Microstrip을왜쓸까?

보통 300Mhz 대역 이상이 되면 점차 일반 PCB가 아닌 Microstrip구조를 고려하게 됩니다. 900Mhz 정도면 Microstrip 구조의 회로를 주로 생각해야 되지만, 이런저런 이유로 회로구조가 아주 작다면 Microstrip가 아닌 일반 PCB 형태로 만들기도 합니다. 그렇지만 Ghz대역을 넘어서기 시작하면? 어떤 식으로든 Microstrip형태가 아니면 구현이 매우 어려워집니다. 왜냐구요? 이제부터 그 이유를 알아봐야죠. 어쨌든 Microstrip은 고주파 RF에서 가장 기본적으로 쓰이는 기판이라는 점 기억하시길.

저주파대역에서 사용되는 일반 PCB에서는, 각소자와 소자간의 패턴(레이아웃), 즉 선로의 형상이나 길이에 의해 그 회로가 영향을 받긴 합니다. 주로 안정성과 동작 에러와 관련된 부분에서 영향을 주게 되며, 주파수가 올라갈수록 선로간의 간섭이 심해지기 때문에 소자배치를 어떻게 하느냐가 아주 주요한 관건이 됩니다.

고주파대역에선 선로의 형상이나 길이가 엄청나게 아주아주 무지막지하게 회로 성능에 영향을 줍니다. (강조! 강조! 강조!) 여러번 설명되었지만 파장이 짧아서 선로의 위치마다 전압과 위상이 오락가락하기 때문이죠. 좀더 강하게 말하면, 선로의 형상과 길이가 회로에 '영향'을 주는 정도가 아니라, 동작 성능과 기능 모든 것을 '결정'하게 됩니다.

저주파 PCB를 설계하던 사람이라면, 전체 회로도를 짜고, 부품을 적당히 배치하고, 그 부품들을 연결할 PCB line을 CAD tool등을 이용하여 적당히 정하겠죠. 고주파대역에선 이런 방법 순서가 씨가 먹히지 않습니다. 우선 전체 회로도를 짜되, 회로도 구성에서부터 각 부위에 얼마만한 폭과 길이를 가진 선로를 어떤 모양으로 사용할 것인지 미리 아주 확실하게 결정합니다. 그 회로 결과값 자체가 바로 layout으로 되어 곧바로 회로제작에 들어갑니다. 아마 회로를 만들어보신 분이라면 이게 무슨 말인지 쉽게 알 수 있을 것입니다.

바로 이러한 이유로 고주파 설계가 힘들다.. 라는 말이 나오는 것이지요. 아주 처음부터 RF설계를 배운 사람이라면 모르지만, 저주파 설계를 하던 사람이 고주파 설계를 처음 시작할때 매우 당황스러워 하는 부분들이었습니다. 개념자체가 다르니까요.

예를 들어 L을 구현한다했을때, 저주파에선 L소자를 사서 달겠지만, 고주파에선 일반적으로 보통 선로의 길이를 길게 해서 그 길이값으로 L을 구현하게 됩니다. C소자 역시 stub이나 gap을 의도적으로 선로에 포함시켜서 소자 대신 표현하기도 합니다. 그래서 고주파 회로를 처음 보면 약간 황당하게도 아무런 C나 L소자를 실장하지도 않았는데 회로가 되기도 합니다. (잠깐 상식! 선로의 길이가 길어지면 L소자처럼 동작하며, 고주파가 될수록 L값이 높아집니다.)

바로 이렇게 고주파에선 패턴 콘트롤을 통해 회로를 설계방법이 필요한데, 그러한 설계법에 최적화된 PCB형태를 Microstrip이라고 부릅니다. 또한 이렇게 패턴 콘트롤을 해야 할때 가장 중요한 것은, 바로 signal -ground 사이의 매질 형태입니다.

이것이 바로 일반 PCB와 Microstrip의 근본적인 차이입니다. 신호선과 GND(접지)선과의 관계이죠.

일반 PCB에서는 신호선과 GND 선(또는 판) 간의 거리나 위치에 상관없이, 모든 신호선들이 정확히 GND를 공유하기만하면 됩니다. 만약 이 말도 이해가 가지않는 회로설계 미경험자라면, 사실 Microstrip을 이해하는 것도 힘들 수 있습니다. 더더더욱 쉽게 설명한다면, 아마 대부분 PC의 메인보드나 사운드카드 등등의 전자회로들을 보셨겠죠? 전자쪽 전공하신 분이라면 실험이나 최소환 회로기판을 구경이라도 해보셨겠죠? 그런 회로들은 가만히 들여다보면 각각 GND의 점위치나 판 위치 크기 이런게 제각각입니다. 각각의 신호가 신호선과 GND 양단에 연결만 되면 되기 때문입니다.

