LOOP ANTENNA TO WORRY ABOUT

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1 LOOP ANTENNA TO WORRY ABOUT
Accidental loop Antenna 의 예 Loop Antenna는 Forward와 Return 전류가 인접한 Conducting path위에 있을 때를 말한다. C,D 같은 경우에는 루프 안테나가 Surface Trace와 Ground Plane 사이(보통 Surface에서 한 Layer 아래) 형성된다.

2 LOOP ANTENNA 에서의 방사 억제 MULTILAYER BOARD TRACES TWO-LAYER BOARD TRACES
가장 먼저 해야 할 것은 EDGE RATE를 느리게 하고 RINGING을 제거 하는 것이다. MULTILAYER BOARD TRACES 클럭신호나 높은 주파수의 신호를 전달하는 Traces는 그라운드와 파워 Plane 사이나 Two 그라운드 Plane 사이에 위치(Buried)시킨다(Plane이 쉴딩 역할) 만약 Buried Traces가 보드의 모서리에서 1/2Inch 이하로 떨어져 있다면 보드의 모서리와 신호Traces 사이에 Wide(100mil) Grounded Traces를 위치시킨다 TWO-LAYER BOARD TRACES 루프를 작게 하라 SEMICONDUCTOR RADIATION 예전에는 Port Filtration이나 Dirty PowerBus인해 생기는 Poor Grounding 이나 내부나 외부의 DirtyCable이 Out of spec를 발생시키는 주요 원인 이었지만 요즘에는 물리적으로 큰 Chip(1Sqaure inch이상) 에서 나오는 직접 방사가 Out of Spec을 주로 야기 시킨다 먼저 PLL CLK 발생 칩이 방사의 가장 큰 원인이 되고 CUSTOM CHIP(PAL, ASIC)이 두번째로 큰 방사의 원인이 된다. 이러한 방사를 줄이기 위해서는 외부 쉴드된 Semiconductor의 개념이 필요한데 Thermal상의 문제를 야기 할 수 있어 Wide trace를 쉴드 주변에 위치하게 하여야 한다(쉴드가 Trace에 붙여서 납땜되어서 Contain radiaiton하게 하여야 함) Poor Layout Good Layout

3 MONOPOLE AND DIPOLE ANTENNA
ANTENNA로 신호를 주고 받을 때 DIMENSION X의 크기는 파장의 4분의 1이다 예를 들어 30MH나 300MHz의 신호를 보낼때 아래 그림에서 x는 2.5m나 0.25m가 된다. DIPOLE ANTENNA MONOPOLE ANTENNA

4 Clean Cable increase radiation because it enhances the ground structure for the hot cable whip part of the antenna. It becomes an extension of the equipment that constitutes the other half of a dipole antenna (Counterpoise effect) Real Whip Antenna의 예 Real Dipole Antenna의 예

5 SUPRESSING RADIATION FROM W/D ANTENNAS
MONOPOLE DIPOLE ANTENNA에서 RADIATION을 줄이는 방법 DO FIRST THINGS FIRST- Feeding 하는 전류를 SUPRESS한다 (CHAPTER 2 에서 밝힌것은 EDGE RATE를 느리게 하거나 RINGING을 제거하는 것이다) 여기에 더해 MONOPOLE DIPOLE ANTENNA에서는 PORT FILTRATION을 통해 케이블에 있는 RF NOISE를 제거 할 수 있다 SURFACE TRACES-HIGH SPEED TRACES를 그라운드와 파워 PLANE 사이에 위치 시키거나 파워 PLANE 사이에 위치 시킨다. TRACE를 위치 시킬 때 만약 WIDE GUARD TRACE를 보드의 EDGE와 TRACE 사이에 위치시킨다 (CLK 신호나 다른 HIGH SPEED의 주기 신호가 이동하는 TRACES를 보드의 표면에 위치시키지 말라) TRACE의 전기적 길이가 파장의 4분의 1이 넘는 주파수 에서는 AVOID STICK UP PINS-그림에서 볼 수 있는 Stick up pin은 ANTENNA처럼 작용할 수 있어 클럭 신호와 같이 쓰이지 않아야 한다. Wire Wrap pins에서의 최대 방사를 식으로 나타내려면 Short Dipole의 경우를 보면 된다 그런데 중요한 점은 Pin자체의 방사가 아니라 Wire Wrap Wire 을 Pins 위에 올려놓음으로 해서 루프가 생겨 방사가 발생하는 것이다. 이에 대한 해결책은 간단하다 Wire Wrap Wire를 그라운드 Plane을 가지고 있는 Wire Wrap Board 가까이 위치 시키는 것이다

