KR102644328B1 - Emi 스캐닝 프로브 - Google Patents

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KR102644328B1
KR102644328B1 KR1020200170410A KR20200170410A KR102644328B1 KR 102644328 B1 KR102644328 B1 KR 102644328B1 KR 1020200170410 A KR1020200170410 A KR 1020200170410A KR 20200170410 A KR20200170410 A KR 20200170410A KR 102644328 B1 KR102644328 B1 KR 102644328B1
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Abstract

본 실시예에 의한 EMI 스캐닝 장치는: 복수의 스캐닝 프로브들과, 스캐닝 프로브가 EMI를 측정하여 출력한 전기적 신호를 처리하는 신호 처리부와, 신호 처리부가 처리한 신호로부터 사용자가 목적하는 정보를 형성하여 출력하는 연산부를 포함하며, 연산부는 마이크로 콘트롤러를 포함하고, 마이크로 콘트롤러는 스캐닝 프로브에 포함된 가변 커패시턴스 소자의 커패시턴스를 제어한다.

Description

EMI 스캐닝 프로브{EMI SCANNING PROBE}
본 기술은 EMI 스캐닝 프로브와 관련된다.
종래 기술에 따른 EMI 방사 검출 장치는 로봇 팔이 EMI 방사 검출 프로브를 파지하고 목적하는 지점으로 이동하여 EMI 방사를 측정한 후, 다시 다른 지점으로 이동하여 측정하는 과정을 반복하여 수행하였다.
종래 기술에 의하면, 로봇 팔이 움직이면서 EMI를 측정하므로 유지 보수의 문제가 발생하며, 특히 장시간이 소모된다는 문제점이 있다. 본 실시예는 이러한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로 EMI 측정시 소모되는 시간을 감소시킬 수 있고, EMI 측정을 위한 프로브 사이에서 높은 아이솔레이션을 얻기 위한 것이다.
본 실시예에 의한 EMI 스캐닝 프로브는: 유전체 기판과, 유전체 기판 상에 서로 이격되어 위치하는 복수의 루프 안테나와, 루프 안테나 사이에 위치하여 복수의 PTH(plated thru hole)들을 포함하는 전기자기적 밴드갭 (EBG)소자 및 일단이 접지에 연결된 가변 커패시턴스 소자를 포함하되, 가변 커패시턴스 소자의 타단은 복수의 PTH들의 각 전극들에 전기적으로 연결된다.
본 실시예의 일 태양에 의하면, 유전체 기판은 제1 면과 제2 면을 가지며, 제2 면은 접지 전극으로, 가변 커패시턴스 소자는 접지 전극에 연결된다.
본 실시예의 일 태양에 의하면, 가변 커패시턴스 소자의 커패시턴스는 외부에서 제공된 바이어스 신호에 의하여 제어된다.
본 실시예의 일 태양에 의하면, 가변 커패시턴스 소자 버랙터 다이오드이다.
본 실시예의 일 태양에 의하면, EBG 소자는, 적어도 500개의 PTH 들을 포함한다.
본 실시예의 일 태양에 의하면, EMI 스캐닝 프로브는 사각형의 각 꼭지점에 배치된 네 개의 루프 안테나를 포함하며, EBG 소자는 두 개의 루프 안테나 사이에 배치된다.
본 실시예의 일 태양에 의하면, EBG 소자는 교차점에 중앙 그라운드가 형성된다.
본 실시예의 일 태양에 의하면, 유전체 기판은 제1 면과 제2 면을 가지며, 제2 면은 접지 전극이고, 제2 면 중 일부는 패턴된 아일랜드 전극을 포함하며, 아일랜드 전극은 가변 커패시턴스 소자에 바이어스를 제공한다.
본 실시예의 일 태양에 의하면, 유전체 기판의 상대 유전율(εr)은 3.0 이상이다.
본 실시예에 의하면, EMI 측정시 소모되는 시간을 감소시킬 수 있고, EMI 측정을 위한 프로브 사이에서 높은 아이솔레이션을 얻을 수 있다는 장점이 제공된다.
도 1은 본 실시예에 의한 EBG의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 2는 10GHz ~ 12GHz 채널에서 본 실시예에 의한 EBG의 감쇠와 VD 커패시턴스 간의 시뮬레이션된 관계를 도시한 도면이다.
도 3은 정지 대역(stop band)이 10GHz에 위치할 때 CVD 값과 정지 대역의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다. .
도 4(a)는 제1 실시예에 의한 스캐닝 프로브를 개요적으로 도시한 평면도이고, 도 4(b)는 제1 실시예에 의한 스캐닝 프로브를 개요적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 EBG의 개요를 도시한 도면이다.
