광대역 안테나를 사용하여 레거시 및 5G 무선 IoT 네트워크를 모두 충족하는 방법

5G 기반 무선 링크는 눈에 잘 띄는 소비자용 스마트폰 외에도 사물 인터넷(IoT), 사물 지능 통신(MTM) 링크, 스마트 그리드, 자동판매기, 게이트웨이, 라우터, 보안, 원격 모니터링 연결과 같은 다양한 내장형 응용 제품을 다루고 있습니다. 그러나 5G로의 전환은 하루아침에 이루어지지 않습니다. 5G뿐만 아니라 5G가 확산되더라도 향후 몇 년 동안 유지될 레거시 2G, 3G, 여타 5G가 아닌 링크를 충족할 수 있는 무선 통신 링크에 프런트 엔드 안테나가 필요합니다.

이러한 이유로 엔지니어는 5G 표준을 지원할 뿐 아니라 여러 대역을 고려한 제품을 설계해야 합니다. 내부 RF 프런트 엔드 또는 전력 증폭기가 대역마다 다르겠지만 5G 및 레거시 대역을 모두 지원하는 단일 광대역 안테나를 사용하여 얻어지는 이점도 있습니다.

이 기사에서는 Abracon LLC의 실제 장치를 예로 들어 레거시 대역뿐만 아니라 저대역 5G 스펙트럼을 제공하는 광대역 안테나를 살펴봅니다. 덧붙여 이러한 유형의 안테나를 가시적인 외부 장치로 사용하든 내부 내장 장치로 사용하든 상관없이 설계를 용이하게 하고 부품 명세서(BOM)를 단순화하며 필요한 경우 5G로의 업그레이드할 수 있는 방법을 보여줍니다.

조정 대상 대역으로 시작

안테나는 RF 송신 신호 경로의 마지막 요소이며 상보적 수신기 경로의 첫 번째 요소입니다. 안테나의 기능은 전류와 전압의 회로 세계 그리고 복사 에너지와 전자기장의 RF 세계 사이에서 트랜스듀서가 되는 것입니다.

대상 응용 제품에 사용할 안테나를 선택할 때는 안테나가 사용되는 변조 유형이나 업계 표준과 관계없이 제 기능을 다 한다는 점을 유념해야 합니다. 중심 주파수, 대역폭, 이득, 정격 전력, 물리적 크기와 같은 안테나 선택에 사용되는 파라미터는 안테나가 진폭, 주파수 또는 위상 변조(AM, FM, PM) 신호 또는 3G, 4G, 5G, 심지어 독점 신호 형식에 사용되는지 여부와 상관 없습니다.

물론 5G 표준을 지원하는 새롭게 등장한 응용 제품용 시스템 설계, 특히 대부분의 5G가 사용하고 있는 6GHz 미만의 5G 대역용 설계는 상당한 주목을 받고 있습니다. 시스템이 지원하는 무선 표준과 안테나 선택을 결정하는 사용 주파수 및 스펙트럼을 구별하는 것이 중요합니다.

새로운 5G 표준은 이전에 사용할 수 없었던 스펙트럼 세그먼트를 사용하면서도 동시에 처리량을 더 높이기 위해 더 높은 수준의 변조 방식을 통합하여 이미 사용 중인 스펙트럼의 일부를 활용합니다. 따라서 2022년에 3G와 같이 기존 표준에 대한 업계 및 통신 사업자 지원이 단계적으로 중단(또는 '폐지')될 수 있지만 3G에서 사용하는 스펙트럼의 일부는 여전히 4G와 5G에도 사용됩니다(그림 1).

그림 1: 600MHz ~ 6000MHz 사이의 주파수는 3G, 4G, 5G와 같은 여러 표준을 지원하며 일부 스펙트럼은 겹칩니다. (이미지 출처: Abracon LLC)

즉, 3G 또는 4G 대역을 지원하는 안테나는 5G에서도 계속 사용할 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 표준은 폐지될 수 있지만 안테나는 그렇지 않으며 상위/하위 호환이 가능합니다. 이러한 각각의 경우에 여러 표준 및 대역을 지원하는 안테나의 재사용은 실용적이고 보통은 바람직한 솔루션입니다.

