[논문]고속 PCB 임피던스측정 표준 개발과 연구 동향

홍영표; 구현지

고속 PCB 임피던스측정 표준 개발과 연구 동향 원문보기

電磁波技術 : 韓國電磁波學會誌 = The Proceedings of the Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.27 no.3, 2016년, pp.28 - 36

홍영표 (한국표준과학연구원) , 구현지 (한국표준과학연구원)

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문제 정의

본고에서는 현재 한국표준과학연구원에서 수행 중인 고속 PCB 임피던스 측정표준의 연구내용을 소개하고자 한다. 본 연구에서는 벡터회로망분석기와 고주파 프로브를 사용하여 10 MHz부터 26.
하지만, 이는 TRL 교정 시 사용되는 측정기준임피던스가 ISS 기판에 있는 전송선로의 특성임피던스로 결정되어, 테스트 시료가 있는 이종의 기판 특성에 있는 전송선로의 특성임피던스와는 차이가 있다. 이를 극복하기 위하여, 본 연구에서는 표준시료 및 테스트 시료를 동일한 PCB 기판에 함께 제작하였다. [그림 2] (a)와 같이 표준시료 및 테스트 시료는 다층 PCB기판에 설계 및 제작하였다.
본고에서는 전자파 측정의 주요 기본 측정량인 전자파 임피던스 표준연구 국내/외 동향을 동축선, 도파관, 평판선로 형태로 구분하여 소개하였다. 특히 이슈가 되고 있는 고속 PCB 전송선로의 전송선로 특성을 평가하기 위한 on-PCB 교정법을 소개하였고, 주요 NMI의 연구동향 및 KRISS에서 진행되고 있는 연구의 내용을 소개하였다.

제안 방법

TRL calibration 표준시료의 정보는 <표 6>과 같다. Mixed-mode 산란계수 측정시스템에서, Port 1과 Port 2가 이론적으로는 대칭적이지만, 실제 측정시스템에서는 동일한(identical) 전기적 특성을 갖지 않으므로, Reflect 표준시료의 경우 별도로 설계 및 제작하였다. 또한 신뢰성 있는 측정을 위해 표준시료 및 테스트 시료를 3번 측정한 데이터의 평균값을 가지고, On-PCB MTRL 교정을 수행하였다.
다층 PCB를 이용하여 제작된 4가지 전송선로(SE microstrip, SE stripline, DF microstrip, DF stripline) 측정 및 평가하기 위해 산란계수 측정시스템의 교정을 수행하였다. TRL (Thru-Reflect[short]-Line) 표준시료를 사용하여 교정을 수행 하였고, SE 구조는 GGB사의 임피던스표준기판(ISS, CS-3-450)을 사용하였으며, DF 구조는 임피던스표준기판(ISS, CS9)을 사용하였고, 이 때 측정기준면은 프로브 팁에 위치하게 된다.
[그림 3] (a)와 같이, 4-port 측정을 위한 사용한 벡터회로망 분석기는 Keysight사의 N5222A이며, 고주파 프로브는 GGB 사의 GSSG(Ground-Signal-Signal-Ground) 프로브([그림 3] (b)) 및 GSG(Ground-Signal-Ground) 프로브이다. 또한 벡터회로망 분석기 포트와 고주파 프로브의 포트의 연결은 저손실 고주파 전송특성이 우수한 동축케이블을 사용하였다.
또한 표준시료와 테스트시료가 같은 기판에 있는 경우의 On-PCB MTRL 교정을 수행하였다. Thru-reflect(short)-line 표준시료를 사용하여 교정할 경우, 측정기준면은 thru standard 의 중간지점에 위치하고, 측정기준임피던스는 line standard 의 특성임피던스로 설정된다.
본고에서는 현재 한국표준과학연구원에서 수행 중인 고속 PCB 임피던스 측정표준의 연구내용을 소개하고자 한다. 본 연구에서는 벡터회로망분석기와 고주파 프로브를 사용하여 10 MHz부터 26.5 GHz까지 다층 PCB 기판상의 테스트 시료에 대한 S-파라미터를 측정하였다. 측정시스템(벡터회로망 분석기, 고주파 프로브, 고주파 동축선 등)의 교정(calibration) 을 위하여, 동일한 다층 PCB 기판상에 TRL(Thru-Reflec-Line) 표준시료 및 테스트 시료를 제작 및 평가하였으며, 이를 OnPCB calibration(온 PCB 교정)라 명명한다.
본고에서는 전자파 측정의 주요 기본 측정량인 전자파 임피던스 표준연구 국내/외 동향을 동축선, 도파관, 평판선로 형태로 구분하여 소개하였다. 특히 이슈가 되고 있는 고속 PCB 전송선로의 전송선로 특성을 평가하기 위한 on-PCB 교정법을 소개하였고, 주요 NMI의 연구동향 및 KRISS에서 진행되고 있는 연구의 내용을 소개하였다.
5 GHz까지 다층 PCB 기판상의 테스트 시료에 대한 S-파라미터를 측정하였다. 측정시스템(벡터회로망 분석기, 고주파 프로브, 고주파 동축선 등)의 교정(calibration) 을 위하여, 동일한 다층 PCB 기판상에 TRL(Thru-Reflec-Line) 표준시료 및 테스트 시료를 제작 및 평가하였으며, 이를 OnPCB calibration(온 PCB 교정)라 명명한다. 일반적으로 상용 ISS(Impedance Standard Substrate) 기판에 존재하는 표준시료들(short, open, load, thru)을 이용하여 TRL(Thru-Reflect-Line) 교정법을 통해 측정시스템의 교정을 수행한 후, 이종의 기판에 있는 테스트시료를 측정한다.

