[논문]단일 비아 위치를 이용한 PCB의 복사성 방사 성능 향상

김리진; 이재현

doi:10.5515/kjkiees.2009.20.12.1272

단일 비아 위치를 이용한 PCB의 복사성 방사 성능 향상
Improved Characteristic of Radiated Emission of a PCB by Using the Via-Hole Position 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.20 no.12=no.151, 2009년, pp.1272 - 1278

김리진 (충남대학교 전파공학과) , 이재현 (충남대학교 전파공학과)

초록
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본 논문은 신호 전송용 비아가 있는 4층 PCB(Printed Circuit Boards)의 P/G(power/ground)면 사이에서 발생되는 공진을 상쇄시켜 복사성 방사(RE: Radiated Emission) 성능을 개선할 수 있는 기법을 제안하였다. 면간 공진 상쇄를 확인하기 위하여 비아가 있는 4층 PCB에서 신호 전송 선로의 전송 특성, PCB 개방 모서리를 통한 방사(radiation)와 RE 세기를 계산하고, 측정하여 제안된 기법의 타당성을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The cancellation method of P/G(power/ground) plane resonances which are generated between the power plane and the ground plane in a 4-layer PCB(Printed Circuit Boards) with a via-hole for the improvement of the RE(Radiated Emission) characteristic is presented. The validity of the proposed method was confirmed from simulation and measurement of performances of signal transmission characteristic, intensities of edge-radiation and radiated emission of PCB with a via-hole.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 관통형 신호 비아의 위치에 따라 P/G면 공진 특성이 변화된다는 결과^[4]를 확장하여, 원하지 않는 P/G면 공진 모드를 억압할 수 있는 방법을 제안한다. 제안 방법에 따르면 de-cap 없이 관통형 신호 비아의 위치만을 이용해 P/G면 공진 모드를 억제할 수 있으며, 제안 방법의 타당성을 PCB 모서리 방사 특성의 시뮬레이션과 원거리장 방사 특성으로 검증하였다.
본 논문은 다층 PCB의 특정 P/G면 공진 모드를 상쇄시킬 수 있는 신호 전송용 관통형 신호 비아 위치를 찾는 방법을 제안하여 RE 성능을 개선시킬 수 있음을 확인하였다. 비아는 특정 위치에서 다층 PCB의 P/G면 사이 임피던스를 변화시켜 고유 공진 모드 특성에 영향을 주고, 그 결과로 공진 모드를 변화시킨다.

제안 방법

P/G면 공진에 의한 전자파 방사 특성을 분석하기 위하여 그림 5와 같이 전원 면과 그라운드 면 중앙에서 전자장 분포를 해석하였다. 관측 면을 점선으로 나타내었다.
RE 측정은 5×8×5(가로×세로×높이) m3 크기의 무반향실(anechoic chamber)에서 수행하였다.
PCB를 올려 놓은 테이블의 높이는 1 m이며, PCB의 한 쪽은 신호발생기와 연결하였고, 반대쪽은 50 Ω으로 종단하였다. 그리고 PCB로부터 방사되는 RE는 2가지 종류의 안테나로 측정하였다. 200 MHz부터 1 GHz까지 측정은 대수 주기 안테나(log periodic antenna)를, 1 GHz부터 2 GHz까지 측정은 혼 안테나(horn antenna)를 사용하였다.
를 확장하여, 원하지 않는 P/G면 공진 모드를 억압할 수 있는 방법을 제안한다. 제안 방법에 따르면 de-cap 없이 관통형 신호 비아의 위치만을 이용해 P/G면 공진 모드를 억제할 수 있으며, 제안 방법의 타당성을 PCB 모서리 방사 특성의 시뮬레이션과 원거리장 방사 특성으로 검증하였다.

대상 데이터

그리고 PCB로부터 방사되는 RE는 2가지 종류의 안테나로 측정하였다. 200 MHz부터 1 GHz까지 측정은 대수 주기 안테나(log periodic antenna)를, 1 GHz부터 2 GHz까지 측정은 혼 안테나(horn antenna)를 사용하였다. 비아가 있는 PCB와 안테나는 1 m 거리를 두고 측정하였다.
기판 크기는 100(Px)×100(Py) mm2이며, 유전체는 FR-4(μr=1, εr=4.4)를 사용하였고, 최상층과 최하층에는 신호 선로가 있고, 가운데 두 개 층 중 두 번째 층을 그라운드 면, 세 번째 층을 전원 면으로 하는 4층 기판이다.
200 MHz부터 1 GHz까지 측정은 대수 주기 안테나(log periodic antenna)를, 1 GHz부터 2 GHz까지 측정은 혼 안테나(horn antenna)를 사용하였다. 비아가 있는 PCB와 안테나는 1 m 거리를 두고 측정하였다.
6 mm, 선로, 전원면, 그라운드 면을 구성하는 구리 두께는 35 μm이며, 신호 선로 폭(w)은 1 mm이다. 최상층과 최하층에 존재하는 신호 선로를 연결하기 위하여 관통형 신호 비아(R=1 mm, r=0.6 mm)를 사용하였다. 비아 위치는 (T_x, T_y)로 나타내었다.
공진 특성과 P/G면 사이의 전자장 분석을 위하여 FEM(Finite Element Method)을 이용하는 상용 3차원 전자장 분석 프로그램인 Ansoft사의 HFSS를 사용하였다. 측정은 Agilent N5230A VNA를 사용하였으며, 장비 구성을 그림 3에 나타내었다.

