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문제 정의
- 본 논문에서는 모든 인접 셀과 거리가 같은 육각형을 전원면의 단위 셀로 적용하여, 사각형 형태 의전원면에서의 포트 방향에 따라 특성이 다른 구조적 방향성을 개선하였다. 사각형 구조 전원면에서 변이 마주 닿는 인접 셀끼리의 GBN 억제 특성은 대각선에 위치한 인접 셀끼리의 GBN 억제 특성에 비해 차단 주파수가 높게 나타난다.
제안 방법
- 나타낸 것이다. GBN 억제 구조를 제안한 연구 결과 중 저주파에서 특성이 좋은 S-bridged 구조의 전원면〔기을 본 논문의 구조와 비교하기 위해 연결선로의 두께(w)와 연결 선로 사이의 거리仞, 포트 사이의 거리 0)를 각각 0.2 mm, 0.2 mtn, 30 mm로 Sbridged 전원면과 동일하게 설계하였다. 앞서 설명한 것과 같이 사각형 형태의 단위 셀의 경우 방향에 따라 억제 특성이 다르게 나오기 때문에, 제안된 구조의 단위 셀 형태는 전원면의 억제 특성이 등방성을 갖도록 모든 인접 셀과의 거리가 같은 육각형을 설계하였다.
- 그림 2(a)는 제안된 구조와 S-bridged 구조의 포트 위치에 따른 억제 특성의 방향성을 나타낸 것이다. S-bridged 구조에서 전원 면의 가운데에 있는 셀 중심의 포트 1을 중심으로, 변이 맞닿는 셀에 포트 2, 대각선에 위치한 인접 셀에 포트 3을 설정하였다. 제안된 구조도 동일한 위치에 포트를 설정하고 같은 주기에서 억제 특성을 확인하였다.
- 이는 대각선 방향으로 신호를 전달하기 위해서는 실질적으로 세 개의 셀이 필요하다는 것을 의미하고, 대각선에 위치한 인접셀끼리의 GBN 억제 특성이 변이 마주 닿게 위치한 인접 셀끼리의 GBN 억제 특성보다 좋게 나타난다. 따라서 본 논문에서는 GBN 억제 특성이 좋지 않은 변이 마주 닿은 경우를 기준으로 주기의 크기를 설정하였다.
- 본 논문에서는 모든 인접 셀과 거리가 같은 육각형을 전원면의 단위 셀로 적용하고, 단위 셀과 각 셀을 연결하는 선로를 주기적으로 배열한 전원면을 설계하였다. 육각형 셀의 변을 따라 우회하는 연결 선로는 인덕턴스 성분을 강화시키고, 맞물리는 형태로 배열된 육각형 단위 셀은 전원면/접지면 사이의 커패시턴스 성분을 감소시킨다.
- 2 mtn, 30 mm로 Sbridged 전원면과 동일하게 설계하였다. 앞서 설명한 것과 같이 사각형 형태의 단위 셀의 경우 방향에 따라 억제 특성이 다르게 나오기 때문에, 제안된 구조의 단위 셀 형태는 전원면의 억제 특성이 등방성을 갖도록 모든 인접 셀과의 거리가 같은 육각형을 설계하였다. S-bridged 전원면에서 사각형 한 셀의 변을 크게 도는 연결 선로는 사각형 두 변의 길이와 같다.
- 제안된 구조는 잡음 전파를 억제하기 위해 고안되었지만 많은 슬롯을 갖기 때문에 EMI 측면에서의 확인이 필요하다. 제안된 구조가 갖는 EMI 특성을 확인하기 위해 그림 4와 같은 시험구성도를 갖는 전자파 무반향 실내에서 측정을 하였다.
- S-bridged 구조에서 전원 면의 가운데에 있는 셀 중심의 포트 1을 중심으로, 변이 맞닿는 셀에 포트 2, 대각선에 위치한 인접 셀에 포트 3을 설정하였다. 제안된 구조도 동일한 위치에 포트를 설정하고 같은 주기에서 억제 특성을 확인하였다. 그림 2(a)에서 인접 셀 사이의 거리가 다른 S-bridged 구조는 두 경우의 억제 특성이 서로 다르게 나타난다.
- 제안된 구조를 비롯하여, 기준이 되는 일반적인평행판 도파관, 특성 비교를 위한 S-bridged 구조를 함께 제작, 해석하였다. 해석은 Ansoft사의 HFSS 10 을 이용하였고, 제안된 구조의 측정은 On-wafer 탐침 측정 장비를 이용하여 수행하였다.
