성능 수준

고속 데이터 전송 – Cat-6, Cat-9, Cat-12: 고출력, 고속 데이터 전송 장치, 소비자용 모바일 장치, 기지국 및 중계기에 사용됨

저속 데이터 전송 – Cat M1, NB-IoT, LTE-M: 저전력 IoT 또는 모바일 장치(예: 스마트 미터, 센서 노드, 분산형 기계 통신과 같은 저출력 IoT 또는 모바일 장치에 일반적으로 사용됨

출처: u-blox

가입자 식별 모듈(SIM) 카드 및 데이터 요금제

셀룰러 데이터를 위한 선불 및 월정액 요금제를 사용할 수 있습니다.

셀룰러 SIM 카드 및 데이터 요금제

안테나

재고로 보유한 안테나 중에서 선택하거나 Taoglas의 안테나 빌더를 통해 맞춤형 안테나를 제작할 수도 있습니다.

기성 셀룰러 안테나

맞춤형 안테나 빌더

트랜시버, 게이트웨이, 라우터

이러한 장치는 데이터 전송을 조율하고 네트워크에서 데이터가 전송되는 방식을 결정합니다.

셀룰러 게이트웨이 및 라우터

셀룰러 트랜시버 모듈 및 모뎀

WPAN(무선 개인 통신망)

• Bluetooth는 Bluetooth Low Energy(BLE)라고 명시되지 않는 한 Bluetooth Classic이라고도 부르는 초기 버전을 의미합니다. Bluetooth Classic은 짧은 거리에서 데이터를 전송하기 위한 단거리 무선 표준입니다.
• BLE(Bluetooth Low Energy)는 저전력 사용에 최적화된 기술로, 피트니스 트래커와 의료 기기 같은 전력 요구량이 낮고 소형 배터리를 사용하는 장치에서 가장 많이 사용됩니다.
• IR-UWB(임펄스 무선 초광대역)는 고주파, 광대역 전송을 사용하는 무선 기술입니다. 이 기술은 3.1GHz~ 10.6GHz의 주파수 범위에서 작동하지만 각각의 무선 채널은 500MHz의 대역폭을 가질 수 있습니다. 전송 시간은 매우 짧으며, 레이더 원리를 사용하여 위치 및 거리 측정 센서로도 활용됩니다.
• Zigbee는 IEEE 802.15.4 표준을 기반으로 하는 2.4GHz 메시 네트워크로 소규모 개인 통신망을 형성합니다. Bluetooth나 Wi-Fi 같은 다른 옵션처럼 복잡하거나 비용이 많이 들지는 않지만 통신 범위가 더 좁은 편입니다. 홈 오토메이션, IoT 장치 및 심지어 일부 산업용 자동화 네트워크와 같은 저전력 및 저속 데이터 전송 장치에서 일반적으로 사용됩니다.
• Z-wave는 홈 오토메이션 및 스마트 장치를 위한 또 다른 무선 프로토콜로, 데이터 전송 속도와 전력 요구량이 낮은 홈 오토메이션 장치에 사용되는 서브기가 메시 네트워킹 프로토콜입니다. Z-wave는 Silicon Labs가 소유하고 개발하고 있습니다.
• 6LoWPAN('IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks'의 약어)은 네트워킹 성능 및 기능 향상을 위해 무선 네트워크 상에서 IP(인터넷 프로토콜) 버전 6을 사용할 수 있도록 지원하는 무선 네트워크 프로토콜입니다. 다른 옵션에 비해 더 복잡하기는 하지만 통신에 개방형 IP 표준을 사용할 수 있습니다.
• Thread는 6LoWPAN 및 802.15.4를 기반으로 합니다. Thread는 IoT(사물 인터넷) 제품을 위한 저전력 메시 네트워킹 프로토콜로 사용할 수 있습니다. 대개 Matter와 함께 사용됩니다.

