HFSS, CST, ADS 표준 시뮬레이션 툴 비교

HFSS, CST, ADS는 모두 RF(고주파), 마이크로파, 안테나 설계를 위한 업계 표준 시뮬레이션 툴입니다. 하지만 이들의 핵심 전문 분야는 명확하게 나뉩니다.

가장 큰 차이점을 한 문장으로 요약하면 다음과 같습니다.

HFSS와 CST는 주로 안테나, 커넥터, 필터 같은 '3D 구조물(부품)' 자체의 전자기장(EM Field)을 해석합니다. ADS는 주로 PCB, RFIC(고주파 집적회로), 증폭기 같은 **'전자 회로(시스템)'**의 동작을 해석합니다.

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🛠️ 주요 툴 비교표

비교 항목	🛰️ Ansys HFSS	✈️ Dassault Systèmes CST	⚡ Keysight ADS
개발사	Ansys	Dassault Systèmes (3DS)	Keysight
핵심 분야	3D 전자기장 (EM Field)	3D 전자기장 (EM Field)	회로(Circuit) & 시스템
주요 해석 방식	FEM (유한 요소법)	FIT (유한 적분법)	Circuit Solvers (HB, Transient) Momentum (2.5D EM)
강점	정확도 (Gold Standard) 주파수 영역(Frequency Domain) 해석	다양성 & 속도 시간 영역(Time Domain) 해석 광대역, 대형 구조물, EMI/EMC	시스템/회로 통합 비선형 회로(증폭기 등) 분석 PCB 및 칩 설계
주요 용도	안테나, 필터, 커넥터, 도파관(Waveguide)	안테나, EMI/EMC, 항공기/차량 전파 해석	RFIC, MMIC, PCB 기판, 시스템 레벨(통신) 시뮬레이션

 

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1. Ansys HFSS (High Frequency Structure Simulator)

• 특징: FEM(유한 요소법) 방식을 기반으로 하며, RF/MW(마이크로웨이브) 분야에서 **'업계 표준(Gold Standard)'**으로 불릴 만큼 높은 정밀도와 신뢰성을 자랑합니다.
• 강점: 특히 주파수 영역(Frequency Domain) 해석에 강점이 있어, 특정 주파수에서 동작하는 안테나, 필터, 커넥터 등 **수동 소자(Passive component)**의 성능을 매우 정밀하게 분석하는 데 탁월합니다.

2. Dassault Systèmes CST Studio Suite

• 특징: FIT(유한 적분법) 방식을 기반으로 하며, 특히 시간 영역(Time Domain) 해석에 강점을 가집니다.
• 강점: 시간 영역 해석은 펄스(Pulse) 신호를 입력하여 한 번의 시뮬레이션으로 매우 넓은 주파수 대역의 특성(예: 1~10 GHz)을 동시에 얻을 수 있게 해줍니다. 이 때문에 광대역(Broadband) 안테나 설계나 EMI/EMC(전자기 간섭) 분석, 혹은 항공기나 자동차처럼 크고 복잡한 구조물의 전파 해석에 유리합니다.

3. Keysight ADS (Advanced Design System)

• 특징: HFSS/CST와 달리, 이 툴의 **핵심은 '회로(Circuit)'**입니다.
• 강점: 안테나에 신호를 보내는 **증폭기(Amplifier), 믹서(Mixer) 등 능동 소자(Active component)**를 포함한 RF 회로의 성능을 분석하는 데 독보적입니다. 또한 'Momentum'이라는 강력한 2.5D EM 시뮬레이터를 내장하고 있어, PCB 기판이나 칩(IC) 레이아웃의 전자기적 효과를 빠르고 정확하게 분석할 수 있습니다.

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🤝 실제 업무에서의 활용 (Synergy)

채용 공고에서 이 3가지 툴을 모두 언급(우대)하는 이유는 실제 제품 개발이 이 툴들의 **연동(Co-simulation)**을 통해 이루어지기 때문입니다.

[ ESA(위상 배열 안테나) 개발의 예시 ]

1. 안테나 설계 (HFSS / CST):
   • 먼저 HFSS나 CST를 사용해 배열 안테나의 개별 안테나 소자(Patch)와 배열 구조(Array)라는 **'3D 구조물'**을 설계합니다.
   • 시뮬레이션을 통해 안테나의 방사 패턴, 이득(Gain), 반사 손실(S-parameter) 등을 분석하고 최적화합니다.
2. RF 모듈 설계 (ADS):
   • 다음으로, 이 안테나에 신호를 공급할 **'RF 회로'**를 ADS로 설계합니다.
   • 여기에는 PCB 기판, 전력 증폭기(AMP), 위상 변환기(Phase Shifter), 필터 등이 포함됩니다. ADS는 이 비선형(Non-linear) 소자들을 포함한 전체 회로의 동작을 시뮬레이션합니다.
3. 통합 검증 (Co-simulation):
   • 마지막으로, HFSS/CST에서 해석한 안테나 3D 모델(데이터)을 ADS로 가져옵니다.
   • ADS에서 '회로'와 '안테나'를 연결하여 시스템 전체를 통합 시뮬레이션합니다.
   • 이를 통해 "내가 만든 RF 회로가 실제 안테나에 연결되었을 때 원하는 대로 정확하게 동작하는가?"를 최종 검증합니다.

요약:

• 안테나/구조물 자체를 만들 때는 HFSS 또는 CST
• 그 안테나에 연결될 전자 회로/PCB를 만들 때는 ADS

따라서 이 3가지 툴에 모두 숙련되어 있다는 것은, 부품(안테나)부터 시스템(회로)까지 RF 제품 개발의 전체 워크플로우를 수행하고 통합 검증할 수 있는 고급 인력임을 의미합니다.

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HFSS, CST, ADS는 모두 고가(High-End)의 전문 EDA(전자 설계 자동화) 툴이며, 목적과 기능이 명확히 구분됩니다.

요청하신 항목을 중심으로 비교 테이블을 만들어 드립니다.

