KR101928366B1 - 패턴 그라운드 쉴드를 이용한 나선형 공진기 - Google Patents

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Abstract

나선형 공진기에 패턴 그라운드 쉴드를 적용하여 노이즈 특성이 개선된 공진기가 개시된다. 패턴 그라운드 쉴드 공진기는 나선형 공진기(spiral resonator), 광대역 노이즈 필터링 특성을 갖는 패턴 그라운드 쉴드(pattern ground shield) 모양으로 설계된 그라운드(ground), 나선형 공진기를 드라이버 파워 포트(Driver Power Port)와 연결시키는 파워 라인(power line) 및 나선형 공진기를 파워 층(power frame)과 연결시키는 비아(via)를 포함할 수 있다.

Description

패턴 그라운드 쉴드를 이용한 나선형 공진기{SPIRAL RESONATOR WITH PATTERN GROUND SHIELD}
아래의 설명은 나선형 공진기에 패턴 그라운드 쉴드를 적용하여 노이즈 특성이 개선된 공진기에 관한 것이다.
고주파 부품의 수요가 증가하면서 RF 시스템에서 주파수원을 공급하는 발진기 등은 핵심 부품 중의 하나로서 중요성이 커지고 있다. 발진기 설계 시 노이즈와 안정도가 가장 중요한 요소로서 노이즈는 발진 성능을 나타내는 중요한 지표 중의 하나로 사용될 수 있다.
전압 제어 발진기는 특정 주파수를 정확하게 출력해야 하는데 소자의 불안정한 영역에 동작시키다 보니 시간 축 상에서 파형이 찌그러지거나 위상이 틀어지는 현상이 나타날 수 있다. 이러한 노이즈는 공진기의 Q 값에 의해 영향을 받는다고 알려져 있는 바 보통 일반적인 마이크로 스트립 라인을 이용한 발진기는 낮은 Q값으로 위상 잡음을 줄이는데 제한이 있어 Q값을 높이기 위하여 나선형 공진기 구조를 적용하였다.
나선형 공진기는 그 축에 수직한 방향으로 전계가 걸렸을 때 특정 공진 주파수에서 자기 공진(self resonance) 현상이 일어나며, 이것이 대역 저지 특성으로 나타날 수 있다. 나선형 공진기는 날카로운 스커트 특성에 따른 높은 Q값과 통과 대역에서는 전압 흔들림이 없고 삽입 손실이 매우 낮은 특성을 볼 수 있다. 또한 설계 방법이 간단하고 명확한 특징을 가지고 있다.
일실시예에 따르면 나선형 공진기(spiral resonator), 광대역 노이즈 필터링 특성을 갖는 패턴 그라운드 쉴드(pattern ground shield) 모양으로 설계된 그라운드(ground), 나선형 공진기를 드라이버 파워 포트(Driver Power Port)와 연결시키는 파워 라인(power line) 및 나선형 공진기를 파워 층(power frame)과 연결시키는 비아(via)를 포함하는 패턴 그라운드 쉴드 공진기가 제공될 수 있다.
다른 일실시예에 따르면 광대역 노이즈 필터링 특성은, 고주파 노이즈 필터링 특성인, 패턴 그라운드 쉴드 공진기가 제공될 수 있다.
또 다른 일실시예에 따르면 나선형 공진기는, 단층 4바퀴 나선형 공진기인,패턴 그라운드 쉴드 공진기.
또 다른 일실시예에 따르면 그라운드는, 공진 주파수가 유지된 채 증가된 인덕턴스 값이 되도록 설계된 패턴 그라운드 쉴드 모양인, 패턴 그라운드 쉴드 공진기가 제공될 수 있다.
또 다른 일실시예에 따르면 그라운드는, 감소된 캐퍼시턴스 값과 증가된 인덕턴스 값을 갖도록 설계된 패턴 그라운드 쉴드 모양인, 패턴 그라운드 쉴드 공진기가 제공될 수 있다.
