KR20040000850A - 고주파 측정오차 보정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파 측정오차 보정방법에 관한 것으로, 2 단자 소자의 고주파 특성을 정확히 측정하기 위한 고주파 측정오차 보정방법에 관한 것이다. 본 발명은 T-R-L 보정방법에 사용된 L형 표준보정기구 내의 전송선 중간에 저항을 병렬로 연결하여 반사계수를 측정하고, 측정한 저항값과 반사계수의 관계를 이용하여 사용된 전송선의 특성임피던스를 추출해 냄으로써 제작상의 오차를 극복하고 2 단자 소자의 고주파 특성을 정확하게 측정하는 방법을 제공하는데 있다.

Description

고주파 측정오차 보정 방법{Method for correcting measurement error of high frequency}

본 발명은 고주파 측정오차 보정방법에 관한 것으로, 특히 2 단자 소자의 고주파특성을 정확히 측정하기 위한 고주파 측정오차 보정방법에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 인쇄회로 기판상에 장착된 2 단자 소자와 측정용 보조기구이다.

측정용 보조기구(100)는 크게 두 가지 부분으로 나눌 수 있는데, 첫째는 측정하고자 하는 2 단자 소자(13)의 단자를 측정기 등 외부와 연결하기 위하여 인쇄회로기판(10) 상에 두 개의 전송선(14, 15)이 제작되고, 각 전송선(14, 15)의 한쪽 끝에는 2 단자 소자(13)가 연결되어 있다. 둘째는 2 단자 소자(13)의 각 단자를 연결하고 있는 전송선(14, 15)의 다른 쪽 끝을 측정기와 연결하기 위하여 필요한 고주파 커넥터(11, 12)가 연결되어 있다. 여기서, 2 단자 소자(13)는 측정 기준면(16, 17) 사이에 위치하게 된다.

오차 보정방법을 사용하여 각각의 단자에 연결된 측정용 보조기구의 특성을 추출하고 이를 이용하여 보조기구를 포함한 전체 회로의 측정 결과로부터 보조기구의 특성만을 제거하면 2 단자 소자(13) 자체의 특성을 얻을 수 있다.

지금까지 가장 많이 사용되고 있는 방법은 T-R-L 보정방법이다(G.F.Engen. and C.A.Hoer., "Thru-reflect-line:an improved technique for calibration of the dual six-port automatic network analyzer", IEEE Trans. MTT-27, pp.987-993, 1979.).

T-R-L 보정방법은 측정하고자 하는 소자가 장착된 인쇄회로 기판과 동일한 인쇄회로기판에 세 가지의 표준보정기구를 제작하고 이를 측정함으로써 측정용 보조기구의 특성을 추출하는 방법을 사용하고 있다.

도 2a 내지 2c는 종래의 T-R-L 보정방법에서 사용되는 T, R, L형 표준보정기구이다.

도 2a에 나타낸 바와 같이, T형 표준보정기구(200)는 도 1의 측정용 보조기구(100)와 같은 형태이며 측정하고자 하는 2 단자 소자의 각 단자를 단락한 구조로서, 2 단자 소자가 연결될 부분을 제외한 특정 길이의 전송선(18)을 연결한 구조이다.

도 2b에 나타낸 바와 같이, R형 표준보정기구(300)는 도 1의 측정용 보조기구(100)와 같은 구조이나 2 단자 소자가 연결된 부분을 서로 분리하여 전기적으로 격리시킨 구조이다.

도 2c에 나타낸 바와 같이, L형 표준보정기구(400)는 T형 표준보정기구(200)와 같은 형태이나 2 단자 소자가 연결될 부분에 특정 길이의 전송선(19)을 연결한 구조이다.

T-R-L 보정방법에서 사용되는 전송선의 특성임피던스는 모두 측정기의 내부저항 또는 측정용 케이블의 특성임피던스와 같은 50Ω 을 사용하여야 하며 인쇄회로기판 제작상의 문제로 인하여 전송선의 특성임피던스가 달라졌을 경우에는 보정에 오류가 생기게 되어 정확한 측정을 할 수 없다. 전송선의 특성 임피던스는 기판재료의 유전율과 기판의 두께 그리고 전송선의 선폭에 의해 결정된다.

인쇄회로기판 상에 제작된 전송선의 특성임피던스가 50Ω 이 아닌 경우에 생길 수 있는 기존 T-R-L 보정방법의 문제점은 측정용 보조기구 및 표준보정기구의특성임피던스를 추출하여 측정결과를 보정함으로써 정확한 측정을 할 수 있다. 따라서 이를 해결하기 위한 몇 가지 방법이 제시되어 있다.

