PCB 및 RF 모듈의 설계, 테스트, 검증

PCB 및 RF 모듈의 설계, 테스트, 검증은 고주파 신호의 무결성을 유지하며 의도한 성능을 정확히 구현하는 것을 목표로 하는 매우 전문적이고 복잡한 엔지니어링 과정입니다.

신호의 파장이 짧은 RF(Radio Frequency) 영역에서는 PCB 트레이스(배선) 자체가 안테나나 필터처럼 동작하기 때문에, 단순한 회로 연결을 넘어 전자기장(EM) 이론에 기반한 접근이 필수적입니다.

각 단계를 핵심 고려사항 위주로 정리해 드립니다.

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1. 📡 PCB 및 RF 모듈 설계 (Design)

설계 단계는 RF 성능을 좌우하는 가장 중요한 과정입니다. 이 단계에서의 작은 실수는 후속 단계에서 수정하기 매우 어렵거나 불가능할 수 있습니다.

1. 기판(Substrate) 선택

• 유전율 (Dk, $E_r$): 신호 전파 속도와 임피던스에 영향을 줍니다. 고주파에서는 이 값이 일정하고 예측 가능해야 합니다.
• 손실 탄젠트 (Df, $\tan\delta$): 신호가 기판을 통과할 때 발생하는 에너지 손실(유전 손실)을 나타냅니다. RF에서는 이 값이 낮은 Low-loss 재질(예: Rogers, Teflon 계열)을 사용하는 것이 일반적입니다. (범용 FR-4는 고주파에서 손실이 큼)

2. 임피던스 매칭 (Impedance Matching)

• RF 시스템은 대부분 **50Ω (옴)**을 표준 임피던스로 사용합니다.
• RF IC의 입/출력단, 안테나, 케이블 등 모든 신호 경로의 임피던스를 50Ω으로 정합(Matching)시켜야 합니다.
• 임피던스 불일치는 **신호 반사 (Reflection)**를 일으켜 **반사 손실(Return Loss)**을 증가시키고 신호 전력을 저하시킵니다.
• PCB 트레이스의 폭, 기판의 두께, 유전율을 정밀하게 계산하여 마이크로스트립(Microstrip) 또는 스트립라인(Stripline) 전송선을 설계합니다.

3. PCB 레이아웃 (Layout)

• 신호 격리 (Isolation): RF 신호가 다른 신호(디지털, 아날로그)나 다른 RF 라인에 간섭(Crosstalk)을 주지 않도록 물리적 거리를 두거나, 접지(GND) 패턴으로 차폐(Shielding)해야 합니다.
• 접지 (Grounding): **'Solid Gnd'**가 핵심입니다. 노이즈의 기준점이자 신호의 리턴 경로이므로, GND Plane을 넓고 견고하게 설계해야 합니다.
• 비아 스티칭 (Via Stitching): GND Plane 간, 또는 GND Plane과 Top면의 GND Copper를 촘촘한 비아(Via)로 연결하여 임피던스를 낮추고 신호가 새어 나가는 것을 방지합니다.
• 전원부 (Power Delivery Network, PDN): RF 회로는 노이즈에 매우 민감합니다. LDO(Low-Dropout Regulator)를 사용해 깨끗한 전원을 공급하고, IC 핀 가까이에 **디커플링 커패시터(Decoupling Capacitor)**를 배치하여 노이즈를 제거합니다.

4. 시뮬레이션 (Simulation)

• 단순한 PSpice (회로) 시뮬레이션을 넘어, 3D EM (전자기장) 시뮬레이션 (예: ANSYS HFSS, CST)을 수행합니다.
• PCB 레이아웃 자체의 전자기적 특성을 분석하여, 실제 제작 전에 S-파라미터(신호 통과/반사 특성), 방사(Radiation) 패턴, 커플링(Coupling) 등을 예측하고 최적화합니다.

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2. 🔬 테스트 (Test)

설계 및 시뮬레이션을 바탕으로 제작된 프로토타입(시제품)이 실제로 어떻게 동작하는지 측정하는 단계입니다.