또 다른 일실시예에 따르면 패턴 그라운드 쉴드는, 일정 크기의 판을 일정 간격으로 그라운드에 삽입한 형태인, 패턴 그라운드 쉴드 공진기가 제공될 수 있다.
또 다른 일실시예에 따르면 그라운드는, 그라운드 홀을 구비하는, 패턴 그라운드 쉴드 공진기가 제공될 수 있다.
또 다른 일실시예에 따르면 나선형 공진기는, 시계 방향으로 감긴 모양인, 패턴 그라운드 쉴드 공진기가 제공될 수 있다.
또 다른 일실시예에 따르면 1 체배 내지 4 체배 주파수 중 적어도 하나에서 동작하는, 패턴 그라운드 쉴드 공진기가 제공될 수 있다.
또 다른 일실시예에 따르면 FR-4 재질의 인쇄 회로 기판(PCB)에 삽입되는, 패턴 그라운드 쉴드 공진기가 제공될 수 있다.
또 다른 일실시예에 따르면 VRM(Voltage Regulator Module)의 전압이 입력되는, 패턴 그라운드 쉴드 공진기가 제공될 수 있다.
도 1은 인쇄 회로 기판(PCB) 위에 구현한 나선형 공진기(spiral resonator)와 연결 비아(via)를 도시한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 4바퀴 나선형 공진기 및 그라운드(ground)를 도시한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 나선형 공진기가 그라운드 위에 놓여 있을 때의 나선형 공진기의 파이(pi) 등가 모델을 도시한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 시뮬레이션을 위해 구현된 4층 인쇄 회로 기판을 도시한 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 동시 스위칭 노이즈(SSN, Simultaneous Switching Noise) 저감 정도를 확인 하기 위한 시뮬레이션 블록도를 도시한 도면이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 하기 실시예들에서 모든 인쇄 회로 기판(PCB)의 유전체는 상대 유전율이 4.4이고, 손실 탄젠트가 0.02인 FR-4를 사용할 수 있다.
도 1은 인쇄 회로 기판(PCB) 위에 구현한 나선형 공진기(spiral resonator)와 연결 비아(via)를 도시한 도면이다. 일실시예에 따르면 나선형 공진기는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 감긴 형태일 수 있다.
여기서 나선형 공진기가 적용된 전원면의 잡음 억압 특성을 분석하기 위하여, 도 1a는 단층 2바퀴 나선형 공진기(111)와 비아(140)와 연결선을, 도 1b는 단층 3바퀴 나선형 공진기(112)와 비아와 연결선을, 도 1c는 4바퀴 나선형 공진기(113)와 비아와 연결선을 적용할 수 있다. 일실시예에 따르면 비아는 나선형 공진기와 전력 층(power frame)을 연결할 수 있고, 그라운드(120)는 비아가 관통할 수 있는 그라운드 홀을 포함할 수 있으며, 각 나선형 공진기는 파워 라인(power line)(130)과 연결될 수 있다.
일실시예에 따르면 하기 표 1에서 도 1a의 구조는 '제1 케이스', 도 1b는 '제 2케이스', 및 도 1c는 '제3 케이스'에 대응할 수 있다. 먼저 도 1에 도시된 바와 같이 나선형 공진기의 턴(turn) 수 증가에 따라 각 경우의 공진기의 인덕턴스 값과 공진 주파수 값이 하기 표 1과 같이 계산될 수 있다.
각 케이스 공진기 턴 수 그라운드 홀
지름 크기[mm]		 인덕턴스[nH]
(200MHz기준)		 첫 번째 공진 주파수[GHz]
제1 케이스 2 1.0 8.5 2.32
제2 케이스 3 1.0 12.6 1.78
제3 케이스 4 1.0 18.0 1.36
표 1과 같이 공진기 턴 수 증가에 따라 길이와 각 턴 간의 상호 인덕턴스로 인해 인덕턴스 값이 증가할 수 있다. 이에 반해 공진 주파수는 인덕턴스 값에 반비례하므로 공진 주파수 값은 줄어 들 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 4바퀴 나선형 공진기 및 그라운드(ground)를 도시한 도면이다. 여기서 4바퀴 나선형 공진기(213), 파워 라인(230) 및 비아(240)가 도시될 수 있다.
