감쇠란 무엇인가요? 거리에 따라 신호가 약화되는 방법

신호가 소스에서 부하까지 PCB 도체를 통해 이동할 때, 트레이스 저항 및 유전체 손실로 인해 신호가 감쇠되어 에너지 손실이 발생합니다. 신호 감쇠는 고속 신호가 회로 기판을 통과할 때 가장 일반적으로 사용되는 용어입니다. 이는 신호 무결성 문제로 이어지는 신호 저하의 주요 원인 중 하나입니다. 일반적으로 스킨 효과와 같은 현상으로 인해 높은 주파수에서 더 많은 감쇠가 나타납니다.

감쇠 계수는 신호가 얼마나 멀리 이동하면서도 충분한 데이터 비트나 정보를 제공할 수 있는지를 결정합니다. 전송된 신호의 진폭이 주파수에 따라 감소하는 방식을 기반으로 다양한 전송 매체를 정량화합니다. 다음과 같이 나타냅니다:

AF = P output/P input

신호 감쇠 계수는 다음에 따라 달라집니다:

• 전송 매체 길이
• 전송 매체 소재
• 물리적 조건

감쇠란? 의미 및 정의

감쇠는 신호가 매체를 통해 이동할 때 신호 진폭이 감소하는 것입니다. 감쇠는 전송 손실, 반사 또는 흡수에 의해 발생할 수 있습니다. 전기 시스템에서 감쇠는 전선이나 기타 전송 라인을 따라 흐르면서 전압이 감소하는 것입니다. 감쇠된 시스템은 저하된 시스템이라고도 합니다.

감쇠는 데시벨(dB)로 표현되며 출력 대 입력 전력 또는 강도의 비율을 나타냅니다. 감쇠 값은 장애물이 없는 완벽한 전송의 경우 0 데시벨부터 매우 큰 음수까지 다양합니다. 감쇠가 0 dB인 완벽한 감쇠기는 전송 라인을 따라 무한히 많은 탭을 가집니다.

가변 감쇠기의 다양한 유형:

신호 또는 케이블 감쇠의 원인

신호 또는 케이블 감쇠에 대해 이야기할 때 우리는 송신기와 수신기 사이의 신호 저하에 대해 이야기합니다. 신호 손실은 다음과 같이 케이블 품질에 영향을 미치는 많은 변수에 의해 발생할 수 있습니다:

• 불량 제조된 광섬유(불량 커넥터 및 불량 스플라이스)
• 케이블의 과도한 구부림. 신호 반사를 일으킵니다.
• 더 높은 신호 파장에서 작동.
• 송신기와 수신기 사이의 긴 신호 케이블 배선(감쇠는 신호 케이블 길이에 따라 증가).

감쇠율 방지 또는 개선

감쇠를 방지하거나 개선하는 몇 가지 방법이 있습니다. 가장 일반적인 방법은:

1) 물리적 장벽 사용: 두 도체가 접촉하여 단락되는 것을 방지합니다.

2) 전치 증폭기 사용: 신호가 목적지에 도달하기 전에 신호 강도를 높여 신호 손실을 줄입니다.

3) 발룬 사용: 두 도체 사이의 거리를 늘려 단락을 방지합니다.

4) 신호 강도 증가: 감쇠를 방지하고 신뢰할 수 있는 전송을 보장하는 데 도움이 됩니다.

5) 신호 부스팅을 위한 다양한 방법: 신호 무결성을 유지하기 위해 다양한 기법을 사용할 수 있습니다.

신호 감쇠를 계산하는 방법?

신호 감쇠는 전송 매체의 단위 길이당 데시벨(dB)로 추정됩니다. 전력과 전압의 관점에서 계산할 수 있습니다.

페이딩 가능성을 피하기 위해 적어도 하나가 최종 목적지인 수신기에 도달하도록 여러 신호를 전송합니다. 하지만 이러한 추가 신호를 전송해야 하는 필요성 때문에 이 방법은 전반적인 네트워크 속도를 느리게 합니다. 감쇠가 낮을수록 전송 매체가 더 효율적입니다. 감쇠가 높을수록 신호 손실이 더 많고 수신기 측의 진폭이 줄어듭니다.

신호가 전선을 통과할 때 감쇠되는 이유는?

신호의 진폭은 트레이스 저항과 회로 기판 유전체의 소산 계수에 의해 왜곡됩니다. 신호가 트레이스 표면을 따라 전파되는 경향이 있기 때문에 이 효과는 고주파에서 더욱 두드러집니다. 감쇠는 신호 상승 시간을 늦추고 데이터 오류 가능성을 높입니다.

유전체 흡수: 고주파 신호가 회로 기판 표면을 통해 전파될 때 유전체 소재가 신호 에너지를 흡수합니다. 신호 강도를 줄이며 올바른 PCB 소재를 선택해야만 제어할 수 있습니다. 유전체 흡수를 줄이기 위해 낮은 손실 탄젠트를 가진 소재를 선택하세요.