주요 테스트 장비

• Vector Network Analyzer (VNA): RF 테스트의 핵심 장비입니다. S-파라미터를 측정합니다.
  • S11 (반사 손실 / VSWR): 얼마나 신호가 반사되지 않고 모듈로 잘 입력되는지 (임피던스 매칭 정도)
  • S21 (삽입 손실 / 이득): 신호가 모듈을 통과하며 얼마나 손실되거나 증폭되는지
• Spectrum Analyzer: 주파수 영역에서 신호의 품질을 분석합니다.
  • 출력 전력 (Output Power)
  • 고조파 (Harmonics): 원하는 주파수 외에 배수(2배, 3배) 주파수 성분
  • 스퓨리어스 (Spurious Emissions): 고조파 외의 불필요한 노이즈 신호
• Signal Generator: 정밀한 RF 테스트 신호를 생성하여 모듈에 입력합니다.
• Power Meter: 정확한 RF 출력 전력을 측정합니다.
• Noise Figure Analyzer: 모듈 자체가 발생시키는 노이즈의 정도(Noise Figure)를 측정합니다. (주로 LNA 등 수신단)

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3. ✅ 검증 (Verification)

테스트 단계에서 측정한 **결과(Result)**를 초기 **설계 사양(Specification)**과 비교하여, 모듈이 요구 성능을 만족하는지 최종 확인하는 단계입니다.

• 성능 검증 (Performance Verification):
  • VNA로 측정한 S11 값이 목표치(예: -10dB 이하)를 만족하는가?
  • Spectrum Analyzer로 측정한 출력 전력이 목표치(예: 20dBm ± 1dB) 범위 내에 있는가?
  • EVM (Error Vector Magnitude): 디지털 변조 신호의 품질이 통신 표준을 만족하는가? (WiFi, 5G 등)
  • 수신 감도 (Sensitivity): 얼마나 미약한 신호까지 정상적으로 수신하는가?
• 기능 검증 (Functional Verification):
  • 모듈이 특정 모드(예: 송신 모드, 수신 모드, 슬립 모드)에서 정상적으로 동작하는가?
  • 데이터 전송 속도, 채널 변경 등이 오류 없이 수행되는가?
• 규제 검증 (Regulatory Verification):
  • EMI/EMC: 모듈이 외부 전파에 영향을 받지 않고(내성), 외부에 과도한 전자파를 방출하지 않는지(방사) 확인합니다.
  • 이는 KC(한국), FCC(미국), CE(유럽) 등 국가별 인증을 통과하기 위해 필수적입니다.

이 세 가지 과정은 설계 → 테스트 → 검증 → (문제 발생 시) 설계 수정의 순환적인(Iterative) 프로세스로 진행됩니다.

 

4가지 주제 모두에 대해 이어서 설명해 드리겠습니다. RF 엔지니어링의 핵심적인 개념들입니다.

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1. 📡 50Ω 임피던스 매칭

1. 왜 하필 50Ω 인가요?

50Ω(옴)은 '마법의 숫자'가 아니라, RF 엔지니어링 초창기에 동축 케이블(Coaxial Cable)의 성능을 최적화하기 위한 **'기술적 타협'**의 산물입니다.

• 최대 전력 전송: 케이블이 다룰 수 있는 **최대 전력(Power Handling)**은 약 30Ω 근처에서 가장 좋습니다.
• 최소 신호 손실: 케이블을 통과하는 신호의 **손실(Attenuation)**은 약 77Ω 근처에서 가장 적습니다.

초기 RF 시스템(주로 군사용)은 높은 전력을 전송하면서도 손실을 최소화해야 했습니다. 30Ω과 77Ω의 중간 지점에서 가장 합리적인 균형을 이루는 값이 약 50Ω (정확히는 $\sqrt{30 \times 77} \approx 48\Omega$) 이었습니다.

이 50Ω이 표준으로 자리 잡으면서, 모든 계측기(VNA, Spectrum Analyzer), 부품(IC, 안테나, 필터), 커넥터가 50Ω을 기준으로 제작되기 시작했습니다. 이제는 50Ω으로 시스템을 통일해야만 **'최대 전력 전달(Maximum Power Transfer)'**이 가능해졌습니다. (TV/비디오는 75Ω을 사용하는데, 이는 손실 최소화가 더 중요했기 때문입니다.)

2. PCB에서 50Ω을 맞추는 방법

PCB 트레이스(배선)의 임피던스는 물리적인 형태와 재질에 의해 결정됩니다. 핵심 변수는 다음과 같습니다.

• 트레이스 폭 (W): 배선이 넓을수록 임피던스가 낮아집니다.
• 기판 두께 (H): 배선과 기준 접지면(GND Plane) 사이의 거리(기판 두께)가 멀수록 임피던스가 높아집니다.
• 기판 유전율 (Dk, $E_r$): 기판 재질의 유전율이 높을수록 임피던스가 낮아집니다.

