러기드 다대역 안테나를 사용한 모바일 연결 문제 해결

스마트폰 및 사물 인터넷(IoT) 장치와 함께 모바일 무선 연결의 또 다른 주요 동인은 철도, 트럭, 자산 추적을 포함하는 운송 분야 응용 제품입니다. 이러한 응용 제품은 일관된 성능을 제공하는 동시에 진동, 충격, 극한 온도, 비, 습도와 같은 시스템 안테나 고유의 중요한 요구 사항을 갖추고 있으며 넓은 대역폭과 여러 대역에서 작동해야 합니다.

적합한 안테나를 설계하고 제작하는 것도 가능하겠지만, 제대로 설계하고 잘 만들어진 완전히 특성화된 기성품 표준 장치를 사용하는 것이 까다롭기만 한 거의 모든 응용 제품에서 가장 합리적일 것입니다. 이를 통해 최종 설계에 대한 신뢰도를 높이는 동시에 비용과 개발 시간을 줄일 수 있습니다.

이 기사에서는 운송 안테나 설계와 관련된 문제를 살펴봅니다. 그런 다음 기본적인 “박스형” 및 노출형 이동 차량을 포함하여 인클로저 표면에 장착하도록 설계된 TE Connectivity 의 다대역 안테나 두 가지를 소개합니다.

응용 제품 구동 구현

안테나는 전자 회로와 자유 공간 전자기(EM)장 사이의 중요한 트랜스듀서이므로 설계에서 가장 많이 노출되는 요소이기도 합니다. 그러나 전체 시스템 설계와 호환되는 폼 팩터를 사용하여 열악한 주위 환경에서도 원하는 전기 및 RF 성능을 제공해야 합니다.

화물 시스템 및 특히 고속 여객 철도의 경우 바람 저항을 최소화하고 열악한 환경 조건으로부터 보호할 수 있는 공기역학적 인클로저에 쉽게 융화되어야 합니다(그림 1). 글로벌 내비게이션 위성 시스템(GNSS) 신호를 수신하기 위해 안테나가 노출되어야 하는 자산 추적 환경에도 유사한 제약 조건이 적용됩니다.

그림 1: 현재 기차와 같은 모바일 고속 설비에서 기대하는 다양한 표준과 대역을 사용하는 모바일 연결은 바람 저항 및 환경적 견고성으로 인해 문제가 발생합니다. (이미지 출처: TE Connectivity)

최적의 안테나는 원하는 방사 패턴, 적절한 임피던스 일치, 저전압 정재파비(VSWR), 기계적 무결성, 인클로저 적합성, 전기 연결 용이성 등 응용 제품별 특성을 세심하게 조합한 것입니다. 또한 많은 경우 신호 경로를 개선하고 통합된 저소음 증폭기(LNA)가 있는 능동 안테나를 사용하여 프런트 엔드 신호 대 잡음비(SNR)를 극대화해야 합니다.

모든 부품과 마찬가지로 거의 모든 안테나 설계 및 설치를 특성화하는 데 사용되는 몇 가지 최상위 파라미터가 있으며 특정 상황에서 다소 중요해지는 다른 파라미터도 있습니다. 안테나의 경우 지정된 대역의 성능과 방사 패턴이 주요 고려 사항입니다.

안테나 원리 구현

운송 및 자산 추적에 사용되는 안테나의 방향은 무작위로 변하기 때문에 문제가 됩니다. 따라서 지정된 대역 전체에 걸쳐 상단과 측면 방향으로 일관된 전방향 패턴을 갖는 것이 중요합니다.

예를 들어 TE Connectivity 1-2309605-1 M2M MiMo LTE 이중 안테나는 698MHz ~ 960MHz와 1710MHz ~ 3800MHz 대역용으로 설계되었으며 2G, 3G, 4G, 셀룰러, GSM, LTE 응용 제품을 대상으로 합니다(그림 2). 단일 안테나는 전달하는 특정 신호 형식 또는 지원하는 표준과 관련하여 구애받지 않기 때문에 이 표준 목록에 대해 효과적일 수 있습니다. 단일 안테나 설계는 주로 주파수, 대역폭, 전력으로 정해집니다.

