ISM LPWA 장치에서의 안테나 통합 최적화

산업, 소비자, 의료 기기에서 사물 인터넷(IoT)의 지속적인 확장과 신흥 스마트 도시 및 스마트 빌딩으로 인해 저전력 광역(LPWA) 무선 네트워크의 사용이 급격히 증가하고 있습니다. LoRa, Neul, SigFox, Zigbee 및 Z-Wave와 같은 무선 프로토콜을 지원하는 미국의 915MHz, 유럽의 868MHz 및 169MHz,아시아의 433MHz의 ISM(산업, 과학 및 의료) 무선 주파수(RF) 대역에서 특히 그렇습니다.

LPWA 장치는 계속적으로 소형화되고 있으며 우수한 성능을 갖춘 저렴하고 콤팩트한 안테나를 필요로 합니다. 안테나 접지면 문제는 868MHz 및 915MHz ISM 대역에서 특히 문제가 될 수 있습니다. 이 문제는 추가 회로망, 향상된 장치 통합 및 보다 정확한 주파수 튜닝을 사용하여 처리할 수 있으며 이러한 모든 조치로 인해 개발 시간과 비용이 늘어날 수 있습니다. 설계자는 접지면 문제를 최소화하는 안테나를 필요로 합니다. 또한, LPWA 장치는 종종 배터리 구동식이며 최대 에너지 효율을 요구합니다. 안테나 선택 및 통합은 효율적인 설계에 있어 중요한 부분입니다. 최적화되지 않은 안테나 솔루션은 배터리 수명을 줄이고 전체 시스템 성능을 저하시킬 수 있습니다.

최적화된 링크 버짓은 안정적이고 효율적인 무선 통신 인터페이스의 핵심입니다. 안테나 선택 및 통합은 링크 버짓에 상당한 영향을 미칩니다. 그러나 링크 버짓과 접지면 문제를 모두 해결하는 효율적인 고성능 안테나를 설계하거나 선택하는 것은 복잡한 프로세스입니다. 링크 버짓에 영향을 미치는 안테나 사양에는 임피던스, 반사 손실, 전압 정재파 비율, 이득, 방사 패턴 등이 있습니다. 접지면 문제를 최소화하는, 통합이 용이하고 콤팩트한 고성능 안테나를 식별하면 엔지니어링 시간을 대폭 줄이고 전체 시스템 성능을 향상시킬 수 있습니다.

이 기사에서는 기본 링크 버짓 모델을 설명하고, 링크 버짓에 영향을 미치는 주요 안테나 사양을 검토하며, 접지면 문제를 극복하고 LPWA 장치의 링크 버짓을 최적화하는 데 도움이 되는 Molex의 안테나 예를 소개합니다.

기본 링크 버짓

무선 시스템의 링크 버짓은 수신기에 도달하는 유효 RF 에너지를 측정합니다. 해당 방정식은 데시벨 미터(dBm) 단위의 전송 전력으로 시작하여 데시벨(dB) 단위의 이득을 더하고 손실도 dB 단위로 뺀 다음 수신 전력(dBm)에 도달합니다. 실제 설계에서는 이득 및 손실에 영향을 미치는 많은 요인이 있습니다.

링크 버짓에 대해 자세히 알아보기

안테나 성능은 링크 버짓의 이득과 손실에 영향을 미치는 유일한 요소입니다. 안테나 효율, 이득 및 방사 패턴은 안테나 성능의 세 가지 중요한 측면이며 종종 OTA(Over-the-Air) 챔버를 사용하여 측정됩니다(그림 1). 링크 버짓에 영향을 줄 수 있는 다른 요소에는 반사 손실(S11 파라미터)과 전압 정상파 비율(VSWR)이 있습니다.

그림 1: 안테나 효율, 이득 및 방사 패턴은 OTA 챔버를 사용하여 측정됩니다. 이미지의 DUT는 Device Under Test(테스트 중인 장치)를 의미합니다. (이미지 출처: Molex)

안테나 효율은 안테나의 방사율을 결정합니다. 대개 평균 효율성이 사용되지만 효율성은 단일 숫자가 아니라, 고려 중인 특정 안테나에 따라 다소 평평할 수 있는 곡선입니다(그림 2). 안테나의 효율 곡선이 평평할수록(뾰족한 효율 곡선을 가진 안테나에 비해) 최대 효율성이 더 낮은 경우가 많습니다.