🛰️ HFSS vs. CST vs. ADS 비교 테이블

비교 항목	🛰️ Ansys HFSS	✈️ Dassault Systèmes CST	⚡ Keysight ADS
핵심 분야	3D 구조물 (부품)	3D 구조물 (부품)	회로 및 시스템 (설계)
세부 기능	* 3D EM 필드 시뮬레이션 * FEM (유한 요소법) 기반 * 주파수 영역 해석에 특화 * 수동 소자(안테나, 필터) 해석	* 3D EM 필드 시뮬레이션 * FIT (유한 적분법) 기반 * 시간 영역 해석에 특화 * 광대역, EMI/EMC, 대형 구조물	* 회로(Circuit) 시뮬레이션 * HB, Transient 등 회로 해석 * 능동 소자(증폭기, 믹서) 설계 * Momentum (2.5D EM)
성능 (강점)	정밀도 (Accuracy) 업계 표준(Gold Standard)으로 불리며, 특히 수동 소자의 정밀 해석에 강력합니다.	속도 및 범용성 한 번의 시뮬레이션으로 광대역 특성 파악이 용이하며, EMI/EMC 분야에서 강력합니다.	시스템 통합 RFIC, MMIC, PCB 설계 및 회로-EM 통합 시뮬레이션에 독보적입니다.
가격	견적 문의	견적 문의	견적 문의
(가격 비고)	* 모듈/기능별 라이선스 * 영구/임시/아카데믹 * 무료 평가판 제공	* 모듈/기능별 라이선스 * 영구/임시/아카데믹 * 무료 학습용 버전 제공	* 모듈/기능별 라이선스 * 구독형(Subscription) 기반 * 무료 평가판 제공
바로가기	Ansys HFSS 제품 페이지	CST Studio Suite 제품 페이지	Keysight ADS 제품 페이지

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💰 가격에 대한 중요 참고 사항

테이블에서 보신 바와 같이, 이 세 가지 소프트웨어는 공개된 정찰가가 없습니다.

• 기업용(Enterprise) 소프트웨어: 이 툴들은 개인용이 아닌 기업 연구소나 대학에서 사용하는 수천만 원에서 수억 원대의 고가 솔루션입니다.
• 모듈식 판매: 기본 패키지에 어떤 해석 기능(Solver)이나 라이브러리를 추가하느냐에 따라 가격이 크게 달라집니다.
• 라이선스 정책: 영구 라이선스(Perpetual), 1년 단위 임시 라이선스(Lease/Subscription), 학교용(Academic) 등 라이선스 종류에 따라 가격이 모두 다릅니다.

툴들의 연동(Co-simulation) 과정과 각 툴의 핵심 기능을 좀 더 자세히 설명해 드리겠습니다.

🔄 툴 연동 (Co-simulation)의 개념과 과정

Co-simulation(공동 시뮬레이션)은 "각자 가장 잘하는 것만" 시키고 그 결과를 합쳐서 보는 방식입니다.

• 왜 연동하는가?
  • HFSS/CST (3D EM): 안테나, 커넥터 등 3D 구조물 해석은 매우 정확하지만, 트랜지스터 같은 능동 소자가 포함된 복잡한 '회로'를 돌리기엔 너무 느리고 비효율적입니다.
  • ADS (Circuit): 증폭기, 믹서 등 '회로' 해석은 매우 빠르지만, 안테나의 3D 방사 패턴이나 복잡한 구조물의 전자기 효과를 직접 계산하지는 못합니다.

따라서 3D 구조물(안테나)은 HFSS/CST로 해석하고, 회로(PCB, 칩)는 ADS로 해석한 뒤, 두 결과를 합쳐서 **"회로가 연결된 안테나"**의 최종 성능을 봅니다.

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📡 [사례] 위상 배열 안테나(Phased Array) 개발 과정

사용자님이 첨부하신 채용 공고의 ESA(위상 배열 안테나) 개발을 예로 들어 설명하겠습니다.

1단계: 안테나 소자 설계 (HFSS / CST)

• 작업: 개별 안테나 소자(패치)와 이 소자들의 배열(Array)이라는 **'3D 구조물'**을 설계합니다.
• 사용 툴: HFSS 또는 CST
• 목표: 안테나의 방사 패턴, 이득(Gain), 임피던스(Impedance) 등을 최적화합니다.
• 결과물: S-parameter (.sNp) 파일.
  • 이 파일은 안테나를 일종의 "블랙박스"로 만듭니다. 즉, "특정 주파수(예: 10 GHz) 신호를 넣으면, 이만큼(예: 3%) 반사되고 97%는 이쪽 방향(예: 전방 30도)으로 방사된다"라는 입/출력 특성 데이터만 담고 있습니다.

2단계: RF 모듈 회로 설계 (ADS)

• 작업: 1단계의 안테나에 신호를 공급하고 제어할 **'RF 회로'**를 설계합니다.
• 사용 툴: ADS
• 목표: PCB 기판 위에 전력 증폭기(PA), 위상 변환기(Phase Shifter), 감쇠기(Attenuator) 등을 배치하고 연결하여, 원하는 신호(세기, 위상)를 만들어내는 회로를 완성합니다.
• 핵심 기능: **Momentum (2.5D EM)**을 사용해 PCB 패턴(전송선로)의 전자기 특성을 분석하고, Harmonic Balance로 증폭기 같은 능동 소자의 비선형 특성을 시뮬레이션합니다.

3단계: 통합 및 Co-simulation (ADS)

• 작업: 1단계의 결과와 2단계의 회로를 합칩니다.
• 사용 툴: ADS
• 과정:
  1. **ADS 회로도(Schematic)**에 2단계에서 설계한 증폭기, 위상 변환기 등을 배치합니다.
  2. 회로도의 맨 끝단(안테나가 연결될 부분)에 **1단계에서 만든 S-parameter 파일(.sNp)**을 '블록' 형태로 불러와 연결합니다.
  3. ADS에서 시뮬레이션(HB, Transient 등)을 실행합니다.

4단계: 최종 시스템 성능 검증

• 이제 ADS는 회로의 성능뿐만 아니라, **"그 회로가 특정 안테나(HFSS/CST로 해석된)에 연결되었을 때"**의 전체 시스템 성능을 보여줍니다.
• 검증 항목:
  • Active S-parameter: 증폭기 등 능동 소자가 켜진 상태에서의 최종 임피던스 매칭.
  • EVM (Error Vector Magnitude): 실제 방사되는 신호가 디지털 통신 규격에 맞게 얼마나 깨끗한가?
  • System Efficiency: 증폭기 효율, PCB 손실, 안테나 방사 효율을 모두 고려한 최종 시스템 효율.