도 6(a)는 가변 커패시턴스 소자에 제공되는 바이어스 전압 대 커패시턴스를 도시한 도면이고, 도 6(b)는 500개의 PTH를 포함하는 EBG에 제공되는 바이어스 세트들에 따른 아이솔레이션 특성을 도시한 도면이고, 도 6(c)는 2000개의 PTH를 포함하는 EBG에 제공되는 바이어스 세트들에 따른 아이솔레이션 특성을 도시한 도면이다.
도 7은 (a) EBG 구조가 없을 때 3D EM 모델의 표면 자기장(H-field) 강도 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이고, 도 7(b)는 EBG 배치된 상태에서3D EM 모델의 표면 자기장(H-field) 강도 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이고, 도 7(c)는 VD 바이어스 세트 # 01이 제공되었을 때 3D EM 모델의 표면 자기장(H-field) 강도 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이고, 도 7(d)는 VD_bias 세트 # 02가 제공된 상태에서 3D EM 모델의 표면 자기장(H-field) 강도 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이고, 도 7(e)는 VD_bias 세트 # 03가 제공된 상태에서 3D EM 모델의 표면 자기장(H-field) 강도 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 8(a)는 제2 실시예의 스캐닝 프로브(20)의 개요를 도시한 평면도이고, 도 8(b)는 제2 실시예의 스캐닝 프로브(20)의 개요를 도시한 사시도이다.
도 9는 4 개의 가변 커패시턴스 소자(0.2V 바이어스 단계)에 제공된 바이어스에 따른 정지 대역의 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 10(a)은 본 실시예에서 EBG가 없는 경우의 H 필드의 세기를 도시한 도면이고, 도 10(b)는 본 실시예에서 EBG가 있을 때의 H 팰드의 세기를 도시한 도면이다.
도 11은 제3 실시예에 의한 스캐닝 프로브의 개요를 도시한 도면이다.
도 12(a)는 제2 실시예에 의한 스캐닝 프로브의 방사 패턴의 시뮬레이션 결과이고, 도 12(b)는 제3 실시예에 의한 스캐닝 프로브의 방사 패턴의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 13은 SLA(130a)의 반사 계수(S11, dB)를 도시한 도면이다.
도 14는 8-12GHz 범위에서 1GHz 간격으로 CW 전력을 방출하며 작동하는 테스트 대상 장치에 대한 제3 실시예의 정지 대역(stop band) 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 15는 제3 실시예에서 서로 다른 바이어스가 제공된 멀티 채널 스톱 밴드의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 16은 본 실시예로 H- 필드 분포를 관찰하기 위해 ADS 및 HFSS 공동 시뮬레이션의 실험 결과를 도시한다.
도 17은 본 실시예에 의한 EMI 스캐닝 장치의 개요를 도시한다.
I. 개요
도 1은 본 실시예에 의한 EBG(110)의 등가 회로를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 전기자기적 밴드갭 소자(EBG, electromagnetic bandgap, 110)는 병렬 인덕터(LEBG)와 커패시터 (CEBG)로 구성된 집중 요소 모델(Lumped element model)로 제시되었다. LEBG와 CEBG는 이상적인 밴드 갭으로 정의되는 최소 파동 전파 (minimum propagation wave, 상호 결합)에서 주파수를 결정할 때 사용되는 주요 위상 요소이다.
본 실시예의 EBG 소자는 복수의 THB 비아(112)와 연결된 가변 커패시턴스 소자(114)를 포함한다. 가변 커패시턴스 소자(114)는 마이크로 콘트롤러(micro controller, 2300, 도 17 참조)가 제공하는 바이어스 신호(bias, 도 17 참조)로 제어되어 커패시턴스가 변화한다. EBG(112)와 연결된 가변 커패시턴스 소자에 의하여 최적의 값으로 아이솔레이션(isolation)을 제어할 수 있다. 일 예로, 가변 커패시턴스 소자(114)는 버랙터 다이오드(varactor diode)일 수 있다.
최소 상호 결합 조건 (α ≠ 0 및 β = 0 또는 π)에 대한 솔루션을 찾기 위하여 전송 선로 이론(transmission line theory)에 기반한 연산 결과, 아래 수학식과 같이 간단한 형식을 얻었다.
[수학식 1]
(α: 감쇠 상수, β: 위상 상수 )
α와 β는 각각 복소 전파 상수 (γ)의 실수 부분과 허수 부분이며, α = 0 및 β = 0 또는 π 조건에 따라 실수 및 양의 값이 되어 전송선 길이(d)에 걸쳐 전파(propagation)가 이상적으로 0이 되도록 한다. 수학식 1의 (2)식은 수치 해석적으로 풀어야 한다. 시뮬레이션 설정의 복잡성을 제거하려면 수학식 1의 (2)식을 보다 구체적인 알려진 고정 값으로 수정해야 한다. 마이크로 컨트롤러로 제어되는 EBG(110)의 어드미턴스 Y는 아래의 수학식 2의 (3)식으로 표현된다.