600MHz ~ 6GHz RF 스펙트럼의 다른 중요한 표준은 다음과 같습니다.

• 시민 광대역 무선 통신 서비스(CBRS)는 3550MHz - 3700MHz(3.5GHz - 3.7GHz) 범위에서 150MHz 폭의 가벼운 조정형 세그먼트입니다. 미국의 연방 통신 위원회(FCC)는 현재 사용자, 우선 접속 라이선스(PAL) 사용자, 일반 허가 접속(GAA) 사용자라는 세 가지 계층 간의 공유를 위해 이 서비스를 지정했습니다.
• LTE-M는 LTE Cat-M1(종종 CAT M이라고 함) 또는 롱텀 에볼루션(4G) Cat.M1의 축약형입니다. 이 기술을 사용하면 듀티 사이클이 낮고 배터리로 구동되는 IoT 장치를 게이트웨이 없이 4G 네트워크에 직접 연결할 수 있습니다.
• 협대역 IoT(NB-IoT)는 3G망 내에서 직교 주파수 분할 다중화(OFDM)를 사용하는 셀룰러급 무선 기술입니다. 또한 대부분 배터리로 구동되고 모바일 네트워크에 연결해야 하는 데이터 전송률이 매우 낮은 장치의 요구 사항을 해결하기 위한 3G 파트너쉽 프로젝트(3GPP, 셀룰러 시스템 표준화 기구)의 이니셔티브이기도 합니다.

광대역과 다대역 용어를 혼동하거나 애매하게 표현할 수 있어 유의해야 합니다. '광대역'은 중심 주파수의 상당한 부분에 해당하는 대역폭을 가진 안테나를 나타냅니다. 여기서 상당한 부분에 대한 공식적인 정의는 없지만 비공식적으로는 보통 중심 주파수의 최소 20% ~ 30% 대역폭을 의미합니다. 대조적으로 '다대역'은 조정 대상 표준에 정의된 대로 둘 이상의 대역을 지원하도록 설계된 안테나를 의미합니다. 이러한 대역은 가깝게 붙어 있거나 멀리 떨어져 있을 수 있습니다.

다대역 안테나의 가장 확실한 예는 AM 동보 통신(550kHz ~ 1550kHz)과 FM 동보 통신(88MHz ~ 108MHz)에서 동시에 작동하는 안테나입니다. 다대역 안테나는 광대역일 수 있지만 반드시 그렇지는 않습니다.

다대역 안테나는 지원하는 대역의 개수, 간격, 대역폭과 관계없이 내부적으로는 두 개 이상의 개별 안테나의 조합으로 구성될 수 있지만 RF 연결은 하나입니다. 단순한 광대역 안테나와 달리 다대역 안테나는 실제로 설계할 때 동일 채널 전파 방해를 최소화하기 위해 대역폭 전반에 걸쳐 이득 범위에 의도적인 간격을 두어야 할 수도 있습니다.

내부 안테나 또는 외부 안테나

안테나가 사용되는 무선 연결 표준은 안테나 설계 고려 사항이 아니지만 주파수와 대역폭은 안테나의 물리적 구현을 결정하는 중요한 고려 사항입니다. 한 가지 주요 설계 고려 사항은 최종 제품에 외부 안테나를 사용할지 내장된 안테나를 사용할지 여부입니다.

내부 안테나의 특성은 다음과 같습니다.

• 깨지거나 걸리기 쉬운 외부 부착물이 없는 더욱더 매끈한 패키지가 가능합니다.
• 내장형 안테나는 항상 연결되어 있으며 사용할 수 있습니다.
• 적용 범위, 효율성, 방사 패턴, 기타 성능 기준과 관련하여 내재된 제한 사항이 있습니다.
• 내장형 안테나의 성능은 인접한 회로에 의해 영향을 받으므로 안테나의 배치는 회로 기판의 크기, 레이아웃, 부품, 전체 배열과 밀접하게 관련되어 있습니다.
• 사용자의 손이나 몸이 안테나 패턴, 효율성, 성능 변화를 유발할 수 있습니다.

