[논문]무선주파수 간섭 측정용 차폐된 Printed Spiral Coil(PSC) 프로브의 대역폭 개선 설계

김경민; 송익환

doi:10.5515/kjkiees.2018.29.5.359

무선주파수 간섭 측정용 차폐된 Printed Spiral Coil(PSC) 프로브의 대역폭 개선 설계
Bandwidth-Improved Design of Shielded Printed Spiral Coil Probes for Radio-Frequency Interference Measurement 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.29 no.5, 2018년, pp.359 - 365

김경민 (광운대학교 전자통신공학과) , 송익환 (광운대학교 전자통신공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 기존 단품 Printed Spiral Coil(PSC)의 외부 노이즈 결합의 저감을 위한 차폐 구조와 차폐된 PSC의 대역폭 개선을 위한 설계법이 제안되었다. 차폐 구조가 적용될 경우, PSC와 차폐 구조 사이의 기생 커패시턴스에 의한 공진현상으로 인해 단품 PSC 대비 전달함수 대역폭에 한계를 가지게 되며, Radio-Frequency Interference(RFI) 노이즈 원으로 가정된 $50{\Omega}$ 마이크로스트립 라인과의 전달함수 시뮬레이션을 통해 이를 확인하였다. 차폐된 PSC의 등가회로 모델을 통해 대역폭을 개선할 수 있는 방안을 제시하고, 3D field simulation을 이용한 사례 연구를 통해 방안의 타당성을 검증하였다. 제시된 방안을 기반으로 차폐 구조가 적용된 PSC 설계의 최적화를 수행하였으며, 측정 검증을 통해 전달함수가 보존되는 범위 내에서 전달함수의 대역폭이 개선됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Herein, electromagnetic shielding structures to reduce the external noise coupling to printed spiral coils (PSCs) and a design method for improving the bandwidth of shielded PSCs have been proposed. It has been demonstrated that the bandwidth of shielded PSCs is limited due to the parasitic capacitance between the coils and the shielding structures and is confirmed by the transfer function simulation of the shielded PSCs with a transmission line as the radio-frequency interference noise source. A design method for the bandwidth improvement of the shielded PSCs has been proposed based on the equivalent circuit model analysis and the case studies depending on PSC designs with a three-dimensional field simulation. With the design method, an optimized shielded PSC design has been presented and successfully confirmed by experimental verification in that the optimized design results in a significant bandwidth improvement.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 RFI 측정용 프로브인 printed spiral coil에 차폐 구조가 적용될 경우 차폐 구조와의 기생 커패시턴스에 의한 공진 형상으로 인해 전달함수 대역폭이 저하되는 것을 확인하고, 저하되는 대역폭을 개선하기 위한 설계법을 제안하였다. RFI 노이즈 원으로 가정된 50 Ω 마이크로스트립 라인과의 전달함수 시뮬레이션과 등가회로 모델을 통해 전달함수 대역폭에 영향을 주는 요인을 분석하고, 대역폭 한계를 극복할 수 있는 설계법을 제시하였으며, 3D field simulation과 측정을 통해 설계법의 타당성이 검증되었다.
그러나 전자기 차폐 구조가 없는 PSC 단품의 경우, 고주파 대역에서 방송 및 통신 대역의 신호 간섭 등 외부 노이즈에 취약한 문제점을 가지게 된다. 이를 보안하기 위해서 본 논문에서는 외부 노이즈 결합의 저감을 위한 차폐 구조를 제안하였다. 또한 차폐된 PSC는 코일과 차폐 구조 사이의 커패시턴스에 의한 공진으로 인해 단품 PSC 대비 대역폭에 한계를 가지게 됨을 확인하고, 이를 개선하기 위한 방안을 차폐된 PSC의 등가회로 모델과 함께 사례연구를 통해 제시하였으며, 측정을 통해 검증되었다.