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⚙️ 각 툴의 핵심 기능 (Specific Features)

1. 🛰️ Ansys HFSS: FEM (유한 요소법)

• 핵심 기능: FEM (Finite Element Method, 유한 요소법)
• 작동 방식: 해석하려는 3D 공간을 **'테트라헤드론(Tetrahedron)'**이라는 작은 사면체 조각으로 무수히 잘게 나눕니다. 그런 다음 각 조각에서 맥스웰 방정식을 풀어 모든 전자기장 분포를 계산합니다.
• 강점:
  • 정확도: 매우 복잡하고 곡면이 많은 구조물(예: 커넥터, 도파관 필터)도 매우 정확하게 해석합니다.
  • 신뢰성: RF 분야의 '골드 스탠더드'로, 시뮬레이션 결과에 대한 신뢰도가 매우 높습니다.
• 주요 솔버: Frequency Domain Solver (특정 주파수 하나를 찍어서 해석. 매우 정확함)

2. ✈️ Dassault Systèmes CST: FIT (유한 적분법)

• 핵심 기능: FIT (Finite Integration Technique, 유한 적분법)
• 작동 방식: 3D 공간을 **'헥사헤드론(Hexahedron)'**이라는 작은 육면체(벽돌)로 나눕니다.
• 강점:
  • 속도 (광대역): Time Domain Solver가 기본입니다. 즉, 시간에 따라 변하는 '펄스(Pulse)' 신호를 한 번 입력하고 그 응답을 봅니다. 이 응답을 FFT(고속 푸리에 변환)하면 한 번의 시뮬레이션으로 1~20 GHz 같은 매우 넓은 주파수 대역의 결과를 한꺼번에 얻을 수 있습니다.
  • 범용성: EMI/EMC(전자파 간섭), 대형 구조물(자동차, 항공기) 해석에도 강합니다.
• 주요 솔버: Time Domain Solver (광대역 해석에 유리)

3. ⚡ Keysight ADS: Harmonic Balance (고조파 균형)

• 핵심 기능: Harmonic Balance (HB, 고조파 균형) Solver
• 이것은 EM 솔버가 아니라, '회로' 솔버입니다.
• 작동 방식: 증폭기(AMP)나 믹서(Mixer) 같은 '비선형(Non-linear)' 소자를 해석하는 데 특화되어 있습니다.
  • 비선형이란? 1GHz 신호를 넣었는데, 1GHz 출력뿐만 아니라 그 배수 성분인 2GHz, 3GHz(이것이 '고조파' 즉 Harmonic)가 함께 섞여 나오는 현상입니다.
• 강점:
  • 능동 소자 설계: 전력 증폭기(PA)의 출력, 효율, 왜곡(고조파)을 계산하는 데 필수적입니다. HFSS/CST는 이 작업을 하지 못합니다.
  • Momentum (2.5D EM): ADS에 내장된 EM 솔버로, PCB 기판이나 칩처럼 '납작한' 평면(Planar) 구조를 3D보다 훨씬 빠르게 해석합니다.

요약:

• HFSS는 FEM을 이용해 '주파수 영역'에서 3D 구조를 정밀하게 봅니다.
• CST는 FIT를 이용해 '시간 영역'에서 3D 구조를 광대역으로 빠르게 봅니다.
• ADS는 HB를 이용해 '비선형 회로'를 보며, Momentum으로 '평면 구조'를 봅니다.

 

각 툴의 핵심이 되는 해석 엔진(Solver)의 작동 원리와 특화 기능을 중심으로 더 자세히 설명해 드리겠습니다.

이 툴들의 차이는 결국 "어떤 수학적 방식으로 맥스웰 방정식(전자기학의 핵심)을 푸는가"에서 나옵니다.

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1. 🛰️ Ansys HFSS: FEM (유한 요소법)

HFSS는 **"정밀도"**와 **"주파수 영역"**이 핵심 키워드입니다.

⚙️ 핵심 기술: FEM (Finite Element Method, 유한 요소법)

• 작동 원리 (비유):
  • 복잡한 3D 구조물(예: 안테나)을 해석해야 한다고 상상해 보세요.
  • FEM은 이 구조물 전체를 **'테트라헤드론(Tetrahedron)'**이라는 불규칙한 사면체 조각으로 무수히 쪼갭니다.
  • 마치 복잡한 조각상을 만들기 위해 크기와 모양이 제각각인 작은 찰흙 피라미드로 빽빽하게 채우는 것과 같습니다.
  • 형태가 복잡하거나 전자기장 변화가 급격할 것으로 예상되는 부분(예: 안테나 급전부의 뾰족한 모서리)은 이 조각을 더 작고 촘촘하게 만듭니다. (이를 Adaptive Meshing이라 하며 HFSS의 최고 강점입니다.)
  • 그런 다음, 이 수백만 개의 작은 조각 각각에서 맥스웰 방정식을 풀어 해(解)를 구하고, 이를 모두 조합하여 전체 공간의 전자기장 분포를 완성합니다.
• 주요 솔버: 주파수 영역 (Frequency Domain) 솔버
  • 작동 방식 (비유): HFSS는 "10GHz에서 이 안테나는 어떻게 동작하는가?"라는 질문에 가장 정확하게 답합니다.
  • 마치 방 안에서 '도' 음(특정 주파수)을 정확히 연주하고, 그 '도' 음이 어떻게 공명하고 울리는지(전자기장 분포)를 정밀하게 측정하는 것과 같습니다.
  • 장점: 특정 주파수에서의 정확도와 신뢰도가 매우 높습니다. (업계 표준)
  • 단점: 1GHz부터 20GHz까지 100개의 주파수 포인트를 알고 싶다면, 원칙적으로는 이 '연주'와 '측정'을 100번 반복해야 합니다. (물론 지금은 스위핑(sweeping) 기술로 빨라졌지만, 기본 원리는 이렇습니다.)
• 이럴 때 씁니다:
  • 안테나, 필터, 커넥터처럼 특정 주파수에서의 성능(S-parameter)과 정밀도가 매우 중요한 수동 소자(Passive Component) 설계.
  • 업계 표준으로 인정받는 "신뢰할 수 있는" 데이터가 필요할 때.

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2. ✈️ Dassault Systèmes CST: FIT (유한 적분법)

CST는 "속도", "광대역", **"시간 영역"**이 핵심 키워드입니다.

