소형 IoT 기기를 위한 안테나 설계 최적화

배경

무선 방식으로 인터넷에 연결되는 기기 증가로 전자 엔지니어는 무선 송신기를 기존 장비 공간에 조립하는 법, 점점 더 작은 크기 기기 설계/제조 등 과제에 직면. 게다가 고객 요구인 인체공학, 접근성, 환경 조화에 부합하는 IoT(사물인터넷) 제품 개발 위해 노력 중.

IoT 제품 고려 시 크기 기대가 가장 중요한 고려사항 중 하나. 그 외 무선 특성과 가격도 흔히 고려. 이상적으로 엔지니어는 작은 크기, 우수한 RF(무선 주파수) 성능, 저가 IoT 부품 선호. 하지만 IoT 부품이 위 장점 모두 갖기 어려워 솔루션 제공업체는 과제에 직면.

다행히 전자 산업이 완전히 새로운 실리콘 공정 기술에 지속 의존하며 최근 수년간 실리콘 칩 크기 점점 소형화. MCU(마이크로프로그래밍 제어 장치)와 RF 프론트엔드를 SoC(시스템 온 칩) 구조로 통합해 IoT 구현 공간 문제 해결. 하지만 SoC 발전 추세가 RF 송신기 물리 구조 문제, 즉 안테나 문제는 해결 못 함. 보통 안테나 설계를 고객에게 맡기거나 통합 안테나 탑재 쉬운 안테나 모듈 선택 권장. 소형 IoT 기기 설계 시 안테나 공간도 과제. 공간 설계는 고효율과 신뢰성 있는 무선 연결 능력 요구.

왜 SoC인가?

21세기 초 IoT 초기 번성기엔 M2M(기기 간 통신)으로 불림. IoT 상호연결 주요 컴포넌트: GPRS 모뎀, 블루투스 시리얼 케이블, Sub-G 무선. 모든 설계가 연결 달성 위해 두 핵심 컴포넌트(MCU, 무선 모뎀) 활용. 기본 IoT 기능 구현 최소 공간 = 전 방향 50mm → 휴대폰 크기 수준.

실리콘 산업이 MCU와 RF 기능을 한 칩 공간에 통합하는 기술로 지속 발전하며 개발자 기회 확대. 이제 IoT 기기 모든 기능을 동일 IC/SoC 내 구현 가능. 무선 MCU 뚜렷한 장점으로 IoT 컴포넌트 시스템 무선 MCU 전환 시작. 결과: 엔지니어는 단일 컴포넌트 유형으로 IoT 기기 설계, 공간 절약. 컴포넌트 저가격으로 비용 절감. 현대 IoT 기기 구조 선택 준비됨에 따라 크기 장점으로 SoC 기반 시스템 더 대중화.

하지만 SoC 발전 추세가 물리 구조 문제, 즉 안테나 문제 해결 못 함.

안테나 배치와 필요 공간은?

안테나는 크기와 효율 양쪽 고려로 다차원 복잡성 직면 인정해야 함. BOM(자재 명세서) 비용 상대적 저렴해 IoT 설계 시 PCB 트레이싱으로 안테나 설계 일반적. 하지만 PCB 안테나는 보통 25mm×15mm 범위 상당한 크기 요구 → IoT 제품 부피 커짐. 모듈 적용 시 또 다른 단점: 실드 소재로 인한 디튠(detuning)에 매우 민감 → 최종 제품 조립 공정에서 최적 동작 상태 도달 위해 특별 고려 필요. SoC 설계에서 일반 설계 일부로 안테나 튜닝은 전문 지식 의존. 설계에서 PCB 안테나와 다른 안테나 차이 없음.

안테나 제조사들 오래전부터 '칩 안테나' 제공으로 설계 단순화. 크기 장점 보유. 이 카테고리 안테나 주로 두 방식 제공:

• a. GND와 언커플된 안테나: 상대적으로 큰 클리어런스 범위 필요. 대표 예: 모노폴 안테나, 플립-F 안테나.
• b. GND와 커플된 안테나: 상대적으로 작은 클리어런스 범위 필요하거나 안테나 전혀 불필요.

두 유형 모두 클리어런스 범위 또는 그라운드 플레인 필요 → PCB 크기 측면 공간 요구사항. IoT 설계에서 RF 컴포넌트가 요구하는 공간엔 필수 클리어런스 범위 포함 → 어떤 컴포넌트나 트레이스도 남겨선 안 됨. 설계자가 IoT 장비 크기 추정 시 PCB 크기와 클리어런스 범위를 안테나와 호환되게 고려. 안테나와 실드 에지 간 일정 공간 유지도 필요.

IoT 기기 크기가 버튼 셀 크기로 설계되면 안테나 효율 확실히 손상. 크기 더 줄이려 하면 RF 성능 달성 효율 저하. 전 방향 10mm 미만 기기 성능은 2.4GHz 주파수에서만 달성 가능. 예: 10m 이상 블루투스 연결 휴대폰 사용자에게 제공 → 대다수 수용.

하지만 전 방향 크기 20mm 접근 시 RF 효율 급격 증가. 40mm 접근 시 그라운드 튜닝 달성 다수 안테나 고효율 최고치 도달.

이후 블루투스 4.2 프로토콜 기준 동등 기기 간 통신 거리 60mm~400mm 범위. 15.4 프로토콜(지그비 등) 적용 시 가시 범위 내 최장 통신 거리 500m 이상 도달. 따라서 설계자는 애플리케이션 차이와 목표 크기 기반 PCB 크기와 안테나 성능/효율 균형 필요. 대부분 칩 안테나가 PCB 그라운드 플레인을 안테나 구성 한 부분으로 간주하므로. 게다가 안테나/모듈 위치도 설계 단계 핵심 역할 → 최적 그라운드 달성 위해 클리어런스 범위 고려 필요.