IoT 장치용 안테나 선택 및 적용 방법

사물 인터넷(IoT) 장치의 확산이 점점 더 빨라짐에 따라 혁신적인 최종 제품의 설계에 많은 영감이 되고 있습니다. 하지만 설계자는 하드웨어와 소프트웨어에 아무리 많은 창의력과 노력을 쏟더라도 중추적인 역할을 하는 것은 안테나라는 것을 기억해야 합니다. 안테나가 제대로 작동하지 않으면 제품 성능이 심각하게 저하됩니다.

안테나는 장치와 무선 네트워크를 연결하는 인터페이스이므로 IoT 장치 설계 공정의 중요한 부분입니다. 안테나는 송신기에서 전기 에너지를 전자기 무선 주파수(RF) 전파로 변환하고 수신기에서 수신 RF 신호를 전기 에너지로 변환합니다. 설계자는 주요 엔지니어링 파라미터를 충족하는 안테나를 선택하여 응용 제품의 성능을 최적화할 수 있습니다. 하지만 많은 옵션과 고려 사항으로 인해 설계 주기가 지연되고 비용이 많이 들 수 있습니다.

이 기사에서는 무선 IoT 장치에서 안테나의 역할을 요약하고 안테나 선택에 영향을 미치는 핵심 설계 기준에 대해 간략하게 설명합니다. 그런 다음 Amphenol의 안테나를 예로 들어 Bluetooth 저에너지(LE) 또는 Wi-Fi 센서, GNSS 위성 위치 추적 기능이 있는 IoT 자산 추적기, Wi-Fi 액세스 포인트(AP) 및 LoRa IoT 장치에 적합한 선택 옵션을 살펴봅니다.

규격서 해석

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

• 방사 패턴: 안테나가 3D 공간에서 무선 에너지를 방출(또는 흡수)하는 방식을 그래픽으로 정의합니다(그림 1).
• 최대 전력 전송: 안테나와 수신기 간의 전력 전송은 전송 라인 임피던스(Z₀)가 안테나 임피던스(Z_a)와 일치할 때 양호하게 이루어집니다. 임피던스 정합이 불량하면 반사 손실(RL)이 증가합니다. 전압 정재파비(VSWR)는 전송 라인과 안테나 사이의 임피던스 정합을 나타냅니다(표 1). VSWR 값이 높으면 큰 전력 손실이 발생합니다. 일반적으로 IoT 제품에는 2 미만의 VSWR이 허용됩니다.
• 주파수 응답: 반사 손실(RL)은 무선 주파수에 따라 달라집니다. 설계자는 규격서에서 안테나의 주파수 응답을 확인하여 의도한 작동 주파수에서 RL이 최소화되는지 확인해야 합니다(그림 2).
• 방향성: 안테나 방사 패턴의 방향적 특성을 측정합니다. 최대 방향성은 D_max로 정의됩니다.
• 효율(η): 총 복사 전력(TRP 또는 P_rad)과 입력 전력(P_in)의 비율은 η = (Prad/Pin) * 100% 수식으로 계산합니다.
• 이득: 피크 방사 방향으로 전송되는 전력의 양을 설명합니다. 일반적으로 dBi로 지정된 등방성 안테나에 쓰이며, Gain_max = η * D_max 수식으로 계산됩니다.

그림 1: 방사 패턴은 안테나가 3D 공간에서 무선 에너지를 방출하거나 흡수하는 방식을 그래픽으로 표시합니다. 규격서에는 일반적으로 안테나가 의도한 대로 마운트된 경우에 해당하는 XY 및 YZ 평면의 최대 범위가 표시됩니다. (이미지 출처: Amphenol)

표 1: VSWR은 전송 라인과 안테나 사이의 임피던스 정합을 나타냅니다. 일반적으로 IoT 제품에는 2 미만의 VSWR이 허용됩니다. (표 출처: Steven Keeping)

그림 2: VSWR 및 RL은 주파수에 따라 달라집니다. RL은 의도된 작동 주파수에서 최소화되어야 합니다. (이미지 출처: Amphenol)

성능 향상

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

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

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

안테나의 위치는 최종 제품의 송신 전력과 수신 감도에도 큰 영향을 미칩니다. 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 좋습니다. 임피던스 정합 부품은 필요 시 안테나에 근접 배치되므로 예외입니다. 정해진 공간거리 영역 내에서 구리 도체는 안테나와 나머지 회로망을 연결하는 PC 기판 패드 및 트레이스만 있어야 합니다(그림 3).