그림 2: TE Connectivity 1-2309605-1은 698MHz ~ 960MHz 작동용과 1710MHz ~ 3800MHz 작동용 두 개의 독립 안테나로 구성된 단일 모듈입니다. (이미지 출처: TE Connectivity)

"이중" 안테나는 "이중 대역" 안테나와 다릅니다. 1-2309605-1과 같은 이중 안테나는 단일 하우징에 2개의 독립 안테나가 있고 각각 자체 피드를 갖습니다. 이중 대역 안테나는 두 가지 이상의 대역을 지원하도록 설계된 하나의 피드가 있는 단일 안테나입니다.

1-2309605-1의 저대역 안테나를 보면 상단과 측면 방향 모두 방사 패턴이 대역폭 전체(약 700MHz의 하단 주파수에서 약 900MHz의 상단 주파수까지)에 걸쳐 균일합니다(그림 3).

그림 3: 1-2309605-1의 측면(왼쪽)과 상단(오른쪽) 이득 플롯은 700MHz, 800MHz, 900MHz(각각 상단 행, 중간 행, 하단 행)에서 상당히 균일한 방사 패턴을 보여줍니다. (이미지 출처: TE Connectivity)

안테나 지향성을 나타내는 표준 미터법은 등방성 안테나의 데시벨 단위 이득(dBi)으로 700MHz(주파수 대역의 하단)에서 1.5dBi에 불과하며 이는 상당히 균일한 방사 패턴을 나타냅니다. 이러한 균일성과 균등성은 안테나 방향에 관계없이 일관된 성능을 낼 수 있게 해줍니다. 또한 더 높은 주파수인 900MHz의 방사 패턴도 4.5dBi의 이득에도 불구하고 상당히 균일합니다.

또 다른 중요한 안테나 파라미터는 VSWR로, VSWR은 공식적으로 최대 전압 대 최소 전압의 비 또는 무손실 전송 라인의 송신 전압 정재파와 반사 전압 정재파 사이의 비로 정의됩니다. 이상적인 시나리오에서 VSWR은 1:1이 될 것입니다. 이는 달성하기 어려운 경우가 많지만 VSWR을 한 자릿수 이하로 작업하는 것은 일반적으로 허용됩니다.

최대 20와트의 송신 전력을 처리할 수 있는 1-2309605-1 M2M MiMo LTE 이중 안테나의 경우 3m 길이의 RG174 케이블로 측정했을 때 최대 VSWR은 한쪽 끝에서 약 3:1이며 대부분의 작동 대역에서 1.5:1에 가깝게 측정되었습니다(그림 4). 일반적으로 이 정도면 많은 대상 응용 제품에서 충분히 낮은 수준입니다.

그림 4: 3m 길이의 RG174 케이블로 측정한 1-2309605-1 M2M MiMo LTE 이중 안테나의 VSWR(수직축)은 전체 활성 주파수 범위(x축)에서 낮은 값을 보여줍니다. (이미지 출처: TE Connectivity)

그림 4에서 녹색은 저주파 요소 #1, 빨간색은 고주파 요소 #2, 검은색은 자유 공간에 있는 요소 #1과 #2에 해당하며 파란색은 400mm × 400mm 접지면에서 요소 #1과 #2에 해당하는 것입니다.

공존하는 안테나

여러 대역을 커버하기 위해 두 개 이상의 안테나를 같은 위치에 배치할 수 있습니다. 그러나 이것은 몇 가지 잠재적인 문제로 이어집니다. 첫 번째, 두드러진 문제는 패널이나 기타 표면에 필요한 장착 하드웨어와 공간뿐만 아니라 설치와 관련된 비용 문제가 있습니다. 두 번째, 안테나의 패턴과 성능에 영향을 미칠 안테나 간의 EM 상호 작용에 대한 우려가 있습니다. 이것 때문에 안테나 간에 배치할 수 있는 방법이 제한됩니다. EM 상호 작용은 안테나 격리도로 측정되며 안테나가 다른 안테나의 방사를 어느 정도까지 흡수할지를 정의합니다.

