IoT 안테나 규격서 세부 사항 제대로 이해하기

무선 IoT(사물 인터넷) 제품을 설계할 때는 제품과 외부 세계를 연결하는 유일한 인터페이스인 안테나의 역할을 잘 알아야 합니다. 안테나를 잘못 선택해도 최종 제품의 통신은 가능하겠지만, 제품 성능의 저하로 인해 사용자가 다른 제품으로 바꾸게 될 가능성이 높습니다.

많은 설계자들이 겪는 문제는 안테나 솔루션의 종류가 너무 많아서 그 선택 과정이 다소 어렵다는 점입니다. 그럼 설계에 가장 적합한 안테나 선택의 범위를 좁히려면 어떻게 해야 할까요?

비교적 결정이 쉬운 사항도 있습니다. 설계의 작동 대역에 최적화된 안테나를 찾는 것부터 시작합니다. 예를 들어 LoRa 연결을 사용하는 제품이 미국 시장을 타겟팅하는 경우, 안테나는 902MHz ~ 928MHz 대역에서 작동하도록 최적화되어야 합니다. 장치가 듀얼 밴드 Wi-Fi를 지원하는 경우, 안테나는 2.4GHz 및 5GHz RF 대역 모두에서 작동하도록 최적화되어 있어야 합니다.

그 다음엔 최종 제품의 폼 팩터를 고려합니다. 예를 들어, Bluetooth Low Energy(LE) 지원 센서의 크기가 아주 작아야 하는 경우, 2.4GHz 표면 실장 칩 안테나인 Amphenol의 ST0147-00-011-A가 좋은 옵션이 될 수 있습니다. 크기가 3.05mm x 1.6mm x 0.55mm에 불과해, 장치의 PC 기판에 직접 실장할 수 있습니다. 훨씬 더 큰 장치의 예로는 Wi-Fi 액세스 포인트(AP) 가 있습니다. 이 제품은 안테나를 위한 충분한 공간을 제공하면서 우수한 범위와 높은 처리량에 대한 요구를 충족합니다. 적합한 옵션으로는 Amphenol의 ST0226-30-002-A 외장형 휩 안테나가 있습니다(그림 1).

그림 1: ST0226-30-002-A 외장형 휩 안테나는 듀얼 밴드 Wi-Fi 액세스 포인트와 같은 응용 제품에 적합합니다. (이미지 출처: Amphenol)

작동 대역과 폼 팩터를 고려한 다음에는, 상황이 조금 더 복잡해집니다. 전력 소비, 안정성, 범위 및 처리량 사양을 충족하는 안테나를 선택하려면, 규격서의 내용을 제대로 이해해야 합니다.

자세히 알아보기

Amphenol의 ST0224-10-401-A의 규격서와 같은 통상적인 규격서를 살펴보겠습니다(그림 2). 이 안테나는 스마트 미터 및 산업용 IoT(IIoT) 응용 제품에 적합하며 내부 실장이 가능한 Wi-Fi 추적 RF 안테나입니다. 해당 규격서에는 장치의 방사 패턴, 최대 전력 전송, 주파수 응답, 이득 및 효율성에 대한 정보가 포함됩니다. 이러한 각 파라미터의 의미를 알아보겠습니다.

그림 2: ST0224-10-401-A Wi-Fi 추적 RF 안테나는 내부 실장이 가능하며, 스마트 계량기 및 IIoT 응용 제품에 적합합니다. (이미지 출처: Amphenol)

방사 패턴: 안테나가 3D 공간에서 무선 주파수(RF) 에너지를 방출(또는 흡수)하는 방식을 그래픽으로 정의합니다. 규격서에는 통상적으로 3D 방사 패턴을 통해 2개 또는 3개의 슬라이스가 표시되며, 하나는 XY 평면의 피크 방사선을, 다른 하나는 ZY(및/또는 ZX) 평면의 피크를 표시합니다(그림 3). 흔히, 평면 패턴은 최종 제품에 사용하려는 안테나를 실장하는 경우에 '방위각'(XY 평면)과 '고도'(예를 들어 ZY 평면을 가로질러 XY 평면에 직교하는 경우)라고 합니다.

그림 3: XY 평면(왼쪽) 및 ZY 평면(오른쪽)에서 Wi-Fi 트레이스 안테나의 피크 방사 패턴을 보여줍니다. (이미지 출처: Amphenol)

다이폴 안테나와 같은 전방향성 안테나는 모든 방향으로 무선 에너지를 비교적 균등하게 방출하거나 수신하는 안테나입니다. 이는 여러 IoT 애플리케이션에 적합한데, 개발자는 종종 모든 방향의 장치에 대해 상호 연결성을 보장해야 하기 때문입니다. Amphenol ST0224-10-401-A 안테나의 규격서에 따르면 이 안테나는 전방향성 장치입니다.