대조적으로 외부 안테나의 특성은 다음과 같습니다.

• 설계 자유도가 더 높으므로 방사 패턴, 대역폭, 이득을 최적화할 수 있는 더 높은 잠재력이 있습니다.
• IoT/RF 장치에 붙어 있을 필요가 없으며 동축 케이블을 사용하여 최적의 거리와 위치에 설치할 수 있습니다.
• 제품 설계 및 포장으로 인한 전기적 양상이 주는 영향을 덜 받거나 전혀 영향을 받지 않습니다.
• 다양한 스타일과 구성으로 사용할 수 있습니다.
• 연결용 커넥터나 케이블이 필요하며 이는 고장 지점이 될 수 있습니다.

외부 안테나와 내부 안테나 사이의 선택은 일반적으로 여러 요인에 따라 결정됩니다. 이러한 요인에는 최종 응용 제품과 사용자 선호도, 성능과의 균형, 모바일 또는 고정 상황에서 안테나를 사용할지 여부가 포함됩니다. 예를 들어 외부 안테나가 있는 스마트폰은 어색해 보일 수 있습니다. 반면에 안테나가 있고 약간 떨어진 위치에 고정된 IoT 노드는 더 우수하고 일관된 연결을 제공할 수 있습니다.

다대역 안테나의 이점

다대역 안테나는 기존 응용 제품을 만족시키는 동시에 5G 연결을 포함한 업그레이드를 위한 미래에 대비한 경쟁력을 갖춥니다. 그러나 설치 파라미터와 세부 사항을 알고 있음에도 왜 이러한 안테나를 고려해야 할까요? 몇 가지 타당한 이유가 있습니다.

• 단일 안테나를 여러 대역을 대상으로 하는 제품군에서 사용할 수 있으므로 재고 관리 및 구매를 간소화할 수 있습니다.
• 내부 다대역 안테나는 패키지를 더 작게 만들고 외부 다대역 안테나는 제품 인클로저의 안테나 커넥터 수를 줄입니다.
• 다대역 안테나는 성능상의 이유나 기존 대역 및 표준의 중단 등 이유와 관계없이 5G와 같은 새로운 대역으로의 업그레이드가 가능하거나 예상되는 IoT 장치에 사용할 수 있습니다.
• 여러 대역용 단일 외부 안테나는 설치 기술 및 도구와 관련하여 범용성을 가집니다.
• 고정 응용 제품과 특히 모바일 응용 제품에서 중요한 점은 장치의 RF 섹션이 이중 대역을 지원할 수 있으므로 주어진 장소 또는 설정에서 최적의 성능을 위해 대역 간에 동적으로 전환할 수 있습니다.
• 설계자는 다대역과 관련 없는 장치에서 단일 내부 다대역 안테나를 사용할 수 있지만 안테나 모델링, 배치, 가능한 생산 문제에 대한 경험을 활용하여 이득을 얻을 수 있습니다.

실제 다대역 안테나의 예

광대역 성능에도 불구하고 다대역 안테나는 세 가지 예에서 알 수 있듯이 폼 팩터 또는 종단 유형에 제한이 없습니다.

AEBC1101X-S는 600MHz ~ 6GHz 작동용으로 설계된 길이 115mm, 최대 직경 19mm의 5G/4G/LTE 셀룰러 휩 안테나입니다(그림 2). 제품 인클로저에 직접 장착(확장 동축 케이블과 함께 사용 가능)하기 위해 90°로 회전하는 표준 SMA 숫 커넥터와 함께 제공됩니다. 역극성 SMA 커넥터도 사용할 수 있습니다.