- 제안된 구조에서 방사되는 전장의 세기를 60 MHz부터 1 GHz까지는 바이로그 안테나를, 1 GHz부터 6 GHz까지는 혼 안테나를 사용하여 측정하였다. 평행판 도파관의 EMI 특성 역시 같은 조건에서 측정하여 비교하였다.
- 시간 영역에서 알아보았다. 제안된 구조와 평행 판 도파관에 각각 2.25 GHz의 주파수와 ±125 mV의크기를 갖는 주기적인 사각 모양의 파형을 pulsepattern generator(Anritsu사의 MP1763C)를 통해 인가하였다. 그림 3(a)에서 사각 모양의 파형을 확인할 수 있다.
- 제안된 구조와 평행판 도파관의 GBN 전달 특성을 시간 영역에서 알아보았다. 제안된 구조와 평행 판 도파관에 각각 2.
- 제안된 구조에서 방사되는 전장의 세기를 60 MHz부터 1 GHz까지는 바이로그 안테나를, 1 GHz부터 6 GHz까지는 혼 안테나를 사용하여 측정하였다. 평행판 도파관의 EMI 특성 역시 같은 조건에서 측정하여 비교하였다.
대상 데이터
- 기판은 가로 90 mm, 세로 90 mm, 두께가 0.4 tnm인 FR4를 사용하였다. 사각형 EBG 전원면은 변이 마주 닿는 인접 셀끼리의 특성과 모서리가 마주 닿는, 즉 대각선에 위치한 인접 셀끼리의 GBN 억제 특성이 다르게 나타난다.
데이터처리
- 제작, 해석하였다. 해석은 Ansoft사의 HFSS 10 을 이용하였고, 제안된 구조의 측정은 On-wafer 탐침 측정 장비를 이용하여 수행하였다. 그림 2(a)는 제안된 구조와 S-bridged 구조의 포트 위치에 따른 억제 특성의 방향성을 나타낸 것이다.
성능/효과
- 또한 본 논문에서 제안한 구조를 시간 영역에서 측정한 결과, 평행판 도파관에 비해 GBN을 76 % 감소시키는 특성을 나타내었다. EMI 측정 시 평행판 구조의전원 면/접지면에 비해 낮은 EMI 특성도 확인할 수 있었다.
- 해석된 결과와 측정된 결과는 FR4의 유전율이 분산적인 5 GHz 이상의 고주파 영역을 제외하고 거의 일치함을 확인하였다. GBN 저지 대역폭을 -30 dB 이하의 삽입 손실(%)으로 정의하였을때 제안된 구조의 측정 결과는 330 MHz부터 5.6 GHz까지 총 5.27 GHz의 저지대 역폭을 나타낸다. 육각형 구조는 인접한 셀과의 연결 선로가 변을 따라 우회할 경우, S-bridged 구조의 연결 선로와 비슷한 길이를 갖는다.
- 육각형 셀의 변을 따라 우회하는 연결 선로는 인덕턴스 성분을 강화시키고, 맞물리는 형태로 배열된 육각형 단위 셀은 전원면/접지면 사이의 커패시턴스 성분을 감소시킨다. 그 결과 제안된 구조는 330 MHz부터 5.6 GHz까지 넓은 주파수 범위에서 -30 dB 이하로 GBN을 억제할 수 있었다. 제안된 구조는 육각형이 가지는 등방성으로 인해 인접한 셀의 각 포트 사이의 전달 특성이 모두 동일하다 뿐만 아니라 같은 주기의 기존 사각형 구조의 전원 면에 비해 GBN 억제 대역폭이 향상된다.
- 한편, 육각형은 사각형에 비해 많은 변을 가지고 이들이 맞물리는 형태로 전원면을 이룬다. 따라서 제안된 구조는 S-bridged 구조에 비해 단위 셀이 차지하는 면적이 작아지게 되어 결과적으로 전원면/접지면 사이의커패시턴스 성분이 감소한다. 이에 따라 고주파 대역 차단 주파수는 4.
- 6 GHz까지의 넓은 대역에서 GBN을 억제하는 특성을 나타내었다. 또한 본 논문에서 제안한 구조를 시간 영역에서 측정한 결과, 평행판 도파관에 비해 GBN을 76 % 감소시키는 특성을 나타내었다. EMI 측정 시 평행판 구조의전원 면/접지면에 비해 낮은 EMI 특성도 확인할 수 있었다.
