[논문]개구 접지 면과 적층 PCB를 이용한 우수한 민감도를 갖는 미앤더 선로 인덕터 설계

김유선; 남훈; 정진우; 임영석

개구 접지 면과 적층 PCB를 이용한 우수한 민감도를 갖는 미앤더 선로 인덕터 설계
A Design of The Meander Line Inductor With Good Sensitivity Using Aperture Ground plate and Multi-layer PCB 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. TC, 통신, v.43 no.12 = no.354, 2006년, pp.75 - 82

김유선 (전남대학교 전자공학과) , 남훈 (㈜LG-Nortel) , 정진우 (전남대학교 전자공학과) , 임영석 (전남대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 개구를 갖는 접지면의 높은 특성 임피던스를 이용하여 주파수에 대한 민감도가 좋고 높은 품질 계수를 갖는 미앤더 라인 인덕터들을 설계하였다. 주파수에 대한 민감도는 자기 공진 주파수 (SRF) 대신에 해석 주파수 범위에 대한 유효 인덕턴스 변화량으로 새로 정의 되었다. 등가 집중 소자 회로는 고주파 인덕터의 특성을 설명하기 위해 전개되었다. 개구 접지면을 갖는 4 nH 미앤더 라인 인덕터는 0.45 nH/GHz의 좋은 민감도와 0.7 GHz에서 86의 Q 값을 갖는다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we design the meander line inductors with high sensitivity and high quality factor(Q) using high characteristic impedance of aperture ground plate. Sensitivity as a frequency is new defined by variation of effective inductance per analysis frequency range instead of self resonance frequency (SRF). An equivalent lumped circuit is derived to explain the characteristic of high frequency inductor. The 4 nH meander line inductor with aperture ground plate has 0.45 nH/GHz of good sensitivity and 86 of Q at 0.7 GHz.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

단점을 극복하기 어려웠다. 본 논문에서는 이를 해결하기 위해 스트립 전송 선로의 구조에 기인한 전기적 요소들을 포함한 적합한 등가 회로 모델을 구성하였고, 이에 대한 회로 해석을 통해 적층 구조 내의 각각 의성분들이 유효 인덕턴스에 어떠한 영향을 주는지를 밝혔다. 이를 통해 유효 인덕턴스 변화에 영향을 많이 미치는 기생 커패시턴스 성분을 개구 접지 면을 이용하여 효과적으로 억제함으로써 우수한 민감도를 갖는 미앤더선로 인덕터를 설계하였다.
본 논문에서는 인덕터의 민감도(Sensitivity)를 해석주파수 사이에 대한 유효 인덕턴스의 평균 변화율의 역수로 정의 하였다.

가설 설정

Q와 务는 완전 도체, 손실이 없는 매질로 가정하여 전자기 모의실험을 수행함으로써 무 손실 선로의 등가 회로와의 비교를 통해 결정하였다. 기생 커패시턴스값과 구조 파라미터들은 다음과 같은 관계를 가진다.

