CPW 및 GCPW 설계: 임피던스와 레이아웃 절충

동일 평면 도파관이 중요한 이유

동일 평면 도파관 (CPW) 은 RF 설계의 모든 곳에 있습니다.고속 디지털 보드, 밀리미터파 회로 등 엔지니어가 많은 비아를 뚫지 않고도 엄격한 임피던스 제어가 필요한 모든 곳에서 이를 확인할 수 있습니다.리턴 경로가 별도의 레이어에 있는 마이크로스트립과 달리 CPW는 모든 것을 보드의 한쪽에 보관합니다. 즉, 신호 트레이스와 접지면이 같은 표면에 함께 있습니다.

하지만 장단점은 현실입니다.CPW는 레이아웃 세부 사항에 더 민감합니다.간격이 좁거나 접지면 세그먼트가 누락되거나 기판을 잘못 선택하면 임피던스가 손상되어 원치 않는 커플링이 발생할 수 있습니다.바로 이 부분에서 수학이 중요해지며, 신뢰할 수 있는 계산기를 사용하는 것이 공식을 기억하려고 애쓰는 것보다 나은 이유이기도 합니다.

CPW와 GCPW에 대한 이해

이해해야 할 두 가지 특징이 있습니다.Plain CPW의 경우 신호 트레이스의 양쪽에 동일 평면상의 접지면이 있고 그 아래에는 백킹 플레인이 없습니다.제작이 더 간단하고 많은 응용 분야에서 잘 작동하지만 필드는 보드 아래 공간까지 확장됩니다.

접지 CPW (GCPW) 는 신호 트레이스 바로 아래에 있는 백레이어에 접지면을 추가합니다.이렇게 하면 필드를 훨씬 더 촘촘하게 제한하고 방사선을 줄이며 레이어 간 격리를 개선합니다.GCPW는 고사양 RF 작업을 위한 최신 기본값입니다.단점: 상단 및 하단 접지면을 연결하려면 더 많은 비아가 필요하고 제작이 약간 더 복잡합니다.

어떤 것을 고르시나요?누화, 차폐 또는 몇 GHz 이상의 작동에 관심이 있다면 GCPW를 사용하세요.CPW는 공간이 제한적이거나 필드 격리가 덜 중요한 낮은 주파수에서 작업하는 경우에 적합합니다.

임피던스 방정식

CPW의 특성 임피던스는 도체 형상과 기판의 유전 상수에 따라 달라집니다.타원 적분을 포함하는 정확한 공식은 복잡하지만 계산기가 알아서 처리합니다.중요한 것은 무엇이 바늘을 움직이는지 이해하는 것입니다.

신호 트레이스와 동일 평면 그라운드 사이의 간격을 늘리면 임피던스가 증가합니다.신호 트레이스가 넓을수록 낮아집니다.유전 상수가 높을수록 임피던스가 낮아집니다.이러한 관계는 비선형적이기 때문에 시뮬레이션이나 계산기가 백오프 오브 엔벨로프 연산을 능가합니다.

GCPW의 경우 기판 높이도 중요한 역할을 합니다.기판이 두꺼울수록 백플레인과의 커플링이 줄어들고 유효 유전상수가 이동하여 임피던스가 변경됩니다.이는 흔히 발생하는 문제입니다. CPW 설계를 다른 기판 스택업에 복사해서 동일한 임피던스를 기대할 수는 없습니다.

실제 사례: 5GHz LNA 보드용 50Ω CPW 설계

기판 높이가 10mm이고 구리가 1온스인 Rogers RO4003C 보드 (유전 상수 3.55) 에 트레이스를 라우팅한다고 가정해 보겠습니다.50Ω 전송 라인이 필요하고 작업 공간이 약 8마일이면 됩니다.

먼저 일반 CPW 또는 GCPW를 결정하세요.LNA를 구축하고 있으므로 GCPW가 적합합니다.백플레인은 민감한 입력 네트워크를 다른 계층의 노이즈로부터 보호하는 데 도움이 됩니다.

동일 평면 웨이브가이드 계산기 (CPW 및 GCPW) 를 엽니다.세트:

• 구조: 접지형 CPW (GCPW)
• 기판 높이: 0.254 밀리미터 (10밀리미터)
• 유전 상수: 로저스 RO4003C (3.55)
• 구리 두께: 1온스 (35마이크로미터)
• 중심 도체 폭: 5mil부터 시작
• 동일평면 지면과의 간격: 8밀

계산을 누르세요.48Ω 정도를 얻을 수 있습니다. 거의 비슷하지만 50Ω 정도까지는 아닙니다.중심 도체 폭을 5.2mil로 조정하고 다시 계산하세요.이제 50.1 Ω 수준입니다.그게 네 목표야.

계산기에는 유효 유전 상수 (이 설정의 경우 약 2.8) 와 1GHz (약 107mm) 에서의 유도 파장도 표시됩니다.레이아웃을 할 때는 이러한 점이 중요합니다. 예를 들어 가이드 파장을 통해 1/4 파장 스터브의 길이를 대략적으로 알 수 있습니다.

