모바일 기기용 초소형 PCB에서 무선 성능 최적화하기

웨어러블, 의료 기기, 트래커 같은 소비자 시장과 조명, 보안, 빌딩 관리 같은 산업 분야에서 더 작은 무선 기기에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 제품 풋프린트가 줄어들면서 안테나를 호스팅하는 PCB도 작아져 설계자들은 축소된 그라운드 플레인과 배터리 구동 기기의 엄격한 전력 예산으로 작업해야 합니다.

이 과제를 해결하는 것은 중요합니다. 모든 최종 설계는 캐리어 네트워크에서 작동하기 전에 공식적인 네트워크 및 정부 인증을 거쳐야 하기 때문입니다. 최적이 아닌 안테나는 인증 실패, 기기 노이즈 재방사, 간섭 발생으로 송수신 임계값을 위태롭게 할 수 있습니다. 특히 미국에서는 규제 기관이 정밀한 성능 지표를 요구하므로 더욱 엄격합니다.

1GHz 이하에서 작동하는 전기적으로 작은 안테나는 이상적으로 100mm 이상의 그라운드 플레인 길이를 필요로 합니다. 더 짧은 그라운드 플레인은 효율을 저하시켜 더 높은 전력 소비를 유발하고 네트워크 승인을 어렵게 만듭니다. 따라서 설계자들은 미니어처 PCB에서 모든 컴포넌트를 수용하면서도 견고한 그라운드 플레인을 위한 충분한 공간을 확보해야 합니다.

이 경험칙은 일반적으로 1GHz 이하에서 작동하는 일반적인 IoT, 트래커, 피트니스 기기에 적용됩니다.

웨어러블과 의료 기기는 인체가 RF 신호를 감쇠시키기 때문에 추가적인 난제가 있습니다. 안테나 배치는 신체 차단 효과를 최소화해야 하므로 방향과 신체로부터의 거리를 신중하게 고려해야 합니다.

일부 웨어러블은 50mm만큼 작고, 특정 제품은 여러 안테나를 탑재하기도 합니다.

작은 기기에서 안테나 성능에 영향을 미치는 여러 요소가 있습니다. 그라운드 플레인 크기가 가장 중요하지만, 설계자들은 안테나를 올바르게 배치하고, 근처의 노이즈가 많은 금속성 컴포넌트를 피하고, 적절한 인클로저 재료를 선택해야 합니다.

임베디드 안테나 – 작동 원리

임베디드 칩 안테나는 단일 방사체를 사용하며, PCB 표면이 다이폴의 두 번째 팔 역할을 합니다. PCB가 너무 짧으면 안테나는 효율적으로 공진할 수 없습니다.

공진은 파장과 연관됩니다. 916MHz에서 1/4파장 모노폴은 약 87mm의 그라운드 플레인을 필요로 하며, 이는 표면 실장 설계에 실용적입니다. 설계자들은 종종 그라운드 플레인을 누락된 반파장 다이폴로 취급해 1/4파장 모노폴을 소형 기기에서 가장 인기 있는 선택으로 만듭니다.

그라운드 플레인 길이

최적 효율을 위해 그라운드 플레인은 동작 파장의 최소 1/4이어야 합니다. 1GHz 미만 주파수에서는 그라운드 플레인 길이 100mm 이상으로 해석됩니다.

그림 1은 794MHz에서 2.69GHz 대역 전반에서 그라운드 플레인이 짧아질 때 효율이 급격히 떨어지는 것을 보여줍니다.

그림 1. (출처: Antenova Ltd)

이 측정값은 791~960MHz, 1710~2170MHz, 2300~1400MHz, 2500~2969MHz를 커버하는 3G/4G 칩 안테나에서 나온 것입니다. 서브 1GHz 동작의 경우 일반적으로 100mm 그라운드 플레인이 필요합니다. 미국에서는 698MHz 4G 대역이나 T-Mobile의 B71(617MHz)이라도 더 긴 그라운드 플레인을 요구합니다.

PCB에서 안테나 위치 지정

RF 레이아웃과 PCB 스택업 내 배치가 중요합니다. 많은 안테나가 모서리나 에지에서 가장 잘 작동하지만, 구체적인 권장사항은 제조업체 데이터시트에 따라 다릅니다.