그림 2: AEBC1101X-S 5G/4G/LTE 셀룰러 휩 안테나는 600MHz ~ 6GHz 작동용으로 설계되었으며 90° 회전하는 통합 SMA 동축 커넥터가 함께 제공됩니다. (이미지 출처: Abracon LLC)

전압 정재파비(VSWR)와 피크 이득 성능은 전체 대역에서 상당히 일정하지만 낮은 주파수 범위와 높은 주파수 범위 사이에서 효율의 변화가 있습니다(그림 3).

그림 3: AEBC1101X-S 5G/4G/LTE 셀룰러 휩 안테나는 낮은 대역(600MHz ~ 960MHz)과 높은 대역(1400MHz ~ 6000Mhz) 사이에서 약간의 성능 변화가 있습니다. (이미지 출처: Abracon LLC)

방사 패턴은 전체 대역에서 거의 원형이며 3600MHz에서 일부 작은 돌출 모양이 나타나고 5600MHz에서 조금 더 분명해집니다(그림 4).

그림 4: AEBC1101X-S의 XY평면 방사 패턴은 3600MHz ~ 5600MHz 사이에서 약간 돌출된 모양으로 변합니다. (이미지 출처: Abracon LLC)

AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT 블레이드 안테나는 600MHz ~ 6GHz에서 작동하며 길이 115.6mm × 너비 21.7mm에 두께는 5.8mm에 불과합니다(그림 5). 평평한 표면에 접착테이프로 쉽고 편리하게 설치할 수 있도록 설계되었습니다.

그림 5: AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NBIOT/CAT 블레이드 안테나도 600MHz ~ 6GHz에서 작동하며, 접착테이프를 사용하여 평평한 표면에 편리하게 장착할 수 있도록 설계된 높이가 낮은 안테나입니다. (이미지 출처: Abracon LLC)

RF 성능은 최대 VSWR이 3.5 미만인 AEBC1101X-S와 유사하지만 피크 게인은 등방성 복사기에 비해 2dBi로 약간 더 낮습니다. XY평면과 XZ평면의 방사 패턴도 더 복잡합니다(그림 6).

그림 6: AECB1102XS-3000S 블레이드 안테나의 XZ평면과 YZ평면 방사 패턴은 휩 안테나보다 더 복잡한 돌출 모양을 보여줍니다. (이미지 출처: Abracon LLC)

AEBC1101X-S와 AECB1102XS-3000S의 눈에 띄는 차이점은 사용 가능한 단자에 있습니다. AECB1102XS-3000S 블레이드 장치에는 널리 사용되는 SMA 수 커넥터로 종단 처리된 1m 길이의 LMR-100 동축 케이블(RG174 및 RG316 케이블 유형 대체)을 표준으로 제공합니다. 그러나 거의 모든 길이의 케이블을 주문할 수 있으며 SMA 이외의 커넥터 유형도 연결 유연성을 위해 표준 옵션으로 제공합니다(그림 7).

그림 7: AECB1102XS-3000S용 표준 동축 케이블은 SMA(수) 커넥터로 종단 처리되어 있지만 다른 많은 유형의 커넥터를 선택할 수 있습니다. (이미지 출처: Abracon LLC)

ACR4006X는 600MHz ~ 6000MHz 광대역 세라믹 칩 안테나로 크기가 40mm × 6mm × 5mm에 불과한 표면 실장 장치입니다. 작동 시 요구되는 50Ω 임피던스를 달성하려면 각각의 크기가 0402인 8.2nH 인덕터와 3.9pF 커패시터로 구성된 작은 인덕터-커패시터(LC) 임피던스 정합 회로망이 필요합니다(그림 8).