제안 방법

표 2는 차폐 구조 및 stack-up에 의해 PSC 간의 상호 인덕턴스 M_cc가 증가하거나, PSC와 차폐 구조 사이의 커패시턴스 C_cs가 감소하는 사례 연구를 보여주고 있다. C_cs의 조정을 위한 차폐 구조에 mesh를 적용하는 방법과 M_cc 및 Cc_s의 조정을 위한 코일과 코일, 또는 코일과 차폐 구조 사이의 거리를 변화시키는 stack-up 구조를 적용하는 방법을 제안하였다. 차폐 구조에 mesh가 적용될 경우 차폐 구조의 면적이 줄어들게 되어 C_cs가 감소한다.
RFI 노이즈 원으로 가정된 50 Ω 마이크로스트립 라인과의 전달함수 시뮬레이션과 등가회로 모델을 통해 전달함수 대역폭에 영향을 주는 요인을 분석하고, 대역폭 한계를 극복할 수 있는 설계법을 제시하였으며, 3D field simulation과 측정을 통해 설계법의 타당성이 검증되었다.
또한 대역폭을 개선하기 위해 사례 연구에서 보인 설계법에 따라 mesh의 한 cell의 크기는 0.7×0.7 mm2, 전체 두께는 0.6 mm, 중심 두께는 0.2 mm로 설계되었다.
6 mm이며, 턴 수(N)는 기판 내부의 두 층을 합쳐 2턴이다. 또한 전달함수 시뮬레이션을 위하여 그림 2의 셋업와 같이 PSC 프로브를 마이크로스트립 라인 위에 수직으로 위치하도록 하여 PSC의 하단 부분과 라인 사이의 거리(h)를 3.5 mm만큼 이격시켜 1 MHz～3 GHz의 주파수 범위로 전달함수 시뮬레이션을 수행하였다. 마이크로스트립 라인은 50 Ω 설계를 위해 t_MSL=1.
차폐 구조는 플로팅(floating)상태일 경우, 안테나로 작용되거나 표피효과(skin effect)에의해 차폐 구조의 내부와 외부를 경유하는 와전류(eddy current)가 생성되기 때문에 차폐 구조와 coil 2의 종단이 함께 접지되었다. 또한 차폐 구조 자체에서도 와전류가발생되지 않도록 차폐 구조의 중앙이 개방되고, 일부분에 틈(gap)이 존재하도록 설계되었다. PSC의 각 등가회로 성분으로 선로 자체의 자기 인덕턴스(self-inductance) L, 코일 사이에 상호 인덕턴스(mutual inductance) Mcc와 기생커패시턴스(capacitance) C_cc, 그리고 코일과 차폐 구조 사이의 기생 커패시턴스 C_cs가 존재하고 있다.
이를 보안하기 위해서 본 논문에서는 외부 노이즈 결합의 저감을 위한 차폐 구조를 제안하였다. 또한 차폐된 PSC는 코일과 차폐 구조 사이의 커패시턴스에 의한 공진으로 인해 단품 PSC 대비 대역폭에 한계를 가지게 됨을 확인하고, 이를 개선하기 위한 방안을 차폐된 PSC의 등가회로 모델과 함께 사례연구를 통해 제시하였으며, 측정을 통해 검증되었다.
마이크로스트립 라인은 50 Ω 설계를 위해 tMSL=1.6 mm 두께의 FR4 기판 위에 신호선 폭 wMSL=3.4 mm로 설계되었으며, 임피던스 매칭을 위해 신호가 인가되는 포트의 반대편을 50 Ω 종단(termination) 처리하였다.
앞 장에서 코일 간의 상호 인덕턴스가 증가하고 코일과 차폐 구조 사이의 커패시턴스가 감소할 경우, PSC의측정 감도를 유지하는 범위 내에서 대역폭이 개선됨을 확인하였다. 본 장에서는 실제 코일 간 상호 인덕턴스의증가와 코일과 차폐 구조 사이의 커패시턴스의 감소로 이어지는 PSC 구조에 대한 사례 연구를 통해 최적화를 진행하였다. 표 2는 차폐 구조 및 stack-up에 의해 PSC 간의 상호 인덕턴스 M_cc가 증가하거나, PSC와 차폐 구조 사이의 커패시턴스 C_cs가 감소하는 사례 연구를 보여주고 있다.
그림 8은 stack-up에 따른 전달함수 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다. 전체 두께가 1 mm이고, 중심 두께가 0.6mm인 구조를 기준으로 PSC와 차폐 구조 사이의 커패시턴스를 감소시키기 위한 중심 두께가 고정되고, 전체 두께가 2 mm로 증가되는 구조와 코일 사이의 상호 인덕턴스를 증가시키기 위한 중심 두께와 전체 두께가 연동하여 각각 0.6 mm, 0.2 mm로 감소하는 구조에 대한 전달함수 시뮬레이션과 비교하였다. 두 경우 모두 60 MHz 이전 유도성 영역에서 전달함수 차이가 1 dB 이내로 높은 정합성을 보이고 있으며, 첫 공진 주파수가 각각 62.
그림 9는 vector network analyzer(VNA)를 이용한 측정 셋업을 보여주고 있다. 제안된 PSC는 전달함수를 보존하기 위해 선로의 폭 w, 선로 사이의 거리 s, 한 변의 길이 l, 그리고 턴 수 N은 referencePSC와 동일하게 각각 0.1 mm, 0.1 mm, 18 mm, 14로 reference PSC와 동일하게 제작되었다. 또한 대역폭을 개선하기 위해 사례 연구에서 보인 설계법에 따라 mesh의 한 cell의 크기는 0.