전방향성 안테나의 단점은 전송 에너지가 팽창하는 구의 표면에서 소실되어, 신호 강도가 기하급수적으로 감쇠되며 범위에 영향을 미친다는 점입니다. 반면에, 지향성 안테나는 빔포밍과 같은 기술을 사용하여 무선 에너지를 특정 방향으로 집중시켜 수신 범위를 늘립니다.

최대 전력 전송: 이는 전송 라인의 임피던스(Z₀)가 안테나의 임피던스(Z_a)와 같을 때 발생합니다. 임피던스 정합 회로망이 잘 설계되어 있더라도, 통상적으로 일부 전력은 안테나에 의해 전송 라인을 따라 다시 반사됩니다. Z₀ 및 Z_a 임피던스가 얼마나 잘 일치하는지에 대한 일반적인 측정 기준은 전압 정재파비(VSWR)입니다. VSWR이 1이면 임피던스 불일치 손실이 없음을 의미하며, 숫자가 높아질수록 손실이 증가함을 의미합니다.

예를 들어, VSWR이 3.0이면 전력의 약 75%가 안테나로 전달된다는 의미입니다. 입사파에 대한 반사파의 출력비를 반사 손실(RL)이라고 합니다. 이는 입사파의 전력보다 반사파 전력의 데시벨(dB)이 낮아짐을 의미합니다. 1.5 미만의 VSWR(RL ≈ 14dB)은 만족스러운 매칭입니다. Amphenol ST0224-10-401-A-10 안테나는 2.4GHz 및 5GHz 주파수 대역에서 작동할 때 -10dB의 RL을 제공합니다.

RL은 무선 주파수에 따라 달라지므로, 개발자는 안테나의 주파수 응답을 확인하여 의도한 작동 대역에서 RL이 최소화되도록 해야 합니다(그림 4).

그림 4: RL은 주파수에 따라 달라집니다. 개발자는 안테나가 의도한 작동 주파수에서 최소 RL을 제공하는지 확인해야 합니다. (이미지 출처: Amphenol)

이득 및 효율성: 이득은 피크 방사 방향으로 전송되는 전력의 양을 나타내며, 일반적으로 등방성 안테나(dBi)를 기준으로 dB 단위로 표시됩니다. 이득은 안테나의 지향성 및 효율성과 관련이 있습니다. 지향성은 안테나의 방사 패턴의 방향성을 측정합니다. 예를 들어, 완벽한 전방향성 안테나는 방향성이 0이고 지향성이 1(또는 0dB)입니다. 지향성은 일반적으로 방사 패턴에 따른 피크 값(D_max)으로 인용됩니다. 안테나 사양 설명서에는 일반적으로 지향성보다 이득이 더 많이 표시되는데, 이는 VSWR 불일치 및 에너지 손실이 고려되기 때문입니다.

효율(η)은 입력 전력(P_rad)에 대한 총 방사 전력(TRP, 또는 P_in)의 비율입니다. TRP는 전체 방사 패턴에서 방출되는 전력을 통합하여 계산합니다. η를 계산하려면, η = (P_rad/P_in) * 100% 공식을 사용합니다. 그러면 안테나 피크 이득은 Gain_max = η * D_max입니다.

이득이 3dB인 송신 안테나는 동일한 입력 전력을 가진 무손실 등방성 안테나에 비해 2배의 전력을 방사합니다. 무손실 안테나는 효율이 0dB(또는 100%)인 안테나입니다. 마찬가지로, 피크 이득이 3dB인 수신 안테나는 무손실 등방성 안테나보다 2배 더 많은 전력을 수신합니다. Amphenol의 예에서는 피크 이득이 2.4GHz 대역에서 2.1dBi, 5GHz 대역에서 3.1dBi입니다.

이득이 높은 것이 항상 좋은 것만은 아닙니다. 수신 신호의 방향을 알 수 없는 경우에는 모든 방향에서의 신호에 만족스러운 응답을 보장하기 위해 저이득(저지향성) 안테나를 사용하는 것이 더 좋습니다. 스마트폰의 안테나가 그 예입니다. 스마트폰에서 가장 가까운 셀룰러 기지국으로 들어오고 나가는 신호들은 임의의 방향으로 오가기 때문에, 이득이 낮아야 합니다.

결론

안테나는 IoT 제품의 핵심 부품입니다. 안테나를 잘못 선택하는 경우 무선 장치의 성능이 크게 저하될 수 있습니다. 작동 주파수 및 사용 가능한 공간에 적합한 안테나를 선택하는 등, 선택 과정 중 일부는 수월합니다. 올바른 안테나를 선택하기 위한 핵심 요소는 규격서에 표시된 용어를 이해하고 방사 패턴, 최대 전력 전송, 주파수 응답 및 이득에 특히 주의를 기울이는 것입니다.