하나의 디자인에 2개 이상의 안테나를 배치하는 방법

2개 이상의 안테나가 있는 PCB를 설계하는 것은 간단하지 않습니다. . 이 기사에서는 안테나 및 RF 신호의 동작에 영향을 미치고 PCB 레이아웃에서 고려해야 하는 몇 가지 요소를 강조합니다.

설계에 안테나를 배치하는 것은 항상 주의가 필요하지만 설계에 두 개 이상의 안테나가 있는 경우 안테나가 방사되는 방식, 함께 작동하는 방식 및 상대적 위치가 신호에 미치는 영향을 이해하는 것이 훨씬 더 중요합니다.

일반적으로 SMD 안테나는 몇 가지 기본 규칙을 따른다면 다른 구성 요소와 근접하여 공존하도록 설계되었습니다.

조언은 안테나를 다른 잡음이 있는 구성 요소로부터 멀리 유지하고 안테나 아래에 접지면을 허용하여 안테나가 효과적으로 방사할 수 있도록 하는 것입니다. PCB 스택업 전체에서 안테나 아래 공간을 깨끗하게 유지하는 것이 중요합니다.

내부에 여러 개의 서로 다른 안테나가 있는 장치를 설계하려면 여러 안테나가 PCB의 단일 시스템에서 어떻게 공존하고 작동하는지 알고 싶을 것입니다. 다양한 무선 시스템이 서로 근접한 안테나로 작동하기 위한 요구 사항을 "기기 내 공존"이라고 합니다.

어떤 경우에는 2개의 안테나가 다이버시티 구성의 동일한 주파수에서 함께 작동하는 데 사용되며, 이는 하나의 안테나만 사용할 때보다 더 강력한 전송을 제공합니다. 다른 경우에는 장치에 서로 다른 주파수에서 작동하는 둘 이상의 무선 연결이 필요하며 설계는 이들 사이를 어느 정도 분리하여 "공존" 상태에서 독립적으로 작동할 수 있도록 해야 합니다.

좋은 디자인으로 보드의 모든 안테나에 대해 고성능과 신뢰성을 얻을 수 있습니다. 설계자의 목표는 모든 안테나를 분리하고 모두 올바르게 함께 작동할 수 있는 방식으로 안테나를 배치하는 것입니다.

복사 패턴

모든 안테나에는 자체 방사 패턴이 있으며 이는 안테나가 무반사실과 같은 완벽한 조건에서 방사되기 때문에 제조업체의 데이터시트에 표시됩니다.

방사선 패턴은 일반적으로 3D 패턴과 해당 패턴의 2차원 단면으로 표시됩니다. 안테나는 안테나의 길이를 따라 이어지는 축을 중심으로 방사하고 안테나의 전기 에너지는 해당 축에 수직인 방향으로 가장 강하게 반사됩니다. 이것은 안테나의 편파입니다.

안테나의 방사 패턴은 일반적으로 안테나를 사용할 주파수 대역의 중앙에서 측정됩니다.

그림 1. 1990MHz에서 LTE 안테나의 3D 안테나 패턴. (출처:Antenova)

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그림 2. 1990MHz에서 동일한 LTE 안테나에 대한 안테나 패턴, 단면. (출처:Antenova)

다양성 쌍

다이버시티는 보다 안정적인 무선 연결을 생성하기 위해 동일한 주파수에서 두 개의 안테나를 함께 사용하는 안테나 기술입니다. 2개의 안테나가 함께 작동하여 장치가 이동할 때 안정적인 링크를 제공할 가능성이 높기 때문에 여유 공간에서 이동하는 모바일 무선 장치에 대한 훌륭한 솔루션입니다.

다이버시티를 사용하면 첫 번째 안테나가 주 안테나이고 두 번째 안테나가 다이버시티 안테나입니다. 두 안테나는 동일한 접지면을 공유할 수 있으며 서로 다른 공간 영역에 배치되어 두 안테나가 유사한 신호를 반사하는 현상인 "커플링"을 줄입니다.

다이버시티 구성에서 두 안테나는 동시에 전송하지만 다른 방향을 가리킵니다. 그러면 수신기는 두 신호 중 더 강한 신호를 받아 수신된 신호의 신뢰성을 향상시킵니다. 한 쌍의 안테나는 PCB의 반대쪽 모서리 또는 반대쪽에 배치할 수 있습니다.

안테나가 다이버시티 구성으로 사용되는 경우 커플링을 줄이기 위해 배치됩니다. 즉, 두 안테나의 방사 패턴이 서로 완전히 다르도록 배치됩니다.

편극화

안테나의 편파는 안테나의 장축과 평행하고 안테나는 이 축에 수직으로 에너지를 방출하며 안테나의 양쪽 끝에는 무효 전력 영역이 있습니다.

최상의 상호 상관을 위해 한 쌍의 다이버시티 안테나는 교차 편파, 공간 및 극성에서 서로 다른 편파에 배치되어야 합니다. 수신기는 안테나 중 하나에서 가장 강한 신호를 받습니다. 이것은 하나의 안테나만으로 달성할 수 있는 것보다 더 강한 수신을 달성합니다. 실제로 이것은 일반적으로 두 개의 안테나가 서로 90°로 배치되어 서로 다른 편파를 달성하고 장치가 이동할 때 수신기에 보다 안정적인 신호를 전송한다는 것을 의미합니다.