도 2a 는 도 1c과 동일한 4바퀴 나선형 공진기(213)를 위에서 도시한 도면으로서, 도 2b는 4바퀴 나선형 공진기 아래 그라운드에 0.3 mm 폭(251)을 갖는 판을 0.1 mm 간격(261)으로 삽입한 패턴 그라운드 쉴드(pattern ground shield)가 적용된 그라운드(221)이고, 도 2c는 4바퀴 나선형 공진기 아래 그라운드에 0.2 mm 폭(252)를 갖는 판을 0.2 mm 간격(262)으로 삽입한 패턴 그라운드 쉴드가 적용된 그라운드(222)이며, 도 2c 는 4바퀴 나선형 공진기 아래 기존 1.0 mm크기의 지름(271)인 그라운드 홀에서 2.4 mm크기(272)의 지름인 그라운드 홀로 크게 구현한 것일 수 있다.
일실시예에 따르면 도 2b는 '제4 케이스', 도 2c는 '제5 케이스', 및 도 2d는 '제6 케이스'를 나타낼 수 있다. 제3 케이스와 동일한 4바퀴 나선형 공진기에 제4 케이스, 제5 케이스, 그리고 제6 케이스와 같이 그라운드 조건을 변경하면 인덕턴스와 공진 주파수의 변화가 다음 표 2와 같이 나타날 수 있다.
각 케이스 공진기 턴 수 그라운드 조건
(폭/간격)[mm]		 인덕턴스[nH]
(200MHz 기준)		 첫 번째 공진 주파수[GHz]
제4 케이스 4 0.3/0.1 22.0 1.25
제5 케이스 4 0.2/0.2 23.0 1.25
제6 케이스 4 2.4 mm 홀 23.4 1.34
제4 케이스는 그라운드에 폭 0.3 mm를 갖는 판을 0.1mm 간격으로 삽입한 경우이고, 제5 케이스는 폭 0.2 mm를 갖는 판을 0.2mm 간격으로 삽입한 경우인 바, 그라운드가 점점 없어짐에 따라 인덕턴스 값이 증가할 수 있다. 제6 케이스는 그라운드 홀이 2.4mm크기의 지름을 갖는 패턴 그라운드 쉴드가 적용된 그라운드(223)로서 제일 높은 인덕턴스 값이 나타날 수 있다. 예를 들어, 제6 케이스의 인덕턴스 값은 같은 4턴을 갖는 제3 케이스 대비 30 % 이상 향상된 값을 가질 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 나선형 공진기가 그라운드 위에 놓여 있을 때의 나선형 공진기의 파이(pi) 등가 모델을 도시한 도면이다. 여기서 나선형 공진기(310)는 파워 라인(330) 및 비아(340)와 연결될 수 있다.
여기서 그라운드(320) 상의 나선형 공진기를 파이(pi) 등가 모델로 보아 그라운드 변경에 따른 특성 및 그에 따른 영향을 분석할 수 있다. 이 때, 노이즈 필터링 효율을 결정하는 중요한 팩터(factor)는 인덕턴스 값이며, 노이즈 필터링 대역을 결정하는 하는 팩터는 공진 주파수일 수 있다.
Figure 112012089595294-pat00001
일실시예에 따르면 공진 주파수는 상술한 수학식 1과 같이 Ls와 Cs 값에 반비례하여 결정될 수 있다. 여기서 Ls는 나선형 공진기의 인덕턴스 값, Cs 및 Csh는 나선형 공진기와 그라운드의 관계에 따라 나타나는 캐퍼시턴스 값, Rs는 나선형 공진기의 저항 값일 수 있다.
예를 들어, 공진기 아래 그라운드를 점점 줄여줌에 따라 공진기와 그라운드와의 거리가 증가하여 Ls값이 증가하고, 반면에 Cs값은 그라운드와의 거리가 멀어지므로 감소할 수 있다. 따라서 제6 케이스는 제3 케이스 대비 높은 인덕턴스 값을 가지면서도 공진 주파수는 유사한 값을 가질 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 시뮬레이션을 위해 구현된 4층 인쇄 회로 기판을 도시한 도면이다.
