MWAVE-LABORATORY ~ RFDH version ~

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마이크로스트립 선로 (Microstrip Line)

마이크로파에서는 유닛끼리 연결할때 주로 동축선로를 이용하게 되지만, 유닛 내의 부품과 회로를 연결할 때는 일반적으로 마이크로스트립 선로를 이용하게 됩니다.

마이크로스트립 선로는, 왼쪽 그림처럼 프린트 기판상의 한쪽면(아래쪽)을 Ground로 사용하고, 다른 면의 표면(위쪽)을 신호선으로 이용하는 형태입니다.

실제 회로에서는 부품연결상 신호선쪽 면에도 GND 패턴이 있는 경우가 많습니다만, 그런 경우도 GND와 신호선과의 간격을 어느 정도 유지하여 마이크로스트립의 특성임피던스에 영향이 없도록 패턴을 디자인하게 됩니다. 마이크로스트립 선로는 그 구조상 전계/자계가 프린트 기판의 유전체와 표면의 공기에 동시에 걸쳐있기 때문에, 그 전체적인 특성을 계산하는 것은 복잡하고 어렵습니다.

마이크로파대에서는 신호파장에 대하여 신호선폭을 완전히 무시할 수 있다고 말할 수가 없습니다. 주파수가 높아짐에 따라 신호선의 전계도 edge 부분에 집중되어 버려서, 특성임피던스가 높아지는 현상이 발생하기 때문입니다. 이런 현상이 발생하면, 특성 임피던스가 주파수에 의존하지 않는다는 전송선로의 이론도 적용할 수가 없어서, 마이크로스트립의 해석이 한층 더 복잡해지게 됩니다.

따라서 마이크로스트립 선로의 임피던스를 계산할 시에는 세심한 주의를 기울여야 합니다만, 일반적으로 적용되는 마이크로스트립 계산식은 아래와 같습니다.

이 계산식에서는 W(신호선폭)/h(유전체두께)가 1 이상인 경우와 1 이하인 경우로 계산식이 나뉘어지고 있습니다. εre 는 유전체와 공기사이에 위치한 마이크로스트립 선로의 유효 비유전율을 의미합니다. 여기서 마이크로스트립 선로의 파장은 아래와 같이 계산됩니다. (관내파장)

실제의 마이크로스트립 선로의 물리적 dimension의 예를 아래 표에 나타내보았습니다.

	테플론 기판 (εr=2.6)							재료 특징
기판두께	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0	1.2	1.6	마이크로파에서 애용되는 기판입니다. 유전체 손실(tanδ)이 0.001 정도로 낮아서 마이크로파에 최적이며, 테플론과 유리섬유를 그물처럼 엮은 구조입니다. 재질이 연하다는 단점이 있습니다.
선폭	0.43	0.99	1.54	2.09	2.63	3.20	4.30
파장 단축율	0.68

	BT 레진 기판 (εr=3.4)							재료 특징
기판두께	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0	1.2	1.6	테플론 기판보다 저렴한 고주파용 기판으로써 테플론기판에 비해 딱딱하고, 가공성은 좋은 편입니다. 유전체 손실은 0.003 정도로 테플론에 비해 떨어집니다. 미츠비시의 BT레진 및 마쯔시타의 열경화PPO등이 이러한 특성에 해당됩니다.
선폭	0.36	0.82	1.28	1.74	2.20	2.66	3.57
파장 단축율	0.61

	New CEM-3 기판 (εr=4.3)							재료 특징
기판두께	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0	1.2	1.6	고주파용은 아닌 일반 PCB 기판입니다만, 유리 에폭시(FR-4)보다 유전율의 주파수 특성이 균일하고 유전체 손실도 좋기 때문에, 저가보급형 고주파 기판재료로써 사용되는 경우가 있습니다.
선폭			1.08	1.46	1.85	2.24	3.02
파장 단축율	0.55

▶ 마이크로스트립 선로의 설계 포인트

(1) 회로부품이나 입출력 인터페이스의 물리적 크기와 맞는 선폭이 구현 가능한 기판두께를 선택한다.
(2) 주파수가 높아지면 선폭의 영향을 무시할 수 없으므로, 선폭을 가늘게 구현한다.
     즉 고유전율의 기판재료를 이용하거나 기판두께가 얇은 것을 이용하는 것이 유리하다.
(3) 선폭이 굵어지면 마이크로파에서 공중으로의 복사량(radiation)도 커진다.
     이것으로 인해 복사 손실이 많아질 뿐만 아니라, 복사되어 외부로 나간 파동이 차폐(shield) 케이스
     내에서 공진을 일으켜 전송특성에도 영향을 주기도 하므로 주의가 필요하다.

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