그림 2: 안테나 효율 곡선은 매우 다양할 수 있습니다. 왼쪽의 안테나는 효율 곡선이 더 완만하지만 오른쪽의 안테나는 915MHz에서 피크 효율이 약 10% 더 높습니다. (이미지 출처: Molex)

효율성과 마찬가지로 안테나 이득은 평균 또는 피크/최대 값으로 측정할 수 있습니다. 주어진 주파수에서 평균 이득은 3차원 공간의 모든 각도에 걸쳐 측정되는 반면 최대 이득은 단일 작동점입니다. 일반적으로 평균 이득은 높을수록 좋습니다.

안테나의 방사 패턴은 이득을 결정하는 중요한 요소입니다. 모든 방향으로 동일한 에너지를 방출하는 이론상의 안테나를 등방성 방사기라고 하며 이득은 0dB(단위)입니다. 소위 무지향성 설계라고 해도 실제 안테나는 비등방성 방사 패턴을 가지며 3D 평면에서 측정 시 어느 정도 방향성을 가질 수 있습니다(그림 3). 이득이 3dB인 안테나는 등방성 방사기보다 주어진 방향에서 2배 더 효과적입니다. 이는 특정 방향으로 송신기의 전력 또는 수신기의 감도를 두 배로 늘립니다.

그림 3: 방사 패턴은 다양한 안테나 설계에 따라 다르며 링크 버짓 계산에서 중요할 수 있습니다. 이러한 안테나는 모두 전방향 방사 패턴에 따라 사양이 지정되었습니다. (이미지 출처: Molex)

안테나 설계 및 주위 환경은 방사 패턴에 영향을 줍니다. 일반적인 규격서 측정값은 주변 간섭이 없는 자유 공간 환경을 사용합니다. 실제 구현에서의 피크 이득은 주변 구성 요소로 인해 방사 패턴이 변경되기 때문에 등방성(dBi)에 비해 1데시벨 ~ 2데시벨 감소합니다.

반사 손실(S11) 및 전압 정재파 비율(VSWR)은 안테나에서 RF 회로로 다시 반사되는 에너지 양에 관련된 측정값이며 값이 작을수록 좋습니다(그림 4). S11 ≤ -6dB 또는 VSWR ≤ 3은 종종 허용 가능한 최소 성능 수준으로 간주됩니다. S11 = 0dB이면 모든 전력이 반사되고 아무 것도 방출되지 않습니다. 또는 S11 = -10dB인 경우 3dB의 전력이 안테나에 전달되면 -7dB는 반사 전력입니다. 안테나는 나머지 전력을 사용합니다.

그림 4: 고효율 안테나(오른쪽)의 반사 손실은 915MHz에서 약 -14dB인 반면 더 평평한 효율 곡선을 가진 저효율 안테나의 반사 손실은 915MHz에서 약 -10dB입니다. (이미지 출처: Molex)

VSWR은 반사 계수의 함수입니다. 반사 손실과 마찬가지로 VSWR이 작을수록 더 좋은 안테나를 의미합니다. VSWR의 최소값은 1.0으로 안테나에서 전력이 반사되지 않습니다. 임피던스 정합을 사용하여 S11 및 VSWR을 최소화할 수 있습니다. 임피던스 정합은 최대 에너지 전달을 개선하기 위해 안테나와 RF 회로 사이의 전송 라인을 수정하는 것을 포함합니다. 임피던스 부정합이 발생할 경우 안테나가 RF 전력의 일부를 받아들이지 못합니다. 전송 라인 임피던스와 안테나 임피던스가 정확히 일치하면 모든 RF 전력이 안테나에서 수신됩니다.

일부 안테나의 임피던스는 50Ω이며 정합 네트워크가 필요하지 않습니다. 대부분의 안테나는 안테나 성능을 최적화하기 위해 전송 라인에 임피던스 정합 네트워크가 필요합니다. 정합 네트워크는 일반적으로 여러 주파수 대역을 지원하는 안테나에서 필요로 합니다. 정합 네트워크는 필요한 경우 커패시터, 인덕터 또는 저항기의 다양한 조합으로 구성될 수 있습니다.

안테나 성능 향상

기본 안테나는 주어진 길이의 도체로 구성되지만 안테나 성능을 향상시키기 위해 다른 소자를 추가할 수 있습니다. 한 예로 대역폭 향상 기술을 포함하는 Molex의 MobliquA™ 안테나 기술을 들 수 있습니다(그림 5). MobliquA 기술은 종종 '임피던스 대역폭'이라고 하는 반사 손실이 허용되는 주파수 범위를 개선하도록 설계되었습니다. 이 기술은 방사 효율을 저하시키거나 안테나 크기를 늘리지 않고도 임피던스 대역폭을 60% ~ 70% 향상시킬 수 있습니다. MobliquA 기술을 사용하여 868MHz 및 915MHz용으로 설계된 ISM 안테나는 기존 설계보다 부피를 최대 75% 줄일 수 있으며 접지면 종속성 문제를 해결하는 데 필요한 값비싼 회로 및 주파수 조정이 필요하지 않습니다.

