차동 임피던스 분석을 사용한 SATA 커넥터의 신호 전달 특성 개선 Signal Transmission Properties Improvement of Serial Advanced Technology Attachment Connector Using Analysis of Differential Impedance원문보기
본 논문에서는 SATA(Serial Advanced Technology Attachment) 커넥터의 차동 임피던스 계산 방법을 적용하여 설계 변경 방법을 제안하고 신호 전달 특성을 개선하였다. 3차원FEM(Finite Elements Method) 전자기장(Electromagnetic Field) 시뮬레이터를 이용하여 SATA 커넥터의 차동 모드 S-파라미터를 계산하고, 신호 전달 특성을 분석한다. 차동 임피던스는 Odd mode 임피던스를 이용하여 계산되므로 인덕턴스, 커패시턴스, 상호 인덕턴스, 상호 커패시턴스 값이 필요하다. 따라서 시뮬레이터를 이용하여 SATA 커넥터의 각각의 값을 추출하여 차동 임피던스를 계산하였고, 이 값은 $107.3{\Omega}$으로 설계 사양을 만족하지 못하였다. 신호 전달 특성 개선을 위해서 SATA 커넥터의 핀을 $d_x$, $d_y$ 방향으로 설계 변경하고, 각 경우의 신호 전달특성과 차동 임피던스를 분석하였다. $d_y=0.1mm$의 경우에서 신호 전달 특성이 가장 우수하게 나타났고, 차동 임피던스가 $98.7{\Omega}$으로 정합되었다. 이때, 반사손실은 1.5 GHz에서 15 dB 개선되었다.
본 논문에서는 SATA(Serial Advanced Technology Attachment) 커넥터의 차동 임피던스 계산 방법을 적용하여 설계 변경 방법을 제안하고 신호 전달 특성을 개선하였다. 3차원 FEM(Finite Elements Method) 전자기장(Electromagnetic Field) 시뮬레이터를 이용하여 SATA 커넥터의 차동 모드 S-파라미터를 계산하고, 신호 전달 특성을 분석한다. 차동 임피던스는 Odd mode 임피던스를 이용하여 계산되므로 인덕턴스, 커패시턴스, 상호 인덕턴스, 상호 커패시턴스 값이 필요하다. 따라서 시뮬레이터를 이용하여 SATA 커넥터의 각각의 값을 추출하여 차동 임피던스를 계산하였고, 이 값은 $107.3{\Omega}$으로 설계 사양을 만족하지 못하였다. 신호 전달 특성 개선을 위해서 SATA 커넥터의 핀을 $d_x$, $d_y$ 방향으로 설계 변경하고, 각 경우의 신호 전달특성과 차동 임피던스를 분석하였다. $d_y=0.1mm$의 경우에서 신호 전달 특성이 가장 우수하게 나타났고, 차동 임피던스가 $98.7{\Omega}$으로 정합되었다. 이때, 반사손실은 1.5 GHz에서 15 dB 개선되었다.
In this work, signal transmission properties of SATA connector have been improved using its differential impedance calculation and its design revision to closer impedance matching. Using 3 dimensional electromagnetic field simulator, the differential mode S-parameter was calculated to investigate it...
In this work, signal transmission properties of SATA connector have been improved using its differential impedance calculation and its design revision to closer impedance matching. Using 3 dimensional electromagnetic field simulator, the differential mode S-parameter was calculated to investigate its signal fidelity. The differential impedance is calculated from the equation of the odd mode impedance with inductance, capacitance, mutual inductance, and mutual capacitance. The differential impedance of SATA connector was calculated to be $107.3{\Omega}$ and did not meet the design specification with $100{\Omega}{\pm}5%$. In order to achieve its impedance range and improve its signal transmission properties, SATA connector's design has been revised with two different directions and analyzed through the calculation of differential impedance, differential reflection loss, and differential insertion loss.
In this work, signal transmission properties of SATA connector have been improved using its differential impedance calculation and its design revision to closer impedance matching. Using 3 dimensional electromagnetic field simulator, the differential mode S-parameter was calculated to investigate its signal fidelity. The differential impedance is calculated from the equation of the odd mode impedance with inductance, capacitance, mutual inductance, and mutual capacitance. The differential impedance of SATA connector was calculated to be $107.3{\Omega}$ and did not meet the design specification with $100{\Omega}{\pm}5%$. In order to achieve its impedance range and improve its signal transmission properties, SATA connector's design has been revised with two different directions and analyzed through the calculation of differential impedance, differential reflection loss, and differential insertion loss.