6 ANTENNA ALWAYS HAVE TWO PORTS
위 그림에서 볼 수 있다 시피 한 케이블은 CLEAN하고 나른 케이블은 클럭 하모닉 공통 모드 전류로 인해 DIRTY할 때 CLEAN CABLE의 방사량이 점차 증가하게 된다(Whip Antenna로 봤을때 Hot 케이블의 Ground structure 가 Enhance되기 때문에, 또한 Dipole Antenna로 보면 Clean CABLE이 Other half를 구성하기 때문) 이것을 알 수 있는 방법은 Clean cable의 wire를 Equipment의 Chassis에 연결할때 방사량이 증가하면 다른 DIRTY 케이블 때문인 것이나 Equipment의 내부에서 생겨난 무언가에 의한 것으로 보면 된다)  Counterpoise effect 라고 부름 PURPOSE OF PORT FILTRATION IS TO ELIMINATE CABLE ANTENNAS Port filtration의 목적은 Cable과 Chassis 사이의 RF Potential을 없애는 것으로서 이는 Cable Antenna로서의 작용을 줄이는 효과를 가져온다 SHEILDING CABLE IS NOT VERY PRODUCTIVE 위의 그림은 왜 쉴딩이 Commercial Equipment의 경우에 제 역할을 잘 못하는 지 보여준다 시스템 1은 잘 쉴딩되었지만 1의 케이블이 쉴딩이 되지 않은(모니터)에 연결되었다. 그리하여 Emmision이 시스템 2로 침투하고 때로는 Broken out 된 선에서 제품의 외부에Common Mode 전류를 유도한다. 결국 시스템 1,2 모두에게 쉴딩 자체가 훌륭한 Antenna 처럼 작용할 수 도 있다

7 THOU SHALT(They shall) HAVE BUT ONE GROUND BEFORE THEE(You)
안 좋은 EMI 대책- 그라운드(디지털, 아날로그. 섀시, EARTH) 등을 분리하는것 도체 사이에 RF Potential을 두면 소위 Separate Ground가 되는데 이는 Dipole Antenna처럼 작용한다. 보통의 경우에는 아날로그 디지털 그라운드가 같아야 하는 것이 좋지만 예외적인 상황에서는 분리 해야 하는 경우도 있다. 만약 보드의 레이아웃이 안 좋아 High Speed의 디지털 전류가 보드의 아날로그 섹션을 통과한다면 그라운드를 쪼개는 것이 좋은 방법이고그보다 더 좋은 방법은 레이아웃을 다시 하는 것이다(그렇기 때문에 부품의 배치가 중요하다)

8 전송선로와 RADIATION RESISTANCE
대부분 안테나의 입력 임피던스는 대부분 전송선로 이론에 의해 결정되지만 전송선로 이론 그 자체에서는 RADIATION RESISTANCE(입력 임피던스의 RESISTIVE 부분)를 고려하지 않는다. RADIATION을 계산 하기 위해 RADIATION RESISTANCE를 수량화 해야 한다 Model of a lossless Transmission Line 두 도체 사이에 Lossless 한 전송선로 위의 선은 Trace로 볼 수 있고 아래의 선은 Dielectric의 아래에 있는 그라운드 Plane로 볼 수 있다(아니면 그라운드 위의 Termination이 없는 케이블로 볼 수도 있다) Surface trace 보통 다층 기판에서의 Z0는 옴 사이인데 Surface Trace는 100에 가깝고 Inner layer Trace는 30에 가깝다 Surface Trace에서 Z0를 구하는 공식은 다음 식에 나타나 있다

9 위 전송선로에서 두 Conductor가 유전체 속에 있다면 Effective Relative permittivity 은
유전체의 상대 유전율이 된다. 만약 Trace가 그라운드 Plane 위에 있다면 Field중 일부는 공기중에 있고 일부는 보드의 유전체 안에 있게 된다. 이런경우에 Effective Relative permittivity 는 공기와 보드의 유전율 중간 정도가 된다.

10 RADIATION RESISTANCE ANTENNA가 방사하는 파워는 를 ANTENNA 크기에 비해 매우 먼 거리에서 표면 적분하여 얻을 수 있다 위 식에서 보다시피 Antenna에 의해 방사 되는 것과 같은 파워를 전류가 소모 시킴 Radiation Resistance는 Peak Sinusoidal ANTENNA 전류의 영향을 받는다 만약에 전류가 Uniform하다면 위의 결과를 앞서 살펴본 Input Impedance를 구하는 식에 단순히 더해주면 된다. ANTENNA나 전송선로가 UNLOADED 된다면 전류의 STANDING WAVE는 존재하고 당연히 LINE끝은 OPEN 되어 있으므로 전류는 0 이된다. 그래서 Radiation Resistance 에 의한 등가의 입력 저항인 Rinr은 다음과 같이 나타낼 수 있다