데이터처리

만약 (1, 1) 모드 공진을 상쇄시키고자 한다면(m=1, n=1), 식 (5)에 의해 비아를 (T_x, T_y)=(50, 50)에 위치시키면 된다. 공진 특성과 P/G면 사이의 전자장 분석을 위하여 FEM(Finite Element Method)을 이용하는 상용 3차원 전자장 분석 프로그램인 Ansoft사의 HFSS를 사용하였다. 측정은 Agilent N5230A VNA를 사용하였으며, 장비 구성을 그림 3에 나타내었다.

이론/모형

따라서 관통형 신호 비아가 P/G면 공진에 미치는 영향 분석이 활발히 이루어지고 있다. 스파이스(spice) 모델링^[1], 대역 저지 여파기(band-stop filter) 개념^[2], 평형 TLM(Transmission Line Method)^[3]등의 방법들을 이용하여, 관통형 신호 비아에 의한 PCB 모서리 방사를 해석하였다. 또한 PCB 모서리 방사를 감소시키기 위해 P/G면 공진 모드를 de-cap을 사용하여 억제시키는 방법을 제안하였다^[2],^[3].

후속연구

비아는 특정 위치에서 다층 PCB의 P/G면 사이 임피던스를 변화시켜 고유 공진 모드 특성에 영향을 주고, 그 결과로 공진 모드를 변화시킨다. 따라서 제안한 방법을 이용해 공진 모드를 상쇄할 수 있는 곳에 비아를 위치시키면, 원하는 주파수 대역에서 구조상 필연적으로 발생하는 P/G 면 공진을 상쇄할 수 있으며, 공진 모드 상쇄를 통해 PCB 외부로 방사되는 전자파의 양을 줄여 PCB 레벨에서 EMI 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PCB 모서리 방사를 감소시키기 위해 P/G면 공진 모드를 de-cap 을 사용하여 억제시키는 방법은 어떤 단점이 있는가?	또한 PCB 모서리 방사를 감소시키기 위해 P/G면 공진 모드를 de-cap 을 사용하여 억제시키는 방법을 제안하였다[2],[3]. 하지만, de-cap을 사용할 경우 사용 주파수가 높아지면 ESL(Equivalent Series Inductance)로 인해 추가적인 공진과 방사가 발생할 우려가 있으며[3], 별도의 소자가 사용되므로 비용적인 측면에서 좋은 방법이 아니다.
	공진은 어떤 영향을 끼치는가?	하지만, 관통형 신호 비아에서 방사된 전자파가 그라운드 면(ground plane)과 전원 면(power plane)사이로 유입되고, 유입된 전자파로 인하여 두 면 사이에서 공진이 발생하게 된다. 이런 공진은 구조상 필연적으로 발생하여 SI(Signal Integrity)를 악화시키고, 이 공진에 의하여 개방된 PCB 모서리로 방사되는 전자파는 RE 성능을 악화시키는 원인으로 작용한다[1]～[4]. 따라서 관통형 신호 비아가 P/G면 공진에 미치는 영향 분석이 활발히 이루어지고 있다.
	다층 PCB는 무엇을 필요로 하는가?	이러한 추세로 인해 다층 구조 PCB가 요구되고, PCB 내부 배선이 증가하고 있다. 또한 다층 PCB는 층간 신호 연결을 위한 많은 관통형(through-hole) 신호 비아(via)를 필요로 한다. 하지만, 관통형 신호 비아에서 방사된 전자파가 그라운드 면(ground plane)과 전원 면(power plane)사이로 유입되고, 유입된 전자파로 인하여 두 면 사이에서 공진이 발생하게 된다.

참고문헌 (6)

Jun So Pak, Jing Ook Kim, Jung Gun Byun, Hee Jae Lee, and Joung Ho Kim, 'Coupling of through- hole signal via to power/ground resonance and excitation of edge radiation in multi-layer PCB', Proc. IEEE Int. Symp. Electromag. Compat., vol. 1, pp. 231-235, Aug. 2003
Jun So Pak, Masahiro Aoyagi, Katsuya Kikuchi, and Joung Ho Kim, 'Band-stop filter effect of power/ ground plane on through-hole signal via in multilayer PCB', IEICE Trans. Electron., vol. E89-C, no. 4, Apr. 2006
Jun So Pak, Hyung Soo Kim, Jun Woo Lee, and Joung Ho Kim, 'Modeling and measurement of radiated field emission from a power/ground plane cavity edge excited by a through-hole signal via based on a balanced TLM and via coupling model', IEEE Trans. on Advanced Packaging, vol. 30, no. 1, Feb. 2007

상세보기
Li-Jin Kim, Su-Han Kim, and Jae-Hyun Lee, 'Variation of the dembedding via-hole discontinuity due to the resonance of power/ground plane', Asia-Pacific Microwave Conference, Sec. J5, Dec. 2008
David M. Porza, Microwave Engineering 3rd Edition, New York: Wiley-Intersciences, pp. 278-282, 2005
T. Okoshi, Planar Circuits for Microwaves and Lightwaves, Berlin, Germany: Springer-Verlag, 1985

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