Microstrip이란 무엇일까

마이크로스트립(Microstrip) 라인은 매우 널리 사용되는 전송선로 형태입니다. 고주파 신호를 전송할 때 전통적인 동축 케이블이나 트위스티드 페어선보다 공간과 비용 측면에서 훨씬 유리하며, 특히 인쇄회로기판(PCB) 상에서 집적된 회로 설계에 매우 적합합니다. 마이크로스트립은 전도체(전송선)와 접지면 사이에 유전체(substrate)를 두고 구성되며, 전자기파가 유전체 내부와 공기 중을 동시에 통과하는 형태로 전달됩니다.

<Microstrip>

 

마이크로스트립을 사용하는 이유 

1. 집적화에 유리함

마이크로스트립은 PCB 위에 직접 형성되기 때문에 RF 회로의 소형화 및 집적화에 유리합니다.

동축 케이블 등 외부 연결선 없이 회로 내에서 직접 RF 신호를 전송할 수 있습니다.

2. 제작 용이성 및 비용 절감

일반적인 PCB 제작 공정을 그대로 활용할 수 있기 때문에 대량 생산이 가능하며, 상대적으로 제작 비용이 저렴합니다.

3. 모델링 및 해석 용이

마이크로스트립의 전송 특성(임피던스, 위상 지연 등)은 이론적으로 잘 정립되어 있어, 컴퓨터 시뮬레이션 및 수학적 모델링이 비교적 용이합니다.

4. RF 소자와의 연동성

마이크로스트립은 필터, 커플러, 안테나 등 다양한 RF 소자들과 쉽게 결합되어 일체화된 회로를 구성할 수 있어, 고주파 시스템의 효율적인 설계가 가능합니다.

 

마이크로스트립의 특징 4가지

1. 비대칭 구조 및 복합 전자기파 전파

마이크로스트립은 상단에 전도체(전송선), 하단에 접지면이 있으며 그 사이에 유전체가 위치한 비대칭 구조입니다. 이 구조는 전자기파가 유전체 내부와 공기 중을 동시에 통과하는 복합 모드(hybrid mode, quasi-TEM)로 전파되게 만듭니다. 완전한 TEM 모드는 아니기 때문에, 이로 인해 정밀한 설계 시 복잡한 전자기 해석이 필요합니다.

2. 유전체 특성에 따라 성능 결정

전파 속도, 임피던스, 손실 등 주요 RF 특성은 유전체의 유전율(εr)과 두께(h)에 크게 의존합니다. 고주파일수록 유전체 손실이 성능에 큰 영향을 미치므로, 적절한 유전체 재료 선택이 중요합니다. 일반적으로는 저손실의 PTFE 계열이나 세라믹 유전체가 많이 사용됩니다.

3. 설계 자유도 및 다양한 소자 구현

마이크로스트립은 다양한 구조의 RF 소자 설계가 가능합니다. 예를 들어, λ/4 임피던스 변환기, 방향성 커플러, 대역통과 필터, 마이크로스트립 안테나 등 복잡한 기능을 가진 회로를 마이크로스트립 기반으로 구현할 수 있습니다. 이로 인해 RF 모듈 내에서의 회로 최적화가 용이합니다.

4. 높은 주파수에서의 손실 증가

마이크로스트립은 고주파수로 갈수록 도전 손실(conductor loss)과 유전체 손실(dielectric loss)이 증가합니다. 특히 전자기파가 유전체와 공기 중을 동시에 전파하기 때문에 경계면에서 발생하는 복사 손실(radiation loss)도 문제가 됩니다. 따라서 GHz 이상의 고주파 설계에서는 손실을 최소화하기 위한 소재 및 구조 최적화가 필요합니다.

 

결론

마이크로스트립은 RF 회로 설계에서 필수적인 전송선로로 자리 잡고 있습니다. 그 이유는 제작이 간편하고 집적 회로화에 적합하며, 다양한 RF 소자를 구현할 수 있기 때문입니다. 하지만 구조적인 특성으로 인해 고주파 영역에서 손실이 증가하는 단점도 존재하므로, 이를 고려한 정밀한 설계가 필요합니다. 마이크로스트립의 구조와 특성을 충분히 이해하고 적절하게 활용하면, 고성능의 RF 시스템을 경제적이고 효율적으로 구현할 수 있습니다.