이제 중요한 부분이 있습니다. 바로 전파 지연입니다.이 트레이스의 경우 약 4.2ns/m입니다. 50mm 트레이스가 있으면 210ps의 지연이 발생합니다.5GHz 시스템에서는 약 1파장의 위상 변이입니다.임피던스를 맞추거나 위상 관계를 조정하려면 이 수치를 알아야 합니다.

기판 선택과 그 영향

다양한 기판이 모든 것을 변화시킵니다.다른 모든 치수를 동일하게 유지하면서 동일한 10mm 보드에서 Rogers RO4003C 에서 FR4로 전환하면 어떤 일이 발생하는지 비교해 보겠습니다.

FR4의 유전상수는 4.4로 RO4003C 3.55보다 높습니다.동일한 5.2mil 트레이스와 8mil 갭의 FR4를 연결하면 계산기가 50Ω 대신 44Ω 정도를 얻을 수 있습니다.50Ω에 다시 도달하려면 트레이스를 약 6.8밀로 넓혀야 합니다.

FR4를 사용하면 전파 지연도 증가합니다 (약 4.7ns/m 대 4.2ns/m).또한 FR4의 손실은 고주파에서 훨씬 더 높습니다. 이 계산기에서는 캡처되지 않지만 2GHz 이상에서 작업하는 경우 염두에 두어야 할 사항입니다.

그렇다면 왜 FR4를 사용하는 사람이 있을까요?비용.Rogers보다 저렴하며, 애플리케이션에 낮은 손실이나 엄격한 임피던스 허용 오차가 필요하지 않더라도 괜찮습니다.하지만 RF 작업의 경우 Rogers 또는 기타 저손실 재료가 표준입니다.

알루미나 (96%) 도 또 다른 옵션으로 유전상수 9.6입니다.하이브리드 회로 및 고전력 애플리케이션에 사용됩니다.동일한 트레이스 형상에서 알루미나는 임피던스가 훨씬 낮습니다 (50Ω에 도달하려면 더 좁은 트레이스 또는 더 넓은 간격이 필요함).알루미나는 열 특성도 뛰어나므로 전력을 소산할 때 매우 중요합니다.

50Ω의 갭: 유용한 출력

계산기가 제공하는 출력 중 하나는 “Gap for 50 Ω”입니다. 이 값은 트레이스 너비를 고정했다고 가정하고 필요한 간격을 계산합니다.이는 빠르게 반복할 때 정말 유용합니다.원하는 트레이스 너비가 있는데 (아마도 팹의 최소 선 폭이나 전류 전달 요구 사항에 의해 제한될 수 있음), 알아두세요. 어떤 간격이 50Ω을 제공할까요?

이를 통해 시행착오를 겪지 않아도 됩니다.트레이스 너비를 설정하고, 기판을 선택하고, 필요한 간격을 읽기만 하면 됩니다.그런 다음 그 간격이 제작 가능한지, 동일 평면 그라운드를 연결하는 비아를 위한 공간이 남았는지 확인하십시오.

흔히 저지르는 실수와 문제점

구리 두께는 잊어버리겠지만. 대부분의 사람들은 구리가 무한히 얇다고 생각하지만 그렇지 않습니다.0.5온스 구리 (17.5μm) 대 1온스 (35μm) 대 2온스 (70μm) 는 임피던스를 변화시킵니다. 특히 좁은 트레이스에서는 더욱 그렇습니다.계산기는 이를 설명하지만 많은 수동 계산은 그렇지 않습니다.트레이스의 너비가 3마일이고 2온스의 구리를 사용한다면 도체는 더 이상 가는 선이 아닙니다. 도체는 너비와 거의 같고 전계 분포도 변합니다. GCPW 임피던스가 CPW와 같다고 가정하면 그렇지 않습니다.백 플레인을 추가하면 유효 유전율이 변경됩니다.테스트 보드에서 CPW 트레이스를 설계하고 이를 측정한 다음 생산 보드에서 GCPW와 동일한 형상을 구현하면 임피던스 이동을 확인할 수 있습니다.계산기를 두 사례 모두에 사용하고 사용할 실제 스택업에 맞게 설계하세요. 기판 높이 변화는 무시합니다. 기판 두께는 제조 과정에서 ± 10% 까지 달라질 수 있습니다.설계가 빡빡한 경우 (예: 여백 없이 50Ω을 목표로 하는 경우), 기판 두께가 두꺼울수록 48Ω, 얇아지면 52Ω까지 밀릴 수 있습니다.임피던스 제어가 중요한 경우 마진을 늘리거나 튜닝 구조 (예: 가변 폭 트레이스 또는 시리즈 스텁) 를 추가하십시오. 갭과 트레이스 너비를 혼합하십시오. 계산기에는 둘 다 필요합니다.간격은 신호 트레이스와 각 동일 평면 그라운드 사이의 공간입니다.트레이스 너비는 신호 컨덕터 자체입니다.머릿속에서 실수로 이것들을 바꾸기 쉽습니다.계산을 누르기 전에 입력한 내용을 다시 한 번 확인하세요. 비아 배치를 고려하지 않습니다. GCPW에서는 상단 동일 평면 그라운드를 후면 플레인에 연결하기 위한 비아가 필요합니다.비아가 너무 멀리 떨어져 있으면 불연속성과 임피던스 리플이 발생합니다.경험상 가장 높은 주파수에서 λ/4 이상의 간격을 두는 것이 좋습니다.10GHz 설계의 경우 대략 7.5mm입니다.하지만 계산기는 사용자의 비아 패턴을 인식하지 못하므로 별도로 관리해야 합니다. 유효 유전 상수를 잊어버렸습니다. 계산기는 이 사실을 보여주지만 많은 엔지니어들은 이를 무시합니다.자기장의 일부가 공기 중에 있기 때문에 유효 유전율이 기판의 실제 유전율보다 낮습니다.이는 파장을 계산하거나 공진 구조를 설계할 때 중요합니다.모든 RF 계산에는 재료의 정격 상수가 아닌 유효 유전 상수를 사용하십시오.