여기서 인쇄 회로 기판(400) 상에 임의의 동시 스위칭 노이즈(SSN, Simultaneous Switching Noise)를 발생시키면서 각각의 나선형 공진기를 삽입한 경우 노이즈가 어느 정도로 감소하는지를 시뮬레이션 할 수 있다. 일실시예에 따르면 4층 인쇄 회로 기판은 도 4에 도시된 바와 같이 디자인될 수 있다.
예를 들어 인쇄 회로 기판에 나선형 공진기(410)가 드라이버 파워 포트(Driver power port)(420)와 연결되어 삽입될 수 있고, 드라이버 파워 포트로부터 신호를 전송 받는 리시버 파워 포트(Receiver power port)(430), 4개의 데이터 라인(Data line)(440) 및 VRM(Voltage Regulator Module) 파워 포트(450)가 삽입될 수 있다. 여기서 4개의 DDR3 스위칭을 동시에 동작함으로 인해 발생하는 노이즈가 파워 라인에 나선형 공진기를 삽입함으로써 얼마나 감소하는지를 확인할 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 동시 스위칭 노이즈(SSN, Simultaneous Switching Noise) 저감 정도를 확인 하기 위한 시뮬레이션 블록도를 도시한 도면이다. 일실시예에 따르면 나선형 공진기(510)에 패턴 그라운드 쉴드를 적용하여 개선된 노이즈 저감 특성을 확보할 수 있는 바, 같은 나선형 구조의 공진기 아래 그라운드 모양이 변경됨에 따라 그라운드와 공진기 간의 인덕턴스 값과 캐퍼시턴스 값이 변경되어 특성이 변경될 수 있다.
구체적으로는 공진기와 그라운드 간의 거리가 멀어짐에 따라 인덕턴스 값은 증가하고, 증가한 인덕턴스 값에 비례하여 임피던스 값이 증가할 수 있다. 여기서 인덕턴스는 저주파 에너지를 잘 전달하고 고주파 노이즈를 필터링 할 수 있다. 따라서 이러한 패턴 그라운드 쉴드를 적용한 공진기를, 전원 단에서 고속 신호 동작 등으로 고주파 노이즈가 발생하는 구간에 설치함으로써 고주파 노이즈의 전달을 막아 노이즈가 예민한 전원 단을 보호할 수 있다.
또한 RF단과 디지털 단 등이 함께 있는 보드 상에서 노이즈가 예민한 전원 단 입구에 일실시예에 따른 나선형 공진기를 삽입하여 노이즈에 의해 통화 수신감도가 떨어지는 성능 저하를 막을 수 있다.
여기서, 다른 파워단으로의 노이즈 전달 감소를 확인하기 위해 도 5에 도시된 바와 같이 과도 응답 특성을 볼 수 있는 회로 시뮬레이션 환경을 구현하여 해석할 수 있다. 이 때, 1 체배는 0.8Ghz로서 1.6Gbps일 수 있다.
일실시예에 따르면 나선형 공진기는 파워 라인(520)과 연결되어 인쇄 회로 기판(500)에 삽입되어 리시버 파워 포트(530)로 신호를 전송할 수 있다. 나선형 공진기는 VRM 포트(550)로부터 V_dc전압, 이를테면 1.5V를 공급 받아, 1.6Gbps 클락(Clock)으로 동작하는 IBIS 모델(Input/output Buffer Information Specification Model)에 따른 DDR3의 동시 스위칭 노이즈(SSN)를 개선할 수 있다.
