밀리미터파 PCB를 위한 기판 통합 도파관 라우팅

mmWave 신호의 응용은 예전에는 방위 산업에 국한되었지만, 이제 mmWave 시스템이 점점 더 일반적이 되고 있습니다. 자동차 레이더, UAV 레이더, 5G의 다가오는 출시, 그리고 6G에 대한 현재 연구 덕분에 mmWave 기술이 주류로 자리잡게 되었습니다. mmWave 신호로 라우팅하는 것은 설계자들로 하여금 그들의 라우팅 관행과 연결 설계를 재고하게 만들었습니다. 이는 많은 연구 그룹과 혁신적인 회사들이 상업적으로 이용 가능한 PCB 기판에서 저손실 라우팅을 제공하는 새로운 연결 구조를 설계하도록 동기를 부여했습니다.

접지된 공통면 도파관(그리고 그 변형들)은 마이크로파 주파수를 다루는 RF 엔지니어들 사이에서 아마도 가장 잘 알려진 연결 구조일 것입니다. 하나의 라우팅 구조인 기판 통합 도파관은 연결부를 따라 전자기장을 엔지니어링하기에 이상적인 유용한 대안을 제공합니다. John Coonrod와 같은 사람들 덕분에, 이 기술은 다른 연결 설계보다 여러 가지 장점을 제공함에 따라 RF PCB 설계자들 사이에서 더 인기를 얻게 될 가능성이 높습니다. 이 독특한 도파관 구조와 mmWave 라우팅을 위한 그 장점에 대해 살펴보겠습니다.

기판 통합 도파관이란 무엇인가요?

상상해보세요, 오래된 스타일의 금속 직사각형 도파관이 있는데, 이것은 반사를 통해 음향 또는 전자기파를 안내합니다. 이 간단한 구조는 두 개의 평행한 구리 스트립 사이에 PCB에서 구현될 수 있습니다. 측벽의 구리 선은 도금된 관통 홀 비아로 형성되어, 유전체로 채워진 금속 구조를 만듭니다. 이러한 유형의 구조를 기판 통합 도파관이라고 합니다.

이 도파관들은 PCB 위에 형성하기가 매우 간단합니다; 예시 도파관의 다이어그램이 아래에 나와 있습니다. 여기서, 연결은 효과적으로 두 층을 차지하며, 표면 층에 있는 테이퍼형 마이크로스트립 커플러를 사용하여 이 구조에 신호를 주입할 수 있습니다.

기판 통합 도파관 구조

이 시스템은 직사각형 도파관과 유사한 방식으로 작동하는데, 그것들은 기하학에 의해 정의되는 일련의 모드를 가지고 있습니다. 수학적으로, 전자기장의 공간 분포를 설명하는 고유함수 집합은 전형적인 직사각형 도파관에 사용되는 것과 동일합니다; 각 고유함수는 특정 파수와 파장을 가지며, 이들은 도파관을 따라 필드의 공간 분포를 형성하고 정의하기 위해 결합됩니다. 전파 모드에 대한 대략적인 파수는 (W와 H는 각각 구조의 너비와 높이입니다):

등가 유전체 도파관을 위한 전파 파수(근사값) 

n과 m 항이 너무 큰 경우, 신호가 특정 모드를 활성화할 수 없습니다. 이는 신호의 주파수와 구조의 기하학적 형태가 어떤 모드가 활성화될지 결정한다는 의미입니다.

일반적으로, 원하는 신호 주파수를 수용할 수 있도록 도파관의 크기를 조정함으로써 TE10 모드를 쉽게 활성화할 수 있습니다; 모든 다른 고차 모드는 감쇠되어 구조를 통해 전파되지 않습니다. TE10 모드의 파수는 다음과 같습니다:

TE10 모드를 위한 전파 파수. 설계자는 특정 모드를 선택하기 위해 오메가, a, W, d를 자유롭게 선택할 수 있습니다.