실용적인 레이아웃 팁

임피던스와 갭을 계산하고 나면 레이아웃에서 실제로 중요한 사항은 다음과 같습니다.

동일평면의 접지를 연속적으로 유지하세요.구간이 파손되거나 좁아지면 임피던스 불연속성이 발생할 수 있습니다.비아 또는 부품을 근처에 배치해야 하는 경우 접지면을 부드럽게 우회하세요. 그냥 구멍을 뚫고 구멍을 뚫지 마세요.

GCPW의 경우, 주파수에 따라 5~10마일마다 상단 접지와 후면 평면을 연결하는 비아를 배치하세요.너무 희소하면 후면 평면에 커플링이 되고 밀도가 너무 높으면 공간과 구리가 낭비됩니다.

접합부의 트레이스 임피던스를 일치시킵니다.50Ω CPW에서 50Ω 마이크로스트립으로 전환하는 경우 점진적으로 전환하십시오.모서리가 날카롭거나 폭이 급격하게 바뀌면 반사가 발생할 수 있습니다.최소 몇 밀리미터 이상 거리를 좁히십시오.

인접한 트레이스에 결합되는지 확인하십시오.아래에서의 커플링을 거부할 때는 CPW가 마이크로스트립보다 낫지만 (GCPW의 백 플레인 때문에), 인접 신호 트레이스와의 좌우 커플링에는 여전히 취약합니다.적절한 절연을 원한다면 간격 너비의 최소 2~3배 간격을 두고 간격을 유지해야 합니다.

계산기 사용 시기와 시뮬레이션

이 계산기는 빠른 설계와 반복에 적합합니다.다양한 기판 옵션, 트레이스 너비 또는 간격을 살펴보고 있습니다. 5분 동안 10회 실행하고 선택 범위를 좁히세요.

하지만 최종 검증, 특히 중요한 회로의 경우 필드 솔버 (예: Sonnet, ADS 또는 HFSS) 를 사용하십시오.계산기는 일반적인 형상에 대해서는 정확한 폐형 방정식을 사용하지만 구조가 비정상적 (매우 좁은 트레이스, 매우 두꺼운 구리 또는 극단적인 종횡비) 인 경우 서로 다를 수 있습니다.필드 솔버는 실제 필드 분포를 제공하고 방정식이 놓칠 수 있는 경계 효과를 설명합니다.

또한 계산기에는 손실이 포함되지 않습니다.전파 지연과 임피던스는 표시하지만 감쇠는 제공하지 않습니다.이를 위해서는 도체 손실 공식과 유전 손실 탄젠트를 사용하여 별도로 계산하거나 시뮬레이터를 사용해야 합니다.

직접 해보기

동일 평면 도파관 계산기 (CPW 및 GCPW) 로 가서 보드 스택업을 연결하세요.먼저 기판 선택부터 시작한 다음 50Ω에 도달할 때까지 트레이스 폭과 간격을 조정하십시오.전파 지연과 유도 파장을 확인해 보십시오. 이것이 여러분의 응용 분야에 적합할까요?GCPW로 전환하여 임피던스가 어떻게 변하는지 확인해 보십시오.이 실습 실험은 CPW 설계가 실제로 어떻게 작동하는지 직관적으로 이해할 수 있는 가장 빠른 방법입니다.

RF 회로를 설계하는 경우 CPW는 사용할 가치가 있는 기술입니다.수학은 확실하고 계산기는 어려운 작업을 수행합니다. 트레이스 폭, 간격, 기판 및 임피던스 간의 절충점을 이해하면 더 나은 레이아웃 엔지니어가 될 수 있습니다.