스트립선로 (Stripline)

 Stripline Calculator
Stripline에선 기판의 유전율과 유전체두께가 가장 중요한 factor가 된다.

Stripline Calculator

●기판정보 유전율 er =  기판두께 b =  mm 금속두께 t =  um 주파수 f =  MHz W mm Zo  Ω Zo Ω W mm k =  λg = mm λg/4 = mm

- 본 웹 계산코드는 I-Laboratory 의 市川裕一씨께서 제공해주셨습니다 -

☞ 사용방법
- 원하는 기판정보( εr , b, t )와 주파수( f )를 입력한다
- 원하는 선폭의 임피던스를 계산하고 싶을땐 W를 입력하고 Analyze를 누른다.
- 원하는 임피던스의 선폭을 계산하고 싶을땐 Zo를 입력하고 Synthesis를 누른다.
- 관내파장(λg), 전파계수(k)는 그와 함께 자동계산된다.
- 기판 금속선로 두께는 일반적으로 1/2 Oz.의 기판의 경우 18 um, 1 Oz 기판의 경우 36um 이다.
   기판의 금속 두께는 단위면적당 금속무게(Oz. = 온쯔)로 정의된다.

 Equation
Stripline의 수식은 Microstrip에 비해 약간 더 복잡한 양상을 띄게된다.

▶ 특성임피던스 (Characteristic impedance)

▶ 감쇄상수 (Attenuation Constant)
도체 도전율에 의한 손실인 αc (Conduction loss)와, 유전체의 tanδ에 의한 αd (Dielectric loss)의 두가지가 존재한다.

▶ 고차모드 차단주파수 (Cutoff frequency for higher order mode)
고차모드에서 신호전달이 차단되는 주파수로써, 중요도는 낮다. (아래수식에서 W와 b의 단위는 cm)

 Stripline의 특징

Microstrip과 Stripline은 전혀 다른 것임에도 불구하고 혼동하여 말하는 경우가 많다. Microstip이 가장 보편적으로 사용되다보니 그냥 줄여서 대충 스트립.. 이라고 부르게 되는데, 이는 stripline과 혼동될 여지가 있으므로 용어를 명확히 하는 습관을 들여둘 필요가 있다.

Microstrip은, 금속선로 윗면이 공기에 열려있어서 qusai-TEM mode로 파가 진행된다. 그때문에 계산자체의 모호함과 외부와의 전자기 신호 간섭이 우려된다는 단점이 있는데, Stripline은 그와 달리 선로 위아래로 위치한 Ground 판으로 인해 거의 TEM mode에 가까운 전송특성을 갖고 있다.

그래서 Stripline은 Microstrip보다 손실이 적고, 위아래로 차단된 Ground 금속판으로 인해 외부의 전계와 차단되어 안정적인 동작이 가능하다. 그러나 유전체 내부에 금속선로가 존재하기 때문에, 튜닝이 거의 불가능해진다는 치명적인 문제점을 갖고 있다.

Stripline은 고주파 다층기판에서 많이 사용되게 된다. 일반적인 저주파 전자회로에서는 다층기판을 사용할때 중간중간에 Ground판이 존재하지 않아도 신호전달에 치명적인 문제는 없다. 하지만 고주파가 되면서 선로간의 간섭이 심해지기 때문에, 각 선로 사이에 Ground층을 삽입하여 간섭을 최소화하게된다. (물론 저주파에서도 Ground판으로 선로를 격리하는 것이 안전하다) 즉 자연스럽게 Ground층 사이에 선로가 지나가게 만들어지기 때문에, 이 경우의 전송선로는 Microstrip이 아닌 Stripline의 개념을 적용하여 선로의 폭과 길이를 설정해야 한다.

그외에도 고전력을 위한 기지국 수동소자와 수동회로 등 여러 분야에서 상황에 맞게 Stripline이 사용되지만, 많은 경우 제작의 편리함과 튜닝성 등을 고려하여 Microstrip형태의 전송선로가 더 애용된다.

 Stripline simulation

Stripline은 Microstrip에 비해 보다 완전한 TEM파의 형태이기 때문에, 불확실한 상황변수가 적어서 위에서 소개된 계산 수식의 정확도가 높아서, 별도의 정교한 해석이 불필요할 것처럼 보인다. 하지만 유전체층 사이에 삽입된 형태로 선로가 배치되기 때문에, 일단 공정이 이루어지고 나면 선로를 수정하기가 매우 어렵다. 그렇기 때문에 EM simulation 등을 통해 튜닝이 필요없도록 설계단계에서 보다 정확한 계산이 필요할 수 있다는 아이러니가 존재한다.

Simulation시 Stripline은 Microstrip과 거의 유사하게 해석되며, 기판의 설정조건만 달라지게 된다. 그런데 실제로는 선로와 위쪽, 아래쪽 ground간의 간격이 동일하지 않은 경우도 많기 때문에, 이런 경우는 위의 수식으로는 정확히 계산이 어렵다. 특히 다층기판의 경우에 각 층의 유전체 두께가 다른 경우가 흔히 존재하여, 선로가 GND츨 사이 중앙에 위치하지 못하는 경우가 발생할 수 있다.

이 경우는 Schematic / EM simulation등을 통해, 해당 구조에 맞도록 별도로 정확한 선로의 값을 구해야 한다. 물론 Stripline도 Microstrip과 마찬가지로 EM simulation의 결과쪽이 보다 실제와 더 잘 맞는 경향을 보인다.

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