⚙️ 핵심 기술: FIT (Finite Integration Technique, 유한 적분법)

• 작동 원리 (비유):
  • CST 역시 3D 구조물을 쪼갭니다. 하지만 FEM과는 달리, (대부분) **'헥사헤드론(Hexahedron)'**이라는 규칙적인 **육면체 격자(Grid)**로 쪼갭니다.
  • 마치 레고(Lego) 블록이나 마인크래프트의 복셀(Voxel)로 구조물을 만드는 것과 같습니다.
  • 이 격자(Grid)를 기반으로 맥스웰 방정식을 시간의 흐름에 따라 순차적으로 풀어냅니다.
• 주요 솔버: 시간 영역 (Time Domain) 솔버
  • 작동 방식 (비유): CST는 "이 안테나에 광대역 펄스를 쏘면 어떻게 반응하는가?"로 접근합니다.
  • 마치 악기(안테나)를 '딱!' 하고 짧은 막대로 한 번만 때려보고(광대역 펄스 입력), 그 울림소리(시간 응답)를 녹음하는 것과 같습니다.
  • 녹음된 이 '울림소리'를 수학적 기법(FFT, 푸리에 변환)으로 분석하면, 그 안에 포함된 '도, 레, 미, 파, 솔...'(1GHz~20GHz)의 모든 주파수 성분별 응답을 한 번에 얻어낼 수 있습니다.
  • 장점: 단 한 번의 시뮬레이션으로 매우 넓은 주파수 대역(Broadband)의 결과를 빠르게 얻습니다.
  • 단점: FEM 기반 솔버보다 특정 주파수의 정밀도는 다소 낮을 수 있습니다. (특히 공진 특성이 날카로운 소자)
• 이럴 때 씁니다:
  • UWB(초광대역) 안테나처럼 넓은 대역의 특성을 한 번에 봐야 할 때.
  • EMI/EMC (전자파 간섭): 펄스파가 케이블을 타고 어디로 새는지, 실드(Shield)가 얼마나 효과적인지 등 시간의 흐름에 따른 전파 현상 분석에 탁월합니다.
  • 자동차, 항공기처럼 매우 크고 복잡한 구조물의 전파 해석.

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3. ⚡ Keysight ADS: 회로(Circuit) 솔버

ADS는 "회로", "능동 소자(비선형)", **"시스템"**이 핵심입니다. HFSS/CST가 '물리(Physics)'에 가깝다면, ADS는 '전자공학(Electronics)'에 가깝습니다.

⚙️ 핵심 기술 1: Harmonic Balance (HB, 고조파 균형) 솔버

• 이게 왜 필요한가?: 증폭기(Amplifier), 믹서(Mixer) 같은 능동 소자(Active Component)는 **'비선형(Non-linear)'**입니다.
  • 비선형이란? 1GHz의 깨끗한 신호를 입력해도, 출력에는 1GHz(원하는 신호)뿐만 아니라 2GHz, 3GHz... (원치 않는 고조파, Harmonics)와 같은 '찌꺼기'가 섞여 나옵니다.
  • HFSS/CST는 이 '비선형' 현상을 기본적으로 다루지 못합니다.
• 작동 방식 (비유):
  • 마치 기타 이펙터 중 '디스토션(Distortion)' 페달과 같습니다.
  • 기타로 '도' 음(기본 주파수)을 깨끗하게 쳐도, 디스토션 페달(증폭기)을 거치면 '지지직-'하는 배음(고조파)이 섞여 강력한 락 사운드가 나옵니다.
  • HB 솔버는 이 '기본음'과 '지지직거리는 배음(고조파)'들이 회로 내에서 어떻게 서로 에너지를 주고받으며 안정된(Balance) 상태를 이루는지 계산합니다.
• 이럴 때 씁니다:
  • 전력 증폭기(PA) 설계 시 효율, 출력, 왜곡(P1dB, IP3) 등을 계산할 때 (RF 엔지니어의 핵심 업무)
  • 믹서, 발진기(Oscillator) 등 모든 능동 RF 회로 설계.

⚙️ 핵심 기술 2: Momentum (2.5D EM 솔버)

• 이게 왜 필요한가?: PCB 기판이나 반도체 칩(IC)은 '납작한' 평면 구조입니다. 이걸 굳이 HFSS/CST의 Full 3D로 해석하면 너무 느리고 비효율적입니다.
• 작동 방식 (비유):
  • 2.5D = 3D는 아니지만 2D(단순 평면)도 아닙니다.
  • 마치 빌딩의 '각 층의 평면도(2D)'만 보고도, '층간(3D) 높이'를 고려하여 1층과 5층 사이의 전파 간섭을 계산하는 방식입니다.
  • PCB의 여러 레이어(Layer)에 그려진 구리 배선(Trace) 패턴을 기반으로, 층간의 결합(Coupling)까지 수학적으로 계산합니다.
• 이럴 때 씁니다:
  • RF PCB 레이아웃(Layout) 최적화. (배선 길이, 간격 조정 등)
  • MMIC, RFIC 등 반도체 칩 내부의 배선 설계.

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🏁 최종 요약: ESA 개발 시나리오 (Co-simulation)

1. [HFSS/CST] 3D 구조물인 안테나 패치를 설계합니다. (FEM 또는 FIT 사용) → 결과물: 안테나 특성 파일 (S-parameter)
2. [ADS] PCB 기판 위에 **증폭기(PA)**와 위상 변환기를 설계합니다. (HB 솔버 사용)
3. [ADS] 이 소자들을 연결하는 PCB 배선 패턴을 설계합니다. (Momentum 솔버 사용)
4. [ADS (Co-Simulation)]
   • ADS 회로도 위에서 [Momentum으로 해석된 PCB 배선] + [HB로 해석된 증폭기] + [HFSS로 해석된 안테나 파일]을 모두 연결합니다.
   • "시뮬레이션 시작!"
   • 최종 결과: 증폭기의 비선형 특성, PCB 배선의 손실, 안테나의 3D 방사 특성이 모두 반영된 실제 ESA 시스템의 총 방사 효율과 빔 조향 성능을 검증할 수 있습니다.

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이제 각 툴의 역할과 핵심 기술이 어떻게 다른지, 그리고 왜 이 툴들을 함께 사용해야 하는지 명확하게 이해되셨기를 바랍니다.

 

 

이 두 주제는 RF 및 시스템 설계의 핵심입니다.