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문제 정의
이와 관련된 임피던스 정합에 따른 전송 선로(Transmission Line)의 신호 무결성 개선 효과[2∼5], 전송 선로의 차동 임피던스 분석 및 정합[6∼8] 등의 연구들이 진행되었지만, SATA 커넥터의 신호 전달 특성 분석 방법과 차동 임피던스 분석 및 정합에 대한 절차를 명확하게 제시하지 못하고 있다. 따라서 본 논문에서는 SATA 커넥터의 신호 전달 특성 분석, 차동 임피던스 계산 및 분석 방법 등의 일련의 과정을 설명하고, 차동 임피던스를 정합하기 위한 커넥터 설계 변경 방법을 제안한다. 또한, 이를 통해 신호 전달 특성이 개선된 결과를 제시한다.
따라서 본 논문에서는 SATA 커넥터의 신호 전달 특성 분석, 차동 임피던스 계산 및 분석 방법 등의 일련의 과정을 설명하고, 차동 임피던스를 정합하기 위한 커넥터 설계 변경 방법을 제안한다. 또한, 이를 통해 신호 전달 특성이 개선된 결과를 제시한다.
본 논문에서는 SATA 커넥터의 차동 임피던스를 분석하고 최적으로 정합하여 신호 전달 특성을 개선하였다. 3차원 FEM 전자기장 시뮬레이터를 이용하여 SATA 커넥터의 차동 모드 S-파라미터로 계산하여 신호 전달 특성을 분석하였다.
제안 방법
본 논문에서는 SATA 커넥터의 차동 임피던스를 분석하고 최적으로 정합하여 신호 전달 특성을 개선하였다. 3차원 FEM 전자기장 시뮬레이터를 이용하여 SATA 커넥터의 차동 모드 S-파라미터로 계산하여 신호 전달 특성을 분석하였다. SATA 커넥터의 반사손실(Sdd11)은 5 GHz 까지 20 dB 이하의 값을 나타내고, 삽입손실(Sdd21)은 0.
SATA 커넥터의 차동 임피던스를 분석하여 설계 사양 만족여부를 확인하고, 신호 전달 특성의 개선 가능성을 확인한다. 시뮬레이터를 이용하여 인덕턴스, 커패시턴스, 상호 인덕턴스, 상호 커패시턴스를 추출하고 식 2 에 대입하여 SATA 커넥터의 차동 임피던스를 계산한다.
두 번째로 계산된 S-파라미터를 차동 모드 S-파라미터로 변환한다. 계산된 차동 모드 S-파라미터의 반사손실(Sdd11)과 삽입손실(Sdd21)이 설계 사양을 만족하는지 아닌지를 비교 분석하여 SATA 커넥터의 신호 전달 특성을 분석한다. 세 번째로 3차원 SATA 커넥터 모델을 시뮬레이션 하여 인덕턴스(L), 커패시턴스(C), 상호 인덕턴스(Lm), 상호 커패시턴스(Cm)를 추출한다.
3 Ω으로 설계 사양을 만족하지 못하였다. 신호전달 특성을 개선하기 위해서 커넥터 신호 핀을 dx 및 dy 방향으로 설계 변경하여 차동 모드 S-파라미터와 차동 임피던스를 계산하였다. 이때 dy = 0.
1 dB 이하의 값을 가진다. 차동 임피던스를 계산하기 위해서 시뮬레이터를 이용하여 SATA 커넥터의 인덕턴스, 커패시턴스, 상호 인덕턴스, 상호 커패시턴스를 추출하였다. 계산된 차동 임피던스는 107.
대상 데이터
그림 2 (b)는 SATA 커넥터 3차원 모델을 보여주고, 커넥터의 몸체(Housing)와 핀의 배치를 보여준다. 커넥터 핀 소재는 베릴륨구리(BeCu)이고, 커넥터 몸체 소재로 폴리이미드(PA9T)를 사용하였다. SATA 커넥터 핀은 G, S, S, G, S, S, G로 구성되고, 여기서 S는 Signal 핀을 G는 Ground 핀을 의미한다.
데이터처리
첫 번째로 설계된 3차원 SATA 커넥터 모델을 이용하여 FEM(Finite Elements Method) 전자기장(Electromagnetic Field) 시뮬레이션을 수행한다. 본 논문의 시뮬레이션 과정에서는 ANSYS HFSS를 사용하였다. 두 번째로 계산된 S-파라미터를 차동 모드 S-파라미터로 변환한다.
이론/모형
세 번째로 3차원 SATA 커넥터 모델을 시뮬레이션 하여 인덕턴스(L), 커패시턴스(C), 상호 인덕턴스(Lm), 상호 커패시턴스(Cm)를 추출한다. 본 논문에서의 시뮬레이션은 ANSYS Q3D Extractor를 이용하였다. 네 번째로 계산된 차동 임피던스가 설계 사양(100 Ω ± 5 %)을 만족하는지 확인한다.