[수학식 2]
(CVD: VD의 커패시턴스, LEBG: EBG 비아의 인덕턴스, CEBG: EBG 비아의 커패시턴스, ω: 작동 주파수)
여기서 CVD, LEBG, 및 CEBG는 모두 시뮬레이션을 통해 연산될 수 있다. 수학식 2의 (3)식이 무한대에 도달하는 주파수는 최대 아이솔레이션(isolation)이 일어나는 최소 파동 전파(minimum wave propagation, 즉, 밴드 갭) 주파수 이다. 따라서 1 - ω2LEBG(CEBG)+ CVD는 0이고 주파수 (= 2πf)는 LEBG(CEBG + CVD)의 함수로, 밴드 갭의 특성은 기판 설계 매개 변수인 LEBG 및 CEBG 뿐만 아니라 CVD에 의존한다.
즉, CVD에 대한 정밀 제어를 통해 최대 아이솔레이션(isolation)을 얻을 수 있으며, EBG를 작게 설계하여도 목적하는 주파수를 제공하여 높은 아이솔레이션을 얻을 수 있고, SLA의 사이 거리가 좁혀 설계하는 것이 가능하다.
도 2는 10GHz ~ 12GHz 채널에서 본 실시예에 의한 EBG의 감쇠(α1d)와 가변 커패시턴스 소자(CVD) 간의 시뮬레이션된 관계를 도시한 도면이다. 파동 임피던스(Zω) 및 위상 상수(βd)는 알려진 특정 매개 변수(광속 및 자유 공간 파동 임피던스(free space wave impedance)와 함께 기판 사양(유전체 두께 및 유전율)에 의해 정의된다. 알려진 모든 파라미터를 결정한 후 마지막으로 도 2에 표시된 것처럼 CVD의 변화에 대한 감쇠 크기 10log(αd) 변화를 도시할 수 있다.
시뮬레이션은 MATLAB 환경에서 수행되었으며 사용된 주파수 범위는 관심 주파수 대역인 10 ~ 12GHz 이다. CVD 값에 대해 0 - 6pF 범위에서 큰 간격 설정을 사용할 때 소수 단위 [log(α1d)]의 감쇠 크기는 20dB로 제한되는 것으로 나타났다. 이어서, CVD_step #02 및 03에서 더 미세한 간격 설정을 사용하고 더 많은 커패시턴스 값을 적용한 결과, 감쇠 크기는 40dB에 인접하도록 향상되었다.
도 3은 정지 대역(stop band)이 10GHz에 위치할 때 CVD 값과 정지 대역의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다. 이론에 비추어 CVD 데이터를 평가하기 위해 MATLAB에서 출력된 데이터를 ADS 환경으로 전달하면서 시뮬레이션을 수행하였다. 도 3에서 아이솔레이션(dB) 향상은 CVD_step # 01 설정에서 -20dB로 제한되었으나(도 2빨간색 제한선 참조), CVD_step #03에서 거의 -40dB로 향상되었다. 따라서 마이크로 컨트롤러로 가변 커패시턴스 소자의 커패시턴스를 제어하여 최적의 아이솔레이션 특성을 얻을 수 있다.
II. 제1 실시예
도 4(a)는 제1 실시예에 의한 스캐닝 프로브(10)를 개요적으로 도시한 평면도이고, 도 4(b)는 제1 실시예에 의한 스캐닝 프로브(10)를 개요적으로 도시한 사시도이고, 도 5는 EBG(110)의 개요를 도시한 도면이다. 도 4(a), 도 4(b) 및 도 5를 참조하면, 제1 실시예는 10 층 세라믹 기판(εr = 3.0, 높이: 2mm, 140)을 사용한다. 각 층은 SLA(130a, 130b)의 수직 위치를 조절하여 안테나 감도가 향상되도록 조절됨과 동시에 스크래치나 가능한 구리 박리와 같은 손상으로부터 SLA(130a, 130b)를 보호한다.
도 4(a)에서 가변 커패시턴스 소자(120a, 120b)들은 기판(140)의 제2 면에 형성된 아일랜드 전극과 접촉하여 바이어스가 제공된다. 가변 커패시턴스 소자(120a, 120b)들과 아일랜드 전극이 접촉하는 부분은 빨간 점으로 도시되었다. 마찬가지로, EBG(110)와 연결된 가변 커패시턴스 소자(120d, 120c)들은 기판의 제2 면에 형성된 전극으로부터 바이어스가 제공된다. 가변 커패시턴스 소자(120c, 120d)들과 아일랜드 전극이 접촉하는 부분은 빨간 점으로 도시되었다.
