저주파 시스템에서는 구성 요소가 와이어나 PCB 트레이스로 연결됩니다. 이러한 전도성 요소의 저항은 대부분 상황에서 무시할 수 있을 만큼 낮습니다.
회로 설계 및 분석의 이 측면은 주파수가 증가함에 따라 극적으로 변합니다. RF 신호는 저주파 회로에 대한 경험에 근거하여 예상하는 간단한 방식으로 와이어나 PCB 트레이스를 따라 이동하지 않습니다.
전송선
RF 상호 연결의 동작은 저주파 신호를 전달하는 일반 전선의 동작과 매우 다릅니다. 사실 너무 다르기 때문에 추가 용어가 사용됩니다. 전송선은 고주파 신호 전파의 특성에 따라 분석해야 하는 케이블(또는 단순히 한 쌍의 도체)입니다.
먼저, 두 가지 점을 명확히 해두겠습니다.
케이블 대 트레이스
이 맥락에서 "케이블"은 편리하지만 부정확한 단어입니다. 동축 케이블은 확실히 전송선의 전형적인 예이지만 PCB 트레이스도 전송선으로 기능합니다. "마이크로스트립" 전송선은 트레이스와 근처 접지면으로 구성되어 있으며 다음과 같습니다.
"스트립라인" 전송선은 PCB 트레이스와 두 개의 접지면으로 구성됩니다.
PCB 전송선은 설계자가 직접 특성을 제어하기 때문에 특히 중요합니다. 케이블을 구매할 때 물리적 특성은 고정되어 있으며, 데이터시트에서 필요한 정보를 수집하기만 하면 됩니다. RF PCB를 배치할 때 애플리케이션의 필요에 따라 전송선의 치수와 전기적 특성을 쉽게 사용자 정의할 수 있습니다.
전송선 기준
모든 고주파 상호연결이 전송선은 아닙니다. 이 용어는 주로 신호와 케이블 간의 전기적 상호 작용을 의미하며, 신호의 주파수나 케이블의 물리적 특성을 의미하지 않습니다. 그렇다면 언제 전송선 효과를 분석에 통합해야 할까요?
일반적인 아이디어는 전송선 효과가 신호의 파장과 비슷하거나 더 길 때 상당해진다는 것입니다. 더 구체적인 지침은 파장의 1/4입니다.
- 상호 연결 길이가 신호 파장의 1/4보다 짧으면 전송선 분석이 필요하지 않습니다. 상호 연결 자체는 회로의 전기적 동작에 큰 영향을 미치지 않습니다.
- 상호연결 길이가 신호 파장의 1/4보다 길면 전송선 효과가 커지고 상호연결 자체의 영향을 고려해야 합니다.
파장은 전파 속도를 주파수로 나눈 값과 같다는 것을 기억하세요.
λ=vf
만약 우리가 전파 속도를 빛의 속도의 0.7배로 가정하면, 파장은 다음과 같습니다.
| 1kHz | 210km |
| 1MHz | 210미터 |
| 1GHz | 210mm |
| 10GHz | 21mm(21mm) |
해당 전송선 임계값은 다음과 같습니다.
| 1kHz | 52.5km |
| 1MHz | 52.5m |
| 1GHz | 52.5mm(52.5mm) |
| 10GHz | 5.25mm(5.25mm) |
따라서 매우 낮은 주파수의 경우 전송선 효과는 무시할 수 있습니다. 중간 주파수의 경우 매우 긴 케이블만 특별한 고려가 필요합니다. 그러나 1GHz에서는 많은 PCB 트레이스를 전송선으로 처리해야 하며 주파수가 수십 기가헤르츠로 올라가면 전송선이 어디에나 존재하게 됩니다.
특성 임피던스
전송선의 가장 중요한 속성은 특성 임피던스(Z 0 로 표시 )입니다. 전반적으로 이것은 상당히 간단한 개념이지만 처음에는 혼란을 일으킬 수 있습니다.