WLAN(무선 근거리 통신망)

• Wi-Fi는 가장 널리 보급 및 사용되는 무선 프로토콜 중 하나이며 IoT 장치, 저전력 응용 제품, 단거리 고속 데이터 전송 장치에 대한 기능 및 주파수 범위를 확장하고 있어 스마트 장치에 매우 널리 통합되고 있습니다.

셀룰러

• 고속 데이터 전송 셀룰러(흔히 4G로 알려짐)는 고속 데이터 전송 및 고속 무선 전송에 적합하며 전송에 필요한 전력이 더 높지만, IoT 및 기계 간 통신을 위해 설계된 저전력 변형 기술들도 존재합니다.
• 5G RedCap(Reduced Capacity의 약어)은 고전력, 고속 데이터 네트워킹 애플케이션과 저전력, 저속 데이터 IoT 애플리케이션 사이의 중간 지점 역할을 수행하도록 설계된 5G 기반의 무선 표준입니다. 5G RedCap은 전체 5G 하드웨어 표준과 비교하여 좁은 대역폭, 안테나 수 감소, 송신기 전력 감소 등 여러 차이점이 있습니다. 전력 소비와 하드웨어 요구 사항 감소라는 이점이 있어 웨어러블 장치, IoT, 스마트 시티에 적합합니다.

LPWAN(저전력 광역 통신망)

• LoRa('Long Range(장거리)'에서 유래됨) – SemTech에서 개발된 독점적 확산 스펙트럼 변조 방식입니다. 통신 거리는 최대 5km(3마일)로 길고 데이터 전송률은 최대 1kpbs로 낮습니다. 고정된 채널 대역폭 내에서 데이터 전송률을 낮춰 감도를 높입니다. 가변 데이터 전송률을 지원하므로 시스템 설계자는 통신 범위 또는 출력에 따라 데이터 전송률을 조절할 수 있습니다.
• NB-IoT(Cat-NB1이라고도 함) – 기존 셀룰러 LTE 물리 계층을 사용하지 않지만 기존 LTE 장치와 공존할 수 있도록 설계되었으며 일부 동일한 주파수 대역을 사용하는 협대역 기술 표준입니다. 데이터 전송률은 낮고 통신 범위는 길어야 하는 고정형 및 저전력 애플리케이션에 적합합니다.
• LTE-M(Cat-M1이라고도 함) – 중간 수준의 데이터 전송률을 필요로 하는 저전력 셀룰러 애플리케이션을 위해 설계되었습니다. 일반 LTE 보다 대역폭이 좁아서 통신 범위는 넓지만 데이터 전송률은 낮습니다. LTE-M은 출력이 낮고, 지연 시간이 짧으며, 이동성이 필요한 중간 정도 전송률의 애플리케이션에 적합합니다.
• Wi-Fi HaLow™ – 1GHz 대역 미만에서 작동하는 IEEE 802.11ah 무선 표준을 기반으로 하는 Wi-Fi 인증 제품에 부여되는 명칭입니다. 따라서 기존 Wi-Fi에 비해 통신 범위는 더 길고 전력 소비는 더 낮습니다. 보안성 및 구축 용이성 같은 Wi-Fi 네트워킹의 모든 기능을 동일하게 유지하면서 1GHz 이하의 주파수 대역으로 긴 거리에 걸쳐 전송할 수 있으므로 최신 IoT 및 다른 장거리 응용 제품에 적합합니다.
• Dect NR+ – 라이선스가 필요 없는 비셀룰러 메시 네트워킹 무선 표준으로 매우 짧은 지연 시간과 소량의 데이터 처리량이 요구되는 대규모 기계 간 통신을 위해 설계되었습니다. 전 세계적으로 라이선스가 면제된 1.9GHz 주파수 대역에서 작동하기 때문에 기지국이나 타워 같은 기존 셀룰러 인프라가 필요 없으므로 통신 사업자 없이도 사용자가 자체 사설 네트워크를 운영할 수 있어 구축 비용을 크게 절감할 수 있습니다.