그림 5: Molex의 MobliquA 기술은 임피던스 대역폭을 개선하고 안테나에 금속 객체를 삽입하는 것에 대해 높은 수준의 내성을 제공하도록 설계되었습니다. (이미지 출처: Molex)

MobliquA 기술은 접지된 커넥터 하우징과 같은 RF 분리 또는 접지 부품의 사용을 가능하게 하며 안테나에 금속 부품을 삽입하는 것에 대한 우수한 내성을 제공합니다. 안테나 소자의 직접 접지와 결합된 고유한 급전 기술은 RF 프런트엔드에 대한 향상된 ESD(정전기 방전) 보호 기능을 제공합니다.

안테나 통합

위에서 논의한 모든 전기 사양은 안테나 통합의 중요한 측면이지만 안테나를 시스템에 기계적으로 연결하고 통합하는 문제도 있습니다. 여기에는 여러 가능성이 있습니다. 예를 들어, 일부 안테나는 시스템에 납땜되도록 설계되었으며 다른 안테나에는 시스템에 부착된 동축 케이블 및 커넥터가 포함되어 있습니다. 다음 두 섹션에서는 각각의 무지향성 안테나에 대한 일부 사양을 제공합니다.

동축 및 커넥터가 있는 유연한 ISM 안테나

868/915MHz 이중 대역 ISM 안테나가 필요한 응용 제품의 경우 설계자는 Molex의 모델 2111400100을 사용할 수 있습니다(그림 6). 이 단극 안테나는 크기가 38mm x 10mm x 0.1mm이고 유연한 고분자 소재로 만들어졌으며 외부 지름이 1.13mm인 100mm 길이의 마이크로 동축 케이블과 MHF와 호환되는 U.FL 커넥터를 가집니다. 이는 '필 앤 스틱'으로 모든 비금속 표면에 부착됩니다. 2W의 RF 전력을 처리할 수 있으며 작동 온도 범위는 -40°C ~ +85°C입니다. 이 계열의 다른 안테나에는 50mm, 150mm, 200mm, 250mm 및 300mm 케이블 길이 옵션이 있으며 맞춤형 길이를 제작할 수 있습니다.

그림 6: 이 이중 대역 ISM 안테나는 유연하며 '필 앤 스틱' 접착제를 사용하여 시스템에 장착됩니다. (이미지 출처: Molex)

주요 사양에는 다음이 포함됩니다.

• 효율: >55%(868MHz 기준), >60%(902MHz 기준)
• 피크 이득: 0.3dBi(868MHz 기준), 1.0dBi(902MHz 기준)
• 방사 패턴: 전방향
• 반사 손실(S11): < -5dB

PCB에 고성능 세라믹 ISM 안테나 납땜

더 높은 효율성이 필요한 경우 설계자는 ISM 응용 제품용으로 특별히 설계된 2081420001 세라믹 안테나를 사용할 수 있습니다(그림 7). 두 개의 주파수 대역(868MHz ~ 870MHz 및 902MHz ~ 928MHz)에서 서로 다른 정합 네트워크를 사용할 수 있습니다. -40°C ~ +125°C 범위에서 작동할 수 있으며 크기는 9mm x 3mm x 0.63mm입니다.

그림 7: 두 개의 주파수 대역(868MHz ~ 870MHz 및 902MHz ~ 928MHz)에서 서로 다른 정합 네트워크를 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Molex)

주요 사양에는 다음이 포함됩니다.

• 효율성: 70%(868MHz 기준), 65%(902MHz 기준)
• 피크 이득: 1.5dBi(868MHz 기준), 1.8dBi(902MHz 기준)
• 방사 패턴: 전방향
• 반사 손실(S11): < -10(868MHz 기준), < -5(902MHz 기준)

요약

LoRa, Neul, SigFox, Zigbee 및 Z-Wave IoT 프로토콜을 포함한 LPWA ISM 응용 제품에 안테나를 최적화하고 통합하는 것은 중요하고 복잡한 작업입니다. 링크 버짓의 최적화는 우수한 무선 성능과 긴 배터리 수명을 보장하는 데 필수입니다. 여기에는 여러 전기 작동 사양 트레이드오프 및 효과적인 임피던스 정합 네트워크 개발이 포함됩니다. 안테나 선택 과정에서는 또한 작동 환경과 해당 장치의 기계적 및 상호 연결 요구 사항을 고려해야 합니다.