두 SLA(130a, 130b)는 서로 이격되도록 배치된다. 일 실시예로, SLA(130a, 130b)들은 10GHz에서 0.4λ(≒ 11.9mm)보다 약간 짧은 거리로 이격되었고, EBG(110)가 중앙에 배치되었다. EBG(110)는 직렬 인덕터(Ls), 직렬 저항(Rs) 및 병렬 커패시터(Cp)로 단순화될 수 있으며, 이는 최상위층(L01)에서 바닥층(L10) 까지 형성된 PTH(plated thru hole) 비아의 집중 요소(lumped element) 세트와 동일하다.
도 5(a)를 참조하면, EBG(110)는 복수의 PTH(Plated Thru Hole)들이 뱅크내에 배치된다. PTH들은 기판의 최상면에서 최하면을 관통하는 형태를 가질 수 있고, 내부는 도전체로 코팅될 수 있다. 일 예로, 도전체는 구리(copper)일 수 있다. PTH의 직경은 도 5(b)로 예시된 것과 같이 30μm 이고, 각 층의 최단에서 PTH의 직경은 50μm일 수 있으나, 이들은 순전히 예시적인 값들이다.
PTH 비아 개수가 감소하면 EBG(110)와 그라운드(GND) 사이의 임피던스는 SLA(130a, 130b) 사이의 커플링을 억제할 수 없을 수 있으며 아이솔레이션 성능이 저하된다. SLA(130a, 130b) 사이의 간격을 증가시켜 아이솔레이션 성능을 향상시킬 수 있으나 스캐닝 프로브(10) 전체 크기가 상승한다. 또한, 다른 모양이나 더 큰 EBG 구조를 고려할 수도 있으나, 크기 관련 문제를 다시 초래한다.
8GHz - 12GHz 대역에 걸쳐 저지 대역을 제어하기 위해 각 가변 커패시턴스 소자(120a, 120b, 120c, 120d)의 미세 조정이 필요하다. 가변 커패시턴스 소자(120a, 120b, 120c, 120d)의 일 단은 EBG 구조 하단(L10)에 연결되고 가변 커패시턴스 소자(120a, 120b)의 타단은 접지 전압(ground, L10)에 연결된다. 도 4(a) 및 도 4(b)를 참조하면, EBG(110)에 연결된 4 개의 가변 커패시턴스 소자(120a, 120b, 120c, 120d)를 각각 서로 다른 위치에 배치하고 각 가변 커패시턴스 소자(120a, 120b, 120c, 120d)에 제공되는 바이어스 전압을 미세한 간격으로 조정하였다. 도 4(a)와 같이 가변 커패시턴스 소자(120a)과 가변 커패시턴스 소자(120b)는 단순 루프 안테나(simple loop antenna, 130a, 130b) 아래에 수평으로 배치되고 가변 커패시턴스 소자(120c)와 가변 커패시턴스 소자(120d)는 수직으로 배치된다. EBG(110)의 크기는 일 실시예로, 1.5 × 6.0 mm2이고 본 실시예에 의한 스캐닝 프로브(10)의 전체 크기는 약 7.5 × 15.0 mm2일 수 있다.
EBG(110)에는 도 5로 도시된 것과 같이 상단 평면과 하단 평면을 연결하는 EBG 구조를 완성하기 위한 μm 단위의 직경을 가지는 PTH 비아를 포함한다. PTH의 수는 500 개 이상일 수 있다. 일 실시예로, 2000 개의 PTH 비아를 기반으로 EBG 구조를 사용하였으나, 아이솔레이션 특성과 관련하여 유사한 성능을 발휘하였다.
도 6(a)는 가변 커패시턴스 소자에 제공되는 바이어스 전압 대 커패시턴스를 도시한 도면이고, 도 6(b)는 500개의 PTH를 포함하는 EBG에 제공되는 바이어스 세트들에 따른 아이솔레이션 특성을 도시한 도면이고, 도 6(c)는 2000개의 PTH를 포함하는 EBG에 제공되는 바이어스 세트들에 따른 아이솔레이션 특성을 도시한 도면이다.
도 6(a)를 참조하면, 가변 커패시턴스 소자(120a, 120b, 120c, 120d)에 대하여 도 6(a)로 예시된 것처럼 역 바이어스 조건에서 작동하는 미리 정의된 가변 커패시턴스 소자를 모델하여 시뮬레이션을 수행하였다. 등가 커패시턴스(y 축)를 제어하기 위해 0.0 - 20.0V 역 전압 범위 내에서 100 단계 (= 0.2V 간격)를 설정하였다. 도 6(b)는 EBG(110)가 500 개의 PTH들을 포함할 때, 프로세스 모드 # 03 범위에서 SET # 01, 02 및 03의 바이어스 세트에 대한 시뮬레이션 결과이고, 도 6(c)는 EBG(110)가 2000 PTH들을 포함할 때, 프로세스 모드 # 03 범위에서 SET # 04, 05 및 06의 바이어스 세트에 대한 시뮬레이션 결과이다.