GNSS(세계 위성 항법 시스템)

GNSS(세계 위성 항법 시스템)는 지구 궤도를 선회하는 위성 시스템으로 지상의 수신 장치에 위치 및 시간 데이터를 전송합니다. 송신 위성의 위치와 신호 전송 시간을 디코딩하면 수신 장치의 정확한 위치를 찾을 수 있습니다. GNSS가 일반적인 명칭이지만 전 세계 각국에서 다양한 시스템과 보정 시스템을 운영하고 있습니다. 가장 널리 알려지고 사용되는 시스템에는 다음이 포함됩니다.

• GPS(위성 위치 확인 시스템)는 미국의 시스템입니다.
• GLONASS는 러시아의 시스템입니다.
• Bei Dou는 중국의 시스템입니다.
• Galileo는 유럽 연합의 시스템입니다.

인증 및 테스트

무선 전자기 스펙트럼을 공정하고 책임감 있게 사용하는 것은 안전성 및 경제적 사용 모두에 중요한 요소이며 각국의 정부는 새롭게 설계된 제품이 대중에게 판매되기 전에 엄격한 규정 준수 및 인증을 요구합니다. 미국의 경우 FCC(연방 통신 위원회)는 장치가 EMC(전자파 적합성) 표준을 충족하는지 즉, 제품이 간섭을 일으키지 않고 다른 전자 부품의 내부/주변에서 올바르게 작동할 수 있는지 테스트하고 인증할 책임이 있습니다.

간섭 처리

외부 간섭원으로부터의 간섭을 제거하거나 줄일 수 있는 방법에는 여러 가지가 있습니다.

차폐: RF 실드 및 RF 개스킷은 인클로저가 RFI 및 EMI 침입으로부터 완전히 보호되도록 보장할 수 있습니다.

RF 실드 – 외부 간섭을 줄이거나 전파 방사가 누출되는 것을 방지하는 가장 일반적인 방법 중 하나가 RF 실드를 사용하는 것입니다. RF 실드의 목적은 RF 증폭기와 같이 간섭에 가장 취약한 부품을 간섭 신호로부터 차단하거나 간섭 신호를 흘려보내는 것입니다.

RFI 및 EMI – 접점, 핑거스톡, 개스킷 – 외부 인클로저의 틈을 밀봉할 수 있는 폼 개스킷이 포함됩니다.

RFI 및 EMI – 차폐 및 흡수 재료 – 간섭 신호를 반사하거나 흡수할 수 있는 소재로 된 시트 또는 롤이 포함됩니다.

지향성 안테나: 원하지 않는 방향으로 EMI가 퍼지는 것을 정교하게 조절하고 제한할 수 있습니다.

지향성 안테나 – 지향성 안테나는 외부 신호원으로부터의 간섭을 줄일 수 있는 또 다른 방법입니다. 특정 방향에서의 수신만 허용함으로써 전송 경로 상의 원치 않는 신호원을 걸러낼 수 있습니다. 그러나 이 안테나는 크기가 크기 때문에 수신 방향을 예측할 수 있는 고정형 설치에 더 적합합니다.

트랜시버의 폼 팩터

IC(집적 회로) – 무선 신호를 만들고 분석하는 데 필요한 회로를 포함하고 있습니다. 그러나 IC에 불과하기 때문에, 신호를 전송하기 위해서는 회로 기판을 설계하고 조립해야 합니다.

모듈 및 모뎀 – 무선 설계에 집적할 수 있는 패키지입니다. 일부 모듈에는 RF 차폐 및 전력 관리 기능이 집적되어 있어 추가 설계 작업을 줄일 수 있습니다.

트랜시버 완제품 – 무선 네트워크를 빠르게 구축하기 위해 즉시 사용할 수 있는 장치 및 유닛입니다. 전원을 켜서 네트워크에 연결만 하면 되는 이 완제품은, 무선 네트워크 구축 시 추측이 필요하지 않으며, 센서 연결이나 데이터 링크 설정 시에는 플러그 앤 플레이 방식으로 손쉽게 운용할 수 있습니다.

