소형 PCB를 사용하여 모바일 장치에 더 나은 무선 성능을 얻는 방법

웨어러블, 의료 기기 및 트래커와 같은 소비자 애플리케이션과 조명, 보안 및 건물 관리와 같은 산업 애플리케이션에서 사용하기 위해 더 작은 무선 장치에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 따라서 더 작은 전자 장치는 더 작은 PCB를 필요로 하므로 안테나는 더 짧은 접지면에서 작동해야 하며 배터리로 작동되는 경우 장치가 너무 많은 전력을 소비하지 않아야 하기 때문에 전력도 한 요인입니다.

이것은 제품 디자이너에게 상당한 도전과제입니다. 최종 설계는 공식 네트워크 및 정부 승인을 위해 제출해야 새 제품을 이동통신사 네트워크에서 사용할 수 있으며 안테나가 올바르게 작동하지 않거나 장치가 다음으로 인해 무선 간섭을 생성하는 경우 설계가 실패할 가능성이 있습니다 장치에서 노이즈를 다시 방사합니다. 따라서 최소 수준의 송수신을 통과할 만큼 좋은 무선 성능을 달성하기가 더 어렵기 때문에 소형 제품에 대한 통신사 승인을 받기는 더욱 어렵습니다. 이는 디자인이 네트워크 승인을 받기 위해 엄격한 기준을 충족해야 하는 미국에서 특히 그렇습니다.

전기적으로 작은 안테나가 1GHz 미만의 주파수에서 작동하려면 우수한 성능과 효율성을 달성하기 위해 이상적으로 100mm 이상의 접지면 길이가 필요합니다. 안테나 효율이 떨어지면 최종 제품에 대한 네트워크 승인 및 전력 소비 문제가 발생합니다. 즉, 제품 디자이너의 과제는 안테나가 올바르게 작동할 수 있는 충분한 공간이 있으면서도 모든 구성 요소를 더 작은 PCB에 맞출 수 있는 디자인을 만드는 것입니다.

이는 IoT 장치, 제품 추적기, 피트니스 장치 및 기타 유사한 소형 장치와 같은 제품에 일반적으로 사용되는 1GHz 미만의 주파수에서 작동하는 안테나에 특히 해당됩니다.

인체 가까이에서 사용되는 웨어러블 기기와 의료 기기는 특별한 도전 과제입니다. 인체는 RF 신호를 제한하므로 설계자는 안테나의 방사 방식을 고려하고 인체가 신호를 방해하지 않는 방식으로 안테나를 배치해야 합니다.

웨어러블 기기는 50mm 이하로 작을 수 있습니다. 그리고 그들 중 일부는 둘 이상의 안테나를 사용할 수도 있습니다!

소형 장치의 안테나 성능에 영향을 미치는 몇 가지 요인이 있으며 이 기사에서는 차례로 이를 다룰 것입니다. 첫 번째이자 가장 중요한 것은 접지면으로 많은 경우 안테나가 방사하는 데 필수적입니다. 그러나 이것이 전부는 아닙니다. 설계자는 안테나를 올바르게 배치하고 안테나와 관련된 다른 구성요소 및 이들의 위치를 ​​고려하여 안테나 경로에 잡음이나 금속성이 없는지 확인해야 합니다. 마지막으로 장치의 케이스가 차이를 만들 수 있으므로 피해야 할 주요 재료에 대해 간략히 설명하겠습니다.

임베디드 안테나 – 작동 방식

다이폴 안테나는 두 개의 라디에이터를 사용하여 작동하지만 내장형 칩 안테나는 하나만 있습니다. 임베디드 안테나의 경우 PCB의 표면이 두 번째 라디에이터가 됩니다. 이것은 PCB의 길이가 너무 짧으면 안테나가 효율적으로 작동하지 않는 이유를 설명합니다.

안테나의 공진은 파장과 직접적인 관련이 있습니다. 안테나는 파장의 정수 배수 또는 분수에서 공진해야 하며, 가장 짧은 공진 길이는 파장의 1/4이 됩니다.

916MHz 주파수의 전파 안테나는 길이가 약 327mm가 되어야 하므로 내장형 안테나에는 실용적이지 않지만 1/4파 버전은 접지면 길이 87.2mm에서 실용적입니다. 이것은 작은 표면 실장 칩 안테나 안에 숨겨진 구리 트레이스와 레이어를 가로질러 감겨질 것입니다.

안테나 설계자는 접지면을 반파장 다이폴의 누락된 절반으로 사용하여 이 제한을 해결하므로 1/4파장 모노폴 안테나는 접지면에 대해 방사합니다. 따라서 소형 무선 장치에서 가장 많이 사용되는 내장형 안테나는 1/4파장 모노폴 안테나인 경향이 있습니다.

