안테나를 추가하면 설계 프로세스가 어떻게 변경되는지

제품이 무선이고 안테나가 필요한 경우 설계 주기가 약간 다릅니다. 안테나는 PCB에서 가장 좋은 위치에 주의해서 배치해야 하기 때문에 설계 프로세스를 변경하고 설계에서 다른 구성 요소와의 관계를 고려하는 것이 중요합니다.

이상적으로는 설계자가 다른 구성 요소를 고려하기 전에 설계의 RF 요소를 정렬해야 합니다. 이 기사에서는 가장 적합한 안테나를 선택하는 것부터 시작하여 안테나가 설계 주기에 추가하는 추가 단계를 살펴봅니다.

안테나 선택

가장 널리 사용되는 내장형 안테나는 표면 실장 장치(SMD) 그룹입니다. 그들은 주로 보드 공간을 효율적으로 사용하기 때문에 인기가 있지만 장치 내에서 우수한 성능을 얻을 수 있기 때문이기도 합니다. 이 안테나는 작습니다. 너비가 1mm 정도로 작을 수 있으며 기판 조립 프로세스 중에 호스트 PCB로 직접 리플로우됩니다. 일반적으로 고급 유전체 라미네이트 기판으로 제조됩니다.

설계자는 기성품 안테나 모듈 사용을 고려할 수도 있습니다. 여기에는 설계에 바로 사용할 수 있는 다른 구성 요소와 함께 작은 패키지에 안테나가 포함되어 있습니다. 안테나 모듈을 선택하는 가장 큰 장점은 설계에 삽입할 수 있고 RF 회로가 기성품으로 제공된다는 점입니다.

FPC(Flexible Printed Circuit) 안테나는 사용 가능한 보드 공간에서 설계의 구성 요소 레이아웃이 제한되거나 어떤 이유로 SMD 안테나가 쉽게 맞지 않는 경우 흥미로운 옵션이 될 수 있습니다. FPC는 통합 케이블이 있는 얇은 구리 커버 테이프 층과 회로 기판에 연결하기 위한 UFL 커넥터로 구성됩니다. 곡면으로 약간 구부러질 만큼 충분히 얇으며 장치 내부의 작은 공간에 집어넣고 디자인의 외부 케이싱 내부에 고정할 수 있습니다. FPC는 공간이 협소한 곳에 적합하며 소형 핸드헬드 장치에서 널리 사용됩니다.

장치 설계에 성능을 저하시킬 수 있는 재료가 포함된 경우 설계자는 외부 안테나를 선택할 수 있습니다(그림 1). 내장형 안테나는 금속 부품에 근접하여 강력한 성능을 발휘하지 못하는 경향이 있으므로 큰 금속 기능을 설계에 통합하면 장치 외부에 배치된 터미널 또는 케이스 장착형 안테나가 최상의 성능을 제공할 수 있습니다.

그림 1. 외부 안테나 옵션에는 (왼쪽에서 오른쪽으로) SMD 안테나, FPC 안테나 또는 터미널 안테나가 있습니다. 출처:안테나

이 안테나는 RF 신호를 분리하기 위해 자체 절연 재료로 제조되며 금속 부품이 가까이에 있어도 최소한의 손실로 작동합니다. 케이스 장착형 안테나는 PCB의 다른 구성 요소를 위한 공간을 확보하고 설계의 다른 부품에 민감하지 않기 때문에 통합이 더 쉽습니다.

안테나 배치

일반적인 무선 설계의 모든 구성 요소 중에서 안테나는 위치에 가장 민감할 것입니다. 따라서 안테나의 위치는 처음부터 정하는 것이 좋습니다.

SMD 안테나는 호스트 PCB에 직접 납땜되며 안테나의 위치는 RF 성능에 영향을 미칩니다. 안테나는 일반적으로 안테나의 길이를 따라 축을 따라 6개 방향으로 방사합니다. 즉, 잘 작동하려면 반사 및 흡수 장애물이 없는 가능한 많은 방향이 있어야 합니다. 이러한 이유로 안테나는 종종 PCB의 모서리에 배치되거나 PCB의 모서리 중 하나에 사용되도록 설계됩니다. 제조업체는 서로 다른 위치에서 작동하도록 안테나를 설계하며, 각 안테나의 데이터시트는 안테나가 어떻게 방사되고 성능을 최적화하기 위해 호스트 PCB에 배치하는 방법을 정확히 지정합니다.

그림 2. SMD 안테나는 PCB의 긴 가장자리에 배치됩니다. 출처:안테나

노이즈를 생성하고 안테나의 방사 성능에 임피던스를 유발할 가능성이 있기 때문에 안테나에서 가능한 한 멀리 배치해야 하는 특정 구성 요소가 있습니다. 간섭을 일으키는 주요 원인은 모터, 배터리 및 LCD와 같이 금속 함량이 높은 부품입니다.