개발 기판 및 키트 – 실험 및 시제품 제작을 위한 도구로, RF 개발 세계에 입문하려는 메이커들에게 가장 좋은 도구입니다. DigiKey는 세계에서 가장 유명한 제조업체 및 공급업체의 제품을 보유하고 있으며, 모든 주파수, 무선 대역, 응용 제품을 아우르는 제품을 제공합니다. DigiKey에서 여러분의 아이디어를 실험하고, 시제품 제작부터 생산 단계로 발전시키는 데 필요한 모든 것을 찾아보세요.

안테나 통합

안테나를 설계에 통합하는 작업은 힘든 일일 수 있으며 설계의 여러 요인에 따라 달라질 수 있습니다. 여기서 모든 요인을 다룰 수는 없지만 아래 나열된 항목으로 시작해 보세요. 일반적으로 금속을 많이 사용해 안테나가 클수록 제대로 매칭이 되면 안테나 성능이 향상됩니다.

외부 안테나

외부 안테나를 사용하여 설계할 때 고려해야 하는 사항은 내장형 또는 내부 안테나를 사용하여 설계하는 경우와 일부 다를 수 있습니다. 더 나은 전송 지점에 설치하기 위해 더 긴 케이블이 필요할 수 있습니다. 케이블과 커넥터를 사용하면 신호 체인에 손실이 발생하므로 이러한 손실이 설계 성능에 큰 영향을 미치지 않도록 계획을 세워야 합니다. 외부 안테나는 이득이 더 높을 수 있으며, 이로 인해 설계가 인증 기준의 허용 범위를 벗어날 수 있기 때문에 주의해야 합니다. 안테나의 위치, 배치, 방향과 사용되는 케이블 유형은 외부 안테나 성능의 핵심 요소입니다.

내부 안테나

내부 또는 내장형 안테나는 대개 크기 제한이 있는 경우에 선택되며 이는 안테나의 성능이 외부 안테나에 비해 떨어지는 경우가 많다는 것을 의미합니다. 따라서 내장형 안테나를 최대한으로 활용하려면 설계가 매우 중요합니다. 내부 안테나의 경우 크기와 배치에 따라 사용할 안테나가 결정되기 때문에 이를 가장 먼저 고려해야 합니다. 장치가 금속 박스 내부에 있다면 내부 안테나는 거의 동작하지 않을 가능성이 큽니다. 안테나를 PCB 상에 배치하는 경우에는 선택한 안테나에 필요한 접지 면적 또는 부품과의 이격을 확인해야 합니다. 일부 안테나는 접지면 위에 설치할 수 있도록 설계되기도 하지만, 다른 안테나는 효과적인 동작을 위해 접지와 일정한 간격이 필요할 수도 있습니다.

안테나 용어

• 이득 – 안테나가 특정 방향으로 얼마나 효율적으로 전력을 전송하는지를 나타냅니다. 안테나 규격서에서 피크 이득, 평균 이득 또는 둘 모두로 표시됩니다.
• 안테나 효율 – 안테나 단자에 공급된 전력 대비 방사된 전력의 비율입니다. 효율이 높을수록 해당 주파수에서 안테나 성능이 더 좋습니다.
• VSWR(정재파비) – 송신원에서 전송선로를 거쳐 안테나(부하)로 전력이 얼마나 효율적으로 전송되는지를 나타냅니다. VSWR은 출력 전력에 대한 입력 전력의 비율로 측정되며, VSWR이 2:1 미만이면 매칭은 양호한 편이며, VSWR이 높을수록 임피던스 불일치가 심합니다.
• 안테나 임피던스 – 전압이 가해졌을 때 전류가 흐르기 어려운 정도를 나타냅니다. 안테나를 통해 전력을 효율적으로 전송하기 위해서는 송신원의 임피던스와 일치해야 합니다. 대부분의 무선 장비는 50옴의 임피던스로 제작되어 있습니다.