접지 평면 길이

내장형 안테나가 효율적으로 작동하려면 접지면이 최저 주파수에서 안테나의 최소 1/4 파장이어야 합니다. 따라서 접지면이 100mm 이상이면 저주파에서 설계가 훨씬 쉬워집니다.

내장형 안테나의 성능은 접지면의 길이와 직접적인 관련이 있으므로 접지면이 올바른 길이가 되도록 하는 것이 소형 설계의 가장 큰 과제입니다.

그림 1은 접지면 길이와 왼쪽의 794MHz에서 오른쪽의 2.69GHz까지의 안테나 효율 간의 균형을 보여줍니다.

그림 1. (출처:Antenova Ltd)

이러한 결과는 1GHz 미만의 주파수에서 작은 접지면에 대해 안테나 효율이 어떻게 떨어지는지를 명확하게 보여줍니다. 이러한 결과는 주파수 791-960MHz, 1710-2170MHz, 2300-1400MHz 및 2500-2969MHz에서 작동하는 3G/4G 칩 안테나에 대해 얻은 것입니다.

일반적으로 접지면은 1GHz 미만의 주파수를 사용하는 장치의 경우 100mm 이상이어야 합니다. 미국에서는 4G 주파수가 100mm보다 긴 접지면이 필요한 T Mobile의 B71 대역과 같이 698MHz 또는 617MHz의 낮은 대역을 사용합니다.

PCB에 안테나 배치

다음으로 PCB에서 안테나의 위치와 다른 구성 요소와 관련된 배치를 고려해야 합니다. 안테나는 효과적으로 방사할 수 있도록 전체 RF 레이아웃 및 PCB 스택업에서 최상의 위치에 배치해야 합니다.

각 개별 안테나는 PCB의 몇 군데에서 효율적으로 작동하도록 설계되었습니다. 이것은 종종 모서리 또는 모서리이지만 각 안테나가 다르기 때문에 설계에 맞는 안테나를 선택하고 해당 안테나에 대한 제조업체의 권장 사항에 따라 배치하는 것이 중요합니다.

그림 2는 웨어러블 제품이나 시계와 같은 소형 장치에서 여유 공간을 두고 안테나를 배치하는 방법을 보여줍니다.

그림 2. (출처:Antenova Ltd)

그림 3은 시계 디자인에 적합한 안테나 배치를 보여줍니다. 이 설계는 빨간색으로 표시된 이 안테나 위와 아래에 지정된 권장 간격을 유지합니다.

그림 3. (출처:Antenova Ltd)

배터리, LCD 등 노이즈가 많은 부품을 안테나 부분 가까이에 두지 마세요. 안테나는 에너지를 수신하고 잡음이 있는 구성 요소에서 방출되는 잡음을 선택하고 해당 잡음을 라디오로 전송하여 수신 신호를 저하시키는 수동 구성 요소입니다. 또한 안테나는 RF 성능을 향상시키기 위해 인체에서 멀리 떨어져 있어야 합니다. 이는 위의 그림 3에서 파란색으로 표시된 거리입니다.

RF 피드의 배열과 접지 연결은 안테나 기능에 매우 중요합니다. 소형 PCB에 소형 임베디드 안테나가 있는 경우 PCB에 에칭된 구리 트랙이 안테나의 필수적인 부분을 형성할 수 있으므로 제조업체의 사양 또는 참조 설계를 따르도록 주의해야 합니다.

전체 RF 레이아웃 및 PCB 스택업

설계 시 RF 요소의 레이아웃을 세심하게 고려하여 안테나의 성능을 극대화할 수 있습니다. 구리 접지면은 트레이스로 절단되거나 두 개 이상의 레이어 위에 배열되어서는 안 됩니다. 그러면 안테나의 접지면 부분이 더 효과적으로 방사할 수 있습니다.

LCD 또는 배터리와 같은 구성 요소는 PCB 레이아웃의 안테나 영역에서 멀리 떨어져 있어야 합니다. 이러한 부품은 안테나가 방사되는 방식을 방해할 수 있기 때문입니다.

다중 대역 주파수의 경우 최소 4개의 레이어가 있는 PCB 레이아웃을 제안합니다.

그림 4는 상단 및 하단 레이어가 접지면을 제공하는 반면 접지면에서 떨어져 있어야 하는 디지털 신호와 전력은 이들 사이의 공간에서 실행되는 방식을 보여줍니다.

그림 4. (출처:Antenova Ltd)

성능을 위한 안테나 조정

접지면이 이상적인 것보다 짧은 경우 설계자는 내장형 안테나의 성능을 향상시키기 위해 다른 기술을 고려할 수 있습니다.

한 가지 방법은 작동 국가에 맞게 안테나를 조정하는 것입니다. 4G 주파수 범위는 698MHz에서 2690MHz로 넓지만 세계 각 지역은 이 대역의 일부만 사용하고 안테나는 한 번에 하나의 주파수에서만 작동할 수 있습니다. 즉, 제품이 한 지역에서 사용될 때 주파수 대역의 더 좁은 부분에서 작동하도록 조정할 수 있습니다. 이렇게 하면 안테나의 성능이 향상됩니다.

