PCB 삽입 손실

PCB 삽입 손실이란 무엇인가요?

로드 회로 기판

"삽입 손실" 일반적으로 신호가 시스템 수준에서 구성 요소와 케이블을 통과할 때 발생하는 신호 강도의 감소를 의미하며, 광섬유 및 PCB 스택을 포함하여 3GHz 이상의 고속으로 작동하는 시스템 내의 인쇄 회로 기판(PCB)에 흔적이 남는 것을 말합니다. 

흔히 '감쇠'와 동의어로 사용되는 삽입 손실은 광 링크 또는 전송 회선을 통해 전송되는 신호의 약화를 정량화합니다. 이 값은 일반적으로 데시벨(dB)로 표시됩니다.

PCB에서 삽입 손실의 중요성

삽입 손실은 특히 신호 감쇠 및 왜곡으로 이어지는 고주파수에서 중요합니다. 신호는 도체 저항과 라미네이트 재료의 누출로 인해 감쇠되고, 펄스 왜곡은 손실이 신호 고조파에 불균등하게 영향을 미칠 때 발생합니다. 

손실은 주파수에 따라 달라지므로 고조파가 높을수록 감쇠가 커집니다. 그 결과 부하에 도달하는 신호가 원본의 왜곡된 버전이 되어 진폭과 형태가 모두 변경됩니다.

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PCB의 삽입 손실 촉매제

RF 시스템을 처음 접하는 사람들에게 웨이브의 개념은 다소 추상적으로 보일 수 있습니다. 하지만 웨이브의 설계 원리는 저주파 PCB 설계에 사용되는 원리를 확장한 것입니다. PCB 삽입 손실은 주로 인터커넥트를 따라 임피던스 변화의 결과입니다. 삽입 손실의 측정은 임피던스 불연속 지점에서의 신호 저하 정도를 정량화합니다.

  • 구리 손실: 구리 손실은 커넥터 표면의 전도로 인해 발생하는 전력 손실에서 비롯됩니다. 이는 일반적으로 PCB의 도금 품질 및 재료 선택과 관련된 문제입니다.
  • 유전체 손실: 유전체 손실은 PCB의 유전체 재료 내에서 발생하는 전력 손실로 인해 발생합니다.
  • 반사 손실: 반사 손실은 송전선을 따라 커넥터의 전압 정재파비(VSWR)로 인해 발생합니다. 이는 부하가 전력을 흡수하지 못해 에너지가 선로 아래로 다시 반사될 때 발생합니다.

3Ghz에서 5Ghz까지 낮은 주파수 스펙트럼의 PCB의 경우 임피던스 불일치가 신호 손실의 주범입니다. 그러나 10Ghz에서 30Ghz 이상의 고주파수로 갈수록 사용되는 재료에 따라 결정되는 유전율이 삽입 손실을 유발하는 주요한 문제가 됩니다. 따라서 PCB 스택을 구성할 때 코어 재료, 프리프레그, 동박을 선택하는 것이 매우 중요합니다.

웨이브 시스템에서 비아는 임피던스 제어 인터커넥트에서 임피던스 불연속성을 유발할 수 있기 때문에 가장 큰 혼란을 야기하는 경우가 많습니다. 블라인드, 매립형, 스루홀 등 다양한 비아 유형이 다층 PCB 설계에서 레이어 전환에 사용됩니다. 이러한 비아에는 모두 더 높은 주파수에서 삽입 손실을 유도하는 기생 소자가 함께 제공됩니다.

테스트 쿠폰에서 웨이브 인터커넥트의 시간 영역 반사 측정 트레이스를 검사하면 레이어 전이를 위해 도금된 스루홀 비아에서 정전 용량 임피던스가 떨어지는 것을 발견할 수 있습니다. 이러한 임피던스 강하는 두 가지 이유로 문제가 됩니다. 첫째, 반사를 일으켜 정재파 및 강한 방사 EMI를 유발할 수 있습니다. 둘째, 최종 부하에 도달할 수 있는 신호 레벨을 감소시켜 삽입 손실을 유발합니다.

PCB의 삽입 손실 최적화

특정 요구 사항에 적합한 고속 PCB를 설계할 때 삽입 손실을 해결하는 것은 기본입니다. 신호 손실의 근본적인 문제를 파악하면 유리 직조 견고성, 수지 밀도 및 PCB 두께에 영향을 미치는 스택업용 재료를 정확하게 선택할 수 있습니다. 요약하면, PCB 스택업을 계획할 때 다음 사항을 고려해야 합니다:

  • 매우 낮은 프로파일의 ED 구리 또는 대체 산화물과 같은 낮은 프로파일의 구리 옵션을 선택하여 피부 효과와 표면 거칠기를 최소화합니다.
  • 더 촘촘한 유리 섬유 직조를 선택하여 유전 상수를 개선하거나, 느슨한 직조보다 구리 트레이스의 각도를 조정하여 신호 무결성을 유지할 수 있습니다.
  • 낮은 유전 상수를 제공하고 평탄한 주파수 응답을 통해 광범위한 신호를 원활하게 처리하는 소재를 선택하세요.
  • 유전체 특성 손실이 가장 적은 재료를 사용하고 도달 거리를 제한하여 손실 계수를 제한하세요.

다양한 고려 사항: 삽입 손실 대 커넥터 반환 손실

커넥터는 송신기와 수신기 사이에 있는 멀티보드 시스템 신호 경로의 전송 라인에 있는 많은 요소 중 하나에 불과합니다. 상호 연결에 대한 논의에서 비아는 종종 유도성 임피던스 방해 요소로 강조됩니다. 비아는 고주파에서 인덕터와 유사하며 올바르게 설계되지 않으면 반사를 일으킬 수 있습니다. 그러나 커넥터는 신호 상호 작용에 영향을 줄 수 있는 자체 임피던스를 가진 소형 전송선로 역할을 하는 등 유사하게 작동합니다.

무결점 커넥터에 대한 열망에도 불구하고 현실적으로 리턴 및 삽입 손실이 발생할 수 있습니다. 이러한 손실은 주로 커넥터의 표면 실장 패드에서 발생하는 임피던스 불일치로 인해 발생합니다. 스루홀 커넥터는 또한 유도성 및 정전 용량 임피던스 불일치를 유발하는 핀으로 인해 삽입 손실에 기여합니다.

SMD 커넥터 패드는 종종 더 넓은 구리와 함께 사용하면 길이당 정전 용량이 증가하여 결과적으로 커넥터 패드에서 트레이스의 특성 임피던스가 감소합니다. 이러한 정전 용량 임피던스 차이는 신호 반사를 유발하여 커넥터 반사 손실과 삽입 손실을 초래합니다.

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