도 6(b)를 참조하면, 10GHz에서의 상호 결합(아이솔레이션, S21)은 EBG 배치 전후에 거의 동일하며 그 후 점차적으로 -11.0dB (SET # 01)에서 거의 -37.0dB (SET # 03) 감소하였다. 도 6(c)를 참조하면, PTH의 개수가 EBG 배치에 영향을 미치며 아이솔레이션 특성은 SET # 04(-19.1dB)에서 SET # 06 (-38.9dB)로 점진적으로 향상되었다.
ADS 환경에서 시뮬레이션된 가변 커패시턴스 소자 바이어스 세트를 사용하여 S- 파라메트릭 아이솔레이션 성능을 검증한 후 HFSS 3D EM 모델을 사용하여 해당 가변 커패시턴스 소자 바이어스 세트로 H-field 분포를 결정하였다.
도 7은 (a) EBG 구조가 없을 때 3D EM 모델의 표면 자기장(H-field) 강도 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이고, 도 7(b)는 EBG 배치된 상태에서3D EM 모델의 표면 자기장(H-field) 강도 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이고, 도 7(c)는 VD 바이어스 세트 # 01이 제공되었을 때 3D EM 모델의 표면 자기장(H-field) 강도 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이고, 도 7(d)는 VD_bias 세트 # 02가 제공된 상태에서 3D EM 모델의 표면 자기장(H-field) 강도 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이고, 도 7(e)는 VD_bias 세트 # 03가 제공된 상태에서 3D EM 모델의 표면 자기장(H-field) 강도 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 7(a)에서 SLA(130a)과 SLA(130b) 사이에는 EBG(110)가 없으며 아이솔레이션은 거의 -2.0dB 이다. 또한 SLA(130b)도 EMI 스캔 전력의 대부분을 수신한다. 도 7(b)에서 제안된 EBG(110)가 실제로 설정되었지만 VD 바이어스가 적용되지 않았다. 도 7(c)에서 미리 정해진 VD 바이어스 세트 [도 6(b)의 SET # 01- # 03]를 설정함에 따라 SLA(130b) 측의 H-필드 강도가 25.1 dBA/m에서 최종적으로 3dBmA/m 까지 점차 감소하는 것을 관찰할 수 있다. 바이어스 전압이 8.0V를 초과하면(Process # 03 또는 04가 필요한 경우) 등가 커패시턴스 변화 속도가 기하 급수적으로 감소함에 따라 전체 실행 가능한 튜닝 범위가 제한될 수 있다.
저 유전율 기판(r = 3.0, 2mm 두께)에 2-SLA 프로토 타입을 적용한 스캐닝 프로브(10)의 시뮬레이션을 수행하였으며 그 결과 두 SLA간에 거의 25dB의 아이솔레이션 특성 향상이 있었다. 이것은 EM 시뮬레이션의 H- 필드 플롯 세트를 통해 이중으로 확인되었다. 이 결과는 제안된 마이크로 컨트롤러로 제어되는 EBG(110)를 포함하는 스캐닝 프로브가 향상된 효과를 가짐을 증명한다. 그러나 향후 더 높은 해상도의 EMI 스캔 데이터에 대한 필요성을 고려할 때 시스템의 작은 안테나 부분에 더 많은 안테나 어레이 요소를 추가하는 것이 필요하다.
III. 제2 실시예
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 제2 실시예를 설명한다. 다만, 명확하고 간결한 설명을 위하여 위에서 설명된 실시예들과 동일하거나 유사한 요소에 대하여는 설명을 생략할 수 있다.
도 8(a)는 제2 실시예의 스캐닝 프로브(10)의 개요를 도시한 평면도이고, 도 8(b)는 제2 실시예의 스캐닝 프로브(10)의 개요를 도시한 사시도이다. 제2 실시예에 의한 스캐닝 프로브(20)는 제1 실시예의 스캐닝 프로브(10)에 포함된 기판의 유전율에 비하여 더 높은 유전율 (εr = 12.8)을 가진 세라믹 기판(140)을 사용하였다. 결과적으로 제1 실시예에 비하여 더 작은 SLA(130a, 130b) 크기, 작은 SLA(130a, 130b) 사이의 거리 및 EBG(110)의 크기도 축소할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 실시예의 스캐닝 프로브(20)는 가로와 세로가 각각 2.0 mm, 2.5mm 이고, SLA(130)의 면적은 1.0mm2 이고, EBG의 폭은 0.2mm, EBG의 길이는 1.2mm로 형성할 수 있다. 기판(140)은 4 층(L01 ~ L04)으로 된 4mm 두께의 세라믹 기판으로, SLA는 두 번째 층(L02)에 위치한다. L01과 L02 사이의 거리는 300μm이다.
