IoT 내장형 안테나 설계를 간소화하는 가상 안테나

안테나는 항상 모순 속에 존재해 왔으며 무선 환경에서 혼동을 일으킬 수도 있습니다. 한편으로 안테나는 전압과 전류로 표현되는 컨덕터의 제약된 에너지와 진공 또는 공기에 존재하는 분산된 방사 전자기 에너지 사이의 단순한 수동 소자 트랜스듀서일 뿐입니다. 다른 한편으로는 안테나는 매우 광범위한 물리적 구현, 구성, 스타일 및 크기로 제공됩니다. 100년도 더 지난 마르코니 안테나의 무선 초창기 이래로 안테나의 개념, 설계 및 제조가 여러 주요 단계를 거쳤습니다.

첫 번째 단계

첫 번째 안테나는 두 기본 구조, 즉 접지면이 연결된 단극(휩 안테나라고도 함)(그림 1)과 다양한 구성의 균형 잡힌 비접지 쌍극(예: 접이식 쌍극)(그림 2) 중 하나를 기반으로 했습니다. 연구원과 엔지니어는 안테나의 성능이 궁극적으로 Maxwell의 간결한 네 방정식에 의해 결정된다는 것을 알고 있지만, 엄청나게 복잡한 모델링과 계산으로 인해 이러한 방정식을 안테나 설계에 활용하는 것은 불가능했습니다.

그림 1: 긴 전선 또는 휩 안테나 배열은 접지면(여기서는 자동차 표면, 왼쪽)을 사용하는 단일 소자 설계입니다. 안테나 그림은 단순함을 보여줍니다(오른쪽). (이미지 출처: Lihong Electronic(왼쪽), Electronics Notes(오른쪽))

그림 2: 기본 쌍극은 그림(아래쪽)에 표시된 것처럼 접지 레퍼런스가 없는 균형 잡힌 대칭 안테나(위쪽)입니다. (이미지 출처: TCARES.net(위쪽) 및 Tutorials Point(아래쪽))

그 결과 안테나 관련 분석은 단극, 쌍극, 긴 전선, 기타 몇 가지 구성과 같은 안테나 요소의 크기를 지정하는 데 사용되는 기본 방정식으로 제한되었습니다. 또한 이러한 방정식은 경험, 직관 및 현장 평가에 따라 수정되었습니다. 예를 들어 쌍극에 가는 전선 대신 튜브를 사용하면 대역폭이 증가하는 것으로 알려져 있는데, 이는 응용 분야에 따라 좋을 수도 있고 나쁠 수도 있습니다. 이 증가량과 튜브 지름은 경험과 기본 측정에 기반하는 지침에 따라 추정되었습니다. 심지어 안테나 설계와 작동 원리에 대한 학술적 논의에서는 클래식 Yagi-Uda 안테나(참조 1)에 대한 1926년 기술 논문에서 밝혔듯이 기본 배열과 파장 논의 이상의 방정식을 거의 포함하고 있지 않습니다(그림 3).

그림 3: 기본적인 Yagi 안테나(위쪽)는 상업, 주거, 군사 응용 분야에서 널리 사용되는 3소자 안테나입니다. 3소자(아래쪽)는 구동(능동) 쌍극 소자이며, 그 뒤에 수동 반사 소자, 그 앞에 수동 디렉터 소자가 하나의 붐에 장착되어 있습니다. (이미지 출처: EuroCaster/Denmark(위쪽), RFWireless-World(아래쪽))

두 번째 단계

안테나 설계 혁신의 두 번째 물결은 안테나 특성을 포착하는 모델 및 알고리즘의 등장과 함께 시작되었습니다. 모델이 지나치게 복잡하지 않는 한 이러한 모델 및 알고리즘을 컴퓨터에서 실행하여 전자기장 모델 및 방정식을 합당한 시간 내에 풀 수 있습니다.