이 문제에 대한 해결책은 단일 하우징 또는 인클로저 내에 여러 안테나를 결합한 단일 안테나 장치를 사용하는 것입니다. 이 장치는 기계적으로 전체 크기를 줄이고 설치 및 안테나 케이블 배선을 단순화하며 유선형의 외관을 제공합니다.

전기적으로는 안테나 간의 격리도를 미리 측정하고 명시할 수 있으므로 예기치 않은 또는 예측하지 못한 상호 작용에 대한 우려를 최소화할 수 있습니다. 1-2309605-1 M2M MiMo LTE 이중 안테나의 경우 격리도는 최소 15dB이며 장치가 제공하는 두 대역의 중앙으로 갈수록 증가합니다(그림 5).

그림 5: 2309605-1 M2M MiMo LTE 이중 안테나 모듈 내 두 안테나 간의 격리도(y축, dB)는 주파수(x축, MHz)에 대한 함수로 측정했을 때 15dB 이상입니다. (이미지 출처: TE Connectivity)

능동 수신 안테나 기능

1-2309605-1 이중 안테나로 커버되는 두 개의 대역 외에도 자산 추적과 같은 많은 응용 제품은 위치 또는 타이밍 정보를 위해 GPS(미국), Galileo(유럽), Beidou(중국) GNSS 시스템으로부터 신호를 수신해야 합니다. 이 작업을 단순화하고 다른 외부 개별 안테나가 필요하지 않도록 TE는 1-2309646-1을 제공합니다. 이렇게 하면 이중 안테나 장치의 두 안테나 외에 1562MHz ~ 1612MHz 사이의 GNSS 신호 전용 세 번째 수신 안테나가 추가됩니다.

그러나 GNSS 신호 수신이 필요한 경우 시스템 설계자에게는 송신과 수신 기능의 기본으로 돌아가는 또 다른 과제가 생기게 됩니다. 송신에 사용되는 안테나와 그 피드 라인은 결정론적인 환경 안에 있습니다. 이들은 송신기 전력 증폭기(PA)로부터 잘 알고 있고 명확한 제어 신호를 가져와 방사합니다. 해당 신호의 내부 잡음이나 대역 내 전파 방해 또는 PA와 안테나 사이의 대역 외 신호에 대한 우려는 거의 없습니다.

모든 안테나에 적용되는 상호성으로 인해 송신에 사용된 물리적 안테나를 수신에 사용할 수 있습니다. 그러나 수신을 위한 작동 조건은 송신을 위한 작동 조건과 상당히 다릅니다. 수신 안테나는 대역 내 심지어 대역 외 간섭과 잡음이 존재하는 알 수 없는 신호를 캡처하려고 하기 때문에 원하는 수신 신호는 수많은 무작위 특성을 가지게 되고, 결정론적이지 않습니다.

또한 수신 신호 강도가 낮고(마이크로볼트에서 몇 밀리볼트 정도) SNR도 낮습니다. GNSS 신호의 경우 수신 신호 전력은 일반적으로 1밀리와트 기준(dBm)으로 -127dB ~ -25dB이고 SNR은 일반적으로 10dB ~ 20dB입니다. 이 깨지기 쉬운 신호는 안테나와 수신기 프런트 엔드 사이의 케이블 손실로 인해 감쇠되며 전송 케이블의 불가피한 열과 기타 노이즈로 인해 SNR이 저하됩니다.

이러한 이유로 1-2309646-1은 세 번째 수신 전용 GNSS 안테나의 또 다른 기능으로 LNA를 포함합니다. LNA는 GNSS 신호에 42dB 이득을 제공하여 수신 신호 강도를 크게 높입니다. LNA의 사용을 단순화하기 위해 확립된 중첩 기술을 사용하여 증폭된 RF 신호의 동축 케이블을 통해 전력(DC 3V ~ 5V, 20mA 이하)을 공급받습니다.