도 8(a)와 도 8(b)를 참조하면, 제1 실시예에서 사용된 기판에 비하여 더 높은 유전율을 가지는 기판을 사용하여 스캐닝 프로브(20)의 면적을 줄일 수 있으며, EBG(110) 및 SLA(130)의 면적을 줄일 수 있다.
도 9는 4 개의 가변 커패시턴스 소자(0.2V 바이어스 단계)에 제공된 바이어스에 따른 정지 대역의 시뮬레이션 결과를 도시한다. 가장 큰 아이솔레이션을 달성할 수 있는 가변 커패시턴스 소자 바이어스 조건을 얻기 위하여 제1 실시예에 비하여 더 미세한 가변 커패시턴스 소자의 바이어스 조건과 더 복잡한 튜닝 작업이 필요하다.
도 9은 각 EBG 조건에 대한 시뮬레이션된 아이솔레이션 특성 결과를 도시한 도면이다. 도 9를 참조하면, 제2 실시예에서 EBG(110)의 아이솔레이션 성능은 약 -58 dB이다. 이는 EBG가 없는 경우 또는 단독 EBG 경우의 -2.0dB 값보다 훨씬 높은 아이솔레이션 성능을 나타낸다.
도 10(a)은 본 실시예에서 EBG가 없는 경우의 H 필드의 세기를 도시한 도면이고, 도 10(b)는 본 실시예에서 EBG가 있을 때의 H 팰드의 세기를 도시한 도면이다. 도 10(a)와 도 10(b)를 참조하면, 상호 커플링은 EBG가 없을 때 15.0dBmA/m이나, EBG에 의하여 아이솔레이션된 본 실시예에 의하면 -6.0dBmA/m 까지 감소한다. 이 21dB의 H- 필드 감소는 도 7에서 제1 실시예의 22.1dB의 결과와 유사한 것을 알 수 있다.
IV. 제3 실시예
도 11은 제3 실시예에 의한 스캐닝 프로브(10)의 개요를 도시한 도면이다. 제3 실시예는 제2 실시예의 기판과 동일한 기판 사양(εr = 12.8 및 높이 = 4.0mm)을 사용하고, 4 개의 SLA 안테나(130a, 130b, 130c, 130d)를 사용한다. 전체 어레이 크기는 제2 실시예에 의한 스캐닝 프로브(10)의 면적보다 다소 크지만(2.5mm2) EBG의 크기, SLA의 크기 (1mm2), PTH 비아의 수는 동일하다. 보다 구체적으로, 제3 실시에에 의한 스캐닝 프로브(30)는 2.5mm2의 면적을 가진다. 또한, 각 SLA(130a, 130b, 130c, 130d)는 1.0mm2의 면적을 가지고, EBG(110)의 폭은 0.2mm, 길이는 1.2 mm 일 수 있다.
도 11(a) 및 도 11(b)를 참조하면, 본 실시예의 스캐닝 프로브(10)의 중앙에는 중앙 GND(center ground)의 추가 접지 구조가 배치되었다. 도 11(a) 및 도 11(b)에 표시된 중앙 GND는 DGS(defected ground structure) 역할을 하며, 본체를 기판의 10층(L10)에 위치한 주 접지(GND)에서 분리하여 더 많은 튜닝을 가능하게 하고, 연결된 가변 커패시턴스 소자(110)를 더 추가할 수 있다.
도 12(a)는 제2 실시예에 의한 스캐닝 프로브의 방사 패턴의 시뮬레이션 결과이고, 도 12(b)는 제3 실시예에 의한 스캐닝 프로브의 방사 패턴의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다. 도 13은 SLA(130a)의 반사 계수(S11, dB)를 도시한 도면이다. 도 12(a), 도 12(b) 및 도 13을 참조하면, 안테나 수가 4 개로 늘어남에 따라 안테나의 특성(예: 방사 패턴 또는 반사 계수)이 마이크로 콘트롤러의 작동 전후에 변하는 지 확인할 필요가 있다. 도 12(a) 및 도 12(b)로 예시된 시뮬레이션 결과는 가변 커패시턴스 소자에 바이어스를 제공하여 EM 시뮬레이션을 실행할 때와 와, 제공하지 않고 EM 시뮬레이션을 실행할 때 방사 패턴의 변화는 거의 존재하지 않음을 나타낸다. 또한 도 13을 참조하면, 반사 계수 (S11, dB)의 대역 이동은 대부분 무시할 수 있다. 목표 주파수가 제2 실시예(도 9의 Vbias_set # 05)의 10GHz (바이어스 없음)에서 9.85GHz로 대략 150.0MHz 낮아졌다. 여기서 반사 계수 값은 주파수 다운 시프트와 함께 -40dB에서 거의 -30dB로 변화하였다.
