[디지키 테크리포트] IoT 장치용 안테나 선택과 그 적용 방법은?

[테크월드뉴스=이광재 기자] 사물인터넷(IoT) 장치의 확산이 점점 더 빨라짐에 따라 혁신적인 최종 제품의 설계에 많은 영감이 되고 있다.

하지만 설계자는 하드웨어와 소프트웨어에 아무리 많은 창의력과 노력을 쏟더라도 중추적인 역할을 하는 것은 안테나라는 것을 기억해야 한다.

안테나가 제대로 작동하지 않으면 제품 성능이 심각하게 저하된다.

안테나는 장치와 무선 네트워크를 연결하는 인터페이스이므로 IoT 장치 설계 공정의 중요한 부분이다.

안테나는 송신기에서 전기 에너지를 전자기 무선 주파수(RF) 전파로 변환하고 수신기에서 수신 RF 신호를 전기 에너지로 변환한다. 설계자는 주요 엔지니어링 파라미터를 충족하는 안테나를 선택해 응용 제품의 성능을 최적화할 수 있다.

하지만 많은 옵션과 고려 사항으로 인해 설계 주기가 지연되고 비용이 많이 들 수 있다.

이 기사에서는 무선 IoT 장치에서 안테나의 역할을 요약하고 안테나 선택에 영향을 미치는 핵심 설계 기준에 대해 간략하게 설명한다. 그런 다음 암페놀(Amphenol)의 안테나를 예로 들어 BLE(Bluetooth Low Energy) 또는 와이파이 센서, GNSS 위성 위치 추적 기능이 있는 IoT 자산 추적기, 와이파이 액세스 포인트(AP) 및 로라(LoRa) IoT 장치에 적합한 선택 옵션을 살펴보자.

규격서 해석

안테나의 최종 성능은 마운트 위치, 임피던스 정합 회로망 설계 등 엔지니어링 결정에 따라 달라진다. 따라서 안테나를 제대로 구현하려면 규격서를 면밀히 검토해야 한다. 주요 파라미터는 다음과 같다.

방사 패턴= 안테나가 3D 공간에서 무선 에너지를 방출(또는 흡수)하는 방식을 그래픽으로 정의한다(그림1).

최대 전력 전송= 안테나와 수신기 간의 전력 전송은 전송 라인 임피던스(Z₀)가 안테나 임피던스(Z_a)와 일치할 때 양호하게 이뤄진다. 임피던스 정합이 불량하면 반사 손실(RL)이 증가한다.

전압 정재파비(VSWR)는 전송 라인과 안테나 사이의 임피던스 정합을 나타낸다(표1). VSWR 값이 높으면 큰 전력 손실이 발생한다. 일반적으로 IoT 제품에는 2 미만의 VSWR이 허용된다.

주파수 응답= 반사 손실(RL)은 무선 주파수에 따라 달라진다. 설계자는 규격서에서 안테나의 주파수 응답을 확인해 의도한 작동 주파수에서 RL이 최소화되는지 확인해야 한다(그림2).

방향성= 안테나 방사 패턴의 방향적 특성을 측정한다. 최대 방향성은 D_max로 정의된다.

효율(η)= 총 복사 전력(TRP 또는 P_rad)과 입력 전력(P_in)의 비율은 η=(P_rad/P_in)×100% 수식으로 계산한다.

이득= 피크 방사 방향으로 전송되는 전력의 양을 설명한다. 일반적으로 dBi로 지정된 등방성 안테나에 쓰이며 Gain_max=η×D_max 수식으로 계산된다.

성능 향상

성능이 좋지 않은 안테나를 사용하면 송신기에서 방사 에너지로 변환되는 전력량과 수신기의 수신 RF 신호에서 수확되는 에너지의 양이 제한된다. 양쪽 끝의 성능이 좋지 않으면 무선 링크의 범위가 줄어든다.

안테나의 성능에 영향을 미치는 주요 요인은 ‘임피던스’다. 안테나의 임피던스(입력 전압 및 전류와 관련됨)와 안테나를 구동하는 전압 소스의 임피던스가 크게 차이나는 경우 에너지가 제대로 전송되지 않는다.

잘 설계된 임피던스 정합 회로를 사용하면 송신기 전원의 임피던스를 안테나의 임피던스와 일치시켜 VSWR과 후속 전력 손실을 최소화할 수 있다. 저전력 IoT 제품의 임피던스는 일반적으로 50Ω다.

