Ⅰ. 서 론
스마트폰과 같은 모바일 기기들은 작은 인쇄회로기판(Printed Circuit Board: PCB)에 고속으로 동작하는 디지털 부품들과 안테나와 같은 RF 부품들이 집적되어 있기 때문에, 원치 않는 전자기장의 간섭(Electromagnetic Interference: EMI)이 빈번히 발생한다. 이를 해결하기 위해서 소형 금속 캔을 이용하여 대부분의 부품을 차폐하게 된다. 하지만 제조공정상의 이유로 금속 캔 윗면에는 개구부나 슬롯이 존재할 수 있으며, PCB에 금속 캔을 접지하는 패드(pad)와 패드 사이에 틈(seam)이 존재할 수도 있다. 이러한 개구부와 틈으로 금속 캔 내부의 IC에서 발생한 전자기장이 누설되게 된다. 누설된 전자기장은 인근에 놓인 안테나에 간섭을 일으켜 RF 신호의 수신감도를 떨어뜨리는 문제를 발생시킨다[1],[2]. 따라서 이러한 EMI 문제를 해결하기 위해서는 금속 캔의 개구부나 틈으로부터 누설되는 전자기장의 특성을 분석하고, 그 분석결과를 토대로 금속 캔의 설계를 개선하는 것이 필요하다.
본 논문에서는 모바일 기기용 소형 금속 캔으로부터 발생하는 전자기장의 누설 경로를 시뮬레이션을 통해 확인하고, IC-stripline 방법을 이용하여 전기장 및 자기장에 대한 근접장 결합(coupling) 현상을 분석하였다. 본 논문에서 제시된 결과들은 향후 금속 캔 설계 및 모바일 기기의 EMI 설계 시 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
Ⅱ. IC-Stripline을 이용한 근접장 결합 분석
그림 1은 실제 스마트폰에서 사용되는 소형 금속 캔 및 그 구성, 그리고 전자기장 누설 현상에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 금속 캔 내부에 존재하는 IC와 같은 전자기 소스에 의해 발생한 전자기장은 크게 두 경로를 통해 금속 캔 밖으로 누설된다. 첫 번째는 윗면에 존재하는 개구부를 통한 누설이고, 두 번째는 금속 캔 측면의 금속 캔과 PCB 접지면 사이에 존재하는 틈(seam)을 통한 누설이다. 이렇게 누설된 근역 전자기장은 인근의 다른 부품이나 안테나에 노이즈 간섭을 일으키게 된다. 본 논문에서는 이 두 경로에서 누설되는 전자기장을 IC-stripline 방법[3]을 이용하여 각각 그 전자기적 특성을 분석하였다.
그림 2는 IC-stripline을 이용한 3-포트 S-parameter 측정을 통해 DUT(Device Under Test)로부터 발생하는 근역 전자기장 결합 원리를 보여준다. DUT로부터 발생하는 전기장은 DUT와 IC-stripline 간의 capacitive 결합으로 측정되며, 포트 1과 포트 2에서의 전압들은 동위상을 가진다. 자기장의 경우는 DUT와 IC-stripline 간의 inductive 결합으로 측정되며, 포트 1과 포트 2에서의 전압의 위상은 180도 차이가 난다. 이러한 원리를 이용하면 3-포트 측정을 통해서 DUT로부터 나오는 전기장과 자기장 결합을 분리하여 측정할 수 있으며[4], 다음과 같은 수식으로 표현할 수 있다.
그림 3에서는 설계한 IC-stripline의 VSWR 특성을 보여주며, 4.7 GHz까지 VSWR < 1.25를 만족한다. 이는 국제표준[3]에서 제시한 3 GHz 기준을 충분히 만족한다.
Ⅲ. 금속 캔의 전기장 및 자기장 결합 특성
본 절에서는 설계된 IC-stripline을 이용하여 금속 캔의전자기적 결합 특성을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 그림 4는 금속 캔 내부의 전자기 소스원으로 사용된 패치 소스와 루프 소스를 보여준다. 패치 소스는 전기장 발생 소스로, 루프 소스는 자기장 발생 소스로 사용된다. 그림 5에서는 IC-stripline을 이용하여 두 소스로부터 발생하는 전기장 결합과 자기장 결합 특성을 분석하였다. 패치 소스의 경우에는 공진주파수를 제외한 전 주파수 대역에서 전기장 결합이 자기장 결합보다 훨씬 우세함을 알 수 있다. 루프 소스의 경우에는 4.5 GHz까지는 자기장 결합이 전기장 결합보다 우세하지만, 그 이상의 주파수 대역에서는 전기장 결합이 우세함을 알 수 있다. 이는 루프가 유한 한 폭(1.9 mm)을 가지므로 주파수가 커질수록 전기장에 의한 capacitive 결합이 증가하기 때문이다.
그림 6에서는 본 연구에서 사용된 두 종류의 금속 캔 구조를 보여준다. Can #1은 직격이 4.4 mm인 하나의 큰 원형 개구부를 가지는 금속 캔이고, Can #2는 직경이 1.6 mm인 네 개의 작은 원형 개구부를 가지는 금속 캔이다. 금속 캔들은 측면으로 누설되는 전자기장이 발생하지 않도록 PCB에 틈이 없이 완전히 접지되어 있다.
그림 7은 IC-stripline을 이용하여 두 금속 캔으로부터 누설되는 전자기장의 특성을 분석한 결과를 보여준다. Can #1이 Can #2보다 개구부가 크기 때문에 높은 전기장과 자기장 결합을 가짐을 알 수 있다. Can #1의 경우만 보면 공진주파수를 제외한 대부분의 주파수 대역에서 자기장 결합이 전기장 결합보다 10 dB 정도 높게 나온다. 개구부의 크기가 작아지면(Can #1 → Can #2), 전기장 결합의 감소량보다 자기장 결합의 감소량이 더 큼을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 금속 캔의 윗면에 존재하는 개구부에 의한 전자기장 누설은 주로 자기장이 지배적임을 알 수 있다. 이는 금속 캔 내에 자기장이 윗면 개구부에 접선방향으로 발생하기 때문이다. 따라서 개구부의 크기를 줄여주면 자기장 결합이 주로 감소하게 되는 것이다.
마지막으로 Can #2를 이용하여 측면으로부터 누설되 는 전자기장의 특성을 분석하였다. 그림 8에서는 금속 캔과 PCB 사이에 0.02 mm의 틈을 가지고, 네 개 또는 여덟 개의 접지 패드를 가지는 구조를 보여준다. 그림 9에서는 IC-stripline을 통해 전자기장 결합을 분석한 결과를 보여준다. 우선 그림 7의 금속 캔이 완전 접지된 경우와 비교하면, 전기장과 자기장 결합이 모두 크게 증가하였음을 알 수 있다. 또한 주파수가 금속 캔의 첫 번째 공진주파수까지 증가함에 따라 전기장 결합이 크게 증가함을 알 수 있다. 그림 9에서 접지 패드가 많아지면 측면으로부터 누설되는 전자기장이 줄어들어 전기장과 자기장 결합이 모두 줄어들며, 특히 전기장이 더 크게 감소함을 알 수 있다. 따라서 금속 캔과 PCB 사이의 측면 틈에 의해서 누설되는 전자기장의 경우 전기장이 우세함을 알 수 있다(f > 3 GHz). 이는 금속 캔 내부의 전기장이 주로 PCB면에 법선방향으로 발생하기 때문에, 금속 캔 윗면의 개구부보다는 측면의 작은 틈으로 잘 누설된다. 따라서 금속 캔의 접지를 보완해 주면 전기장 결합이 많이 감소하게 된다.