본 실시예에 의한 프로브가 Vbias_set # 05와 거의 동일한 조건에서 구동되었을 때 동일한 결과가 발생하였으며, 10GHz는 9.78GHz (= 220MHz 다운 시프트)로 다운시프트되고 반사 계수 값은 거의 -30에서 -20 dB로 열화되었다.
그러나, 본 실시예에 의한 프로브는 1GHz 간격인 단일 톤 CW를 방사하는 시험 대상 장치의 DUT의 EMI 검출에 사용되기 때문에 다운 시프트에서 10GHz에서 -20dB의 결과는 무시할 수 있다. 따라서 제안된 EBG(110)와 마이크로 콘트롤러의 조합은 X- 대역 (8-12GHz)의 목표 범위 내에서 여러 채널을 포함해야 한다.
도 14는 8-12GHz 범위에서 1GHz 간격으로 CW(continuous wave) 전력을 방출하며 작동하는 테스트 대상 장치에 대한 제3 실시예의 정지 대역(stop band) 시뮬레이션 결과를 도시한다. 제3 실시예에 포함된 각 SLA 안테나에는 마이크로 콘트롤러가 제공한 다른 바이어스 세트가 제공된다. 도 14는 각 채널에서 튜닝된 아이솔레이션 정도를 서로 다른 색상으로 도시하며, 각 다른 색상의 채널 데이터가 저장된 후, 최적화되었다. 도시된 실시예의 성능은 10GHz에서 수집된 데이터 세트에서 나온 것이나, 특히 테스트 대상 장치가 다중 채널 유형인 경우 서로 다른 채널에서 동일한 결과를 얻을 수 있는지 확인이 필요할 수 있다.
도 15는 제3 실시예에서 서로 다른 바이어스가 제공된 멀티 채널 스톱 밴드의 시뮬레이션 결과를 도시하였다. 도 15에서 집중 포트(lumped port)는 사용된 것과 동일하게 각 SLA(예: SLA # 01의 포트 1)에 각각 설정되었다. 유전율이 낮은 기판에서 이전 2-SLA 모델을 시뮬레이션하였다. 도 14에 제시된 파란색 플롯은 대부분 설계의 대칭 구조로 인해 S31과 지속적으로 겹치는 것으로 확인된 S21 아이솔레이션 데이터를 도시하며, S21 / S31은 전체적으로 -38dB보다 약간 더 높은 최소값을 가진다. 빨간색 / 주황색 플롯은 S41이며 일반적으로 SLA # 01과 SLA # 04 사이의 경로에 있는 중앙 접지로 인해 일부 손실 계수가 존재하기 때문에 -30dB보다 약간 더 좋은 결과를 나타낸다.
도 16은 본 실시예로 H- 필드 분포를 관찰하기 위해 ADS 및 HFSS 공동 시뮬레이션의 실험 결과를 도시한다. 도 16(a)에서 SLA(130a)과 SLA(130b) 또는 SLA(130c) 사이의 가장 가까운 거리 (1.2mm)에서 대략 11.8dB의 H 필드 감소를 관찰할 수 있으며, SLA(130a)과 SLA(130d) 사이의 가장 먼 거리(1.8mm)에서 대략 13.2dB의 H- 필드 감소를 확인할 수 있다.
SLA(130d)의 중앙에서 H- 필드(dBmA/m)를 검출하면 단순히 EBG를 사용할 때 H- 필드가 9.5dB만 감소한다. 그러나, EBG의 PTH 비아 수를 500 개에서 800 개로 증가하면 도 24(c)로 예시된 것과 같이 3dB 감소를 얻을 수 있고, PTH 비아 수를 800 개에서 1000개로 늘려 도 24(d)로 예시된 것과 같이 추가적으로 3.9dB H- 필드 감소를 얻을 수 있다.
VD 바이어스 설정 프로세스가 프로세스 모드 # 03으로 이동하면 절대 H- 필드가 -7.6 dBmA/m로 감소하여 EBG가 없는 경우에 비해 24.4dB의 H- 필드 감소를 나타낸다. 프로세스 모드 # 04로 바이어스를 제공하면 -9.2dBmA/m으로 향상되었으나, 시뮬레이션 속도가 기하 급수적으로 느려지는 결과가 있었다.