- 본 논문에서 제안한 구조는 시간 영역에서도 평행 판 도파관에 비해 GBN이 76 % 감소함을 확인할 수 있었고, EMI 방사 측면에서도 평행판 도파관에 비해 향상되는 특징을 나타내었다. 본 논문의 구조가 갖는 GBN 억제 특성의 등방성과 억제 대역폭 향상, 낮은 EMI 방사의 결과는 실제 EBG 전원면의 적용에 효율적으로 작용하여 초고속 디지털 회로의 EMI 문제를 해결하는데 기여할 것으로 기대된다.
- 사각형 구조 전원면에서 변이 마주 닿는 인접 셀끼리의 GBN 억제 특성은 대각선에 위치한 인접 셀끼리의 GBN 억제 특성에 비해 차단 주파수가 높게 나타난다. 육각형 구조 전원 면의 주기를 사각형 구조 전원면에서 변이 마주 닿는 인접 셀과의 주기와 같게 하여 GBN 억제 특성을 비교한 결과 제안된 구조는 모든 인접 셀 사이의 전달 특성이 동일하고 330 MHz부터 5.6 GHz까지의 넓은 대역에서 GBN을 억제하는 특성을 나타내었다. 또한 본 논문에서 제안한 구조를 시간 영역에서 측정한 결과, 평행판 도파관에 비해 GBN을 76 % 감소시키는 특성을 나타내었다.
- 1 GHz 증가하였다. 이에 비해 제안된 구조는 육각형이 갖는 구조적 등방성으로 인해 인접 셀 사이의 GBN 억제 특성이 동일함을 확인할 수 있다.
- 제안된 구조가 평행판 도파관에 비해 전체적으로 EMI 측정값이 낮아짐은 물론, 제안된 구조의 GBN 저지 대역인 330 MHz부터 1GHz에서 잡음의 크기가 감소함을 확인할 수 있다. 실제로 가장 높은 피크 전압값도 52.
- 일반적인 평행판 도파관에 비해 저지 대역에서 낮은 값을 나타내었다. 제안된 구조는 GBN을 억제시킬 뿐 아니라, EMI적인 측면에서도 평행판 도파관에 비해 유용할 것을 예상할 수 있다. 그림 5와 6 의 1.
- 6 GHz까지 넓은 주파수 범위에서 -30 dB 이하로 GBN을 억제할 수 있었다. 제안된 구조는 육각형이 가지는 등방성으로 인해 인접한 셀의 각 포트 사이의 전달 특성이 모두 동일하다 뿐만 아니라 같은 주기의 기존 사각형 구조의 전원 면에 비해 GBN 억제 대역폭이 향상된다.
- 4 mV로 이는 평행판 도파관과 비교했을 때 76 % 감소한 크기이다. 제안된 구조를 통해 GBN이 감소하는 것을 명확히 확인할 수 있다.
- 그림 6(a)는평행판 도파관의 EMI 방사 측정, 그림 6(b)는 제안된 구조의 EMI 방사를 측정한 결과이다. 제안된 구조의 GBN 억제 대역인 5.6 GHz까지 대부분의 잡음이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 그림 2(a)에서 인접 셀 사이의 거리가 다른 S-bridged 구조는 두 경우의 억제 특성이 서로 다르게 나타난다. 포트 1, 2 사이의 억제 특성이 포트 1, 3 사이의 억제 특성에 비해 저지대역 차단 주파수는 80 MHz 높아지고, 저지 대역폭은 0.1 GHz 증가하였다. 이에 비해 제안된 구조는 육각형이 갖는 구조적 등방성으로 인해 인접 셀 사이의 GBN 억제 특성이 동일함을 확인할 수 있다.
- 것이다. 해석된 결과와 측정된 결과는 FR4의 유전율이 분산적인 5 GHz 이상의 고주파 영역을 제외하고 거의 일치함을 확인하였다. GBN 저지 대역폭을 -30 dB 이하의 삽입 손실(%)으로 정의하였을때 제안된 구조의 측정 결과는 330 MHz부터 5.
후속연구
- 향상되는 특징을 나타내었다. 본 논문의 구조가 갖는 GBN 억제 특성의 등방성과 억제 대역폭 향상, 낮은 EMI 방사의 결과는 실제 EBG 전원면의 적용에 효율적으로 작용하여 초고속 디지털 회로의 EMI 문제를 해결하는데 기여할 것으로 기대된다.
- 대두되고 있다. 제안된 구조는 잡음 전파를 억제하기 위해 고안되었지만 많은 슬롯을 갖기 때문에 EMI 측면에서의 확인이 필요하다. 제안된 구조가 갖는 EMI 특성을 확인하기 위해 그림 4와 같은 시험구성도를 갖는 전자파 무반향 실내에서 측정을 하였다.
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