이 변수들을 제어하여 50Ω을 구현하는 대표적인 구조는 두 가지입니다.

• 마이크로스트립 (Microstrip):
  • 구조: PCB의 **표면(Top/Bottom)**에 트레이스가 있고, 바로 아래층(주로 Layer 2)에 GND Plane이 있는 구조입니다.
  • 특징: 제작이 쉽고 부품 실장이 용이하지만, 신호가 공기 중으로 일부 노출되어 방사(Radiation)가 발생할 수 있습니다.
• 스트립라인 (Stripline):
  • 구조: PCB의 **내부 층(Inner Layer)**에 트레이스가 있고, 그 위와 아래 모두에 GND Plane이 샌드위치처럼 감싸는 구조입니다.
  • 특징: 신호가 GND 사이에 완벽히 차폐되어 방사가 거의 없고 외부 간섭에 강합니다. 하지만 제작이 복잡하고, 신호 속도가 마이크로스트립보다 약간 느립니다.

실무: 엔지니어는 PCB 제작사에 "우리는 Rogers RO4350 기판을 사용하고, 유전율(Dk)은 3.48, 2층을 GND로 쓸 때 1층의 50Ω 임피던스 폭은 얼마인가?"라고 묻거나, 임피던스 계산기(Calculator) 툴을 사용하여 직접 계산합니다.

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2. 🔬 VNA와 S-파라미터

**VNA (Vector Network Analyzer, 벡터 네트워크 분석기)**는 RF 부품(DUT: Device Under Test)에 매우 정밀한 신호를 쏜 다음, 부품을 **통과한 신호(S21)**와 **반사되어 돌아온 신호(S11)**를 '벡터(크기+위상)'로 측정하는 장비입니다.

S-파라미터(Scatter Parameter)는 이 측정값을 나타내는 'RF 부품의 성적표'입니다.

1. S11 (Input Return Loss, 입력 반사 손실)

• 의미: "신호가 부품에 들어갈 때, 얼마나 튕겨져 나왔는가?"
• 측정: 1번 포트(입력)로 신호를 쏘고, 1번 포트에서 반사되어 나오는 신호를 측정합니다.
• 해석:
  • S11 = 0 dB (최악): 쏜 신호가 100% 반사됨 (벽에 부딪힘). 임피던스 매칭이 완전히 실패했거나, 입력단이 끊어진(Open) 상태입니다.
  • S11 = -10 dB (양호): 쏜 신호의 10%가 반사되고, 90%는 부품으로 잘 들어갔다는 의미입니다. (일반적인 RF 시스템의 최소 요구치)
  • S11 = -20 dB (매우 좋음): 쏜 신호의 1%만 반사되고, 99%가 들어갔다는 의미입니다.
• 활용: 안테나, 필터, 앰프의 입력단이 50Ω에 얼마나 잘 매칭되었는지 확인하는 가장 중요한 지표입니다.

2. S21 (Insertion Loss or Gain, 삽입 손실 또는 이득)

• 의미: "신호가 부품을 통과하면서 얼마나 커지거나 작아졌는가?"
• 측정: 1번 포트(입력)로 신호를 쏘고, 2번 포트(출력)로 통과해 나오는 신호를 측정합니다.
• 해석 (수동 소자: 케이블, 필터): '삽입 손실'
  • S21 = 0 dB (이상적): 손실이 전혀 없음.
  • S21 = -1 dB (현실적): 신호가 통과하며 1dB만큼 약해짐. (케이블이나 필터의 손실)
  • 필터의 경우, **통과 대역(Passband)**에서는 S21이 -3dB 이내이고, **차단 대역(Stopband)**에서는 -40dB 이하로 떨어지는지 확인합니다.
• 해석 (능동 소자: 앰프): '이득(Gain)'
  • S21 = +20 dB: 신호가 20dB(100배) 증폭됨. (앰프의 이득)

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3. 📋 효과적인 RF 레이아웃 기법

RF에서는 "GND는 바다와 같다"는 말이 있습니다. 모든 신호는 GND를 기준으로 동작하며, GND 설계가 RF 성능의 90%를 좌우합니다.

