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다양한 응용 분야를 충족하기 위해 관행을 뒤집은 초광대역 칩 안테나

작성자: Bill Schweber 2023-07-06

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안테나의 기능은 Maxwell의 방정식이 적용되는 RF 세계와 전압 및 암페어의 전기 회로 세계 사이에서 양방향 트랜스듀서 역할을 수행하는 것입니다. 하지만 야기식 안테나, 보타이 안테나, 쌍극 안테나, 루프 안테나, 접시 안테나, 패치 안테나, 단극 안테나, 혼 안테나, 나선형 안테나, 스터브 안테나 등 놀라울 정도로 다양한 유형과 크기의 안테나가 사용되고 있습니다.

그 이유는 안테나와 그 구성이 항상 목표와 충돌하는 많은 상황을 충족해야 하는 복잡한 문제에 직면했기 때문입니다. 관심사 중에는 중심 주파수, 3dB 대역폭, 방사 패턴, 방향성, 전후 비, 측면 로브, 실제 크기, 임피던스, 전력 처리, 일반적인 크기와 함께 효율성 및 비용 문제가 있습니다.

특히 비용과 공간이 중요한 경우 한 안테나가 모든 상황에 적합한 것이 이상적일 것입니다. 아직 그 정도는 불가능하지만 빠르고 안정적이며 저전력 연결이 필요한 다양한 응용 분야에 초광대역(UWB) 안테나를 선택하는 것이 좋습니다.

안테나 평가

일반적으로 여러 시스템의 핵심 목적 중 하나는 안테나 대역폭(-3dB 지점 사이에서 측정됨)을 최소로 유지하여 불필요한 신호를 포착하거나 원치 않는 전파 방해가 발생하는 현상을 방지하는 것입니다. 결국 대역 외 성능을 지원하고 수신된 잡음을 추가하면 기타 요인이 훼손되는데도 그렇게 하는 이유는 무엇일까요?

대역폭 파라미터의 일반적인 미터법 중 하나는 비대역폭(FBW)입니다. FBW는 주파수 범위(최고 주파수 - 최저 주파수)를 중심 주파수로 나눈 비율입니다. 비대역폭의 범위는 0 ~ 2이며 종종 0% ~ 200% 사이의 백분율로 표시됩니다. 백분율이 높을수록 대역폭도 넓어집니다.

여러 안테나 유형의 대략적인 FBW를 가리키는 간단한 지침이 있다면 좋겠지만 이는 불가능합니다. 대부분의 부품에 비해 안테나가 설계와 물리적인 치수에서 많은 트레이드 오프가 있기 때문일 것입니다. 안테나는 자유도가 매우 크므로 FBW를 포함한 파라미터가 서로 균형을 이루어 주어진 응용 분야에 대한 ‘최적’의 설계를 찾을 수 있습니다.

거의 모든 안테나의 FBW는 방향성(이득), 측면 로브, 방사 패턴, 실제 크기, 다중 소자 설계에 대한 소자의 개수와 같은 다른 파라미터와 트레이드 오프하여 더 크거나 작게 만들 수 있습니다. 예를 들어 기존의 Yagi-Uda 안테나의 FBW는 개수와 소자의 간격, 두께, 기타 물리적인 특성을 변경하여 몇 퍼센트에서 수십 퍼센트까지 조정할 수 있습니다.

몇몇 전문가는 FBW가 20% 이상인 안테나를 UWB 안테나로 간주하는 반면 또 다른 전문가들은 FBW가 50% 이상인 안테나만 UWB로 간주합니다. 연방 통신 위원회(FCC) 및 ITU-R(International Telecommunication Union Radiocommunication Sector)은 현재 UWB를 방출된 신호 대역폭이 500MHz 또는 산술 중심 주파수의 20% 중 더 작은 값을 초과하는 안테나 변속기로 정의합니다. 혼동스러울 수 있기 때문에 주제를 논의할 때 설명을 요청하는 것이 좋습니다.

UWB: 요구 사항의 변화

광대역 및 다대역 응용 분야의 출현 덕분에 가능한 한 FBW를 좁게 유지하라는 지침이 FBW가 큰 UWB 안테나가 바람직하거나 심지어 공식적으로 규정되는 쪽으로 바뀌었습니다. 사실 최근에 UWB 특성을 지닌 참신하거나 혁신적인 안테나 구성을 설명하는 학술 논문이 많이 있습니다.

계속하기 전에 UWB 용어에 대해 알아보겠습니다. ‘초광대역’라는 용어는 다소 다른 두 가지 의미로 쓰입니다. 안테나의 맥락에서는 이전에 논의된 바와 같이 FBW와 관련이 있습니다. 그러나 전자기 스펙트럼에 관해서 ‘초광대역’이라는 용어는 또한 대역폭을 더 많이 사용할 수 있는 더 높은 주파수를 설명하는 데 쓰입니다.