또 다른 기술은 능동 튜닝 네트워크를 포함하는 것인데, 이는 호스트 PCB가 75mm 미만인 더 작은 접지로 인한 대역폭 감소를 극복하는 데 도움이 되는 추가 RF 스위칭 회로입니다. 안테나 피드 포인트 가까이에 PI 정합 회로가 추가되어 안테나를 미세 조정하고 성능을 높입니다. 매칭 회로의 설계는 일반적으로 RF 전문가의 도움이 필요합니다.

그림 5는 안테나 평가 보드의 정합 회로를 보여줍니다.

그림 5. (출처:Antenova Ltd)

전송 라인 설계

PCB의 재료가 선택되고 두께와 유전 상수가 알려지면 상용 RF 트레이스 설계 소프트웨어 패키지 중 하나를 사용하여 동일 평면 전송 라인을 설계할 수 있습니다. 이것은 PCB 두께, 구리 층 분리 및 기판 유전 상수를 사용하여 전송 라인의 최적 폭과 50Ω의 동일 평면 전송 라인을 달성하기 위한 양쪽의 적절한 간격을 계산합니다.

모든 전송 라인은 50Ω의 특성 임피던스를 갖도록 설계해야 하며, 송수신기나 전력 증폭기와 같은 RF 시스템의 다른 부분도 50Ω의 임피던스로 설계해야 합니다.

Antenova는 설계자가 전송 라인의 크기를 결정할 수 있도록 무료 RF 전송 라인 계산기 도구를 제공합니다.

기타 요인

동일한 PCB에서 서로 다른 주파수에서 작동하지만 근접하게 배치되는 둘 이상의 안테나가 있을 수 있습니다. 안테나가 GPS 수신기와 같은 수신 전용 시스템인 경우 4G 라디오와 같은 가까운 송신 안테나에 의해 디센싱되어 GPS 시스템의 정확도가 떨어질 수 있습니다. 안테나 사이의 물리적 거리(안테나가 서로 직교하는지 확인)로 이러한 안테나 시스템을 분리하거나 안테나 간에 공유되는 접지 전류를 제거하기 위해 접지면에 노치를 사용하여 주의를 기울여야 합니다.

다중 입력, 다중 출력(MIMO) 시스템에서 설계에는 둘 이상의 안테나가 필요하며, 안테나는 공존할 수 있도록 서로 상대적으로 배치되어야 합니다. 그런 다음 동일한 주파수에 일치시킬 수 있습니다. 절연 및 상호 상관 관계가 허용 가능한 한도 내에 있도록 하려면 안테나를 배치해야 합니다. 위에서 언급했듯이 안테나 사이의 물리적 거리에 의해 장치의 안테나를 분리할 때 주의를 기울여야 합니다. 안테나가 서로 직교하도록 하거나 안테나 사이에 접지면을 노치하여 안테나 사이에 공유되는 접지 전류를 제거해야 합니다. 안테나.

그림 6은 다양성을 위한 근접 구성을 보여줍니다.

그림 6. (출처:Antenova Ltd)

그림 7은 다양성에 대한 반대 구성을 보여줍니다.

그림 7. (출처:Antenova Ltd)

외부 케이스는 안테나에 가까운 금속을 포함해서는 안 되지만 특정 금속 코팅은 에너지를 효과적으로 전도하지 않기 때문에 허용됩니다. 안테나 근처에 금속 물체가 있으면 안테나의 주파수가 더 낮아질 수 있습니다. 또한 안테나가 작동하도록 설계된 대역폭의 양을 줄일 수 있습니다. 안테나 근처에 있는 금속 물체의 또 다른 문제는 금속 물체가 금속이 놓인 방향으로 신호를 차단하여 전체 방사 패턴을 감소시키고 기지국과의 연결이 끊어질 정도로 신호가 저하될 수 있다는 것입니다.

결론

제품 디자인에 안테나가 포함되는 경우, 특히 소형 PCB를 사용하는 경우 안테나를 먼저 선택하고 PCB에 먼저 배치하는 것이 좋습니다. 다른 방식으로 완성된 디자인에 안테나를 삽입하는 것보다 이러한 방식으로 수행하는 것이 더 쉽습니다. 안테나를 먼저 생각하는 것이 일반적으로 RF 요소가 제대로 작동하는 설계를 달성하는 가장 빠른 방법입니다.

이렇게 하면 장치에 대한 네트워크 승인을 얻을 가능성이 높아집니다. 승인을 얻으려면 안테나가 효율적으로 작동해야 하고 규칙이 까다롭습니다. 그러나 AT&T는 107mm보다 작은 장치를 허용하고 이러한 작은 장치에 대한 효율성 임계값을 낮췄습니다.