그림 3: pc 기판 마운트 안테나는 pc 기판 가장자리에 가깝게 배치되어야 합니다. 또한 안테나는 다른 부품(임피던스 정합 회로에 사용되는 부품 제외)으로부터 멀리 배치되어야 하며, 공간거리 영역을 확보해야 합니다. (이미지 출처: Amphenol)

안테나 설계 지침에 대한 자세한 내용은 'How to Use Multiband Embedded Antennas to Save Space, Complexity, and Cost in IoT Designs(다중 대역 내장형 안테나를 사용하여 IoT 설계에서 공간, 복잡성, 비용을 줄이는 방법)'을 참조하십시오.

안테나 유형

안테나를 지정하는 것은 IoT 장치 설계 공정의 중요한 부분입니다. 안테나는 대상 무선 인터페이스의 RF 대역에 최적화되어야 합니다(예: 450MHz ~ 2200MHz의 다중 대역을 위한 NB-IoT, 902MHz ~ 928MHz용 LoRa(북미 지역), 2.4GHz 및 5GHz용 Wi-Fi, 2.4GHz용 Bluetooth LE).

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

단일 종단 및 차동 안테나도 있습니다. 단일 종단 유형은 불균형한 반면 차동 안테나는 균형 잡혀 있습니다. 단일 종단 안테나는 접지를 기준으로 신호를 수신하거나 송신하며, 특성 입력 임피던스는 일반적으로 50Ω입니다. 하지만 많은 RF IC에는 차동 RF 포트가 있으므로, 단일 종단 안테나를 사용하는 경우 보통 변환 네트워크가 필요합니다. 이 발룬 네트워크는 균형된 신호를 불균형 신호로 변환합니다.

차동 안테나는 각각 자체 도체에서 2개의 보완적인 신호를 사용하여 전송합니다. 균형 잡혀 있으므로 차동 RF 포트가 있는 RF IC와 함께 안테나를 사용할 경우 발룬이 필요하지 않습니다.

마지막으로 안테나는 PC 기판, 칩 또는 패치, 외부 휩, 전선 등 여러 가지 폼 팩터로 제공됩니다. 그림 4는 몇 가지 샘플 응용 제품을 보여줍니다.

그림 4: 다양한 IoT 응용 제품에 적합한 다양한 안테나가 제공됩니다. (이미지 출처: Amphenol)

응용 제품에 맞는 안테나 선택

응용 제품과 제품 폼 팩터에 따라 안테나가 최종 선택됩니다. 예를 들어 IoT 제품에 공간 제약이 있는 경우 PC 기판 안테나를 PC 기판 회로망에 직접 통합할 수 있습니다. PC 기판 안테나는 조명, 온도 조절기, 보안 시스템을 포함한 스마트 홈 장치의 Bluetooth LE 또는 Wi-Fi 센서와 같은 2.4GHz 응용 제품에 적합하며 로우 프로파일 아키텍처에서 안정적인 RF 성능을 제공합니다. 하지만 PC 기판 안테나는 설계가 까다롭습니다. 대안으로 상용 벤더의 PC 기판 안테나를 공급받는 방법도 있습니다. 그런 다음 접착식 지지체를 사용하여 PC 기판에 부착할 수 있습니다.

PC 기판 안테나의 예로는 Amphenol의 ST0224-10-401-A Wi-Fi PC 기판 트레이스 RF 안테나가 있습니다. ST0224-10-401-A는 2.4GHz ~ 2.5GHz 및 5.15GHz ~ 5.85GHz 대역에서 전방향성 방사 패턴을 제공합니다. 크기는 30mm x 10mm x 0.2mm이며 임피던스는 50Ω입니다. 두 주파수 범위 모두에서 RL은 -10dB 미만이고, 피크 이득은 2.4GHz 대역에서는 2.1dBi(dB relative to isotropic), 5GHz 대역에서는 3.1dBi입니다. 효율성은 각각 77%와 71%입니다(그림 5).

그림 5: ST0224-10-401-A Wi-Fi pc 기판 트레이스 안테나는 2.4GHz 대역과 5GHz 대역 모두에서 효율적입니다. (이미지 출처: Amphenol)

공간 제약이 있는 IoT 제품을 위한 또 다른 옵션은 칩 안테나입니다. 칩 안테나는 콤팩트하며, 자동화 장비는 이를 PC 기판에 직접 마운트할 수 있습니다. 칩 안테나는 Bluetooth LE 또는 Wi-Fi 기반의 무선 IoT 응용 제품에 적합합니다. 칩 안테나의 주요 장점은 공간 절약, 제조 비용 절감, 설계 공정 간소화입니다.

위에서 설명한 바와 같이 칩 안테나의 성능은 pc 기판 레이아웃, 주변 부품과 같은 요소의 영향을 받지만, 안테나 기술의 발전으로 매우 효율적인 장치가 탄생했습니다. 칩 안테나는 스마트폰, 태블릿, 스마트 홈 시스템, 산업용 센서 등 다양한 응용 분야에 적합합니다.