예를 들어 30GHz에서 300GHz까지 극 고주파(EHF) 대역의 일부를 사용하는 응용 분야는 수백 메가헤르츠의 매우 광범위한 ‘슬라이스’를 사용하여 극히 높은 데이터 전송률을 지원하므로 UWB 응용 분야로 설명됩니다. 그러나 60GHz에서 1GHz를 사용하는 이러한 UWB 응용 분야에는 UWB 안테나가 필요하지 않으며 FBW의 약 1.7%에 불과한 60GHz 중심의 안테나가 필요합니다.

Abracon의 ACG0806U, ACG0301U, ACG0502U와 같은 UWB 안테나는 이런 광범위한 주파수에서 작동합니다. 이러한 안테나는 높은 수준의 설계 유연성과 안정적인 연결을 제공하면서 여러 협대역 안테나를 대체하는 데 사용할 수 있습니다(표 1).

$Table showing how the ACG0806U, ACG0301U, and ACG0502U UWB antennas offer different combinations of frequency range and fractional bandwidth$ 표 1: The ACG0806U, ACG0301U, ACG0502U UWB 안테나는 주파수 범위와 비대역폭의 다양한 조합을 제공합니다. (이미지 출처: Bill Schweber, Abracon 데이터)

UWB 신호 및 해당 안테나의 잠재적인 범위는 게이트웨이 및 라우터, 고속 스트리밍, 무선 액세스 포인트, 핸드헬드 장치, 추적 및 포지셔닝, 스마트 홈 장치 제어, 엔터테인먼트 시스템과 같은 응용 분야에 적합합니다. 또한 사물 인터넷(IoT), 사물 지능 통신(M2M), 보안 자동차 액세스, 항목 추적, 실내 탐색, 핸즈프리 결제, 스마트 액세스, 물체 감지 분야의 응용 분야에도 유용합니다.

Abracon의 UWB 안테나는 또한 차세대 연결성을 위해 설계되었습니다. 이 안테나는 698MHz에서 7GHz까지 전체 스펙트럼을 다루며 다음과 같은 여러 이점을 제공합니다.

고성능
높은 복사 효율
낮은 전력 소비(UWB 시스템의 낮은 전력 요구로 인해)
빠르고 안정적인 데이터 전송에 대한 업계 요구 사항 충족
안테나 설계 및 기판/시스템 레이아웃을 간소화하는 완전한 이산 소자 칩 장치

세부 사항 강조

Abracon UWB 안테나를 자세히 살펴보면 그 특성을 알 수 있으며 이 안테나가 엔지니어링 설계 작업을 얼마나 쉽게 해주는지도 알 수 있습니다. ACG0806U는 8.0mm × 6.0mm × 1.2mm의 작은 세라믹 칩 패키지에서 3.3GHz ~ 7.2GHz 작동(4000MHz 대역폭)을 위해 설계된 표면 실장 장치(SMD)입니다(그림 1).

그림 1: Abracon ACG0806U는 8.0 mm × 6.0 mm × 1.2 mm의 작은 SMD 세라믹 칩 패키지에서 3.3GHz ~ 7.2GHz 작동을 위한 UWB 안테나입니다. (이미지 출처: Abracon)

전기적으로 ACG0806U는 50Ω 공칭 임피던스와 3.5 미만의 전압 정재파비(VSWR)로 선형 분극과 전방향성 방위각 빔 폭을 제공합니다. 해당 성능에 대한 자세한 내용은 반사 손실의 임피던스 특성 및 총 효율의 방사 특성을 보여주는 그래프를 포함합니다(그림 2 및 그림 3).

그림 2: ACG0806U에 대한 반사 손실(dB 단위) 그래프는 지정된 작동 대역 전체에서 해당 성능의 한 측면을 자세히 다룹니다. (이미지 출처: Abracon)

그림 3: 해당 작동 주파수 전체에서 ACG0806U의 효율이 표시됩니다. (이미지 출처: Abracon)

설계자에게 중요한 것은 칩 안테나를 배치하고 인터페이스하는 방법과 위치입니다. ACG0806U의 경우 평가 기판에는 임계 치수와 관련 정합 회로망이 표시됩니다(그림 4).

그림 4: ACG0806U 안테나 배치를 위해 관련 크기를 표시합니다. (이미지 출처: Abracon)

결론

UWB 안테나는 현재 점점 더 큰 관심을 받고 있는 다양한 다대역 및 광대역 응용 분야를 지원하기 위해 필요합니다. Abracon은 다양한 중심 주파수 및 여러 대역폭을 가진 표면 실장 UWB 칩 안테나 중 선택할 수 있습니다. 이를 이용하여 설계자는 회로 기판에 UWB 안테나를 신속하게 선택하여 배치할 수 있습니다.