여기서, 도파관 구조에서 구속을 제공하는 표준 요구 사항은 비아 간격(s)이 비아 직경(d)의 두 배보다 작아야 하며, a 가 비아 직경의 5배보다 커야 합니다. 원하는 주파수에서 다른 모드를 활성화하기 위한 유사한 조건을 도출할 수 있습니다. 이를 통해 안테나, 커플러, 증폭기/공진기 또는 기타 수동 RF 장치에 필요한 전계 분포를 설계할 수 있습니다.

기판 통합 도파관의 장점

기판 통합 도파관의 주요 장점은 마이크로스트립, 스트립라인, 접지된 공평면 도파관에 비해 손실이 낮다는 것입니다. Ka 대역 이하에서 작업하는 경우, 마이크로스트립과 스트립라인은 접지된 공평면 도파관과 비슷한 손실을 제공합니다. Ka 대역을 넘어 V 대역 깊숙이에서는 접지된 공평면 도파관이 더 낮은 손실을 제공하지만, 삽입 손실은 여전히 -6 dB에 도달하며 40 GHz를 넘어서는 경우 0.1 dB/GHz씩 증가합니다. 마이크로스트립, 스트립라인, 접지된 공평면 도파관의 삽입 손실 비교에 대한 Jon Coonrod의 이 글을 확인해 보세요.

일부 연구에서는 기판 통합 도파관 연결부가 상용으로 사용 가능한 저손실 기판(예: Rogers, Duroid, 또는 Isola 라미네이트)에서 80 GHz까지 낮은 손실을 제공한다는 것을 보여주었습니다. 삽입 손실은 구조에서 사용된 비아 간격에 따라 V 대역/M 대역에서 약 -6 dB까지 낮아질 수 있습니다(실험적인 5G 네트워크에서의 예를 보세요). 이러한 도파관의 낮은 손실은 RF 신호 체인 설계에 이상적으로 사용되며, 특히 고전력 전송이 중요한 회로에서 유용합니다.

이 시스템은 본질적으로 개방되어 있으며, 인근 회로로 전자기 간섭(EMI)을 방출할 수 있는 원천이 될 수 있습니다. 이러한 구조에서 적절한 전장 제한을 제공하려면, 안테나 영역의 경계나 보드의 가장자리에 비아 울타리를 배치하는 경우와 유사하게, 파동 도파관의 길이를 따라 비아를 적절히 배치해야 합니다.

도파관을 따라 어떤 모드가 전파될지 선택할 수 있는 능력은 이 구조를 RF 다중 포트 결합기, 슬롯 안테나, 그리고 이러한 구조 간의 전장 전달에 모드 간의 간섭에 의존하는 기타 수동 RF 구조를 설계하기에 이상적으로 만듭니다. 자체 기판 통합 도파관을 설계하는 데 관심이 있다면, 3D 전자기장 솔버를 사용하거나 문헌에 제시된 결과를 따라야 합니다. 비아의 크기(지름과 간격)에 대한 빠른 가이드는 이 기사를 참조하세요.

기판 통합 도파관을 사용한 새로운 레이아웃을 만들고 싶다면, 올바른 PCB 설계 소프트웨어도 필요할 것입니다. Altium Designer^®의 독특한 설계 환경은 다양한 레이아웃 및 라우팅 기능을 갖추고 있어 디지털 또는 고주파 RF 시스템용 최첨단 보드를 구축할 수 있게 해줍니다. Altium Designer는 신호 무결성 분석을 위한 완벽한 사후 레이아웃 시뮬레이션 도구 세트에도 접근할 수 있게 해줍니다.

이제 Altium Designer의 무료 체험판을 다운로드하고 업계 최고의 레이아웃, 시뮬레이션, 생산 계획 도구에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다. 오늘 Altium 전문가와 대화해보세요 자세한 정보를 알아보기 위해.