1. 접지 (Solid GND Plane)

• GND는 '리턴 패스(Return Path)'다: 모든 신호는 GND를 통해 소스로 되돌아가는 경로(리턴 패스)가 필요합니다.
• RF의 리턴 패스: 저주파와 달리, 고주파(RF) 신호의 리턴 전류는 **자신이 지나가는 신호 트레이스의 '바로 아래'**를 최단 거리로 따라 흐릅니다.
• 절대 원칙: RF 신호 트레이스 바로 아래 레이어는 반드시 'Solid GND Plane'(빈틈없이 채워진 접지면)이어야 합니다. 만약 이 GND Plane에 구멍(Slot)이 있거나 갈라져 있으면, 리턴 전류가 먼 길을 돌아가게 됩니다. 이 '돌아가는 경로'는 거대한 안테나처럼 동작하여 엄청난 노이즈를 방사하고 임피던스를 깨뜨립니다.

2. 비아 스티칭 (Via Stitching)

• 목적: 여러 층의 GND Plane을 하나로 묶어주고, RF 신호가 보드 밖으로 새어 나가지 못하게 '울타리'를 치는 것입니다.
• 방법: PCB의 GND 영역(특히 보드 외곽, RF 회로 주변)에 촘촘하게 비아(Via)를 박아 위층과 아래층의 GND를 전기적으로 완벽하게 연결합니다.
• 효과:
  1. GND 임피던스 감소: GND를 더 넓고 견고하게 만듭니다.
  2. 신호 차폐 (Shielding): '비아 펜스(Via Fence)'가 전자기장(EM)이 밖으로 새어 나가는 것을 막는 울타리 역할을 합니다.

3. 신호 격리 (Isolation)

• 문제: 강력한 RF 신호(예: 앰프 출력)가 미약한 RF 신호(예: LNA 입력)나 디지털 신호에 간섭(Crosstalk)을 일으킬 수 있습니다.
• 해결책:
  • 물리적 거리: 가장 간단하고 효과적입니다. 민감한 회로와 노이즈가 많은 회로를 최대한 멀리 배치합니다.
  • GND 차폐: 간섭이 우려되는 두 신호 트레이스 사이에 GND 트레이스를 깔고 비아 스티칭을 합니다. (Guard Trace)
  • RF 캔 (Shield Can): 가장 확실한 방법. VCO, LNA 등 매우 민감한 부품은 아예 금속 뚜껑(Shield Can)으로 덮어씌워 외부와 완벽히 차폐합니다.

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4. 💡 기타: Low-Loss 기판과 스펙트럼 분석기

1. Low-Loss 기판 (저손실 기판)

• 일반 기판 (FR-4): PC 메인보드 등에 쓰이는 저렴한 기판입니다. 1~2GHz 이상만 되어도 **신호 손실(Df, Loss Tangent)**이 급격히 커지고, **유전율(Dk)**이 주파수에 따라 변동합니다. 즉, 50Ω으로 설계해도 높은 주파수에선 50Ω이 안 나옵니다.
• RF 전용 기판 (예: Rogers, Teflon, Megtron):
  • 특징: 매우 비싸지만, 10GHz, 50GHz, 100GHz에 이르는 초고주파에서도 신호 손실(Df)이 매우 낮고, 유전율(Dk)이 일정하게 유지됩니다.
  • 용도: 5G, 위성 통신, 레이더 등 GHz급 이상의 고주파 신호 무결성이 중요한 시스템에서 필수적으로 사용됩니다.

2. 스펙트럼 분석기 (Spectrum Analyzer, SA)

• VNA vs. SA: VNA는 "부품의 특성(S-parameter)이 어떠한가?"를 보지만, SA는 "현재 어떤 신호가 존재하는가?"를 봅니다.
• 핵심 기능: 주파수(X축) 대 전력(Y축) 그래프를 보여줍니다.
• 주요 활용:
  1. 출력 신호 확인: 내가 만든 송신기(Transmitter)가 **원하는 주파수(예: 2.45GHz)**에서 **원하는 전력(예: 10dBm)**으로 깨끗하게 신호를 쏘고 있는지 확인합니다.
  2. 노이즈 측정 (Spurious & Harmonics):
     • Harmonics (고조파): 2.45GHz 외에 2배(4.9GHz), 3배(7.35GHz)의 불필요한 신호가 얼마나 나오는지 확인합니다. (규제 통과에 필수)
     • Spurious (스퓨리어스): 그 외 원인을 알 수 없는 각종 노이즈(Spur)가 얼마나 나오는지 확인합니다.
  3. EMI/EMC 디버깅: 안테나나 프로브를 연결하여, 공기 중에 방사되는 노이즈나 경쟁사 제품의 신호를 분석합니다.