먼저 용어에 대한 참고 사항입니다. "저항"은 전류 흐름에 대한 반대를 의미하며 주파수에 의존하지 않습니다. "임피던스"는 AC 회로의 맥락에서 사용되며 종종 주파수에 따라 달라지는 저항을 의미합니다. 그러나 이론적으로 "저항"이 더 적절한 경우 "임피던스"를 사용하는 경우가 있습니다. 예를 들어 순수 저항 회로의 "출력 임피던스"를 참조할 수 있습니다.
따라서 "특성 임피던스"가 무엇을 의미하는지 명확하게 이해하는 것이 중요합니다. 케이블 내부의 신호 도체의 저항이 아닙니다. 일반적인 특성 임피던스는 50Ω이고 짧은 케이블의 DC 저항이 50Ω이면 터무니없이 높을 것입니다. 특성 임피던스의 본질을 명확히 하는 데 도움이 되는 몇 가지 중요한 요점은 다음과 같습니다.
- 특성 임피던스는 전송선의 물리적 속성에 의해 결정됩니다. 동축 케이블의 경우 내경(아래 그림의 D1), 외경(D2), 내부 도체와 외부 도체 사이의 절연체의 비유전율의 함수입니다.
- 특성 임피던스는 케이블 길이의 함수가 아닙니다. 케이블의 내재적 커패시턴스와 인덕턴스에서 비롯되기 때문에 케이블의 모든 곳에 존재합니다.
이 다이어그램에서 개별 인덕터와 커패시터는 케이블 전체 길이에 걸쳐 지속적으로 존재하는 분포된 커패시턴스와 인덕턴스를 나타내는 데 사용됩니다.
- 실제로, DC에서 전송선의 임피던스는 중요하지 않지만, 무한 길이의 이론적 전송선은 배터리와 같은 DC 소스에도 특성 임피던스를 나타낼 것입니다. 이는 무한히 긴 전송선이 무한한 분배된 커패시턴스 공급을 충전하려고 시도하면서 끊임없이 전류를 끌어오고, 배터리 전압과 충전 전류의 비율이 특성 임피던스와 같기 때문입니다.
- 전송선의 특성 임피던스는 순수 저항성이며 위상 변화가 도입되지 않고 모든 신호 주파수가 동일한 속도로 전파됩니다. 이론적으로 이는 손실 없는 전송선, 즉 도체를 따라 저항이 0이고 도체 사이에 무한한 저항이 있는 전송선에만 해당합니다. 분명히 그러한 선은 존재하지 않지만 손실 없는 선 분석은 실제 저손실 전송선에 적용하면 충분히 정확합니다.
반사와 매칭
전송선의 임피던스는 일반적인 저항기처럼 전류 흐름을 제한하기 위한 것이 아닙니다. 특성 임피던스는 단순히 근접한 두 도체로 구성된 케이블 간의 상호 작용의 불가피한 결과입니다. RF 설계 맥락에서 특성 임피던스의 중요성은 설계자가 반사를 방지하고 최대 전력 전달을 달성하기 위해 임피던스를 일치시켜야 한다는 사실에 있습니다. 이는 다음 페이지에서 논의됩니다.
요약
- 상호 연결은 길이가 신호 파장의 1/4 이상일 때 전송선으로 간주됩니다.
- 동축 케이블은 일반적으로 전송선으로 사용되지만 PCB 트레이스도 이 목적을 달성합니다. 두 가지 표준 PCB 전송선은 마이크로스트립과 스트립라인입니다.
- PCB 상호연결은 일반적으로 짧기 때문에 신호 주파수가 1GHz에 가까워질 때까지 전송선 동작이 나타나지 않습니다.
- 전송선에서 전압 대 전류의 비율을 특성 임피던스라고 합니다. 이는 케이블의 물리적 특성의 함수이지만 길이에 영향을 받지 않으며 이상화된(즉, 무손실) 선의 경우 순전히 저항성입니다.