대상 데이터

PSC의 차폐 구조를 포함한 전체 크기는 12 mm×12 mm이며, t=1mm 두께의 FR4 기판이 선택되었다.

이론/모형

RFI 노이즈 원으로 가정된 마이크로스트립 라인으로부터 발생된 시변하는 자기장은 패러데이 법칙(Faraday’s law)에 따라 PSC 프로브에 유도전류를 생성시키며, port에서 관측되는 전압은 유도 전류와 port 임피던스의 곱으로 표현된다.

성능/효과

또한 차폐 구조가 존재할 경우, 차폐 구조와 PSC 사이의 기생 커패시턴스로 인해 약 90 MHz, 190 MHz 대역에서 공진이 발생한 것을 확인할 수 있다. Meshed 차폐 구조의 경우 solid 차폐 구조 대비차폐 구조와 PSC 사이 기생 커패시턴스가 감소하여 프로브의 대역폭이 약 4 % 개선되었으며, 프로브 대역폭 내 차폐성능도 보존됨을 확인하였다. 그러나 약 100 MHz 이상의 프로브 대역폭 이후 주파수에서는 고주파 차폐효율이 최대 3.
Meshed 차폐 구조의 경우 solid 차폐 구조 대비차폐 구조와 PSC 사이 기생 커패시턴스가 감소하여 프로브의 대역폭이 약 4 % 개선되었으며, 프로브 대역폭 내 차폐성능도 보존됨을 확인하였다. 그러나 약 100 MHz 이상의 프로브 대역폭 이후 주파수에서는 고주파 차폐효율이 최대 3.5 dB 열화됨을 확인하였다.
그림 10은 차폐 구조가 없는 단품 PSC와 mesh의 유무에 따라 각각 meshed 및 solid 차폐 구조가 적용된 PSC의전달함수 측정 결과를 보여주고 있다. 단품 PSC의 경우 약 35 MHz 이상 대역에서 외부 노이즈의 결합이 발생하였으나, meshed 및 solid 차폐 구조가 적용될 경우 노이즈결합이 저감됨을 확인하였다. 또한 차폐 구조가 존재할 경우, 차폐 구조와 PSC 사이의 기생 커패시턴스로 인해 약 90 MHz, 190 MHz 대역에서 공진이 발생한 것을 확인할 수 있다.
2 mm로 감소하는 구조에 대한 전달함수 시뮬레이션과 비교하였다. 두 경우 모두 60 MHz 이전 유도성 영역에서 전달함수 차이가 1 dB 이내로 높은 정합성을 보이고 있으며, 첫 공진 주파수가 각각 62.2 %, 85%가 증가하였다.
앞 장에서 코일 간의 상호 인덕턴스가 증가하고 코일과 차폐 구조 사이의 커패시턴스가 감소할 경우, PSC의측정 감도를 유지하는 범위 내에서 대역폭이 개선됨을 확인하였다. 본 장에서는 실제 코일 간 상호 인덕턴스의증가와 코일과 차폐 구조 사이의 커패시턴스의 감소로 이어지는 PSC 구조에 대한 사례 연구를 통해 최적화를 진행하였다.
그림 11은 stack-up에 따른 전달함수 측정 결과를 보여주고 있다. 전체 두께가 1 mm에서 0.6 mm로, 중심 두께가 0.6 mm에서 0.2 mm로 연동하여 줄어들 때 코일 간 거리감소에 의한 상호 인덕턴스의 증가에 따라 첫 공진 주파수가 14 % 증가함으로 50 MHz 이전의 유도성 영역의 전달함수가 보존되는 범위 내에서 대역폭이 확보됨을 확인하였다.
그림 7은 mesh의 한 cell의 크기의 변화에 따른 전달함수 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다. 차폐 구조에 적용되어있는 mesh 면적이 증가함에 따라 코일과 차폐 구조 사이의 커패시턴스가 감소하여 전달함수의 공진 주파수가 증가한 것을 확인할 수 있다. Mesh 구조가 적용되지 않은 경우를 기준으로 mesh의 한 cell의 면적이 0.