많이 사용되는 안테나 유형

세라믹 패치 – 더 넓은 주파수 대역을 지원하고, GPS에서 자주 사용됨

칩 – 실장 면적이 작으며, PCB에 직접 납땜 가능

휩 – FM 라디오에 사용되어 온 전통적인 안테나 설계지만 광범위하게 사용할 수 있음

평면 패치 – 휴대용 무선 장치에 일반적으로 사용됨

마이크로 스트립 계산기

IPC-2141 트레이스 임피던스 계산기는 사용자가 기본 파라미터를 입력하면 IPC-2141 표준에 따라 계산된 임피던스를 구할 수 있어서 초기 설계를 보다 쉽게 할 수 있습니다. 이 계산기가 기준치를 제공하기는 하지만, 최종 설계 시에는 손실, 분산, 동박 거칠기, 위상 변화 등을 고려해야 합니다. 최종 회로 분석에는 전자기장 분석 도구가 필요할 수도 있습니다.

dBm - 와트 변환기

dBm - 와트 변환기는 전력 측정값을 데시벨 밀리와트(dBmW)와 와트(W) 단위 간에 변환합니다.

일반적인 RF 커넥터

SMA (서브미니어처 버전 A) – 일반적으로 주파수 범위는 최대 12GHz까지지만, SMA 커넥터 파생품은 최대 18GHz 및 그 이상도 가능합니다. 이러한 소형 고주파 응용 분야 중 소비자용 무선 제품에 SMA 커넥터가 주로 사용되며, 그 중 가장 유명한 것은 Wi-Fi 라우터 안테나에 사용되는 RP-SMA 커넥터입니다.

N형 - Bell Labs의 발명가 Phul Neill의 이름을 따서 명명된 N형은 동축 케이블을 체결할 수 있도록 나사산이 적용된 RF 커넥터입니다. 최대 11GHz의 주파수 대역에서 작동하는 이 내후성 및 내구성이 뛰어난 커넥터는, 실외 사용 및 간편한 설치로 인해 도입 후 거의 80년 가까이 널리 사용되고 있는 낮은 주파수 대역의 응용 분야에 안성맞춤입니다. 사용 시 주의할 점은 50옴 및 75옴 버전 N형 커넥터는 서로 호환되지 않으며 서로 체결할 경우 손상을 줄 수 있다는 것입니다.

BNC - 트위스트 방식으로 빠른 연결이 가능한 미니어처 RF 커넥터입니다. 원래는 1940년대 군사용 무선 장비를 위해 제작된 BNC 커넥터는 RF 테스트 장비와 가전(예: 비디오)에 널리 사용되는 커넥터로 자리 잡았습니다. 통상적인 작동 주파수는 최대 4GHz이지만, 신호 저하를 감수한다면 최대 11GHZ도 가능합니다.

TNC - 나선형 Neill-Concelman(Threaded Neill-Concelman)의 약어로 BNC 커넥터의 나사형 버전입니다. 나사형 잠금 방식은 연결되는 양측을 보다 확실하고 안정적으로 연결할 수 있으며 최대 11GHz까지 동작합니다. 작은 크기와 내후성 덕분에 TNC는 레이더 및 항공 우주 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

MCX(마이크로 동축 커넥터) – SMB 커넥터와 내부 접점 및 절연체의 치수가 동일하지만 크기는 30% 더 작습니다. MCX는 유럽 CECC 22220에서 표준화되었습니다. 스냅온 방식을 사용하며 임피던스는 일반적으로 50Ω입니다. DC ~ 6GHz까지의 광대역 성능을 제공합니다.

MMCX(마이크로 미니어처 동축 커넥터) - MCX와 유사하지만 크기가 더 작습니다. MMCX 커넥터는 유럽 CECC 22000 사양을 준수합니다. MMCX는 빠른 분리가 가능한 잠금-스냅 방식을 사용하는 초소형 커넥터로 360도 회전이 가능하며 임피던스는 일반적으로 50Ω입니다. DC ~ 6GHz까지의 광대역 성능을 제공합니다.

RF 동축 케이블 조립품

RF 설계에 사용되는 가장 일반적인 케이블은 동축 케이블입니다.