안테나의 위치는 최종 제품의 송신 전력과 수신 감도에도 큰 영향을 미친다. 내부 안테나의 경우 설계 지침에 따라 IoT 장치 상단의 인쇄 회로(PC) 기판 가장자리에 배치하되 작동 중 전자파 장해(EMI)를 발생시킬 수 있는 다른 부품으로부터 최대한 멀리 배치하는 것이 좋다.

임피던스 정합 부품은 필요시 안테나에 근접 배치되므로 예외다. 정해진 공간거리 영역 내에서 구리 도체는 안테나와 나머지 회로망을 연결하는 PC 기판 패드 및 트레이스만 있어야 한다(그림3).

안테나 유형

안테나를 지정하는 것은 IoT 장치 설계 공정의 중요한 부분이다. 안테나는 대상 무선 인터페이스의 RF 대역에 최적화돼야 한다(예: 450MHz~2200MHz의 다중 대역을 위한 NB-IoT, 902MHz~928MHz용 로라(북미 지역), 2.4GHz 및 5GHz용 와이파이, 2.4GHz용 BLE).

안테나에는 다양한 전기적 개념이 사용된다. 예를 들면 단극, 쌍극, 루프, IFA(Inverted F Antenna), PIFA(Planar Inverted-F Antenna) 등이 있다. 안테나마다 적합한 응용 분야가 있다.

단일 종단 및 차동 안테나도 있다. 단일 종단 유형은 불균형한 반면 차동 안테나는 균형 잡혀 있다. 단일 종단 안테나는 접지를 기준으로 신호를 수신하거나 송신하며 특성 입력 임피던스는 일반적으로 50Ω다.

하지만 많은 RF IC에는 차동 RF 포트가 있으므로 단일 종단 안테나를 사용하는 경우 보통 변환 네트워크가 필요하다. 이 발룬 네트워크는 균형된 신호를 불균형 신호로 변환한다.

차동 안테나는 각각 자체 도체에서 2개의 보완적인 신호를 사용해 전송한다. 균형 잡혀 있으므로 차동 RF 포트가 있는 RF IC와 함께 안테나를 사용할 경우 발룬이 필요하지 않다.

마지막으로 안테나는 PC 기판, 칩 또는 패치, 외부 휩, 전선 등 여러 가지 폼팩터로 제공된다. [그림4]는 몇 가지 샘플 응용 제품을 보여준다.

응용 제품에 맞는 안테나 선택

응용 제품과 제품 폼팩터에 따라 안테나가 최종 선택된다. 예를 들어 IoT 제품에 공간 제약이 있는 경우 PC 기판 안테나를 PC 기판 회로망에 직접 통합할 수 있다.

PC 기판 안테나는 조명, 온도 조절기, 보안 시스템을 포함한 스마트홈 장치의 BLE 또는 와이파이 센서와 같은 2.4GHz 응용 제품에 적합하며 로우 프로파일 아키텍처에서 안정적인 RF 성능을 제공한다.

하지만 PC 기판 안테나는 설계가 까다롭다. 대안으로 상용 벤더의 PC 기판 안테나를 공급받는 방법도 있다. 그런 다음 접착식 지지체를 사용해 PC 기판에 부착할 수 있다.

PC 기판 안테나의 예로는 암페놀의 ST0224-10-401-A 와이파이 PC 기판 트레이스 RF 안테나가 있다.

ST0224-10-401-A는 2.4GHz~2.5GHz 및 5.15GHz~5.85GHz 대역에서 전방향성 방사 패턴을 제공한다. 크기는 30㎜×10㎜×0.2㎜이며 임피던스는 50Ω다. 두 주파수 범위 모두에서 RL은 -10dB 미만이고 피크 이득은 2.4GHz 대역에서는 2.1dBi(dB relative to isotropic), 5GHz 대역에서는 3.1dBi다. 효율성은 각각 77%와 71%다(그림5).

공간 제약이 있는 IoT 제품을 위한 또 다른 옵션은 칩 안테나다. 칩 안테나는 콤팩트하며 자동화 장비는 이를 PC 기판에 직접 마운트할 수 있다. 칩 안테나는 BLE 또는 와이파이 기반의 무선 IoT 응용 제품에 적합하다. 칩 안테나의 주요 장점은 공간 절약, 제조 비용 절감, 설계 공정 간소화다.