대상 데이터

다층 PCB를 이용하여 제작된 4가지 전송선로(SE microstrip, SE stripline, DF microstrip, DF stripline) 측정 및 평가하기 위해 산란계수 측정시스템의 교정을 수행하였다. TRL (Thru-Reflect[short]-Line) 표준시료를 사용하여 교정을 수행 하였고, SE 구조는 GGB사의 임피던스표준기판(ISS, CS-3-450)을 사용하였으며, DF 구조는 임피던스표준기판(ISS, CS9)을 사용하였고, 이 때 측정기준면은 프로브 팁에 위치하게 된다. [그림 6]은 SE 구조의 전송선로 측정결과이며, SE stripline 전송선로의 경우 [그림 6] (b) 비아를 통한 microstripto-stripline transition을 포함하기 때문에, 2번의 임피던스 부정합의 영향으로 SE microstrip 전송선로 [그림 6] (a)의 전송 특성에 비해 안 좋은 경향을 보인다.
[그림 2] (a)와 같이 표준시료 및 테스트 시료는 다층 PCB기판에 설계 및 제작하였다. 설계 및 제작된 4가지 구조의 전송선로는 singleended(이하 SE라 명명) microstrip, SE stripline, differential(이하 DF라 명명) microstrip, DF stripline이다. 2-port 산란계수로 표현되는 SE 구조와 달리 DF 구조의 전송선로는 common- mode와 differential-mode로 표현되며, 모두 16개의 산란계수로 정의된다(<표 2>).

데이터처리

Mixed-mode 산란계수 측정시스템에서, Port 1과 Port 2가 이론적으로는 대칭적이지만, 실제 측정시스템에서는 동일한(identical) 전기적 특성을 갖지 않으므로, Reflect 표준시료의 경우 별도로 설계 및 제작하였다. 또한 신뢰성 있는 측정을 위해 표준시료 및 테스트 시료를 3번 측정한 데이터의 평균값을 가지고, On-PCB MTRL 교정을 수행하였다. On-PCB MTRL 교정은 참고문헌 ^[20]에 기반하여 최종 산란계수 결과를 도출하였다.

이론/모형

또한 신뢰성 있는 측정을 위해 표준시료 및 테스트 시료를 3번 측정한 데이터의 평균값을 가지고, On-PCB MTRL 교정을 수행하였다. On-PCB MTRL 교정은 참고문헌 ^[20]에 기반하여 최종 산란계수 결과를 도출하였다. [그림 9]와 같이, 10 MHz ∼26 GHz 주파수 범위에서 전송선로의 특성을 통해 on-PCB MTRL 교정이 안정적으로 적용되었음을 알 수 있다.
측정시스템(벡터회로망 분석기, 고주파 프로브, 고주파 동축선 등)의 교정(calibration) 을 위하여, 동일한 다층 PCB 기판상에 TRL(Thru-Reflec-Line) 표준시료 및 테스트 시료를 제작 및 평가하였으며, 이를 OnPCB calibration(온 PCB 교정)라 명명한다. 일반적으로 상용 ISS(Impedance Standard Substrate) 기판에 존재하는 표준시료들(short, open, load, thru)을 이용하여 TRL(Thru-Reflect-Line) 교정법을 통해 측정시스템의 교정을 수행한 후, 이종의 기판에 있는 테스트시료를 측정한다. 하지만, 이는 TRL 교정 시 사용되는 측정기준임피던스가 ISS 기판에 있는 전송선로의 특성임피던스로 결정되어, 테스트 시료가 있는 이종의 기판 특성에 있는 전송선로의 특성임피던스와는 차이가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	평판선로의 임피던스를 결정하기 위해 필요한 것은?	평판선로의 임피던스를 결정하기 위해서는 인쇄회로기판 (PCB; Printed Circuit Board) 또는 반도체 기판의 주파수 종속 물질상수(특히 복소유전율)에 대한 정보가 필요하다. 기판상의 전송선로의 손실을 정확히 측정 및 평가하는 연구가 진행되어 왔다[7],[8].
	임피던스 측정표준 확립이 중요한 이유는?	[그림 1]과 같이 전자파 임피던스는 SI 기본단위인 길이 측정표준을 사용하여 확립된다. 전자파 임피던스 및 전력 표준은 전자파분야 측정표준 체계를 구현하는 기본량이다. 또, 전자파 임피던스는 전자파 전력 표준 확립에도 사용되므로, 임피던스 측정표준 확립은 매우 기본적이며 중요하다.
	PCB 상의 차동 전송선로는 어느 분야에서 사용될 수 있도록 연구되었는가?	일반적으로, PCB 상의 차동 전송선로는 노이즈 내성 및 전압이득에 효과적인 장점으로 인해, 고속 인터페이스에서 주로 사용하는 신호전달기법이다. 차동 구조를 이용한 광대역 안테나[11], 평판 구조 전력합성기[12], 도파관 전력합성기[13], 푸시-풀 구조의 전력증폭기[14] 등 다양한 고주파 소자들이 연구되었다. 집적도가 높은 PCB 회로 및 반도체 기반의 IC 설계에서는 칩의 면적을 줄이기 위해 불가피하게 다층구조를 활용하며, 일반적으로 비아를 통해 연결한다.

참고문헌 (20)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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