추가적인 표준보정기구를 사용하지 않는 방법으로는 측정용 보조기구에 연결된 고주파 커넥터를 이상적인 전송선으로 모델링하고 커넥터와 기판상의 전송선이 연결될 때 병렬 기생성분만 존재한다고 가정하여 기존의 T-R-L 보정방법을 통해 얻은 정보로부터 사용된 전송선의 특성임피던스를 계산하는 방법이 제안되어 있으나 이상적인 모델과 실제 보조기구의 차이로 인해 정확성이 다소 떨어지는 문제가 있다(한국등록특허공보 제0211026호).

R형 표준보정기구(300)를 응용하는 방법으로는 새로운 표준보정기구를 추가적으로 측정하여 사용된 전송선의 특성임피던스를 추출하는 방법이 제안되어 있다(R.B.Marks and D.F.Williams," Characteristic impedance determination using propagation costant measurement", IEEE Microwave Guided Wave Letter, Vol. 1, No.7, pp.141-143, June 1991.).

도 3은 종래의 전송선의 특성임피던스 추출을 위해 R형 표준보정기구에 추가된 새로운 표준보정기구이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 종래의 T-R-L 보정방법에 사용되고 있는 R형 표준보정기구(300)의 끝에 저항(20)을 병렬 연결하고 접지(21)시킨 새로운 표준보정기구(500)를 추가로 측정하여 미리 측정한 저항값과 T-R-L 보정방법을 사용하여 보정한 반사계수 측정값의 차이를 이용하여 사용된 전송선의 특성임피던스를 추출하는 방법이 제안되어 있다.

이 방법의 문제점으로는 연결된 저항의 위치가 제작할 때마다 다를 수 있으며 이에 따라 측정의 정확도가 떨어질 수 있다는 점이다. 시뮬레이션에 의하면 0.5 mm의 제작 오차에 의해 추출된 특성임피던스가 10 Ω 이상의 오차가 발생할 수 있음을 확인할 수 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은 인쇄회로기판 상에 장착된 2 단자 소자의 고주파 특성을 측정하기 위하여 가장 많이 사용되고 있는 T-R-L 보정방법에서 표준보정기구의 제작상의 오차를 극복하고 정확한 측정을 할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 일반적인 인쇄회로 기판상에 장착된 2 단자 소자와 측정용 보조기구