DC 전력은 수신기 장치 사이의 케이블을 통해 LNB로 전송됩니다(그림 6). LNA(V1)의 DC 전력은 소형 직렬 커패시터(C1과 C2)에 의해 무선 통신 헤드 장치(프런트 엔드)에 도달하지 못하도록 차단됩니다. 이러한 커패시터는 안테나(ANT1)에서 증폭된 RF 신호가 무선 통신 헤드 장치(OUT)로 전달되도록 합니다. 동시에 증폭된 RF 신호는 직렬 인덕터(초크) L1과 L2에 의해 전원 공급 장치 V1으로 되돌아가지 못하도록 차단됩니다. 이러한 방식으로 LNA로의 DC 전력과 LNA에서 무선 통신 헤드 장치로의 증폭된 RF는 동일한 상호 연결 동축 케이블을 공유할 수 있습니다.

그림 6: 안테나 LNA로의 DC 전력은 각 종단에서 DC 전력과 RF 신호를 분리하고 격리하는 인덕터와 커패시터의 기발한 배치 덕분에 안테나/LNA 출력을 전달하는 케이블에 중첩될 수 있습니다. (이미지 출처: Electronics Stack Exchange)

물리적 연결 만들기

안테나 또는 안테나 소자의 조립품은 신뢰성이 높고 편리하며 전기적으로나 기계적으로 안전한 방법으로 무선 통신 프런트 엔드에서 연결 및 분리할 수 있어야 합니다. 또한 전체 안테나 조립품은 환경으로부터 보호되어야 하고 장착면에 미치는 영향을 최소화하면서 쉽게 장착할 수 있어야 합니다.

이러한 목표를 달성하기 위해 2대역 1-2309605-1 및 3대역 1-2309646-1은 각 대역마다 표준 SMA 플러그로 종단 처리한 3m 길이의 RG-174 동축 케이블이 장착되어 있습니다(그림 7). 결과적으로 하나 이상의 안테나를 연결하거나 분리하기 간단하며 공장에서 시스템 조립할 때 또는 현장에서 추가할 때 쉽게 할 수 있습니다.

그림 7: 1-2309605-1 및 1-2309646-1 내부의 개별 안테나에는 SMA 플러그 종단이 있는 자체 RG-174 동축 케이블이 있어서 필요한 경우 단순하게 설치, 부착, 테스트, 분해할 수 있습니다. (이미지 출처: TE Connectivity)

또한 단일 내부 18mm 장착 로드와 안테나 하우징의 하단 가장자리 주위에 아크릴 접착 패드를 사용하여 다중 안테나 모듈을 시스템 표면에 쉽게 부착할 수 있습니다. 이런 부가 장치를 사용하여 노출된 하드웨어가 녹슬거나 느슨해지거나 잘못 조이는 일이 없도록 신속하게 작업할 수 있습니다.

이 안테나의 하우징은 모바일 고속 모션 응용 제품에 최적화되어 있습니다. 유선형 장치는 폭이 45mm, 길이가 150mm에 불과하며 둥근 모서리(자동차 지붕의 “상어 지느러미”와 유사)로 항력 계수와 바람 저항을 최소화합니다. 또한 인클로저의 UV 안정 소재는 햇빛에 노출되어 시간이 지남에 따라 하우징이 약해지는 것을 방지합니다.

결론

운송을 위한 모바일, 고속, 다대역 무선 연결을 위해서는 까다로운 전기, 환경, 기계적 목적을 충족할 수 있는 안테나 조립품이 필요합니다. TE Connectivity의 2대역 안테나 및 3대역 안테나 모듈은 저대역, 고대역, 선택적 GNSS 대역 안테나를 제공하며 후자를 위한 내부 LNA도 함께 제공합니다. 이러한 장치에는 각 안테나에 대한 개별 동축 케이블 및 커넥터가 장착되어 있으며, 설치를 용이하게 하고 중요한 환경적 견고성을 확보하기 위해 단순한 표면이나 패널 실장 장치를 갖추고 있습니다.

관련 내용

1. TE Connectivity, “Antenna Products”
2. DigiKey, “Beyond Wires: Antennas Evolve and Adapt to Meet Demanding Wireless Requirements”
3. DigiKey, “Why a Good LNA is Key to a Viable Antenna Front-End”