차동 모드로 동작하는 SATA 커넥터의 신호 전달 특성 분석과 차동 임피던스 분석은 그림 1과 같은 순서에 따라서 이루어진다. 첫 번째로 설계된 3차원 SATA 커넥터 모델을 이용하여 FEM(Finite Elements Method) 전자기장(Electromagnetic Field) 시뮬레이션을 수행한다. 본 논문의 시뮬레이션 과정에서는 ANSYS HFSS를 사용하였다.
커넥터의 신호 전달 특성을 분석하기 위하여 3차원 FEM 전자기장 시뮬레이터를 이용하여 차동 모드 S-파라미터를 계산한다. 3차원 FEM 전자기장 시뮬레이션 흐름도는 그림 3과 같다.
성능/효과
3차원 FEM 전자기장 시뮬레이터를 이용하여 SATA 커넥터의 차동 모드 S-파라미터로 계산하여 신호 전달 특성을 분석하였다. SATA 커넥터의 반사손실(Sdd11)은 5 GHz 까지 20 dB 이하의 값을 나타내고, 삽입손실(Sdd21)은 0.1 dB 이하의 값을 가진다. 차동 임피던스를 계산하기 위해서 시뮬레이터를 이용하여 SATA 커넥터의 인덕턴스, 커패시턴스, 상호 인덕턴스, 상호 커패시턴스를 추출하였다.
5 Ω 으로 최적으로 정합되었다. 결과적으로 dy = 0.1 mm에서 반사손실은 1.5 GHz 에서 15 dB 개선되었다. 본 논문에서 제시한 SATA 커넥터의 차동 임피던스 정합 방법을 이용한 신호 전달 특성 개선 방법은 차동 모드로 동작하는 다양한 종류의 커넥터 성능 개선에 적용될 것으로 예상한다.
신호전달 특성을 개선하기 위해서 커넥터 신호 핀을 dx 및 dy 방향으로 설계 변경하여 차동 모드 S-파라미터와 차동 임피던스를 계산하였다. 이때 dy = 0.1 mm에서 신호전달 특성이 가장 우수하게 나타났고, dx = 0.04 mm에서 차동 임피던스가 99.5 Ω 으로 최적으로 정합되었다. 결과적으로 dy = 0.
후속연구
5 GHz 에서 15 dB 개선되었다. 본 논문에서 제시한 SATA 커넥터의 차동 임피던스 정합 방법을 이용한 신호 전달 특성 개선 방법은 차동 모드로 동작하는 다양한 종류의 커넥터 성능 개선에 적용될 것으로 예상한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
차동 모드로 동작하는 SATA 커넥터의 신호 전달 특성을 분석하기 위해 어떻게 해야하는가?
차동 모드로 동작하는 SATA 커넥터의 신호 전달 특성을 분석하기 위해서는 차동 모드 S-파라미터를 이용하고, 단일 모드에서 적용하는 특성 임피던스[9]가 아닌 차동 임피던스를 계산하여 적용해야 한다. 차동 임피던스를 계산하기 위해서는 먼저 odd mode 임피던스를 계산해야 한다.
SATA란?
이 중에서도 차동 모드 신호 전달 방법은 속도를 획기적으로 증가시킬 수 있으며, 전달되는 신호의 왜곡을 최소화한다. SATA(Serial Advanced Technology Attachment)는 하드 디스크 혹은 광학 드라이브의 데이터 전송을 주요 목적으로 만든 차동 모드 신호 전달 표준의 하나이다[1]. LVDS(Low Voltage Differential Signaling) 방식을 사용하여 고속으로 신호를 전달하고, 클럭(Clock)신호선이 따로 필요하지 않다.
SATA는 어떠한 방식을 이용하는가?
SATA(Serial Advanced Technology Attachment)는 하드 디스크 혹은 광학 드라이브의 데이터 전송을 주요 목적으로 만든 차동 모드 신호 전달 표준의 하나이다[1]. LVDS(Low Voltage Differential Signaling) 방식을 사용하여 고속으로 신호를 전달하고, 클럭(Clock)신호선이 따로 필요하지 않다. SATA를 이용해 신호를 전달하기 위해서는 PCB의 선로(Trace) 외에도 SATA 커넥터, 케이블과 같은 신호 전달 경로가 필요하다.
참고문헌 (11)
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양정규, 김문정, "특성 임피던스 분석을 사용한 커넥터 성능향상," 전자공학회 논문지 TC편, 제39권, 제9호, pp. 47-53, 2011.
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