도 2a 내지 2c는 종래의 T-R-L 보정방법에 사용되는 T, R, L형 표준보정기구

도 3은 종래의 R형 표준보정기구를 이용한 추가 표준보정기구

도 4는 본 발명의 L형 표준보정기구를 이용한 추가 표준보정기구

도 5는 본 발명에 사용된 추가 표준보정기구의 등가 회로

도 6은 본 발명에 사용된 추가 표준보정기구의 등가회로에서 측정 기준점을 저항이 연결된 지점까지 이동하였을 때의 등가회로

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

10, 30 : 인쇄회로 기판 11, 12, 31, 32 : 고주파 커넥터

13 : 2단자소자 14, 15, 18, 19, 33, 43, 44 : 전송선

16, 17, 34, 35, 40, 41 : 측정기준면 20, 36, 45 : 저항

21, 37 : 접지 43 : 저항 위치

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 인쇄회로기판 상에 장착된 2 단자 소자의 고주파 특성을 정확히 측정하기 위한 고주파 측정오차 보정방법에 있어서, 인쇄회로기판 상에 제작된 두 개의 전송선에 각 단자가 연결되고, 2 단자 소자가 장착된 측정용 보정기구의 고주파 특성을 측정하는 제1단계와, T-R-L 보정방법에 사용되고 있는 선폭은 같고 길이가 다른 전송선들로 제작된 T, R, L형 표준보정기구와 상기 L형 표준보정기구에 임의의 저항을 병렬 연결한 새로운 표준보정기구에서 고주파 특성을 측정하는 제2단계, 및 상기 제1단계의 측정값에서 제2단계의 측정값을 제외시켜 추출하는 제3단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명은 인쇄회로기판 상에 장착된 2 단자 소자의 고주파 특성을 정확하게 측정하기 위해 사용된 측정용 보조기구(100)의 특성을 추출하고 이를 이용하여 전체 측정 결과에서 측정용 보조기구(100)의 특성을 제거함으로써 소자만의 특성을 추출하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 기존의 T-R-L 보정방법에 사용된 L형 표준보정기구(400) 내의 전송선 중간에 저항을 병렬로 연결하여 반사계수를 측정하고 측정한 저항값과 반사계수의 차이를 이용하여 사용된 전송선의 특성임피던스를 계산한다는 면에서는 기존의 방법과 유사하나 저항이 연결된 위치를 측정된 반사계수를 이용하여 추출함으로써 제작 오차에 의한 측정의 부정확성을 제거하는 새로운 방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 기존의 T-R-L 보정방법에서 사용된 L형 표준보정기구(400) 내에 저항을 전송선 중간에 병렬로 연결한 구조로서, 기존의 T-R-L 보정방법을 이용하면 전송선의 전파상수를 구할 수 있으며, 이를 이용하여 단자 1쪽의 측정 기준면을 저항이 연결된 지점까지 이동하면 단자 1의 반사계수는 알고 있는 저항값과 전송선의 특성임피던스가 병렬로 연결되었을 때의 반사계수와 같다. 이 관계를 이용하면 전송선의 특성임피던스를 계산할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에서 전송선의 특성임피던스 추출을 위해 L형 표준보정기구에 추가된 새로운 L형 표준보정기구이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 새로운 L형 표준보정기구(600)는 인쇄회로기판(30) 상의 전송선(33) 중간에 저항(36)을 병렬 연결하고 접지(37)시켰으며, 각 단자를 연결하고 있는 전송선(33)의 다른 쪽 끝을 측정기와 연결하기 위하여 고주파 커넥터(31, 32)가 연결되어 있다. 여기서, 전송선(33)의 길이는 기존의 L형 표준보정기구(400)에 사용된 전송선의 길이보다 길거나 짧게 사용할 수 있으며, 저항(36)은 측정 기준면(16, 17) 사이에 위치하게 된다.

인쇄회로기판 상에 장착된 2 단자 소자의 특성을 측정하기 위하여 소자를 제외한 기타 부분의 전기적 특성을 알아내고 이를 전체 측정결과에서 측정용 보조기구의 특성을 제거하는 과정을 수행하게 된다.

측정용 보조기구(100)의 특성을 알아내기 위하여 기존의 T-R-L 보정방법에서는 T, R, L형 표준보정기구(200, 300, 400)의 특성을 각각 측정하고 이들 측정값으로부터 측정용 보조기구(100)의 특성을 추출할 수 있다. T-R-L 보정방법을 적용하는 과정에서 사용된 전송선의 전파상수를 알 수 있으며 이 값을 이용하면 측정기준면(기준위치)을 옮겼을 때의 특성도 계산할 수 있다.

이렇게 보정된 소자의 특성은 전송선의 특성임피던스로 정규화된 값이며 일반적으로 50Ω을 사용하고 있다. 만약 제작된 전송선의 특성임피던스가 기판자체의 특성 불균일 또는 제작상의 선폭 변화로 인해 원하는 값인 50Ω 에서 벗어났을 경우에는 오차가 발생하며 기존의 T-R-L 방법으로는 해결할 수 없다.

도 5는 본 발명에서 사용한 추가의 새로운 표준보정기구의 측정기준면을 기준으로 본 등가회로이고, 도 6은 본 발명에서 사용한 추가의 새로운 L형 표준보정기구의 등가회로에서 저항이 연결된 지점까지 이동하였을 때의 등가회로이다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 길이L ₁인 전송선(43)과L ₂인 전송선(44)과 병렬로연결된 저항(45)으로 구성할 수 있다. 단자 1쪽의 전송선(43)의 길이를 알면 T-R-L보정방법에서 구한 전파상수와 결합하여 측정 기준면을 두 개의 전송선(43, 44)이 연결된 저항위치(42)까지 옮길 수 있으며 이 때 등가회로는 도 6과 같다.

도 6에서 단자 1쪽 측정기준면(40)에서 본 반사계수는 수학식 1에 나타낸 바와같이 병렬 연결된 저항(45)과 단자 2쪽의 임피던스가 병렬로 연결된 회로의 반사계수와 같다.

여기서,Z _i는 병렬 연결된 저항(45)과 단자 2쪽의 임피던스가 병렬로 연결되었을 때의 임피던스이며 측정 시 단자 2쪽은 종단처리(termination)되어 있는 상태이므로 단자 2쪽의 임피던스는 사용된 전송선의 특성임피던스이다. 이와 같이 종단처리된 전송선의 임피던스를 특성임피던스로 대체하는 계산방법은 본 발명이 기존의 발명과 다른 중요한 점 중의 하나이다. 수학식 1을 다시 정리하면 전송선의 특성임피던스를 수학식 2 와 같이 계산할 수 있다.

