마이크로웨이브 기술 - 무선 주파수 회로의 크기를 줄이기 위해 적합한 보드 재료 선택

무선 주파수 회로의 크기를 줄이기 위해 적합한 보드 재료 선택

전자기기의 이동성과 휴대성에 대한 수요가 증가함에 따라 회로의 소형화는 갈수록 중요해졌다.전자 제품 설계를 시작하기 전에 적합한 회로 기판 소재를 선택하면 무선 주파수 및 마이크로파 회로 기판을 더 작게 설계하는 데 도움이 될 것입니다.주어진 주파수 범위의 경우 개전 상수(Dk)가 높은 보드 재료를 사용하면 일반적으로 회로의 설계 크기와 구조가 작아집니다.그러나 Dk 값이 높은 보드를 사용하면 회로의 삽입 손실이 증가하고 회로의 다른 측면의 성능도 저하될 수 있습니다.이와 동시에 회로기판재료의 Dk값도 복사손실, 색산, 결합 등 회로의 지표매개변수에 영향을 준다.

주어진 주파수의 경우 보드 재료 Dk가 증가함에 따라 매체의 파장이 줄어들어 더 높은 Dk 값을 가진 보드 재료에서 설계된 회로 크기가 더 낮은 Dk 값을 가진 회로에서 설계된 크기보다 작아집니다.또한 Dk 값이 높은 보드 재료는 이러한 재료를 통과하는 전자파 (EM) 의 위상 속도를 낮춥니다.보드 재료의 Dk는 일반적으로 재료의 z축 방향(두께 방향)인 10GHz에서 측정되는 값입니다.상업용 회로 기판 재료의 Z축 Dk 값은 최대 10 (또는 그 이상) 또는 2 (Dk가 1인 공기와 비교) 로 낮을 수 있습니다.그러나 객관적으로 말하자면, 일반적으로 Dk 값은 6 이상이며, 고매체 상수 조각으로 간주될 수 있다.

낮은 Dk 값을 가진 보드 재료로 만든 전송선은 빠른 위상 속도를 가집니다.위상 배열 안테나와 같은 위상 회로의 소형화는 Dk의 영향을 고려해야 합니다.또한 Dk 값이 높은 보드 재료는 낮은 Dk 값이 있는 보드 재료보다 더 큰 분산성을 나타냅니다.높은 Dk 값을 가진 보드 재료는 일반적으로 방향성 결합기 및 높은 결합 계수가 필요한 다른 회로에 사용됩니다.

Dk의 경우 회로 기판 재료는 일반적으로 각 방향의 이성입니다.세 축에 있는 재료의 Dk 값은 다르지만 일반적으로 Z축 방향에 있는 재료의 Dk 값에 따라 비교하는 데 익숙합니다.Dk 값이 높은 재료의 경우 일반적으로 회로의 z축과 x-y 평면 간의 Dk 차이가 낮은 Dk 값이 있는 재료의 차이보다 큽니다.보드 재료의 모든 3D Dk 값은 재료에 만들어진 전송선(예: 마이크로밴드)의 성능을 함께 결정합니다.많은 고주파 회로 기판의 경우 일반적으로 회로 기판 재료 Dk의 각 방향 이성을 고려할 필요가 없지만 각 방향 이성은 특히 xy 평면의 Dk 값과 z축의 Dk가 크게 다를 때 잠재적으로 알 수 없는 문제를 가져옵니다.이러한 차이는 x-y 평면의 Dk 값에 크게 의존하기 때문에 가장자리 병렬 결합 회로에서 예상치 못한 문제를 일으킬 수 있습니다.

회로를 소형화하려고 할 때 가장 쉽게 생각나는 방법은 회로기판재료의 두께를 최소화하는것이지만 회로기판재료의 두께는 고주파회로의 여러 지표의 성능에 영향을 준다.고주파 회로의 방사선 손실은 주파수가 증가함에 따라 증가하지만, 같은 Dk 값을 가진 얇은 회로 기판 재료에 비해 두꺼운 회로 기판 재료도 더 높은 방사선 손실을 나타낼 것이다.주어진 회로 레이아웃과 설계의 경우, Dk의 선택은 높은 Dk 값을 가진 보드 재료의 복사 손실이 낮은 Dk 값을 가진 것보다 낮기 때문에 복사 손실의 크기에도 영향을 줄 수 있습니다.