제안 방법

대략적인 상호 인덕턴스 값은 식 (5)를 이용함으로써 구할 수 있지만, 실제로는 주파수에 따라 한 주기 동안 전류 분포에 대한 자속 쇄교 수의 평균값은 다르므로 상호 인덕턴스 또한 주파수에 대한 독립적인 함수가 아니다. 그러므로 본 논문에서는 식 (5)와 전자기 모의실험을 병행하여 전체 상호 인덕턴스 값을 결정하였고, 앞 절의 직선 선로를 이용한 인덕터 설계의 데이터를 참고하여 구조 내의 인덕턴스 의외의 소자 변수들에 의한 영향을 최소화 하였다.
넷째, 개구 면이 충분히 넓을 경우 구조 높이에 대한 변화가 거의 없으므로 소형화에 유리하다. 다섯째, 미앤더 라인 구조의 상쇄되는 상호 인덕턴스 양을 줄임으로써 고효율의 인덕터를 설계하였다. 여섯째, 등가 회로와 구조 변수들 간의 연관성을 밝힘으로써 인덕터 내의 저항 성분뿐만 아니라 다른 성분들을 효율적으로 제어할 수 있다.
깊이를 나타낸 것이다. 본 논문에서는 구리의 도전율과 17/zm의 도체 두께를 이용하여 이를 구하였으며, 선로의 폭과 길이에 따른 도체 손실의 값은 그림 3 과 같다. 유전체 손실을 나타내는 값은 손실이 있는 등가 회로와 측정 결과 값을 curve-fitting 하여 결정하였다.
본 논문에서는 비교적 등가 회로 모델 구성이 쉽고, 제작하기가 용이한 유전상수가 4.2인 FR-4 기판을 적층함으로써 인덕터를 설계하였다.
앞 절의 데이터를 기반으로 하여 비유전율, tanS, 구조의 높이가 각각 4.2, 0.02, 0.4 mm이고 6 mmx2.8 mm 의 개구 접지 면을 갖는 스트립 라인 구조를 이용하여 4 nH의 인덕턴스 값을 갖는 미앤더 선로 인덕터를 설계 하였다. 그림 12와 13은 설계된 인덕터의 주파수에 따른 유효 인덕턴스 변화와 품질 계수를 도시한 것이다.
본 논문에서는 구리의 도전율과 17/zm의 도체 두께를 이용하여 이를 구하였으며, 선로의 폭과 길이에 따른 도체 손실의 값은 그림 3 과 같다. 유전체 손실을 나타내는 값은 손실이 있는 등가 회로와 측정 결과 값을 curve-fitting 하여 결정하였다. %값과 구조 파라미터들의 관계는 다음과 같다.
본 논문에서는 이를 해결하기 위해 스트립 전송 선로의 구조에 기인한 전기적 요소들을 포함한 적합한 등가 회로 모델을 구성하였고, 이에 대한 회로 해석을 통해 적층 구조 내의 각각 의성분들이 유효 인덕턴스에 어떠한 영향을 주는지를 밝혔다. 이를 통해 유효 인덕턴스 변화에 영향을 많이 미치는 기생 커패시턴스 성분을 개구 접지 면을 이용하여 효과적으로 억제함으로써 우수한 민감도를 갖는 미앤더선로 인덕터를 설계하였다.
구조 변수와 등가 회로를 구성하는 소자들의 관계는 다음과 같다. 전체 구조의 두께는 특성 임피던스 관계식에 포함되므로 생략하였다.

이론/모형

단점이 있다. 본 논문에서는 상호 인덕턴스를 포함시키기 용이한 T형 모델을 사용하였다X8T2〕.

성능/효과

선로 폭에 대한 특성 임피던스 변화량이 스트립 선로 구조에 비해 적기 때문에 제작에 유리하다. 넷째, 개구 면이 충분히 넓을 경우 구조 높이에 대한 변화가 거의 없으므로 소형화에 유리하다. 다섯째, 미앤더 라인 구조의 상쇄되는 상호 인덕턴스 양을 줄임으로써 고효율의 인덕터를 설계하였다.
다섯째, 미앤더 라인 구조의 상쇄되는 상호 인덕턴스 양을 줄임으로써 고효율의 인덕터를 설계하였다. 여섯째, 등가 회로와 구조 변수들 간의 연관성을 밝힘으로써 인덕터 내의 저항 성분뿐만 아니라 다른 성분들을 효율적으로 제어할 수 있다.
02pF으로 하였다. 위의 결과는 기생 커패시턴스 효과보다 프린징 효과와 상호 커패시턴스의 영향에 의해 유효 인덕턴스는 주파수에 따라 더욱 많은 변화를 갖는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 실제 물리적 구조 상 프린징 효과와 상호 커패시턴스는 기생 커패시턴스의 영향에 비해 적은 값을 갖는다

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