그림 8: ACR4006X 600MHz ~ 6000MHz 광대역 세라믹 칩 안테나는 실장 면적이 40mm × 6mm에 불과하며 50Ω 임피던스 정합을 위해 2개의 작은 수동 소자 부품만 필요합니다. (이미지 출처: Abracon LLC)

ACR4006X 규격서에는 600MHz ~ 6000MHz 장치라고 나와 있지만 효율성, 피크 이득, 평균 이득 그래프에는 약간의 차이가 있습니다(그림 9). 이 다대역 안테나는 의도적으로 세 가지 특정 대역에서 성능을 발휘하도록 설계 및 최적화되었습니다. 3G, 4G, 5G를 지원하는 600MHz ~ 960MHz, 1710MHz ~ 2690MHz, 3300MHz ~ 6000MHz로 할당하며 일부 소규모 스펙트럼 할당도 지원합니다.

그림 9: 600Mhz ~ 6000MHz 범위에서 Abracon ACR4006X에 대한 효율성 및 이득 플롯은 차이가 있지만 사용자가 3G, 4G, 5G 작동 대역에 동시에 속하지 않기 때문에 이러한 차이는 거의 문제가 되지 않습니다. (이미지 출처: Abracon LLC)

ACR4006X는 GPS 수신기용이 아니기 때문에 1575.42MHz(L1 캐리어) 및 1227.6MHz(L2 캐리어)의 GPS 캐리어 주파수에서는 성능이 명시되어 있지 않습니다.

ACR4006X의 XY평면 방사 패턴은 주파수에 대한 함수이기도 하지만 낮은 주파수 범위에서는 90°와 270°에서 약간의 이득 감소만 있을 뿐 광대역 전체에 걸쳐 대략적인 원형 형태를 유지합니다(그림 10).

그림 10: ACR4006X 칩 안테나의 XY평면 방사 패턴은 대략 원형이지만 90°와 270°에서 약간의 주파수 종속적인 이득 감소가 있습니다. (이미지 출처: Abracon LLC)

안테나 성능 평가는 규격서에서 시작하여 종종 무향실을 이용한 확인으로 이어지며 최종적으로는 최종 제품으로 현장 테스트가 이루어집니다. 외부 안테나 실제 성능에 영향을 미치는 요소는 인클로저, 모바일 장치를 사용하는 신체와 손, 안테나 위치와 배치입니다. 제품의 내부 회로 기판 레이아웃과는 멀리 분리되어 있습니다.

반대로 ACR4006X 칩 안테나와 같은 내부 안테나의 성능은 인접 부품과 PC 기판의 영향을 받습니다. 이러한 이유로 Abracon은 ACR4006X-EVB 평가 기판을 제공하여 이 칩 안테나의 엔지니어링 평가를 용이하게 합니다.

평가 기판은 벡터 네트워크 분석기(VNA)와 함께 사용됩니다. 안테나 성능은 구성을 초기 보정(대부분의 VNA 테스트에서 표준 단계)한 후 기판의 SMA 커넥터를 사용하여 VNA의 보정 포트를 통해 평가됩니다.

평가 기판의 크기는 120mm × 45mm이며 칩 안테나를 올바르게 배치할 수 있도록 정확한 치수를 사용합니다. 여기에는 올바른 작동을 위해 안테나 주변에 필요한 45mm × 13mm 크기의 금속/접지 공간거리 영역이 포함됩니다(그림 11).

그림 11: ACR4006X-EVB 평가 기판은 120mm × 45mm에 불과하며 SMA 커넥터를 통해 칩 안테나를 쉽게 평가할 수 있습니다. 규격서에는 중요한 레이아웃 영역과 치수가 나와 있습니다. (이미지 출처: Abracon LLC)

결론

다대역 안테나는 IoT 장치, 특히 5G와 같은 새로운 표준에 대한 원활한 업그레이드 경로를 제공하면서도 단일 대역을 지원해야 하는 장치의 문제를 해결합니다. 또한 시스템이 여러 대역을 지원하여 단일 대역 연결이 보장되지 않는 구역에서 성능을 최적화할 수 있습니다. Abracon의 회로 기판에 실장된 내부 안테나는 더욱 날렵한 패키지를 가능하게 하며 통합 RF 커넥터 또는 동축 케이블 부착 장치를 사용하는 외부 안테나는 최적의 신호 경로를 위해 유연하게 배치할 수 있습니다.