예를 들어 2.4GHz pc 기판 표면 마운트 칩 안테나인 Amphenol의 ST0147-00-011-A가 있습니다. ST0147-00-011-A는 2.4GHz ~ 2.5GHz 주파수 대역에서 전방향성 방사 패턴을 제공합니다(그림 6). 크기는 3.05mm x 1.6mm x 0.55mm이며 임피던스는 50Ω입니다. RL은 -7dB 미만이고, 피크 이득은 3.7dBi이며, 평균 효율은 80%입니다.

그림 6: ST0147-00-011-A 표면 마운트 칩 안테나는 콤팩트하며 XY 평면에서 전방향성 방사 패턴을 나타냅니다. (이미지 출처: Amphenol)

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

예를 들어 1.575GHz 및 1.602GHz 주파수 대역에서 작동하는 Amphenol의 ST0543-00-N04-U 수동 소자 GNSS 패치 안테나가 있습니다. 크기는 18mm x 18mm x 4 mm이며 임피던스는 50Ω입니다. 두 주파수 범위 모두에서 RL은 -10dB 미만이고, 피크 이득은 1.575GHz 대역에서는 -0.5dBi(dB relative to isotropic), 1.602GHz 대역에서는 1.0dBi입니다. 효율성은 각각 80%와 82%입니다.

Wi-Fi AP의 안테나와 같은 외부 휩 안테나는 무선 작동을 최적화하기 위해 IoT 장치 외부에 마운트됩니다. 외부 휩 안테나는 신호 범위를 확장하고 신호 품질을 개선하며 장애물이나 전파 방해를 극복합니다. 집안의 벽, 천장, 가구 등으로 인해 신호가 약해지거나 방해받는 환경에서 유용합니다. SMA, RP-SMA, N-Type과 같은 표준 RF 인터페이스 연결을 갖춘 직선 및 회전식 휩 설계를 사용할 수 있습니다.

예를 들어 Amphenol의 ST0226-30-002-A 2.4GHz 및 5GHz SMA RF 스틱 안테나가 있습니다. ST0226-30-002-A는 Wi-Fi AP 및 셋톱 박스(STB)에 적합한 솔루션입니다. 2.4GHz ~ 2.5GHz 및 5.15GHz ~ 5.85GHz 주파수 대역에서 전방향성 방사 패턴을 제공합니다. 지름은 88mm x 7.9mm이며 임피던스는 50Ω입니다. 두 주파수 범위 모두에서 RL은 -10dB 미만이고, 피크 이득은 2.4GHz 대역에서는 3.0dBi, 5GHz 대역에서는 3.4dBi입니다. 효율성은 각각 86%와 75%입니다. SMA 또는 RP-SMA 플러그 커넥터와 함께 사용할 수 있습니다(그림 7).

그림 7: Wi-Fi AP용 ST0226-30-002-A 외부 휩 안테나는 SMA 또는 RP-SMA 플러그 커넥터와 함께 제공됩니다. (이미지 출처: Amphenol)

나선형 전선 안테나는 868MHz 주파수 대역에서 작동하는 LoRa IoT 장치와 같은 GHz 미만 응용 제품을 위한 저렴하고 간단한 옵션입니다. 일반적으로 pc 기판에 직접 납땜되며 우수한 성능을 제공합니다. 하지만 저주파수에서 작동할 때 다루기 어려우며, 다른 안테나 대안에 비해 상대적으로 효율이 낮다는 점과 같은 단점이 몇 가지 있습니다.

예를 들어 Amphenol의 ST0686-10-N01-U 862MHz RF 안테나가 있습니다(그림 8). 이 나선형 전선 안테나는 862MHz ~ 874MHz 주파수 대역에서 작동하며 임피던스는 50Ω입니다. 최대 38.8mm 높이의 스루홀 납땜 마운트가 특징입니다. RL은 -9.5dB 미만이고, 피크 이득은 2.5dBi이며, 평균 효율은 58%입니다.

그림 8: ST0686-10-N01-U 나선형 전선 안테나는 LoRa IoT 응용 제품에 적합한 옵션입니다. (이미지 출처: Amphenol)

결론

무선 IoT 장치의 무선 성능은 선택된 안테나에 따라 달라지므로 설계자는 다양한 공급업체(예: Amphenol)의 다양한 안테나 설계 중에서 응용 분야에 가장 적합한 안테나를 신중하게 선택해야 합니다. 규격서는 선택 시 매우 중요하지만, 정해진 설계 지침을 따르면 최상의 무선 성능을 보장할 수 있습니다.