그런데 주파수가 계속 올라가게되면, 그 신호선과 GND 사이에 교류에너지가 집중되면서 field가 형성되기 시작합니다. 일반 저주파 PCB에서는 신호선과 GND 사이에 또다른 신호선과 소자 등 많은 것들이 가로막고 있기 때문에 점차 신호선 ~ GND 간의 배치 문제가 어려워집니다. 보통 GND와 신호선을 기판의 한쪽면에 한꺼번에 올리는 경우가 많으므로, 이문제를 해결하기 위해 GND는 특별히 회로 뒷편으로 넘기기도 하죠. 그렇게 하면 양면으로 복잡한 패턴이 그려진 양면 PCB가 되고, 실제로 그렇게 많이 설계하지요. (지금 아무 회로판이라도 있으면 한번 뒤집어서 보세요)

급기야는 주파수가 수백Mhz로 올라가면서 신호선과 GND 사이의 선로,매질,물질의 문제가 점점더 복잡한 영향을 주기 시작합니다. 자꾸만 신호선 ~ GND 사이에 교류 에너지가 집중하기 때문에 방해물에 대한 영향이 커지기 때문이죠. 그렇다면 어떤식으로 해결할 것인가???

그래서 생각한 것이 앗싸리 기판 아랫면은 아예 금속으로 완전히 덮어버리고, 윗면에는 GND 없이 신호선만 배치해버리는 겁니다. 오호라~ 그렇다면 이제 신호선과 GND 사이에는 오로지 기판만이 존재합니다! 이렇게 하면 수백Mhz에서도 잘 동작하지요. 그렇지만 이렇게 만들고도, 계속 주파수가 올라가서 Ghz대에 근접하면 또다른 문제에 도달합니다. 아무리 신호 ~ GND 사이에 기판만 존재시켜서 그 사이에 방해물 없이 교류신호가 걸린다고는 하지만... 뭔가가, 뭔가가 이상해집니다.

바로 초고주파가 되면서 신호선 ~ GND 사이에서 신호의 거의 모든 에너지 성분이 교류필드 형태를 이루면서 진행한다는 점입니다. 즉 단순히 GND와 신호선 사이의 물질을 제거하는 것만이 아니라, 그 사이에 들어가는 매질(즉 기판유전체)의 조건이 완벽하게 일정해야 한다는 문제가 발생하지요! 예전에는 신호선과 GND 사이에 걸리적 거리는 소자나 선로가 문제였지만, 초고주파에서는 그 기판의 높이나 유전율까지 정확히 일정해야 한다는 것입니다. 저주파에서처럼 신호선 GND간의 거리를 맘대로 조정하면 회로의 성능이 확확 변해버립니다. 거의 모든 에너지가 바로 그놈의 신호선 ~ GND 사이에 걸려버리니까, 그사이의 물질에 무지하게 민감하게 반응하게 되니까요.

그래서 결국 탄생한 형태가 Microstrip입니다. 맨 아래에는 GND 금속으로 완전히 코팅되어 있으며, 중간 유전체의 높이와 유전율이 명확하게 정의되어 있으며, 그 높이/유전율 조건에 맞추어 맨 윗면에 신호선을 배치하면서 회로를 구성하게 만든, 그런 형태의 기판을 바로 Microstrip이라고 부르는 것입니다. 일단 Microstrip 기판을 선택하면, 그때부턴 빼도박도 못하고 그 기판 수치값에 맞게 윗면에 회로 사이즈와 형태를 결정할 수 밖에 없습니다. 저주파에선 일단 회로를 설계하고 기판을 구하지만, 고주파에선 일단 기판을 선택해야 제대로 회로설계가 됩니다. 큰 차이죠..

어쨌든 Microstrip은 왜 사용하느냐? 라는 질문은 이렇게 대답할 수 있을 것입니다.

-> 고주파에선 신호선과 GND 사이에 대부분의 에너지가 집중된다.
-> 신호선과 GND 관계를 명확하게 고정하고 설계하기 위한 기판 구조가 필요하다.
-> Microstrip 선로 구조가 아니면 고주파 필드 에너지를 모아서 보내기 힘들다!

사실 어느 책을 봐도 Microstrip을 왜 쓰는지에 대한 설명은 별로 없습니다. 너무 당연시하게 사용해서일까요?
최근에는 PC의 CPU도 거의 Ghz대에 도달하고, 100Mhz의 패스트 이더넷말고도 그다음 규격인 300Mhz, 수백Mhz대의 시리얼 버스규격인 IEEE1394, 또 Ghz 이더넷 랜 시스템 등이 각계에서 연구중입니다. 이런 분야에서도 정상적인 전자회로 설계로는 정확한 동작을 기대하기 힘들기 때문에, 점차 Microstrip 형태의 기판구조로 가고 있습니다.

위 내용은 전자회로 구성에 경험이 전혀 없는 분이 보면 여전히 뜬구름 잡는 얘길지도 모릅니다만, 적어도 RFDH에서 그정도 초보자부터 이끌기는 무리일겁니다. 나름대로 쉽게 설명햇지만, 여전히 이해가 안가는 부분이 있더라도 실제 개발을 하면서 조금씩 그 개념을 완성해나가시기 바랍니다.

참고> Study > RF/Microwave > Microstrip이란?
Study > RF/Microwave > Microstrip 제작법