각 케이스
(단위: dB)		 1 체배
(0.8 GHz)		 2 체배
(1.6 GHz)		 3 체배
(2.4 GHz)		 4체배
(3.2 GHz)
제1 케이스 4.9 3.1 5.5 2.6
제2 케이스 9.4 4.4 5.2 2.3
제3 케이스 3.7 10.0 8.3 - 2.0
제4 케이스 7.2 19.1 6.1 - 2.4
제5 케이스 7.3 20.0 6.0 - 1.6
제6 케이스 9.1 9.8 25.9 9.7
예를 들면, 상술한 시뮬레이션 결과는 상술한 표 3과 같이 나타나는 바, 각 나선형 공진기 케이스와 공진기를 삽입 하지 않은 케이스를 대비하면 체배 주파수에서 노이즈 파워가 줄어든 것을 확인 할 수 있다. 또한, 표 3과 같이 턴 수 증가에 따라 노이즈 감쇄 효과가 증가하나 4체배에서는 그 효과가 없음을 확인 할 수 있다. 그러나 패턴 그라운드 쉴드를 통해 그라운드 조건을 변경함으로써 같은 4바퀴 나선형 공진기를 가지면서도 제6 케이스에서와 같이 광대역에 걸친 노이즈 저감 특성이 나타날 수 있다.
각 케이스(단위: mV) 피크와 피크 간의 전압 흔들림
제1 케이스 68 (1.537 ~ 1.469 V)
제2 케이스 52 (1.527 ~ 1.476 V)
제3 케이스 45 (1.524 ~ 1.479 V)
제4 케이스 45 (1.525 ~ 1.480 V)
제5 케이스 38 (1.521 ~ 1.480 V)
제6 케이스 22 (1.510 ~ 1.493 V)
일실시예에 따르면 상술한 표 4는 각 케이스의 시간 영역에서의 피크와 피크 간의 전압(Peak to peak voltage) 흔들림의 차이를 나타낼 수 있다. 제6 케이스의 경우는 제3 케이스 대비 50% 이상 향상된 노이즈 흔들림 특성이 나타날 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
111: 2바퀴 나선형 공진기
112: 3바퀴 나선형 공진기
113: 4바퀴 나선형 공진기
120: 그라운드
130: 파워 라인
140: 비아

Claims (11)

  1. 나선형 공진기(spiral resonator);
    광대역 노이즈 필터링 특성을 갖는 패턴 그라운드 쉴드(pattern ground shield) 모양으로 설계된 그라운드(ground);
    상기 나선형 공진기를 드라이버 파워 포트(Driver Power Port)와 연결시키는 파워 라인(power line); 및
    상기 나선형 공진기를 파워 층(power frame)과 연결시키는 비아(via)
    를 포함하고,
    상기 그라운드는,
    그라운드 홀을 구비하는,
    패턴 그라운드 쉴드 공진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광대역 노이즈 필터링 특성은,
    고주파 노이즈 필터링 특성인,
    패턴 그라운드 쉴드 공진기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나선형 공진기는,
    단층 4바퀴 나선형 공진기인,
    패턴 그라운드 쉴드 공진기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 그라운드는,
    공진 주파수가 유지된 채 증가된 인덕턴스 값이 되도록 설계된 패턴 그라운드 쉴드 모양인,
    패턴 그라운드 쉴드 공진기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 그라운드는,
    감소된 캐퍼시턴스 값과 증가된 인덕턴스 값을 갖도록 설계된 패턴 그라운드 쉴드 모양인,
    패턴 그라운드 쉴드 공진기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 패턴 그라운드 쉴드는,
    일정 크기의 판을 일정 간격으로 그라운드에 삽입한 형태인,
    패턴 그라운드 쉴드 공진기.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 나선형 공진기는,
    시계 방향으로 감긴 모양인,
    패턴 그라운드 쉴드 공진기.
  9. 제1항에 있어서,
    1 체배 내지 4 체배 주파수 중 적어도 하나에서 동작하는,
    패턴 그라운드 쉴드 공진기.
  10. 제1항에 있어서,
    FR-4 재질의 인쇄 회로 기판(PCB)에 삽입되는,
    패턴 그라운드 쉴드 공진기.
  11. 제1항에 있어서,
    VRM(Voltage Regulator Module)의 전압이 입력되는,
    패턴 그라운드 쉴드 공진기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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