기존의 발명에서는 저항이 연결된 위치를 물리적인 길이를 측정하여 사용하기 때문에 저항의 위치가 제작과정에서 변동되었을 때 보상할 방법이 없었던 반면본 발명에서는 저항이 연결된 위치를 전기적 측정 데이터로부터 추출하여 사용함으로써 제작상의 오차를 보정할 수 있다.

본 발명에서 저항의 위치를 계산하는 방법은 다음과 같다.

본 발명에서 사용하고 있는 추가의 표준보정기구의 고주파 특성 측정시 양쪽 단자는 종단처리 되어있기 때문에 두 개의 전송선(43, 44)이 연결된 저항위치(42)에서 단자 1방향으로 본 반사계수와 단자 2방향으로 본 반사계수는 같다. 따라서 단자 1쪽 측정 기준면(40)에서 본 반사계수S ₁₁과 단자 2 쪽 측정 기준면(41)에서 본 반사계수S ₂₂는 수학식 3과 수학식 4로 표현된다.

여기서,Γ ₀는 두 개의 전송선이 연결된 지점(43)에서 어느 한쪽으로 본 반사계수이며L ₁,L ₂는 각 전송선의 길이이다.

수학식 3과 수학식 4의 비를 구하면 수학식 5와 같이 두 전송선 길이의 차를알 수 있으며 두 전송선의 합은 이미 알고 있으므로L ₁,L ₂를 계산할 수 있다.

본 발명의 방법으로 계산한 전송선의 특성임피던스는 도 4의 추가 표준보정기구에 연결된 저항이 이상적인 저항으로 동작하는 것을 가정하고 있으나 고주파에서는 기생성분을 포함하고 있으므로 기존의 연구(R B.Marks and D.F.Williams, "Characteristic impedance determination using propagation costant measurement", IEEE Microwave Guided Wave Letter, Vol. 1, No.7, pp.141-143, June 1991.)에서와 마찬가지로 전송선의 단위 길이당 정전용량(capacitance)을 구하고 이를 주파수에 따른 경향을 계산하여 낮은 주파수 값으로 결정하여 특성임피던스를 구하는 방법을 사용할 수 있다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명을 이용하면, 기존의 T-R-L 보정방법에서 사용되고 있는 표준보정기구의 제작시 기판의 불균일성 및 회로 선폭의 제작오차로 인하여 발생하는 보정 오차를 제거할 수 있으며 소자 측정을 위해 사용되는 선폭을 자유롭게 선택할 수 있어 다양한 소자의 측정을 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 인쇄회로기판 상에 장착된 2 단자 소자의 고주파 특성을 정확히 측정하기 위한 고주파 측정오차 보정방법에 있어서,

   인쇄회로기판 상에 2 단자 소자가 두 개의 전송선에 연결된 측정용 보정기구의 고주파 특성을 측정하는 제1단계와,

   T-R-L 보정방법에 사용되고 있는 선폭은 같고 길이가 다른 전송선들로 제작된 T, R, L형 표준보정기구와 상기 L형 표준보정기구의 전송선 상에 임의의 저항을 병렬 연결한 새로운 표준보정기구에서 고주파 특성을 측정하는 제2단계, 및

   상기 제1단계의 고주파 특성 측정값에서 상기 제2단계의 고주파 특성 측정값을 제외시켜 추출하는 제3단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 고주파 측정오차 보정방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 새로운 표준보정기구는 전송선 길이를 상기 L형 표준보정기구의 전송선 길이와 다르게 제작하는 것을 특징으로 하는 고주파 측정오차 보정방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 새로운 표준보정기구에 연결된 저항의 위치는 상기 T, R, L형 표준보정기구의 각 단자에서 측정한 반사계수의 비율을 이용하여 추출해 내는 것을 특징으로 하는 고주파 측정오차 보정방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 고주파 특성은 상기 전송선의 특성 임피던스값을 추출해서 산출하는 것을 특징으로 하는 고주파 측정오차 보정방법.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 새로운 표준보정기구에서 저항이 연결된 위치까지 측정 기준면을 이동하여 상기 T, R, L형 표준보정기구에 사용된 전송선의 특성임피던스를 계산하는 것을 특징으로 하는 고주파 측정오차 보정방법.