앞서 설명한 바와 같이 칩 안테나의 성능은 PC 기판 레이아웃, 주변 부품과 같은 요소의 영향을 받지만 안테나 기술의 발전으로 매우 효율적인 장치가 탄생했다. 칩 안테나는 스마트폰, 태블릿, 스마트홈 시스템, 산업용 센서 등 다양한 응용 분야에 적합하다.

예를 들어 2.4GHz PC 기판 표면 마운트 칩 안테나인 암페놀의 ST0147-00-011-A가 있다.

ST0147-00-011-A는 2.4GHz~2.5GHz 주파수 대역에서 전방향성 방사 패턴을 제공한다(그림6).

크기는 3.05㎜×1.6㎜×0.55㎜이며 임피던스는 50Ω다. RL은 -7dB 미만이고 피크 이득은 3.7dBi이며 평균 효율은 80%다.

패치 안테나는 PC 기판 안테나와 마찬가지로 콤팩트하며 PC 기판에 직접 부착할 수 있다. 일반적으로 위성 항법 시스템(GNSS) 기능이 있는 자산 추적기 또는 기타 장치용 안테나와 같은 응용 제품에 사용된다. GNSS 패치 안테나는 유전체 기판 위의 패치 소자로 구성된다. 안테나의 효율이 높아 여러 위성의 약한 GNSS 신호를 포착할 수 있다.

예를 들어 1.575GHz 및 1.602GHz 주파수 대역에서 작동하는 암페놀의 ST0543-00-N04-U 수동 소자 GNSS 패치 안테나가 있다. 크기는 18㎜×18㎜×4㎜이며 임피던스는 50Ω다.

두 주파수 범위 모두에서 RL은 -10dB 미만이고 피크 이득은 1.575GHz 대역에서는 -0.5dBi(dB relative to isotropic), 1.602GHz 대역에서는 1.0dBi다. 효율성은 각각 80%와 82%다.

와이파이 AP의 안테나와 같은 외부 휩 안테나는 무선 작동을 최적화하기 위해 IoT 장치 외부에 마운트된다. 외부 휩 안테나는 신호 범위를 확장하고 신호 품질을 개선하며 장애물이나 전파 방해를 극복한다.

집안의 벽, 천장, 가구 등으로 인해 신호가 약해지거나 방해받는 환경에서 유용하다. SMA, RP-SMA, N-타입과 같은 표준 RF 인터페이스 연결을 갖춘 직선 및 회전식 휩 설계를 사용할 수 있다.

예를 들어 암페놀의 ST0226-30-002-A 2.4GHz 및 5GHz SMA RF 스틱 안테나가 있다. ST0226-30-002-A는 와이파이 AP 및 셋톱 박스(STB)에 적합한 솔루션이다. 2.4GHz~2.5GHz 및 5.15GHz~5.85GHz 주파수 대역에서 전방향성 방사 패턴을 제공한다.

지름은 88㎜×7.9㎜이며 임피던스는 50Ω다. 두 주파수 범위 모두에서 RL은 -10dB 미만이고 피크 이득은 2.4GHz 대역에서는 3.0dBi, 5GHz 대역에서는 3.4dBi다. 효율성은 각각 86%와 75%다. SMA 또는 RP-SMA 플러그 커넥터와 함께 사용할 수 있다(그림7).

나선형 전선 안테나는 868MHz 주파수 대역에서 작동하는 로라 IoT 장치와 같은 GHz 미만 응용 제품을 위한 저렴하고 간단한 옵션이다.

일반적으로 PC 기판에 직접 납땜되며 우수한 성능을 제공한다. 하지만 저주파수에서 작동할 때 다루기 어려우며 다른 안테나 대안에 비해 상대적으로 효율이 낮다는 점과 같은 단점이 몇 가지 있다.

예를 들어 암페놀의 ST0686-10-N01-U 862MHz RF 안테나가 있다(그림8). 이 나선형 전선 안테나는 862MHz~874MHz 주파수 대역에서 작동하며 임피던스는 50Ω다. 최대 38.8㎜ 높이의 스루홀 납땜 마운트가 특징이다. RL은 -9.5dB 미만이고 피크 이득은 2.5dBi이며 평균 효율은 58%다.

결론

무선 IoT 장치의 무선 성능은 선택된 안테나에 따라 달라지므로 설계자는 다양한 공급업체(예: 암페놀)의 다양한 안테나 설계 중에서 응용 분야에 가장 적합한 안테나를 신중하게 선택해야 한다. 규격서는 선택시 매우 중요하지만 정해진 설계 지침을 따르면 최상의 무선 성능을 보장할 수 있다.원문은

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