이러한 '현장 해결사'로 인해 새로운 안테나 구성 설계자가 초기 설계 단계에서 물리적 모델 및 현장 테스트를 거칠 필요 없이 안테나 이론과 현장 경험을 결합하여 새로운 배열을 제안 및 모델링하고 마지막으로 '이론적으로' 성능을 정량화할 수 있게 되었습니다. 이 방식은 어느 정도 효과가 있었지만, 여전히 되었다가 안되었다가 하는 정도였습니다. 하지만 엔지니어가 안테나 설계에 초점을 맞추고 프로젝트 목표를 충족할 때까지 반복적으로 조정 및 수정할 수 있게 되었습니다.

Lockheed의 전설적인 작은 실험실에서 최초의 스텔스 항공기인 F-117 Nighthawk를 개발하는 보기 드문 사례가 있었습니다(참고 자료 2 및 3). 레이더 서명을 다양한 크기로 축소시키는 이론적 연구의 대부분은 분석 솔루션과 복잡한 방정식에 기반했습니다.

이러한 방정식에서는 항공기가 레이더 신호에 잡혔을 때 항공기에 반사되는 전자기장 에너지를 분석했습니다. 프로젝트의 목표는 스킨 패널 소재, 모양, 크기, 각도, 조인트 및 기타 설계 요소에서 고유하고 이례적인 선택 옵션을 사용하여 이러한 표면이 안테나 역할을 하는 고유한 경향을 최소화하는 것입니다. 결국 항공기는 안테나형 모드에서 에너지를 재방사 및 반사하여 레이터 시스템 수신기에 잡히지 않게 되었습니다.

세 번째 단계

이제 다른 관점에서 과제를 바라보는 모델 기반 안테나 설계의 새로운 물결에 접어들고 있습니다. 전용 안테나에 의존하여 RF 신호를 방사하는 대신, 사물 인터넷(IoT) 장치 또는 스마트폰은 접지면에서 신호를 직접 방사합니다.

이를 위해 기존 내장형 안테나를 기존 안테나의 약 1/10 크기인 7.0mm(길이) × 3.0mm(너비) × 2.0mm(높이) 수동 소자 부품인 Ignion NN03-320 DUO mXTEND 안테나 부스터(그림 3)로 대체했습니다(Ignion은 2021년까지 Fractus 안테나로 유명했음).

그림 4: Ignion NN03-320 DUO mXTEND는 제품의 회로 기판 접지면을 사용하여 RF 신호로 방사하는 소형 수동 소자 부품입니다. (이미지 출처: Ignion)

차세대 소형 부품에 기반한 '안테나리스' 기술의 상용 명칭인 고유한 특허 받은 가상 안테나 기술을 적용한 이 부스터는 인쇄 회로 기판의 크기 또는 폼 팩터에 상관없이 항상 동일한 부품입니다. 설계자는 정합 회로망의 부품 배열과 값을 생성하고 조정하여 이 부스터를 원하는 주파수 대역으로 조정합니다.

다시 말해서 이 배열은 안테나 부스터와 주변 접지면 사이에 새롭고 유익한 시너지 효과를 생성합니다. 대략적으로 작은 오디오 압전 구동기를 단단한 테이블톱에 연결하는 효과가 있습니다. 즉, 테이블톱이 반향을 일으켜서 결과 오디오 출력 레벨이 크게 높아집니다.

Ignion 안테나 부스터는 기존의 맞춤형 PIFA(Planar Inverted-F Antenna)와 인쇄 회로 안테나를 대체하는 표준 기성 표면 실장 부품입니다. 이 부스터는 일반적으로 파장의 1/30 또는 1/50 이하로 작동 파장보다 훨씬 작습니다. 또한 완벽하게 작동하는 다대역 무선 연결을 제공하여 단일 안테나 부스터 부품이 여러 모바일 및 무선 설계에서 효과적으로 작동할 수 있으므로, 출시 시간을 단축하고 제품 개발 투자와 비용을 줄일 수 있습니다. 안테나 부스터는 실제로 칩 안테나로 제작되어 기존 픽앤플레이스 시스템을 사용하여 설치할 수 있으므로 생산 비용을 절감하고 품질과 신뢰성을 개선했습니다.