그림 2는 웨어러블 또는 워치 PCB에서 안테나 주변 클리어런스 예시를 보여줍니다.

그림 2. (출처: Antenova Ltd)

그림 3은 그림 3의 빨간색으로 표시된 필수 클리어런스 존을 준수하는 워치용 적절한 배치를 보여줍니다.

그림 3. (출처: Antenova Ltd)

배터리, LCD 같은 노이즈 컴포넌트를 안테나 근처에 배치하지 마세요. 안테나로 결합된 노이즈는 수신 신호를 저하시킵니다. 안테나를 신체에서 멀리 떨어뜨리세요. 그림 3의 파란색 영역이 최적의 분리를 나타냅니다.

구리 트레이스가 안테나의 일부를 형성할 때 제조업체의 레퍼런스 설계를 정확히 따라 적절한 RF 피드와 접지를 보장하세요.

전체 RF 레이아웃과 PCB 스택업

RF 요소를 신중하게 배치해 안테나 성능을 극대화하세요. 트레이나 여러 레이어에 걸쳐 그라운드 플레인을 자르지 마세요. 연속된 그라운드 플레인은 안테나가 더 효과적으로 방사되게 합니다.

LCD와 배터리 같은 컴포넌트를 안테나 영역에서 멀리 떨어뜨려 간섭을 방지하세요.

멀티밴드 동작을 위해 4층 PCB를 권장합니다. 그림 4는 일반적인 스택업을 보여줍니다. 상단과 하단 레이어가 견고한 그라운드 플레인을 제공하고, 중간 레이어에 디지털 신호와 전력 라우팅이 배치됩니다.

그림 4. (출처: Antenova Ltd)

성능을 위한 안테나 튜닝

그라운드 플레인이 이상적인 길이에 도달할 수 없는 경우 다음 대안을 고려하세요:

• 지역별 튜닝. 안테나 동작 대역을 특정 국가의 4G 할당에 맞춰 좁혀 효율을 개선합니다.
• 액티브 튜닝 네트워크. 피드 포인트 근처에 PI 매칭 네트워크를 추가해 작은 그라운드 플레인(< 75mm)에서 대역폭 손실을 보상합니다. RF 전문가들이 이러한 회로 설계에 도움을 줍니다.

그림 5는 평가 보드의 매칭 네트워크를 보여줍니다.

그림 5. (출처: Antenova Ltd)

전송선로 설계

PCB 재료, 두께, 유전율이 정의되면 표준 RF 트레이스 도구를 사용해 코플래너 전송선을 설계할 수 있습니다. 이는 트랜시버와 파워 앰프와 매칭되는 50Ω 특성 임피던스를 보장합니다.

Antenova는 설계자를 돕기 위해 무료 RF 전송선 계산기를 제공합니다.

추가 고려사항

여러 안테나가 PCB를 공유할 때 공간적 분리 직교 배향이 격리를 유지하는 데 필수적입니다. MIMO 시스템의 경우 신중한 레이아웃으로 교차 상관을 낮게 유지합니다.

그림 6은 다이버시티를 위한 근접 구성을 보여줍니다.

그림 6. (출처: Antenova Ltd)

그림 7은 다이버시티를 위한 대향 구성을 보여줍니다.

그림 7. (출처: Antenova Ltd)

인클로저는 안테나 근처의 금속 부품을 피해야 합니다. 금속 코팅조차 공진을 이동시키고 대역폭을 줄일 수 있습니다. 금속 근접성은 방사를 차단하고 전체 패턴을 저하시킬 수도 있습니다.

결론

소형 PCB 설계에 안테나를 통합할 때 안테나를 먼저 선택하고 배치하는 것으로 시작하세요. 이 '안테나 우선' 접근법은 다른 컴포넌트를 추가하기 전에 RF 성능을 최적화해 캐리어 승인 성공 가능성을 크게 높입니다. 규제 기관이 엄격한 효율 요구사항을 부과하지만, AT&T는 107mm 미만 기기에 대해 임계값을 완화했습니다.

이 가이드라인을 채택하면 설계자들이 콤팩트하고 효율적이며 규정을 준수하는 무선 제품을 만들 수 있습니다.