동축 케이블에 연결된 일반적인 U.FL RF 커넥터

프런트 엔드 칩

프런트 엔드 솔루션은 아래의 '프런트 엔드 부품' 섹션에 나오는 여러 부품이 하나의 IC(집적 회로)에 집적된 경우가 많습니다.

최신 RF 회로는 대개 이와 같이 프런트 엔드 회로 부품들이 하나의 칩 패키지에 집적되어 있습니다.

프런트 엔드 부품

RF 프런트 엔드 부품에는 여러 다양한 단계가 있을 수 있지만 일반적으로 크게 다음과 같은 4개의 부품 그룹이 있습니다.

대역 통과 RF 필터는 수신 안테나로부터 들어오는 무선 신호를 받습니다. 이 필터의 역할은 필터 이후 단이 과부하 되지 않도록 원하는 신호는 통과시켜 처리를 하고 대역 외 신호는 제거하는 것입니다.

RF 증폭기(일반적으로 저잡음 증폭기라고 함)는 약한 신호를 증폭하는 데 사용됩니다.

국부 발진기의 신호는 고정 주파수이거나 튜닝이 가능할 수 있지만, 믹서단에 사용되기 때문에 안정성과 정확도가 매우 중요합니다.

믹서단에서는 대역 통과 필터를 거친 수신 신호와 국부 발진기의 신호가 혼합됩니다. 이 두 신호의 조합이 믹서의 출력 신호로, 신호의 처리, 필터링 및 추출을 더 쉽게 할 수 있습니다.

저잡음 증폭기(LNA 및 RF 회로 장치라고도 함)는 원치 않는 잡음 또는 간섭은 최대한 억제하면서 낮은 전력의 신호를 증폭하는 RF 회로 소자입니다. LNA는 증폭된 신호에 더해지는 간섭 신호의 크기가 최소화될 수 있도록 설계되었습니다.

전력 증폭기(PA라고도 함)는 낮은 전력의 RF 신호를 수신하여 안테나를 통해 송신할 수 있을 만큼의 고출력 신호로 증폭하는 증폭 회로의 한 유형입니다.

RF 스위치는 서로 다른 신호 경로 간에 RF 신호를 전환할 수 있는 소자입니다. 일반적인 전기 스위치처럼 RF 스위치도 서로 다른 경로 사이에서 스위칭할 수 있는 여러 다양한 구성으로 제공될 수 있습니다.

감쇠기

감쇠기는 감쇠기를 통과하는 신호의 진폭(또는 강도)을 감소시키는 RF 회로 부품입니다.

감쇠기는 감쇠기를 통과하는 신호의 진폭(또는 강도)을 감소시키는 RF 회로 부품입니다. 감쇠기는 신호 전력을 증가시키는 증폭기와 반대로 신호 전력을 감소시킵니다. 직관적이지 않을 수도 있지만, 신호 전력을 감소시키는 데에는 이유가 있습니다. 이러한 이유에는 신호 처리 단계 간 신호 세기의 매칭, 동적 범위 확장, 임피던스 매칭 및 신호 보정 등이 포함됩니다. 일반적으로 특정 주파수 범위의 신호 강도를 줄이는 RF 필터와 달리 감쇠기는 전체 주파수 스펙트럼 범위에 걸쳐 신호 세기를 줄입니다.

발룬

이 발룬 부품은 상단 덮개가 제거되어 있어 하나는 부유 상태이고 다른 하나는 접지되어 있는 두 개의 변압기 루프를 볼 수 있습니다.

발룬(BALanced-to-UNbalanced(평형-불평형)의 약자)은 평형 회로 또는 불평형 회로를 서로의 임피던스를 방해하지 않고 연결할 수 있도록 해주는 RF 회로 부품으로, 차동 신호를 단일 종단 신호로 변환하거나 그 반대로 변환할 수도 있습니다. 발룬은 불평형 쪽은 접지되고 변압기의 다른 쪽은 플로팅 상태인 두 개의 권선을 가진 단순한 변압기로 모델링할 수 있습니다.