정합성

정합 회로망은 고유한 부스터 성능을 실현하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 안테나 부스터는 표준 부품으로 다양한 모바일 제품에서 사용될 수 있고, 정합 회로망은 모든 제품에 맞게 설정해야 하지만 초기에 한 번만 조정하면 됩니다.

정합 회로망을 변경하여 최신 IoT 장치 또는 스마트폰에 필요한 여러 주파수 대역을 포괄하도록 부스터의 RF 응답을 맞춤 설정할 수 있습니다. 간단한 단대역 IoT 장치는 일반적으로 3개 ~ 5개 부품으로 구성된 정합 회로망이 필요하지만, 다대역 스마트폰은 정합 회로망을 위한 몇 개의 부스터와 5개 ~ 8개의 Q 계수가 높은 주품이 필요할 수 있습니다.

Ignion은 설계자가 회로 기판 가장자리 옆에 부스터를 가상으로 배치하고, 부스터 주위에 부품이 없는 '안전' 구역을 정의한 다음 정합 회로망에 필요한 수동 소자 부품 수를 계산할 수 있는 무료 개발 도구를 사용하여 설계를 간소화합니다. 다중점 NN03-320의 경우 장치에서 계산된 정합 회로망을 활용하여 1561MHz ~ 1606MHz, 2400MHz ~ 2500MHz, 3400MHz ~ 3800MHz, 3100MHz ~ 4800MHz, 6GHz ~ 10.6GHz 대역폭에서 GNSS, Bluetooth, 5G 및 UWB를 비롯한 여러 대역과 응용 분야를 포괄할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: NN03-320 안테나 부스터는 RF 소스와 부스터 사이에 적합한 수동 소자 부품 정합 회로와 함께 장착될 경우 여러 대역에 대해 사용될 수 있습니다. (이미지 출처: Ignion)

NN03-320 규격서에서는 효율성, 피크 이득, VSWR, 분극, 방사 패턴 등 각 대역에 대한 표준 안테나 파라미터를 사용하여 이 50Ω 가상 안테나 부스터 부품과 최적화된 정합 회로망의 성능을 지정합니다.

응용 참고 사항에서는 그림 6과 같은 일반적인 정합 회로망 회로도 구성도를 보여주며, 바람직한 각 주파수 범위에 대해 제안되는 수동 소자 부품 값 표가 포함되어 있습니다. 이러한 값은 시작점 역할을 하지만 예기치 못한 기생과 주변 부품(예: 디스플레이 또는 IC)의 효과를 고려하여 수정해야 합니다.

그림 6: 또한 이중 대역 정합 회로망에 제안되는 이 회로도 구성도는 제안된 수동 소자 부품 값 표와 함께 제공되어 설계, 분석, 평가를 위한 시작점 역할을 합니다. (이미지 출처: Ignion)

결론

안테나 부스터(예: Ignion의 안테나 부스터)는 접지면을 방사 표면으로 사용하여 방사 RF 에너지를 다양한 방식으로 표현합니다. 이 수동 소자 표면 실장 부스터 장치는 IoT 장치 및 스마트폰을 위한 기존 내장형 안테나 배열을 대체합니다. 수동 소자 정합 회로망을 적절히 구성하는 것 만으로 단일 가상 안테나 장치가 RF 스펙트럼의 여러 부분을 처리할 수 있습니다.

참고 자료:

1: Yagi, Hidetsu; Uda, Shintaro, Proceedings of the Imperial Academy(1926년 2월). 'Projector of the Sharpest Beam of Electric Waves'(PDF).

2: Air Force Magazine, 'How the Skunk Works Fielded Stealth'

3: Ben Rich, 'Skunk Works: A Personal Memoir of My Years of Lockheed'