마지막으로 장치의 외부 케이싱은 안테나의 방사 필드를 방해할 수도 있습니다. 장치에 플라스틱 덮개가 있는 경우 플라스틱은 공기보다 유전 상수가 더 높고 안테나의 공진 주파수를 디튠할 수 있으므로 주의하십시오.

RF용 접지면 및 기판 설계

SMD 안테나는 일반적으로 방사할 접지면이 필요합니다. 임베디드 설계에서 접지면은 RF 신호가 왕복할 수 있는 평평한 연속 표면을 제공하는 PCB의 한 부분입니다. 접지면은 안테나의 가장 긴 파장과 관련된 특정 길이여야 합니다. 따라서 PCB의 접지면에 적절한 공간을 제공하는 것이 중요합니다. 이렇게 하면 안테나가 효율적으로 방사할 수 있기 때문입니다.

다시 말하지만 안테나 제조업체의 데이터 시트에서 설명합니다. 때로는 접지면이 안테나 아래에 있고 때로는 인접해 있습니다. 이것은 안테나마다 다르며 SMD 안테나를 선택하는 요인이 됩니다.

안테나는 접지면을 필요로 할 뿐만 아니라 다른 구성 요소가 없도록 주변에 일정한 공간, 즉 차단 영역이 필요한 경우가 많습니다. 각 안테나에 대한 차단 요구 사항은 개별 안테나마다 고유하며 이러한 영역은 안테나 아래의 보드 전체가 아닐지라도 가능한 여러 레이어를 통해 다른 구성 요소를 제거해야 합니다.

RF 추적 라인이 라디오에서 안테나까지 가능한 한 짧게 유지되는 경우 장치의 RF 성능이 가장 좋습니다. 이는 전송 라인이 길수록 구리 트레이스에서 반사 및 신호 에너지 손실이 발생하기 쉬워 장치의 전체 방사 성능을 저하시킬 수 있기 때문입니다. 따라서 설계의 RF 요소는 안테나에 최대한 가깝게 배치하는 것이 좋습니다.

일부 설계는 개선된 작업 대역폭을 위해 안테나를 조정하기 위해 RF 회로 내의 Pi 정합 회로와 같은 집중 요소 정합 회로의 이점을 얻을 수 있습니다.

그림 3. 능동 튜닝 회로가 있는 안테나 설계는 더 작은 접지면에서 나타나는 대역폭 감소를 극복할 수 있습니다. 출처:안테나

거버 검토 및 RF 테스트

설계가 완료되기 전에 Gerber 파일 레이아웃 검토는 PCB 설계의 레이어 스택업에서 RF 회로와 전송 라인을 잘 확인하고 정확하지 않은 영역에 플래그를 지정합니다. Gerber 리뷰는 안테나, 모듈, 전송 라인, 비아 및 PCB 재료가 모두 우수한 RF 성능에 최적화되어 있는지 확인합니다. 일부 안테나 설계 회사는 Gerber 리뷰에 대해 비용을 청구하고 다른 회사는 무료로 제공하거나 이러한 목적으로 소프트웨어 설계 패키지를 사용할 수 있습니다.

다음 테스트는 안테나가 PCB에서 얼마나 잘 작동하는지 측정하는 것입니다. 이것은 무향실에서 이루어집니다. 그러나 안테나는 챔버의 완벽한 조건에서 잘 작동할 수 있으며 환경의 사람과 물체가 안테나가 방사하는 방식에 영향을 줄 수 있는 최종 적용에서는 다르게 동작할 수 있습니다. 따라서 웨어러블 기기나 인체 가까이에서 사용하는 의료기기를 위한 디자인으로 안테나는 무향실에서 팬텀 헤드나 팬텀 핸드로 튜닝하고 테스트해야 합니다.

수동 테스트, OTA(Over-Air) 테스트, SAR(Synthetic Aperture Radar)과 같은 몇 가지 테스트를 통해 설계가 실생활에서 얼마나 잘 작동하는지 평가할 수 있습니다. 결과는 효율성, 스퓨리어스 방출, 총 복사 전력 및 총 등방성 감도에 대해 측정됩니다.

장치가 일상적인 사용에서 올바르게 작동하고 방출이나 간섭을 일으키지 않는지 확인하려면 설계를 테스트하는 것이 중요합니다. 이러한 테스트는 설계에 캐리어 네트워크 승인이 필요한 경우 중요하며 일반적으로 전문 RF 테스트 서비스를 사용합니다.

마지막으로, 셀룰러 네트워크에 대한 모든 설계는 네트워크에서 사용하기 위한 승인을 얻으려면 모바일 네트워크 사업자의 인증을 받아야 합니다.

>> 이 기사는 원래 다음 날짜에 게시되었습니다. 자매 사이트인 EDN.

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제프 슐테이스 RF 안테나 응용 프로그램 전문가이며 Antenova의 북미 고객 설계에 대한 기술 지원을 이끌고 있습니다.

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