후속연구

RFI 노이즈 원으로 가정된 50 Ω 마이크로스트립 라인과의 전달함수 시뮬레이션과 등가회로 모델을 통해 전달함수 대역폭에 영향을 주는 요인을 분석하고, 대역폭 한계를 극복할 수 있는 설계법을 제시하였으며, 3D field simulation과 측정을 통해 설계법의 타당성이 검증되었다. 제안된 설계법을 이용할 시 전달함수를 보존하는 범위 내에서 외부 노이즈 결합의 저감과 대역폭 확보가 가능하므로 RFI 측정용 프로브 설계에 효율적으로 활용될 것으로 사료 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PSC는 어떻게 설계되는가?	PSC는 도체 선로가 PCB 기판 위 동일 평면상에 선로형 코일이 인쇄된 구조로 설계된다. 그림 1은 차폐 구조가 포함된 PSC의 구조를 보여주고 있다.
	차폐 구조는 어떤 상태일때 차폐 구조와 coil 2의 종단이 함께 접지되는가?	상/하면에 차폐 구조가, 기판 내부에 코일이 위치하고 있으며, 2층 coil 1의 초단에 인가된 신호(signal) 전류는 via를 통해 coil 2의 종단과 차폐 구조로 흐른다. 차폐 구조는 플로팅(floating)상태일 경우, 안테나로 작용되거나 표피효과(skin effect)에의해 차폐 구조의 내부와 외부를 경유하는 와전류(eddy current)가 생성되기 때문에 차폐 구조와 coil 2의 종단이 함께 접지되었다. 또한 차폐 구조 자체에서도 와전류가발생되지 않도록 차폐 구조의 중앙이 개방되고, 일부분에 틈(gap)이 존재하도록 설계되었다.
	PSC 프로브의 측정 감도할때 유도 전류는 무엇에 의해 결정되는가?	RFI 노이즈 원으로 가정된 마이크로스트립 라인으로부터 발생된 시변하는 자기장은 패러데이 법칙(Faraday’s law)에 따라 PSC 프로브에 유도전류를 생성시키며, port에서 관측되는 전압은 유도 전류와 port 임피던스의 곱으로 표현된다. 이때 유도 전류는 마이크로스트립 라인과 PSC 프로브 사이의 자기적 결합Mtf에 의해 결정된다.

참고문헌 (6)

S. Grivet-Talocia, M. Bandinu, F. Canavero, I. Kelander, and P. Kotiranta, "Fast assessment of antenna-PCB coupling in mobile devices: A macro-modeling approach," in 2009 20th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility, Zurich, 2009, pp. 193-196.
H. H. Chuang, G. H. Li, E. Song, H. H. Park, H. T. Jang, and H. B. Park, et al., "A magnetic-field resonant probe with enhanced sensitivity for RF interference applications," IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 55, no. 6, pp. 991-998, Dec. 2013.

상세보기
김경민, 송익환, "무선주파수 간섭 측정을 위한 printed spiral coil(PSC) 프로브의 고주파 모델링," 한국전자파학회논문지, 29(1), pp. 10-19, 2018년 1월.

원문보기 상세보기
Y. Cheng, Y. Shu, "A new analytical calculation of the mutual inductance of the coaxial spiral rectangular coils," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 50, no. 4, pp. 1-6, Apr. 2014.

상세보기
K. Kim, H. Oh, and E. Song, "Modeling of printed spiral coils based on conformal mapping method with fringing capacitance effects," in 2017 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility(APEMC), Jun. 2017, p. 362.
S. S. Mohan, M. del Mar Hershenson, S. P. Boyd, and T. H. Lee, "Simple accurate expressions for planar spiral inductances," IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 34, no. 10, pp. 1419-1424, Oct. 1999.

상세보기

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증