V. EMI 스캐닝 장치
도 17은 본 실시예에 의한 EMI 스캐닝 장치의 개요를 도시한다. 도 17을 참조하면, 본 실시예에 의한 EMI 스캐닝 장치는 위에서 설명된 실시예들에 따른 복수의 스캐닝 프로브들(10)과, 스캐닝 프로브(10)가 출력한 신호를 처리(processing)하는 신호 처리부(signal processing unit, 1000)와, 신호 처리부(100)이 출력한 신호를 연산하는 연산부(computing unit, 2000)를 포함하며, 스캐닝 프로브(10)들은 연산부가 제공한 바이어스 신호(bias)에 의하여 제어된다.
CW(continuous wave) 신호원(CW)은 전력 증폭기(PA, power amplifier)를 통하여 테스트 대상 장치(DUT, device under test)에 신호를 제공한다. 테스트 대상장치(DUT)는 제공된 신호를 방사한다. 일 실시예로, 신호는 8GHz ~ 12GHz 대역의 신호일 수 있다.
본 실시예에 의한 스캐닝 프로브(10)는 테스트 대상 장치(DUT)와 대략 1mm 이격되어 테스트 대상 장치(DUT)가 제공하는 EMI 신호를 검출하여 출력한다. 위에서 상술한 바와 같이 마이크로 콘트롤러(2300)가 출력하는 바이어스(bias)에 의하여 가변 커패시턴스 소자(110)의 커패시턴스가 변화하므로, 복수의 스캐닝 프로브(10)들 사이의 아이솔레이션(isolation)이 이루어진다.
스캐닝 프로브(10)가 제공한 신호는 스위치 네트워크를 통하여 저잡음 증폭기(LNA)에 제공되어 증폭되고, 대역 통과 필터(1200)에 제공되어 불필요한 대역을 제거하고, 감쇠기(1300)에 제공되어 목적하는 레벨로 변환된다.
신호 처리부(1000)에서 처리된 신호는 연산부(2000)에 의하여 연산되어 사용자가 목적한 정보를 제공한다. 일 실시예로, 스펙트럼 분석기(SA, spectrum analyser)는 제공된 신호로 부터 자기장(H-field)의 성분 등의 스펙트럼, EMI를 연산한다. 연산 장치(2200)는 스펙트럼 분석기(SA)의 연산결과를 제공받고 사용자가 목적하는 정보를 형성하여 제공한다.
마이크로 콘트롤러(2300)는 스캐닝 프로브에 제공된 바이어스의 세트와 그에 따른 시뮬레이션 결과를 저장하고 있다. 마이크로 콘트롤러(2300)는 상응하는 시뮬레이션 결과에 따라 최적의 바이어스(bias) 신호를 출력하여 스캐닝 프로브(10)를 제어한다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 스캐닝 프로브
110: EBG 1000: 신호 처리부
1100: LNA
1200: BPF 1300: 감쇠기
2000:연산부 1200: 스펙트럼 분석기
2200: 연산기 2300: 마이크로 콘트롤러

Claims (9)

  1. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판 상에 서로 이격되어 위치하는 복수의 루프 안테나;
    상기 루프 안테나 사이에 위치하여 복수의 PTH(plated thru hole)들을 포함하는 전기자기적 밴드갭 (EBG)소자 및
    일단이 접지에 연결된 가변 커패시턴스 소자를 포함하되,
    상기 가변 커패시턴스 소자의 타단은 상기 복수의 PTH들의 각 전극들에 전기적으로 연결되고,
    상기 PTH 각각은 적어도 4 개의 유전체 층 각각을 관통하는 비아의 내측벽을 코팅하는 도전체를 포함하는 EMI 스캐닝 프로브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 기판은 제1 면과 제2 면을 가지며,
    상기 제2 면은 접지 전극으로, 상기 가변 커패시턴스 소자는 상기 접지 전극에 연결된 EMI 스캐닝 프로브.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가변 커패시턴스 소자의 커패시턴스는 외부에서 제공된 바이어스 신호에 의하여 제어되는 EMI 스캐닝 프로브.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가변 커패시턴스 소자 버랙터 다이오드인 EMI 스캐닝 프로브.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 EBG 소자는,
    적어도 500개의 PTH 들을 포함하는 EMI 스캐닝 프로브.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 EMI 스캐닝 프로브는
    사각형의 각 꼭지점에 배치된 네 개의 루프 안테나를 포함하며,
    상기 EBG 소자는 두 개의 상기 루프 안테나 사이에 배치된 EMI 스캐닝 프로브.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 EBG 소자는 교차점에 중앙 그라운드가 형성된 EMI 스캐닝 프로브.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 기판은 제1 면과 제2 면을 가지며,
    상기 제2 면은 접지 전극이고,
    상기 제2 면 중 일부는 패턴된 아일랜드 전극을 포함하며,
    상기 아일랜드 전극은 상기 가변 커패시턴스 소자에 바이어스를 제공하는 EMI 스캐닝 프로브.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 기판의 상대 유전율(εr)은 3.0 이상인 EMI 스캐닝 프로브.

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