Microstrip

 

Microstrip이란?

저주파 회로기판에서의 선로배치 문제는 효율적인 공간배치의 개념이 더 강조된다. 같은 양의 선로를 얼마나 더 좁은 공간에서 짧은 거리로 구현하는가가 생산 단가에 미치는 영향은 지대하기 때문이다. 또한 ground의 위치는 그다지 중요하지 않고, 신호선과 ground간의 거리 또한 크게 고려되지 않는다. 한마디로 회로도대로 연결만 된다면 일단은 동작할 수 있다.

하지만 고주파회로에서는 선로의 길이 자체가 회로소자값 그 자체인 경우도 많기 때문에, 함부로 길이를 손댈 수 없다. 또한 신호선과 ground 사이에 다른 선로가 지나간다면 그 영향은 상당히 크기 때문에, ground의 위치가 상당한 중요성을 가진다. 그리고 결정적으로 고주파가 될수록 선로의 내부가 아닌 외부 표면에만 전류가 흐르려는 경향이 발생하고(skin effect), 안테나처럼 방사하려는 경향이 강해지기 때문에 선로금속자체로 신호를 보내기 힘들다.

이러한 고주파의 모든 조건들을 만족시키기 위해 고안된 고주파용 회로기판이 바로 microstrip이다. 전형적인 transmission line구조인 microstrip 기판은 밑면 전체를 하나의 금속판을 이용해 ground로 처리하고, 그 바로 위에 일정두께의 유전체 기판을 올린 후 유전체 위에 선로 형상을 구현한 회로구조이다. 이를 통해 신호선과 ground간의 거리와 매질특성이 균일하게 배치되고, 선로와 ground 사이에 전자파 field에너지에 신호를 보존하며 전송하게 된다. Microstrip이 저주파와 차별되는 중요한 특성은 선로와 ground간의 매질조건 항상 균일하게 고정하는 것이라고 볼 수 있다.

 

Microstrip의 특성

Mocrostrip에서 신호는 윗단의 선로와 아랫단의 ground 사이에 field형태로 유기되어 전달된다. 여기서 사용되는 mode는 E field와 H field가 진행방향에 모두 수직인 TEM mode를 사용하며, 실제로는 선로 옆으로 휘는 fringing field가 존재하기 대문에 quasi TEM (유사TEM) 이라고 불리운다.

 

        

Microstrip의 장단점은 다음과 같다.

장점

단점

- 작고 가볍다

- 대량 생산이 용이하다

- 집적화가 쉽다

- 어레이 안테나 구현이 쉽다

- 기판특성으로 크기를 조절할수 있다

- 높은 전력을 다룰 수 없다 (저전력)

- 상대적으로 기판값이 비싸다

- surface wave coupling이 있다

- 전송가능한 대역폭이 좁다

- 초고주파에서 fringing field가 늘어난다

 

Microstrip parameters

Microstrip을 구현하는데 필요한 파라미터는 다음과 같다. 이중 꼭 고려되어야 할 가장 중요한 파라미터는 높이(h)와 비유전율(εr)로서, 나머지 파라미터의 중요도는 h와 εr에 비해서는 떨어진다. 금속두께(t)의 경우는 성능보다 단가나 무게의 문제 때문에 자주 고려되며, 손실을 고려하려면 tangent delta 등의 파라미터도 고려해야 한다.

 

Microstrip 파라미터 적용시 한가지 고려해야할 점이 있는데 TEM이 아니라 quasi-TEM mode를 사용하기 때문에 기판의 유전율이 그대로 수식에 적용되지 않는다. 그래서 effective dielectric constant (εe)계산이 필요해지는데, 그 계산 수식은 다음과 같다. 만약 RF circuit tool을 사용한다면 이런 계산은 자동적으로 수행되므로 사용자가 신결 쓸 필요는 없다.

 

Microstrip 설계

Microstrip에서 선로의 폭은 곧바로 Impedance를 의미한다. 폭이 넓을  수록 임피던스는 작고, 좁을수록 임피던스는 높다. 이것은 자동차 도로를 연상하면 쉽게 이해된다. 그리고 길이는 대부분 파장의 1/4, 1/8 과 같이 파장에 비례한 값으로 설계하게 된다. 일반적인 Microstrip 선로의 선로폭/높이와 임피던스와 관계식은 다음과 같다.

전자 회로도를 Microstrip으로 구현하려면, 저주파의 RLC lumped element처럼 구현된 회로도를 distributed type의 소자들로 변환해야 한다. 여기서 어떠한 형태의 distributed type의 소자로 변환하느냐은 설계자가 결정해야 하는 문제인데, 회로기판인 경우라면 microstrip이나 Stripline으로, 구조물의 경우라면 해당하는 RLC공진구조의 형태로 변환하게 된다. 그리고 Microstrip에서는 변환된 distributed 소자들의 전기적인 회로소자값, 즉 임피던스와 선로위상길이등의 electric size를 실제 크기의 physical size로 변환한다. 여기서 변환에 필요한 변수들이 바로 주파수와 h, εr과 같은 선로 파라미터들이다.

대부분의 RF circuit tool은 electric size로 설계한 후 Microwtrip 기판의 파라미터 정보만 입력하면 자동으로 physical size로 변환해주기 때문에 간편하게 회로설계가 가능하다.

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