것은 잘 알려져 있습니다. 불행히도, SMD 구성 요소의 패드/트레이스 커패시턴스를 완전히 없앨 수는 없으며, 이론적 성능에 가능한 한 가깝게 작동하도록 최소화할 수 있을 뿐입니다.

따라서, 일부 경우에는 이러한 구성 요소 주변에서 접지 위치를 수정하는 것이 의미가 있을 수 있습니다. 구성 요소의 패드와 트레이스 크기가 임피던스 매칭 네트워크의 커패시터와 인덕터의 임피던스를 변경하는 과도한 추가 기생 커패시턴스를 생성하지 않도록 하고 싶습니다.

RF PCB 레이아웃에서 접지 청소

우리의 이전 nRF52 프로젝트에서 나온 예시는 어떻게 접지를 정리할 수 있는지 보여줍니다; 아래에는 파이 필터 매칭 회로가 나와 있습니다. 이것은 노르딕의 nRF52 참조 보드의 지침과 잘 맞습니다. 여기서, L1에는 공통면 접지가 사용되며, L6에는 임피던스 매칭 네트워크 아래에 균일한 접지가 있습니다. 접지는 매칭 네트워크 영역 아래에서만 제거되며, 오직 L2-L5에서만 제거됩니다.

위를 보면, 구성 요소 패드는 접지로 돌아가는 일부 용량을 가지고 있으며; 이것은 임피던스 매칭 회로의 이산 캐패시터에 용량을 추가합니다. 접지와 구성 요소의 리드 인덕턴스를 포함한 인덕턴스에 대해서도 같은 아이디어가 적용됩니다. 선 임피던스에 영향을 주지 않고 어떻게 접지를 제거할 수 있을까요?

첫째, 우리는 트레이스 주변에 공통면 접지를 사용하여 그들의 특성 임피던스를 칩의 출력과 일치하는 목표 임피던스로 설정할 수 있습니다. 내부 레이어에서만 피드라인 아래에 폴리곤 컷아웃이 사용됩니다. 바닥 레이어는 임피던스 매칭 회로 아래에 균일한 구리 푸어를 가지고 있습니다. 상단 레이어도 구리 푸어를 가지고 있지만, 이 네트워크의 트레이스와 패드 주변에 표준 클리어런스 규칙이 적용되어 트레이스의 특성 임피던스를 목표 값으로 설정합니다.

이제 위에 보여진 예제 RF 레이아웃을 가지고 예를 들어 보겠습니다.

편차는 얼마나 큰가요?

편차를 결정하기 위해, 이론적인 경우와 실제 경우를 비교할 수 있습니다. 처음에는 0402 캐패시터와 0603 인덕터를 가지고 있습니다. 이 패드들과 연결 트레이스 바로 아래에 접지가 있다면, 캐패시터의 기생 커패시턴스는 Dk = 4 라미네이트에서 약 3 pF/인치, 인덕터는 7.5 nH/인치가 됩니다. 위에 보여진 L6에만 접지가 있는 공평한 구성으로, 기생 커패시턴스는 약 2.75 pF/인치, 인덕턴스는 6.9 nH/인치로 떨어집니다. 인덕터 패드에 대해서도 비슷한 계산을 수행할 수 있습니다.

위에 주어진 분산 요소 값들을 고려한 총 기생 커패시턴스와 인덕턴스는 아래에 요약되어 있습니다. 이는 구성 요소 주변의 트레이스와 패드만을 고려한 것이며, 패키지 리드의 자체 인덕턴스는 고려하지 않습니다.

L2에서 L6으로 접지 위치를 단순히 변경함으로써 기생 커패시턴스가 22.4% 감소합니다. 이러한 값들을 가지고 이제 시뮬레이션에 이 기생 요소들을 포함시켜 네트워크의 출력 임피던스에 미치는 영향을 결정할 수 있습니다.

인덕턴스 계산은 패드 주변의 루프 인덕턴스뿐만 아니라 리드 인덕턴스도 포함하기 때문에 조금 더 복잡합니다. 이 두 가지는 결정하기 쉽지 않을 수 있습니다. 인덕터와 직렬로 연결된 트레이스 자체 인덕턴스도 총 인덕턴스를 결정하는 데 역할을 합니다. 일반적으로, 수정된 인덕턴스가 수정된 커패시턴스를 보상한다고 단순히 가정하는 것은 안전하지 않습니다.

위에서 볼 수 있듯이, 0603 인덕터 대신 모든 0402 구성 요소에 대한 옵션을 포함했습니다. 0603 인덕터가 0402 인덕터보다 더 큰 패드를 가지고 있기 때문에 패드와 트레이스에서 기생 커패시턴스가 감소하는 것을 볼 수 있습니다. 이 수정된 예는 아래에 표시되어 있습니다.

이 배열로 기생 커패시턴스가 약간 감소하지만, 그 차이는 크지 않습니다; 혼합 패키지 크기와 비교했을 때 단지 6.8% 감소일 뿐입니다. 이러한 다양한 경우에서, 이것이 귀하의 특정 시스템에서 중요한지 여부를 이제 결정하는 것이 중요합니다.