• Harmonic Balance (HB) 솔버는 주로 RF "능동 소자" (예: 증폭기)의 '성능'과 '깨끗함'을 측정합니다.
• EMI/EMC는 제품 전체가 '전자기적 규격'을 통과하고 외부 환경에서 '오동작'하지 않는지 확인하는 "안정성" 문제입니다.

각각을 자세히 설명해 드리겠습니다.

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⚡ Harmonic Balance (HB) 솔버의 핵심 계산 항목 (P1dB, IP3)

HB 솔버(ADS의 핵심 기능)는 비선형(Non-linear) 시스템, 특히 **증폭기(Amplifier)**를 해석하기 위해 태어났습니다.

'비선형'이란, 입력한 신호 외에 원치 않는 '찌꺼기' 신호(고조파, 왜곡)가 함께 섞여 나오는 현상을 의미합니다. 이 '찌꺼기'가 얼마나 심한지 측정하는 대표적인 지표가 바로 P1dB와 IP3입니다.

[비유] 하이파이(Hi-Fi) 오디오 스피커 깨끗한 음악(입력 신호)을 스피커(증폭기)로 크게 틀 때(증폭),

• 이상적인 스피커: 볼륨을 올려도 음악 소리만 깨끗하게 커집니다. (이것이 **'선형(Linear)'**입니다.)
• 현실의 스피커: 볼륨을 일정 수준 이상 올리면, 소리가 "찌그러지고" "찢어지는" 현상이 발생합니다. (이것이 **'비선형(Non-linear)'**입니다.)

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1. P1dB (1-dB Gain Compression Point) : "얼마나 세게 틀 수 있는가?"

• 정의: 증폭기의 출력 한계를 나타내는 지표입니다.
• 의미: 증폭기는 입력 신호가 커질수록 출력이 함께 증가하다가, 어느 순간부터 "지치기" 시작합니다. (이를 '포화(Saturation)'라고 합니다.)
• 작동 방식:
  • 이상적(선형)이라면, 입력이 1dB 증가할 때 출력도 1dB 증가해야 합니다. (이득 10dB짜리 증폭기라면, 입력 5dBm → 출력 15dBm)
  • 하지만 '비선형' 영역에 가까워지면, 입력이 1dB 증가해도 출력은 0.9dB, 0.8dB... 밖에 증가하지 못합니다.
  • P1dB는 이 '손해'가 정확히 1dB가 되는 지점의 **출력 파워(Output Power)**를 의미합니다.
• 엔지니어의 관점:
• "이 증폭기는 P1dB가 20dBm이군. 최소한 20dBm의 출력까지는 신호가 크게 찌그러지지 않고 '깨끗하게' 뽑아낼 수 있겠구나." (P1dB 값이 높을수록 더 강력하고 좋은 증폭기입니다.)

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2. IP3 (Third-Order Intercept Point) : "얼마나 깨끗하게 증폭하는가?"

• 정의: 증폭기의 **"깨끗함" (선형성)**을 나타내는 지표입니다. P1dB보다 더 민감한 '왜곡'을 봅니다.
• 의미: 신호가 하나일 때(P1dB)는 괜찮았는데, 두 개 이상의 신호가 동시에 들어올 때 문제가 발생합니다.
• 작동 방식 (비유):
  • 스피커에 '도'(f1)와 '솔'(f2) 두 개의 음(주파수)을 동시에 입력합니다.
  • 이상적인 스피커는 '도'와 '솔' 소리만 냅니다.
  • 비선형 스피커는 '도', '솔' 뿐만 아니라, 원래 없던 '유령' 소리 (예: '도'와 '솔'이 섞여서 만들어진 '레#' 같은 소리)를 함께 만들어냅니다.
  • 이 '유령' 소리가 바로 **IMD3 (Third-Order Intermodulation Distortion)**입니다.
• 엔지니어의 관점:
  • 문제는 이 '유령' 소리(IMD3)가 내가 원하는 신호(f1, f2) 바로 옆에 생겨난다는 것입니다.
  • 만약 내 스마트폰이 10번 채널(f1)과 12번 채널(f2)을 동시에 수신하는데, 이 IMD3 '유령' 신호가 하필 11번 채널 대역에 생긴다면? 11번 채널을 사용하던 다른 사람의 통화가 간섭을 받아 끊기게 됩니다.
  • IP3는 이 '유령' 신호가 얼마나 작게 억제되는지를 나타내는 이론적인 값입니다. (IP3 값이 높을수록 '유령' 신호가 적게 생기므로, 더 깨끗하고 좋은(선형적인) 증폭기입니다.)

요약: ADS의 Harmonic Balance 솔버는 이러한 P1dB(출력 한계)와 IP3(깨끗함) 값을 시뮬레이션으로 정확하게 계산하여, 엔지니어가 설계한 증폭기가 실제 통신 시스템에 사용될 수 있는지 검증하게 해줍니다.

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📡 EMI/EMC (전자기 간섭/양립성) 해석

이것은 개별 부품(증폭기)의 문제가 아니라, **완성된 제품(예: 스마트폰, 자동차)**이 겪는 전파 문제입니다. 주로 CST 같은 3D EM 툴을 사용합니다.

[비유] 조용한 아파트의 소음 문제 당신은 아파트(전자기 환경)에 사는 주민(전자 제품)입니다.

• EMI (Electromagnetic Interference) : 전자기 간섭 (내가 일으키는 소음)
  • "내(제품 A)가 일으키는 소음(전자파)이 너무 커서, 옆집(제품 B)에 피해를 주는 것"
  • 예: 내 스마트폰의 CPU에서 발생한 전자파 노이즈가 TV의 수신을 방해함.
  • 이것은 '민폐'이므로, 국가(FCC, KC)에서 "소음 기준치"를 정해 규제합니다.
• EMC (Electromagnetic Compatibility) : 전자기 양립성 (서로 잘 지내는 능력)
  • "소음이 있는 아파트 환경에서 잘 살 수 있는 능력"
  • 이것은 두 가지 능력을 모두 포함합니다.
    1. Emissions (방출): 내(제품 A)가 소음을 적게 일으킬 것. (EMI를 일으키지 않을 것)
    2. Susceptibility / Immunity (내성): 내가 옆집(제품 B)의 소음에 둔감할 것. (옆집이 시끄러워도 나는 내 할 일(정상 동작)을 할 수 있음)

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⚙️ EMI/EMC 해석에서 하는 일 (CST 활용)

CST와 같은 툴은 실제 비싼 무향실에서 테스트하기 전에, 시뮬레이션으로 이 "소음 문제"를 미리 예측합니다.

