RF PCB에서 밸런이란 무엇이며 필요한가요?

RF PCB 디자인 주제에서 자주 언급되는 용어 중 하나는 발룬의 사용이지만, 이러한 장치가 무엇을 하는지 또는 왜 필요한지가 때때로 불분명할 수 있습니다. RF PCB 디자인에서는 때때로 임피던스 매칭과 동시에 균형/불균형 신호 간의 변환을 필요로 합니다. 이때 발룬이 유용하게 사용됩니다.

밸런이 무엇인지 더 자세히 알고 싶다면 계속 읽어보세요. 이 주제는 풍부할 수 있습니다. 밸런에 대한 설명은 종종 심오하거나 단순할 수 있으므로, 저는 간결하게 설명하고 대부분의 설계자들이 익숙한 PCB 설계 개념과 관련지어 최선을 다할 것입니다. 이를 통해 밸런을 선택하고 PCB 레이아웃에 통합할 수 있는 충분한 배경 지식을 갖게 되기를 바랍니다.

밸런이란 무엇인가?

매우 간단하게, 밸런은 불균형(단일 종단) AC 신호를 균형 잡힌(차동) AC 신호로 변환하는 장치입니다. 밸런은 여러 형태를 취할 수 있지만, 저주파 RF 신호(예: CATV 및 TV 안테나)에 가장 일반적으로 사용되는 것은 간단한 변압기 또는 결합된 인덕터 세트입니다. 단일 종단 RF 입력 신호와 차동 신호 사이를 변환함으로써, 신호를 차동 수신기, 다이폴 안테나 또는 기타 차동으로 작동하는 구성 요소에 입력할 수 있습니다.

다음은 일반적인 RF 시스템에서 찾을 수 있는 밸런의 몇 가지 예입니다:

• 간단한 변압기. 이것은 아마도 가장 간단한 종류의 밸런일 것이지만, 가장 부피가 크기도 합니다.
• 중앙 탭 변압기. 이것은 변압기 밸런에 대한 더 나은 옵션입니다. 변압기의 중앙 탭은 균형 잡힌 신호에 대한 공유 참조 네트를 제공합니다. 밸런 양쪽의 임피던스는 탭되지 않은 쪽과 탭된 쪽의 절반 사이의 권선 비율에 따라 달라집니다.
• LC 회로에서의 결합. LC 회로에서 반응 요소 사이의 결합을 활용하여 중앙 탭 변압기와 사실상 동일한 임피던스 변환 기능을 가진 회로를 만들 수 있습니다. 이것은 LC 회로에서의 시뮬레이션을 포함하는 더 복잡한 주제입니다. Mark Harris의 최근 프로젝트에서 LC 구성 요소로 만들어진 밸런의 예를 볼 수 있습니다.
• 분산 밸런 설계. 이 밸런 설계들은 PCB에 인쇄된 트레이스 사이의 결합 임피던스를 활용함으로써 더 복잡합니다. 유사한 구조는 집적 회로에 밸런을 배치하는 데에도 사용됩니다.

제가 나열한 최종 종류의 밸런은 PCB에 인쇄된 요소들의 세심한 레이아웃이 필요한 다양한 설계 범위를 포괄합니다. 이것은 대부분의 설계자들이 신비로워할 수 있는 RF PCB 설계의 한 측면입니다. 다행히도, 마이크로파 공학 교과서와 연구 문헌에는 밸런 설계를 위한 좋은 출발점을 제공하는 많은 설계가 있습니다. 아래 이미지는 두 개의 변압기 밸런과 PCB에 인쇄할 수 있는 간단한 4분의 1 파장 밸런을 보여줍니다.

밸런은 수동 증폭기, 주파수 곱셈기, 위상 변위기, 변조기 및 다이폴 안테나 급전에서 그들의 자리를 찾습니다. 이러한 응용 프로그램 내에서 밸런은 두 가지 중요한 기능을 수행합니다.

임피던스 매칭

밸런의 중요한 기능 중 하나는 밸런의 균형 잡힌 부분과 균형이 맞지 않는 부분 사이의 임피던스 매칭을 제공하는 것입니다. 예를 들어, 변압기 밸런에서는 적절한 권선 비율, 즉 1차 및 2차 코일 인덕턴스의 비율을 선택함으로써 이를 수행합니다. 이상적인 밸런은 반환 손실 S11이 음의 무한대일 것입니다.

격리

밸런은 전기적 또는 자기적 결합을 통해 전력을 전달하기 때문에, 균형 잡힌 신호와 균형이 맞지 않는 신호 사이에 자연스러운 격리를 제공합니다. 밸런이 올바르게 설계되었다면, 이는 밸런의 각 측면 사이로 방사된 EMI가 전달되는 것을 효과적으로 격리하는 데 도움이 됩니다. 밸런의 균형 잡힌 끝은 신호가 차동 수신기로 입력되는 경우 높은 공통 모드 노이즈 내성을 가집니다.

밸런을 사용한 RF PCB 레이아웃 방법

RF PCB 레이아웃에서 밸런을 사용할 때 두 가지 도전 과제가 있습니다: 밸런 자체의 레이아웃과 균형 잡히지 않은 선과 균형 잡힌 선의 레이아웃입니다. 다른 RF PCB에서 사용하는 것과 동일한 전략을 따르세요:

• 회로 블록 사이에 격리를 제공하십시오. 예를 들어, 비아 펜스나 전자기 대역 간격 구조(EBGs)를 사용합니다
• 더 짧은 트레이스를 선택하고 필요할 때 임피던스를 맞춥니다
• 레이아웃을 그리드로 구성하여 다른 기능 블록이 보드의 다른 위치에 있도록 합니다

다이폴 안테나 급전선에 사용될 때, 발룬을 접지면 영역의 가장자리 바로 옆에 두고 균형 출력을 직접 안테나로 라우팅하세요. 이는 일반적으로 역-F 안테나나 다른 마이크로스트립 안테나에서 수행됩니다. 반대 방향으로, 예를 들어 모노폴 안테나나 동축 연결(U.FL 커넥터를 가진 비균형 안테나)의 경우, 어쨌든 접지면 위에서 모든 작업을 수행해야 합니다. 높은 격리를 제공하기 위해, 급전선 주변과 안테나 영역과 다른 회로 사이에 접지된 가드 비아를 배치할 수 있습니다.

발룬이 무엇인지 이해하면 RF PCB에 가장 적합한 발룬 유형을 결정하기가 훨씬 쉬워집니다. 필요한 발룬을 얻었다면, Altium Designer®의 완벽한 CAD 도구 세트를 사용하여 인쇄된 발룬과 나머지 RF PCB 레이아웃을 구성할 수 있습니다. 작업을 협업자와 공유해야 할 때는 Altium 365® 플랫폼을 사용하여 설계 데이터를 공유하고 관리할 수 있습니다.

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