11 케이블에서의 RADIATION ANTENNA의 분석에서 부터 다음과 같은 식을 이끌어 낼 수 있다
보통 f에 대한 E의 관계식이 같이 되는것과 조금 다른데 이는 바닥면과의 반사 효과를 고려했기 때문이다. Driving 신호의 Harmonic Energy 는 주파수가 증가함에 따라 감소하지만 Accidental Antenna에 의한 Amplification은 주파수가 증가함에 따라 증가한다. RADIATOR가 전기적으로 짧은 경우에는 위 식처럼 주파수의 제곱에 비례하는데 이는 루프 ANTENNA와 비슷하다. x0가 ¼파장보다 훨씬 클 정도로 주파수가 증가 한다면 주파수가 증가해도 그것의 제곱근 정도만 전기장이 증가한다

12 SIGNAL SOURCE FOR CABLE RADIATION
아래 그림과 같이 노트북에 오직 노트북 안에서 생성된 공통 모드 노이즈로 오염된 마우스 케이블만 연결되어 있다고 가정하자 PORT FILTRATION(마우스 커넥터의 각 핀과 그라운드 사이에 1000p F연결) 이면 쉽게 문제를 해결할 수 있지만 여기서 살펴 볼 것은 해결 방법이 아닌 아주 작은 양의 공통 모드 전류가 어떻게 EMI 문제를 야기 시키는가 이다. 마우스나 다른 외부 케이블에서 공통 모드 전류를 발생시키는 가장 주된 원인은 POWER BUS 의 오염으로 Power나 커넥터의 Signal Pin에서 나타난다. 이러한 오염은 아래 그림과 같이 오실로스코프 에서 펄스 신호의 FUZZ 현상이 발생시킨다. 이런 FUZZ 의 크기는 수십에서 수 밀리 볼트로서 NOISE IMMUNITY 문제를 일으키기에는 작지만 Microampere크기의 공통 모드 전류를 발생시키는 데에는 그 정도 레벨로도 족하기 때문에 주의해야 한다

13 ANALYSIS OF AN IDEALIED SYSTEM
아래의 그림을 보면 매우 작은 Battery-Powered Equipment로 부터 리본 케이블이 나와 있는 것을 볼 수 있다(노트북 컴퓨터 마우스랑 비슷한 형태) 아래와 같은 형태에서 방사는 두 조건에 의해서 결정된다 한가지는 Peak sinusoidal 전류를 공급하는 Constant Current Generator 이고 RC 네트워크에 있는 ve가 Peak인 전압 제너레이터 이다. 여기에서 공통 모드 전류는 클럭과 데이터 신호가 섞였으며 대역이 한정되었고 (RC 네트워크) 구형파의 형태와는 거리가 멀고 시스템에 많이 존재하는 노이즈 소스의 곱으로 표현 가능하며 그 크기는 수십에서 수 백 밀리볼트 Ringing이 섞인 Waveform으로 Power bus에 나타난다 Small equipment with noisy one meter cable

14 ANALYTICAL METHODS 왼쪽 그래프의 Radiation Resistance는 앞서 살펴봤던 식을 이용하여 Cable
입력단에서의 임피던스로 변환 할 수 있다. 소스의 주파수가 케이블 길이가 반파장의 정수배가 될때 무한대의 Resistance를 보여줘 마치 입력 임피던스의 폴 처럼 작용한다. 그때에는 전혀 전류가 흐를 수 없어 당연히 방사 크기는 0이다. 그러나 실제 무한대까지 올라가지는 않으며 수천 수만 볼트가 된다(케이블의 두께가 Infinitely Thin 하지 않으므로 Loss가 있어서) Radiation resistance of a one meter long cable one meter above ground Radiation Resistance가 무한대 까지 올라가지 않기 때문에 전에 살펴봤던 Zinx도 그 주파수들에서 무한대까지 올라가지 않는다. Radiation Resistance가 없을 때 Input Impedance는 전에 살펴봤던 식에

15 Radiation Resistance가 없을 때 케이블의 입력 임피던스는 전에 봤던
Z0과 Radiation Resistance를 이용하여 최대 방사를 구할 수 있는데 결과는 다음과 같다 Radiation r=3 meter of from a one meter long cable one meter above a perfect ground 위의 그래프는 Constant Sinusoidal common mode peak current 가 10마이크로 암페어 이고 앞에 그림에서 본 대역폭이 제한적인 싸인 파 제너레이터를 사용하였을 때 이다

16 위의 그래프는 케이블의 길이가 ¼ 파장의 홀수 배 일때의 노이즈의 하모닉 성분
이 악화될 것임을 보여준다 그 반대로 ¼파 장의 짝수배 하모닉은 최소화된다 이것을 Missing clock Harmonic현상이라고 하는데 Radiated Emission 테스팅에서 종종 볼 수 있는 현상이다 케이블의 Antenna 패턴은 다음과 같이 나타내진다 The antenna pattern for the cable looks like an out of round ball balanced midway on the cable 여기서 중요한 점은 MicroAmperes의 전류와 Ripple Millivolts 의 전압이 Equipment를 자주 Out of Spec상태로 만든다는 것이다.