• 1. Radiated Emissions (RE) / 방사성 방출 분석
  • "내 제품에서 원치 않는 전자파가 얼마나 새어 나가는가?"
  • 시뮬레이션: CST에 스마트폰 3D 모델(PCB, 케이스, 케이블 포함)을 넣고 동작시킵니다. 그리고 제품 주변에 '가상 안테나'를 설치하여, 제품의 어느 '틈새'나 '케이블'에서 노이즈가 가장 많이 방사되는지 측정합니다.
  • 해결: 노이즈가 많이 새는 케이블에 '페라이트 코어'를 달거나, 케이스의 '틈새(Seam)'를 막는 설계를 합니다.
• 2. Radiated Susceptibility (RS) / 방사성 내성(민감도) 분석
  • "외부에서 강력한 전자파(소음)가 날아왔을 때, 내 제품이 버티는가?"
  • 시뮬레이션: CST에 내 제품을 놓고, 밖에서 강력한 '가상 전파'(예: 10V/m)를 쏩니다.
  • 해결: 이 전파가 제품의 금속 케이스(Shield)를 뚫고 들어와 PCB 내부의 '민감한 데이터 라인'에 얼마나 영향을 주는지(전압이 얼마나 유도되는지) 확인합니다. 만약 유도된 전압이 칩의 오동작 기준치를 넘으면, 케이스의 차폐(Shielding)를 더 보강합니다.
• 3. Shielding Effectiveness (SE) / 차폐 효율 분석
  • "우리 집 방음(차폐)은 얼마나 잘 되어 있는가?"
  • 시뮬레이션: 제품의 금속 '케이스'만 모델링합니다. 통풍을 위한 '구멍(Vent)', 부품 결합부의 '틈새(Seam)' 등을 정밀하게 구현합니다.
  • 해결: 한쪽에서 전파를 쏘고, 반대편에서 얼마나 통과하는지 측정하여 차폐 성능(-dB)을 계산합니다. 구멍의 크기나 모양을 바꿔가며 규격을 만족할 때까지 재설계합니다.

이러한 해석은 제품이 실제 시장에 출시되기 위해 반드시 통과해야 하는 '인증(Certification)' 과정과 직결되어 있어 매우 중요합니다.

 

EMI/EMC 문제의 90%는 케이블과 PCB에서 발생합니다.

이 두 가지는 의도치 않은 "안테나" 역할을 하여 노이즈를 방사(EMI)하거나, 외부 노이즈를 수신(Susceptibility)하는 주범이기 때문입니다.

이 문제를 해결하기 위한 케이블 차폐와 PCB 설계 기법에 대해 자세히 설명해 드리겠습니다.

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1. 🛡️ 케이블 차폐 (Cable Shielding)

케이블은 길고 가늘기 때문에 그 자체로 완벽한 안테나입니다.

• 문제:
  • 방사 (Emission): 케이블 내부의 신호(예: 고속 데이터, 클럭)가 외부로 새어 나와 '방사성 방출(RE)' 노이즈가 됩니다.
  • 수신 (Susceptibility): 외부의 강력한 전파(예: 방송국 전파, 휴대폰)가 케이블을 '안테나'처럼 타고 들어와, 기기 내부 회로에 '방사성 내성(RS)' 문제를 일으킵니다.
• 해결책 (기본 원리): 패러데이 케이지(Faraday Cage) 원리를 이용합니다. 즉, 신호선을 금속 도체로 감싸서 외부와 격리시킵니다.

⚙️ 주요 차폐 기법

1. 실드 (Shield)의 종류
   • 호일 (Foil) 차폐: 얇은 알루미늄 호일로 감싸는 방식입니다. 고주파(High Frequency) 노이즈 차단에 효과적이며, 100% 커버가 가능합니다.
   • 브레이드 (Braid) 차폐: 구리 선을 촘촘하게 엮어(그물망처럼) 감싸는 방식입니다. 저주파(Low Frequency) 노이즈 차단에 효과적이고, 물리적으로 튼튼하며 유연합니다.
   • 호일 + 브레이드 (Combination): 가장 강력한 방식입니다. 호일이 고주파를 막고, 브레이드가 저주파와 물리적 내구성을 담당하여 광대역 노이즈를 모두 차단합니다. 고성능 통신/측정 케이블에 사용됩니다.
2. 연선 (Twisted Pair) : 신호선 자체의 노이즈 억제
   • 이더넷(LAN) 케이블을 생각하시면 됩니다.
   • 원리: 신호(+)선과 리턴(-)선을 서로 꼬아줍니다.
   • 효과:
     • 자기장 상쇄: 두 선에서 발생하는 자기장이 서로 반대 방향이 되어 상쇄되므로, 외부로 방사되는 노이즈(EMI)가 급격히 줄어듭니다.
     • 외부 노이즈 상쇄: 외부에서 자기장 노이즈가 들어올 때, 두 선에 거의 동일하게 유도됩니다. 수신단에서는 두 신호의 '차이(Differential)'만 증폭하므로, 동일하게 들어온 '공통(Common-mode)' 노이즈는 제거됩니다.
3. 가장 중요한 것: 실드 접지 (Shield Grounding)
   • 아무리 비싼 실드 케이블을 써도, 접지를 잘못하면 오히려 안테나가 되어 성능이 악화됩니다.
   • 목적: 실드가 수신한 노이즈를 기기의 'GND(기준 전위)'로 안전하게 흘려보내 소멸시키는 것입니다.
   • 좋은 예 (360° 접지): 케이블 실드를 커넥터의 금속 하우징(몸체)에 360도 전체로 완벽하게 압착/연결하여, 노이즈가 빠져나갈 넓은 길을 만들어 줍니다.
   • 나쁜 예 (Pigtail 접지): 실드를 꼬아서 얇은 선(Pigtail) 하나로 GND에 연결하는 방식입니다. 이 '얇은 선'은 고주파에서 높은 임피던스(저항)를 가져 노이즈가 빠져나가지 못하고, 이 선 자체가 다시 노이즈를 방사하는 안테나가 됩니다.