스킨 효과: 스킨 효과는 고주파 성분이 회로 기판 도체의 내부보다 외부 쪽으로 더 가깝게 전파되기 시작하는 현상입니다. 고주파 신호는 자체 인덕턴스 값을 가지며, 주파수가 증가함에 따라 증가하는 유도 리액턴스를 유발합니다. PCB 표면의 전도 면적을 줄이는 원인이 됩니다. 스킨 효과는 트레이스 폭(표면적)을 늘려 줄일 수 있지만, 트레이스 형상 변경이 임피던스 문제를 일으킬 수 있어 항상 가능한 것은 아닙니다.

PCB에서 신호 감쇠를 일으키는 원인은?

신호 범위가 증가할수록 감쇠도 증가합니다. 낮은 트레이스 폭과 같은 요소들과

크로스토크도 신호 감쇠에서 역할을 합니다. 신호 감쇠를 일으키는 몇 가지 요소들:

전송 주파수: 파장이 짧을수록 전파의 감쇠가 커집니다. 이러한 신호는 2.4GHz 또는 5GHz 전자기파를 통해 전송됩니다. 전자기파는 높은 주파수와 짧은 파장을 가집니다. 따라서 라디오 신호는 감쇠가 크고 장거리 전송이 불가능합니다.

도체 소재와 관련된 저항 손실: 구리와 같이 전송 라인 제조에 사용되는 전도성 소재는 구리 트레이스를 통해 이동하는 신호의 감쇠를 유발하는 저항 손실을 발생시킵니다.

유전체 소재와 관련된 손실: 유전체 손실은 전송 라인 사이에 끼워진 유전체 소재의 손실로 인해 발생합니다. 이 유전체 손실은 기판에 역저항이라고도 알려진 전도도를 만들어 전파된 신호 에너지의 일부를 흡수하여 신호 감쇠를 일으킵니다.

구리 표면 거칠기: PCB의 구리 표면 거칠기도 신호 전파에 대한 저항 역할을 합니다. 거친 구리 트레이스는 구리 표면의 지형이 신호를 위아래로 이동시키기 때문에 저항을 증가시킵니다. 표면 돌출부도 커패시턴스를 증가시킵니다. 매끄러운 구리가 이 문제의 해결책이지만 더 비쌉니다.

신호 감쇠를 줄이는 기타 방법?

신호 감쇠는 다음 기법을 사용하여 완화할 수 있습니다:

리피터 사용: 수신된 신호가 약하면 감쇠를 줄여 원래 신호를 재생성하는 리피터를 사용하세요. 또한 신호의 범위를 확장하여 고장 없이 더 긴 거리를 전송할 수 있게 합니다.

증폭기 사용: 수신된 신호가 약하면 증폭기를 사용하여 진폭을 높입니다. 전체 신호를 재생성하는 리피터와 달리 진폭만 높입니다.

적절한 소재 선택: 저손실 유전체 소재와 저저항 트레이스를 신중하게 선택하면 신호 감쇠를 최소화할 수 있습니다.

프로그래밍 가능한 차동 출력 전압(VOD) 설정 사용: 프로그래밍 가능한 VOD는 구동 강도를 라인 임피던스 및 트레이스 길이와 동기화합니다. 드라이버에서 VOD를 높이면 수신기에서의 신호가 향상됩니다.

프리엠퍼시스: 증폭기를 사용하여 신호 강도를 높이는 것이 감쇠 제어의 유일한 해결책은 아닙니다. 관련 신호 노이즈와 지터도 증폭하기 때문입니다. 프리엠퍼시스는 첫 번째 전송 심볼의 레벨을 높여 신호의 고주파 성분만 향상시킵니다. 후속 심볼 레벨이 동일한 레벨로 전송되면 변경되지 않은 채로 유지됩니다. 예를 들어 신호가 세 개의 심볼에 대해 고레벨을 전송하면 첫 번째 심볼만 강조됩니다. 다음 두 심볼은 일반 레벨로 전송됩니다.

더 나은 신호 무결성을 위한 설계 팁:

• 안테나를 소스에 더 가깝게 배치하세요.
• 서로 다른 소재를 함께 배선하여 전도성을 향상시키세요.
• 신호를 간섭하는 것이 없는지 확인하세요.
• 금속 물체에서 멀리 안테나를 배치하세요.
• 필요한 경우 더 강한 신호를 위해 전력 증폭기를 사용하세요.

결론:

신호 감쇠는 고속 PCB 설계에서 신호 무결성과 전반적인 시스템 성능에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 신호가 전송 라인을 통과할 때 트레이스 저항, 유전체 흡수, 스킨 효과, 소재 특성으로 인해 손실이 발생합니다. 이러한 손실은 높은 주파수에서 더욱 중요해져 신호 품질 저하와 잠재적인 데이터 오류로 이어집니다.

적절한 그라운딩, 임피던스 매칭, 제어된 트레이스 형상을 포함하여 감쇠를 염두에 두고 PCB 레이아웃을 설계함으로써 엔지니어들은 신호 무결성을 향상시키고 성능 저하를 줄일 수 있습니다. 전자 시스템이 계속해서 속도와 복잡성의 한계를 밀어붙임에 따라 신호 감쇠 해결은 회로 내 효율적이고 신뢰할 수 있는 통신을 유지하는 데 중요한 측면으로 남아 있습니다.