IoT 설계의 안테나 설계 고려 사항

점점 더 많은 장치가 무선 방식으로 인터넷에 연결됨에 따라 전자 엔지니어는 장비 공간을 제공하기 위해 무선 송신기를 조립하는 방법과 점점 더 작은 크기의 장치를 설계 및 제조하는 방법과 같은 많은 문제에 직면해 있습니다. 또한 인체 공학과 적용 가능한 접근성 및 환경과의 조화를 이루는 IoT(사물인터넷) 제품에 대한 고객의 요구에 부응하기 위해 노력하고 있습니다.

IoT 제품을 고려할 때 크기 기대치는 가장 중요한 고려 사항 중 하나이며 무선 특성과 가격도 일반적으로 고려됩니다. 이상적으로 엔지니어는 작은 크기, 우수한 RF(무선 주파수) 성능 및 저렴한 가격의 IoT 구성 요소를 선호합니다. 그러나 IoT 구성 요소는 일반적으로 위에서 언급한 모든 이점을 포함하지 못하므로 솔루션 제공업체는 과제에 직면해야 합니다.

다행스럽게도 전자 산업이 완전히 새로운 실리콘 공정 기술에 지속적으로 의존함에 따라 최근 몇 년 동안 실리콘 칩의 크기가 점점 작아지는 것을 목격했습니다. MCU(microprogrammed control unit)와 RF front end를 SoC(system on chip) 구조에 통합하여 IoT 구현을 위한 공간 문제를 성공적으로 해결했습니다. 그러나 SoC로의 발전 추세는 RF 송신기, 즉 안테나의 물리적 구조에 관한 문제를 해결하지 못하고 있다. 우리는 일반적으로 안테나 설계를 고객에게 맡기거나 통합 안테나가 있는 사용하기 쉬운 안테나 모듈을 선택하도록 조언합니다. 안테나를 위한 공간은 우리가 소형 IoT 장치를 설계할 때 직면해야 하는 또 다른 과제입니다. 공간 디자인은 고효율과 안정적인 무선 연결 기능을 요구합니다.

SoC가 필요한 이유

21 ^st 세기에 IoT의 초기 번영을 보았을 때 산업은 M2M(Machine to Machine)으로 간주되었습니다. IoT 상호 연결에 기여하는 구성 요소는 주로 GPRS 모뎀, Bluetooth 직렬 케이블 또는 Sub-G 라디오를 포함합니다. 모든 설계는 연결을 달성하기 위해 MCU와 무선 모뎀이라는 두 가지 주요 구성 요소를 활용합니다. 기본적인 IoT 기능을 구현하기에 충분한 최소 공간은 전 치수 50mm로 모든 기기의 크기가 휴대폰 크기입니다.

실리콘 산업이 MCU와 RF 기능을 하나의 칩 공간에 통합하는 기술로 지속적으로 이동함에 따라 개발자는 더 많은 기회를 수용하기 시작합니다. 이제 IoT 장치의 모든 기능을 동일한 IC/SoC 내에서 구현할 수 있습니다. 무선 MCU는 분명한 장점이 있기 때문에 IoT 구성 요소 시스템이 무선 MCU로 전환되기 시작합니다. 결과적으로 엔지니어는 한 가지 유형의 구성 요소만으로 IoT 장치를 설계하고 공간을 절약할 수 있습니다. 또한 구성 요소의 비용이 저렴하기 때문에 비용을 절감할 수 있습니다. 최신 IoT 장치의 구조를 선택할 준비가 됨에 따라 SoC 기반 시스템은 크기의 이점으로 인해 더 대중화될 것입니다.

그럼에도 불구하고 SoC로의 발전 추세는 물리적 구조 문제, 즉 안테나를 해결하지 못하고 있습니다.

안테나 배치 방법과 필요한 공간은?

안테나는 크기와 효율성을 모두 고려해야 하기 때문에 여러 차원에서 복잡성에 직면해야 한다는 점을 인정해야 합니다. BOM(Bill of Material) 비용이 상대적으로 저렴하기 때문에 IoT 설계를 위한 PCB 트레이싱을 통해 안테나를 설계하는 것이 일반적입니다. 그러나 PCB 안테나는 일반적으로 25mm x 15mm 범위의 놀라운 크기 요구 사항을 요구하므로 IoT 제품의 볼륨이 커집니다. 안테나는 모듈에 적용할 때 또 다른 단점이 있습니다. 즉, 차폐재로 인한 디튜닝에 매우 민감하고 최적의 작동 상태에 도달하기 위해 최종 제품 조립 과정에서 특별히 고려해야 합니다. SoC 설계에서 일반적인 설계의 일부로 안테나 튜닝은 일부 전문 지식에 따라 얻습니다. 설계상 PCB 안테나와 다른 안테나의 차이는 없습니다.

안테나 제조업체는 설계 작업을 단순화하기 위해 오랫동안 "칩 안테나"를 제공했습니다. 또한, 이러한 유형의 안테나는 크기 면에서 장점이 있습니다. 이 범주의 안테나는 주로 다음과 같은 방식으로 제공됩니다.
a. GND와 분리된 안테나. 이러한 유형의 안테나는 상대적으로 큰 크기의 클리어런스 범위를 요구합니다. 이러한 유형의 안테나의 일반적인 예로는 단극 안테나 및 플립-F 안테나가 있습니다.
b. GND와 결합된 안테나. 이러한 유형의 안테나는 비교적 작은 여유 범위만 제공하면 되거나 안테나가 전혀 필요하지 않습니다.

두 가지 유형의 안테나는 PCB 크기 측면에서 여유 범위 또는 접지면 및 공간 요구 사항을 특징으로 합니다. IoT 설계에서 RF 구성 요소가 호출하는 공간에는 구성 요소 또는 트레이스가 여기에 남아서는 안 되므로 필요한 여유 범위도 포함해야 합니다. 즉, 설계자가 IoT 장비의 크기를 추정할 때 PCB 크기 및 여유 범위가 안테나. 또한 안테나와 쉴드 가장자리 사이에 일정한 공간을 유지해야 합니다.

IoT 기기를 버튼 셀 크기로 설계하면 안테나 효율이 확실히 훼손된다. 크기를 작게 만들려고 하면 RF 성능을 달성하기 위한 효율성이 이후 감소합니다. 모든 치수가 10mm 미만인 장치의 성능은 2.4GHz의 주파수가 될 때까지 달성되지 않습니다. 예를 들어, 10미터 이상의 블루투스 연결은 휴대폰 사용자에게 제공될 수 있으며, 이는 대다수가 수락합니다.

그러나 모든 방향의 크기가 20mm에 가까워지면 RF 효율이 크게 향상됩니다. 40mm에 가까워지면 접지 튜닝이 된 수많은 안테나의 고효율이 최고로 올라갑니다.

그 이후에는 두 개의 등가 장치 간의 통신 거리가 Bluetooth 4.2 프로토콜에 따라 60mm에서 400mm 사이여야 함을 의미합니다. 15.4 프로토콜(예:지그비)이 적용되면 가시 범위 내에서 가장 긴 통신 거리가 500미터 이상에 도달할 수 있습니다. 따라서 설계자는 대부분의 칩 안테나가 모두 PCB 접지면을 안테나 구성의 한 섹션으로 간주하기 때문에 애플리케이션 및 목표 크기의 차이에 따라 PCB 크기와 안테나의 성능 및 효율성의 균형을 맞춰야 합니다. 또한 안테나/모듈 위치도 설계 단계에서 중요한 역할을 하므로 설계자는 모듈의 최적 접지를 달성하기 위해 여유 범위를 고려해야 합니다.