이 편차가 중요한가요?

이 기생 커패시턴스와 인덕턴스가 중요한지 여부를 결정하기 위해서는 PCB 레이아웃에 배치된 구성 요소 값과 비교해야 합니다.

nRF52 예제에서 위에서 언급한 바와 같이 매칭 네트워크에 사용된 커패시터 값은 1.2 pF였습니다. 추가 커패시턴스가 0.4388 pF인 이 네트워크는 총 커패시턴스가 2.8388 pF인 것처럼 작동합니다. 결과적으로 목표 임피던스에서 약 5 옴의 임피던스 감소가 발생합니다. 기생이 없는 회로가 완벽하게 50 옴에 맞춰졌다고 가정할 때, 실제 임피던스 매칭 네트워크를 사용하여 목표 임피던스 50 옴으로 변환하면, 결과적인 반사 손실은 S11 = -27.5 dB가 됩니다.

만약 우리의 커패시터가 1.2 nF였다면 어떨까요? 이 경우 추가 기생 커패시턴스는 거의 눈에 띄지 않으며 우리의 파이 필터에 아무런 영향을 미치지 않을 것입니다. 일반적으로 추가 기생 커패시턴스가 이산 커패시턴스보다 훨씬 작다면 무시할 수 있습니다; 인덕턴스에도 같은 개념이 적용됩니다.

이 디자인은 0603 인덕터를 사용하여 고객 보드에서 테스트되었으며, 사양 내에서 작동하는 것으로 확인되었으므로, 이 네트워크를 이 프로젝트에서도 사용하는 것이 좋겠습니다. 그러나, 자신의 프로젝트에서 이 디자인을 사용하고자 한다면 위에서 설명한 사항들을 고려해야 합니다. 위의 개념들은 임피던스 매칭 네트워크가 필요한 1-6 GHz 범위에서 작동하는 실용적인 구성요소에 매우 중요합니다.

1-6 GHz 범위에서 작동하는 시스템에서 접지가 더 자주 제거되는 이유는 이 임피던스 매칭 네트워크에 사용되는 커패시터가 매우 작을 수 있기 때문입니다(~1 pF). 네트워크의 ~1 pF 이산 커패시턴스는 Dk ~ 4 라미네이트 상의 50 옴 선 주변의 예상 기생 커패시턴스와 유사합니다. 이 기생 커패시턴스는 기본적으로 이산 커패시턴스와 병렬로 존재하며, 이는 매칭 조건을 변경할 수 있습니다.

고주파에서의 매칭 네트워크는 어디에 있나요?

WiFi보다 높은 주파수에서는 50 옴에서 작동하도록 의도된 RF 연결부에 임피던스 매칭 네트워크를 볼 수 없을 수 있습니다. 이에는 두 가지 중요한 이유가 있습니다:

• 대부분의 RF IC는 임피던스 매칭 네트워크를 다이
• 에 통합할 것입니다. RF 회로나 안테나는 대상 임피던스에서 작동하도록 특별히 제작될 경향이 있습니다.

레이더 송수신기를 예로 들어보겠습니다. 수백만 대의 자동차와 특수 센서가 이러한 송수신기를 사용하고 있으며, 이러한 보드에서는 PCB 상에 임피던스 매칭 네트워크를 볼 수 없습니다. 이 시스템에서는 PCB 주변의 기생 커패시턴스, 특히 고전력 RF 증폭기에서 중요하게 여기지만, PCB에 작은 별도의 구성 요소로 임피던스 매칭 네트워크를 배치하지 않으며, 구동 및 수신 핀 아래의 접지를 제거하지도 않습니다.

이제 아래에 표시된 대로 약 77-78 GHz에서 작동하는 직렬 급전 패치 안테나를 고려해 보십시오. 이 안테나는 의도적으로 50 옴에서 작동하도록 설계되었습니다. 일반적으로 개별 패치 안테나(또는 간단한 인쇄된 마이크로스트립 안테나)는 입력 임피던스가 200-300 옴일 수 있습니다. 아래 안테나의 입력 임피던스가 50 옴인 이유는 그 작은 크기와 패치를 연결하는 분수 파장 매칭 라인의 사용으로 인해 발생합니다. 이것은 아래에 표시된 반환 손실 플롯에서 보여지는 것처럼 넓은 방사 대역폭도 제공합니다.

이 예시들을 들어 다음 중요한 점을 설명하고자 합니다: RF 시스템이 매우 높은 주파수에서 작동할 때 이산 구성 요소로 만들어진 임피던스 매칭 네트워크를 보지 못할 수도 있다는 사실에 놀라지 마십시오. 이 구성 요소들은 일반적으로 TX 및 RX 핀 아래에 접지를 포함하며, PCB의 마운팅 핀 주변에 위치한 더 복잡한 신호 발사를 포함합니다.

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