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2. ⚡ PCB 설계 (EMI/EMC 고려)

PCB는 모든 칩과 부품이 연결되는 '복잡한 도시'입니다. 여기서 잘못된 '도로 설계'가 모든 노이즈 문제를 야기합니다.

⚙️ EMI/EMC를 위한 PCB 설계 4대 원칙

1. GND Plane (접지면) : "가장 튼튼하고 넓은 대지"
   • 원리: PCB의 특정 층(Layer) 전체를 구리(동박)로 깔아 GND(접지) 전용 면으로 사용합니다.
   • 효과:
     • 낮은 임피던스: 모든 부품에 가장 짧고 넓은 공통의 기준(0V)을 제공합니다.
     • 차폐: GND Plane 자체가 쉴드 역할을 하여, 위층의 신호가 아래층으로 방사되거나, 외부 노이즈가 칩으로 유입되는 것을 막아줍니다.
2. Return Path (신호 귀환 경로) : "전류는 돌아오는 길을 잃으면 안 된다"
   • 모든 전류는 반드시 출발점으로 돌아옵니다. (키르히호프의 법칙)
   • 문제:
     • DC/저주파: 전류는 가장 '저항이 낮은' 길(넓은 길)로 돌아옵니다.
     • 고주파 (수 MHz 이상): 전류는 저항이 아닌 '인덕턴스가 가장 낮은' 길로 돌아오려 합니다. 그 길은 바로 **신호 배선(Trace)의 "바로 아래"**입니다.
   • 최악의 설계 (Split Ground):
     • 고속 신호가 A에서 B로 가는데, 그 '바로 아래'에 있어야 할 GND Plane이 다른 신호선 때문에 갈라져(Split) 있다고 가정해 봅시다.
     • 신호는 B로 갔지만, 돌아와야 할 전류는 '갈라진 틈'을 건너지 못합니다.
     • 이 전류는 어쩔 수 없이 그 틈을 멀리 우회하여 출발점으로 돌아옵니다.
     • 이 **"신호 배선"과 "귀환 전류"가 만든 거대한 고리(Loop)**는, EMC 관점에서 **"최악의 안테나"**가 되어 강력한 노이즈를 방사합니다.
   • 해결: 고속 신호선 바로 아래에는 절대 끊기지 않는(Solid) GND Plane을 보장해야 합니다.
3. Decoupling / Bypass Capacitor (디커플링/바이패스 커패시터)
   • 목적: 칩(IC)에 '깨끗하고 안정적인' 전원을 공급하는 것입니다.
   • 역할 (비유): IC라는 '공장' 바로 옆에 붙어있는 '작은 비상 저수지'입니다.
   • 작동:
     • 바이패스 (Bypass): 전원 라인(VCC)을 타고 들어오는 고주파 노이즈를 이 커패시터가 GND로 흘려보내(Bypass) 칩을 보호합니다.
     • 디커플링 (Decoupling): 칩이 순간적으로 '스위칭'(동작)할 때 대량의 전류가 필요합니다. 이때 멀리 있는 '메인 저수지'(파워 서플라이)에서 물(전류)을 가져오기엔 늦습니다. 이 '비상 저수지'(커패시터)가 즉각적으로 전류를 공급하여 전원 라인의 전압 강하(Noise)를 막아줍니다.
   • 설계: 0.1uF, 0.01uF 같은 작은 용량의 커패시터를 칩의 VCC/GND 핀에 "최대한 가깝게" 배치해야 합니다.
4. Trace Routing (배선 규칙) 및 Crosstalk (신호 간섭)
   • Crosstalk (누화): "옆 차선의 차(신호)가 내 차선으로 침범하는 것"
   • 원리: 고속 신호가 흐르는 배선은 그 자체로 전자기장을 방사하며, 이 에너지가 옆에 있는 다른 배선에 '유도'되어 노이즈를 일으킵니다.
   • 해결:
     • 이격: 노이즈에 민감한 선(예: 아날로그 신호)과 노이즈를 일으키는 선(예: 클럭 신호)은 최대한 멀리 떨어뜨려 배선합니다.
     • 직교: 서로 다른 층에서 배선할 경우, 한 층은 수평(H)으로, 다른 층은 수직(V)으로 배선하여 간섭을 최소화합니다.
     • GND 차폐: 민감한 신호선 양옆을 GND 배선으로 감싸는 'Guard Trace' 기법을 사용합니다.

🛠️ 툴(Tool)의 활용

• CST (Cable Studio): 케이블의 차폐 구조(호일, 브레이드), 재질, 커넥터 접지 방식(Pigtail 등)을 모델링하여, 케이블의 **차폐 효율(SE)**이나 **전달 임피던스(Transfer Impedance)**를 시뮬레이션으로 예측할 수 있습니다.
• ADS (Momentum, SIPro/PIPro): PCB 설계를 위한 핵심 툴입니다.
  • Momentum (2.5D): PCB 배선의 임피던스, Crosstalk를 빠르고 정확하게 계산합니다.
  • SIPro (Signal Integrity): 고속 신호가 '갈라진 GND Plane'을 만났을 때(Return Path 문제), 신호 파형이 얼마나 왜곡되는지 분석합니다.
  • PIPro (Power Integrity): 디커플링 커패시터의 배치가 적절한지, 칩에 노이즈 없는 깨끗한 전원이 공급되는지(Power Delivery Network) 해석합니다.

이러한 설계 원칙들을 지켜야만, EMI/EMC 규격을 통과하고 외부 전파 환경에서도 오동작하지 않는 안정적인 제품을 만들 수 있습니다.

 

SI(신호 무결성)와 PI(전력 무결성)는 현대 고속 PCB 설계의 가장 중요한 두 기둥입니다. 이 두 가지가 무너지면, 회로가 아무리 완벽해도 제품은 절대 의도대로 동작하지 않습니다.

1. 📈 신호 무결성 (Signal Integrity, SI)

• 정의: 신호가 PCB 배선(Trace)을 따라 송신단(Transmitter, 예: CPU)에서 수신단(Receiver, 예: 메모리)까지 "왜곡 없이 깨끗하게" 전달되도록 하는 기술입니다.
• 비유: 시끄러운 방(노이즈)에서 두 사람이 "또렷한 발음으로" (왜곡 없이) 대화하는 것과 같습니다.