다층 PCB의 회로 사이와 같이 공명 또는 분산 간섭을 일으킬 수 있는 회로에는 더 얇은 보드 재료를 사용하는 것이 좋습니다.공명 분산의 정도는 일반적으로 회로의 전송선 유형에 따라 달라집니다.예를 들어, 마이크로밴드 전송 케이블은 일반적으로 다른 유형의 RF/마이크로웨이브 전송 케이블(예: 밴드, 공면 전도 CPW 전송 케이블)보다 공명 및 전파 문제에 더 취약합니다.더 얇은 회로 기판 재료는 공명 및 상호 조정과 같은 방사선 손실과 전송선 전파 문제를 제한하면서 PCB의 크기를 줄이는 데 도움이됩니다.일반적인 엔지니어링 경험은 회로 최고 작동 주파수의 1/4보다 파장이 얇은 회로 기판 소재를 사용하는 것입니다.그러나 더 안전한 방법은 최고 작동 주파수의 8분의 1 파장보다 두께가 얇은 회로기판 소재를 선택하는 것이다.

전송선 (예: 마이크로밴드 선) 의 선가중치는 보드 재료 (예: 회로 계층 압력 재료 또는 사전 침전 재료) 의 두께에 따라 달라집니다.라이닝이 두꺼운 회로는 도체 폭을 넓혀 회로의 도체 손실과 삽입 손실을 줄일 수 있다.그러나 이 경우 전자파 전파 문제가 발생할 수 있습니다.고주파판 설계에 적합한 회로기판 재료의 두께를 선택하기 위해서는 일반적으로 도체 폭도 최고 작업 주파수의 8분의 1 파장보다 작아야 한다.회로기판 재료의 Dk는 높은 Dk 회로기판 재료에 설계된 동일한 크기의 도체가 낮은 Dk 재료에 설계된 동일한 회로보다 더 낮은 임피던스를 가지기 때문에 전송선 도체의 폭을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.따라서 50섬의 특성 임피던스를 가진 회로를 유지하기 위해 더 높은 Dk 값을 가진 보드 재료에 더 좁은 회로를 설계합니다.

현명한 선택

서로 다른 Dk 값을 가진 보드 재료를 사용하여 회로를 설계할 때는 많은 저울질을 고려해야 합니다.고Dk 회로기판 재료를 사용하면 회로 크기를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 고Dk와 저Dk 회로기판 재료를 결합하여 고성능의 소형화 회로를 실현할 수 있다.예를 들어, 회로 기판 재료의 Dk에 따라 크기가 달라지는 공명 유닛으로 구성된 대역 필터입니다.각 필터 셀 간의 간격으로 인해 보드 재료 Dk의 영향을 받는 회로의 결합 강도가 결정됩니다.높은 Dk를 가진 보드 재료는 더 강한 결합을 제공하며 필터 공명 장치 사이에 더 많은 공간을 허용합니다.

서로 다른 Dk 값을 가진 보드 재료(서로 다른 Dk 값을 가진 재료를 복합 부품으로 조합)를 사용하는 장점을 검증하기 위해 높은 Dk와 낮은 Dk 보드의 복합 재료에 패스 필터를 설계했다.이 필터에 사용되는 높은 Dk 재료는 RT/duroid® 6010.2LM 회로 계층 전압판이며 Dk 값은 10.7입니다.또한 사용된 낮은 Dk 재료는 2.9의 Dk 값을 가진 2929 예비 침출재 스톡입니다.이 두 가지 재료는 모두 로저스 회사에서 나온 것이다.서로 다른 Dk 값을 가진 보드 재료는 회로 성능의 차이를 가져오기 때문에 모델링을 통해 두 가지 서로 다른 재료 두께에 필요한 비율을 결정하는 컴퓨터 시뮬레이션이 필요합니다.이런 모델링 방법은 우리가 완벽한 복합 필터를 설계하는 데 도움을 줄 수 있다.실험 결과 복합재료가 설계한 필터 크기는 단일 고Dk 재료의 크기를 유지할 뿐만 아니라 전기 성능도 향상된 것으로 나타났다.예를 들어, 고급 고조파 공명이 현저하게 감소하고 필터의 저항대 특성도 현저하게 개선되었다.연구에 따르면 회로에 하나 이상의 회로 기판 재료를 사용함으로써 회로의 소형화는 일반적으로 성능을 희생하지 않고 가능하다.