커플링 효과 감소

안테나 대 안테나 커플링은 소형 장치에서 자연스러운 현상입니다. 이것은 방사 패턴을 감소시키고 각 안테나가 겪는 교차 채널 간섭을 증가시킵니다. 또한 안테나의 입력 특성을 변경합니다. 접지면에 비아를 식각하여 커플링 효과를 최소화할 수 있습니다.

안테나 간 거리

두 다이버시티 안테나 사이의 거리는 파장의 1/4 이상이어야 하며 두 안테나 사이의 거리는 신호에 영향을 미칩니다.

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그림 3:예 – 이 다이어그램은 절연 대 메인 안테나에서 다이버시티 안테나까지의 거리를 보여줍니다. 40mm, 25mm 및 20mm는 비교를 위해 표시됩니다. 이 예는 Antenova의 Integra 안테나 SR4L049를 보여줍니다. (출처:Antenova)

다른 주파수에서 안테나 분리

서로 다른 주파수에서 작동하는 안테나는 서로 간섭하지 않도록 배치해야 합니다. 안테나 측면에서 서로 전기적으로 절연되어야 합니다. 목표는 고성능을 달성하도록 각 안테나를 배치하는 것이지만 절연으로 인해 안테나의 방사 전력이 감소할 수 있습니다. 격리 값은 네트워크 분석기로 S21 계수로 측정됩니다.

안테나 사이의 절연을 개선하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 방사 패턴을 고려하여 안테나를 더 멀리 배치하기만 하면 약간의 분리가 발생하여 도움이 됩니다.

각 안테나 쌍 사이에 절연이 있도록 안테나를 배치하면 안테나가 독립적으로 방사하는 데 도움이 되지만 각 안테나의 전송 전력은 약간 감소합니다.

다음 옵션은 필터를 사용하여 반대쪽 안테나가 필요로 하는 주파수에서 한 안테나의 효율성을 줄이는 것입니다.

그림 4. 빔 조정은 다이버시티 애플리케이션에서 절연 및 상호 상관을 개선하기 위한 안테나 기술입니다. (출처:Antenova)

ECC(봉투 상관 계수)

MIMO 안테나 시스템의 격리 능력을 검증하기 위해 ECC는 연구해야 할 MIMO 안테나 시스템의 중요한 성능 기준입니다. ECC는 S-파라미터 또는 안테나 시스템의 원거리장 특성을 기반으로 계산할 수 있습니다. 원거리 파라미터 기반 ECC는 MIMO 안테나 시스템에서 각 안테나의 방사빔 방향을 고려하는 반면, S-파라미터 기반 ECC는 두 안테나의 포트 특성을 고려한다.

원거리 특성에 기반한 ECC는 안테나의 방사 패턴을 측정해야 하기 때문에 더 어렵긴 하지만 절연 분석에서 더 정확한 것으로 간주됩니다. 0.5 미만의 ECC 값은 일반적으로 MIMO 안테나 시스템에 허용되는 것으로 간주됩니다.

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복사 손실 대 반사 손실
그림 5:이 이미지는 병렬 및 직각으로 두 안테나에 대한 복사 플롯을 보여주고 두 번째 구성이 보다 일관된 신호를 표시하는 방법을 보여줍니다. (출처:Antenova)

결론

많은 모바일 장치가 다중 무선 연결을 사용합니다. 4G/LTE, MIMO/WLAN, Bluetooth 또는 GNSS 포지셔닝 안테나의 조합이 될 수 있으며, 하나의 설계 내에 5개 또는 6개의 안테나가 쉽게 포함될 수 있습니다. 예를 들어 LTE/4G용 다이버시티 안테나는 셀룰러 링크, Wi-Fi 블루투스용 Fi 안테나 및 위치 확인용 GNSS 안테나. 이 경우 목표는 다중 시스템 환경에서 모든 안테나가 나란히 작동하되 서로 간섭하지 않도록 하는 것입니다. 공존을 고려하지 않는다면 강한 LTE/4G 신호가 작은 Wi-Fi 안테나와 같은 더 작은 안테나의 신호를 차단할 가능성이 큽니다.

둘 이상의 안테나가 있는 PCB를 설계하는 것은 간단하지 않습니다. 이 기사에서는 안테나와 RF 신호의 동작에 영향을 미치고 PCB 레이아웃에서 고려해야 하는 몇 가지 요소를 강조합니다. 구성 요소가 모두 올바르게 함께 작동하는지 확인하려면 무반사실에서 무선 테스트를 위해 PCB를 보내야 합니다. 설계에 필요한 수정 사항을 강조 표시하고 안테나가 함께 작동하는 방식을 보여주고 장치의 실제 성능을 예측합니다.

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제프 슐테이스 Antenova Ltd.의 수석 안테나 애플리케이션 엔지니어입니다. Geoff는 안테나 설계, 통합 및 테스트 분야에서 20년 이상의 경험을 가지고 있으며 현재 북미 지역의 Antenova 고객을 위한 기술 지원을 이끌고 있습니다. 그는 R&D에서 제조 및 상업 배포에 이르기까지 소비자 제품용 안테나 시스템을 설계, 통합 및 테스트한 20년 이상의 경험을 가진 안테나 엔지니어링 전문가입니다.

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