🎯 SI가 해결하려는 주요 문제들

1. 반사 (Reflection)
   • 현상: 신호가 배선을 타고 가다가 임피던스(저항의 일종)가 다른 지점(예: 커넥터, 칩 입구)을 만나면, 신호의 일부가 "메아리"처럼 되튕겨 돌아옵니다.
   • 문제: 이 되튕겨 온 '반사파'가 원래 신호와 겹쳐져, 0인지 1인지 구분할 수 없게 파형을 뭉개버립니다.
   • 해결책 (핵심): 임피던스 매칭 (Impedance Matching).
     • 칩(50Ω), PCB 배선(50Ω), 커넥터(50Ω) 등 신호가 지나가는 모든 길의 임피던스를 하나의 값(예: 50옴)으로 통일합니다.
     • 종단 저항 (Termination): 배선 끝에 저항을 달아, 반사되려는 에너지를 흡수/소멸시킵니다.
2. 누화 (Crosstalk)
   • 현상: (앞서 설명드린 대로) 바로 옆 배선에 흐르는 신호가 전자기적으로 유도되어, 내 신호에 '간섭'을 일으키는 현상입니다.
   • 문제: 옆 차선(배선)의 말이 내 차선에 끼어들어 통화(신호)가 섞입니다.
   • 해결책: 배선 간 이격 거리를 충분히 띄우거나, 사이에 GND 배선을 깔아 차폐합니다.
3. 손실 (Loss / Attenuation)
   • 현상: 신호가 긴 배선을 지나는 동안 에너지를 잃고 '약해지는' 현상입니다. 특히 고주파 신호일수록 심합니다.
   • 문제: 수신단에 도착했을 때 신호가 너무 작아져서 0인지 1인지 구분하지 못합니다.
   • 해결책: 배선을 최대한 짧게 설계하거나, 신호 품질이 좋은 (손실이 적은) 비싼 PCB 자재를 사용합니다.

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2. 🔋 전력 무결성 (Power Integrity, PI)

• 정의: PCB 위의 모든 칩과 부품에 "흔들림 없이 안정적이고 깨끗한" 전원(VCC)과 접지(GND)를 공급하는 기술입니다.
• 비유: 도시(PCB) 전체에 **"일정한 수압(전압)과 깨끗한 물(노이즈 없는 전원)"**을 공급하는 거대한 상수도망(PDN)과 같습니다.

🎯 PI가 해결하려는 주요 문제

1. SSN (Simultaneous Switching Noise) / Ground Bounce (그라운드 바운스)
   • 이것이 PI 문제의 핵심입니다.
   • 현상: CPU나 FPGA 같은 고성능 칩은 수백만 개의 작은 스위치(트랜지스터)로 이루어져 있습니다. 이 스위치들이 "동시에" 0에서 1로 (혹은 1에서 0으로) 상태가 바뀔 때, 아주 짧은 순간에 "엄청난 양의 전류를 한꺼번에" 빨아들입니다.
   • 문제 (비유): 도시의 모든 집이 정확히 '오후 9시 정각'에 동시에 물(전류)을 틀면, 상수도관(전원 라인)의 수압(전압)이 순간적으로 '뚝' 떨어집니다. (이를 Voltage Droop 또는 VCC Sag라 함)
   • 결과: 칩에 공급되는 전압이 순간적으로 기준치 이하로 떨어지면서, 칩이 오동작하거나 리셋(Reset)됩니다.
   • 그라운드 바운스란? 이 순간적인 전류가 GND로 빠져나가야 하는데, GND 라인의 저항/인덕턴스 때문에 미처 다 빠져나가지 못하고 GND의 전위(0V)가 순간적으로 '들썩이는'(Bounce) 현상입니다.

• 해결책 (핵심): PDN (Power Delivery Network) 설계
  1. 디커플링 커패시터 (Decoupling Capacitor)의 적극적 사용:
     • (앞서 설명드린) '작은 비상 저수지'입니다.
     • 칩이 "한꺼번에 전류를 빨아들일 때", 멀리 있는 메인 전원(수원지)이 아니라 **"칩 바로 옆에 붙어있는 이 커패시터"**에서 전류를 즉시 공급받습니다.
     • 이것이 SSN으로 인한 전압 강하(Voltage Droop)를 막는 가장 중요한 해결책입니다.
  2. 전원/접지 플레인 (Power/GND Plane) 사용:
     • PCB의 한 층 전체를 VCC로, 다른 층 전체를 GND로 사용합니다.
     • '좁은 파이프'(배선)가 아닌 '거대한 호수'(면)로 전력을 공급하므로, 매우 낮은 저항(임피던스)을 가져 대량의 전류도 안정적으로 공급할 수 있습니다.

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3. 🔗 SI와 PI의 치명적인 관계: "SI는 PI에 의존한다"

"아무리 SI 설계를 잘해도, PI가 나쁘면 SI는 무조건 실패합니다."

• 이유: 신호(Signal)는 'GND(0V)'를 **기준(Reference)**으로 0과 1을 판단합니다.
• 최악의 시나리오 (비유):
  • 내가 10cm(신호)를 재려고 하는데, 내가 딛고 선 땅(GND)이 '그라운드 바운스' 때문에 순간적으로 0.5V만큼 솟아오른다면(출렁인다면)?
  • 내 신호는 10cm가 아니라 9.5cm로 측정될 것입니다.
  • 즉, GND가 출렁이는 노이즈(나쁜 PI)가 깨끗했던 내 신호(좋은 SI)에 그대로 더해져 파형을 왜곡시키고 데이터를 오염시킵니다.

결론: 안정적인 '땅'(GND Plane)과 '수압'(VCC)을 제공하는 것(PI)이, 그 위에서 신호가 정확히 달리게 하는 것(SI)의 가장 중요한 전제 조건입니다.

🛠️ 툴의 활용 (ADS - SIPro / PIPro)

• ADS SIPro: PCB 배선을 모델링하여, 임피던스 매칭이 잘 되었는지, 반사나 누화(Crosstalk)가 얼마나 발생하는지 시뮬레이션합니다. 결과는 **'Eye Diagram'**이라는 그래프로 보여주며, 이 '눈'이 크게 떠질수록 SI가 좋다는 의미입니다.
• ADS PIPro: 설계한 PDN(전원 플레인, 디커플링 커패시터)이 SSN을 얼마나 잘 막아주는지(Impedance), 전압 강하(Voltage Droop)가 얼마나 발생하는지 시뮬레이션합니다.