무선 시스템에서 안테나 격리 설계하기

오래된 휴대폰을 분해해 본 사람이나 IoT 기기를 설계하는 사람이라면, 이러한 설계에 여러 통신 기능이 존재하며 각각 다른 안테나가 필요하다는 것을 알고 있을 것입니다. RF 설계자는 연결 격리에 대해 이미 주의를 기울여야 하지만, 무선 시스템을 모델링하고 설계할 때 안테나 격리 또한 중요합니다.

가장 기본적인 안테나 격리 기술은 단순히 안테나를 더 멀리 배치하고, 원하는 운영 주파수에서 일정 수준의 필터링을 제공하도록 매칭 네트워크를 설계하는 것을 요구합니다. 여러 통신 프로토콜을 사용하는 무선 장치의 실제 PCB에서는 스택업을 고려하고, 간섭을 억제하기 위해 일부 전자기 대역 간격 구조를 공학적으로 설계하는 것이 필요합니다.

안테나 격리의 유형

동일한 보드에 여러 안테나가 존재할 때 안테나 격리 조치를 시행해야 합니다. 가장 간단한 격리 형태는 다른 안테나를 보드의 다른 부분으로 분리하는 것이며, 반사체가 없는 안테나에서 방출된 방사선은 거리가 멀어짐에 따라 자연스럽게 감소합니다. 이어서 안테나 매칭 네트워크를 신중하게 조정하여 과도한 이득을 방지합니다. 격리는 상호적이며, 즉 두 요소 간의 안테나 이득과 전송 사이의 기능입니다. 두 안테나 사이의 낮은 격리 값은 안테나가 서로의 방사선을 포착한다는 것을 의미합니다.

우리가 "안테나 격리의 유형"이라고 말할 때, 실제로는 한 안테나에서 방사된 전자기 방사선이 다른 안테나에 의해 어떻게 수신되는지를 말합니다. 실제 보드가 그것의 외함에 넣어질 때, 방사선에 대한 환경은 상당히 복잡해질 수 있습니다. 격리는 다음과 같은 간섭의 원천을 억제하도록 설계되어야 합니다:

• 직접 방사: 이것은 단순히 한 안테나에서 방사된 방사선의 강도를 줄이고 다른 안테나에 의해 수신되는 것을 말합니다. 이것은 방향성, 편광 감도 및 차폐 요소의 기능입니다.
• 외함 공진: 방출된 방사선은 외함 내부에서 공진을 일으킬 수 있으며, 이는 반사와 다중 경로 전파로 인해 다른 보드 섹션 간의 간섭을 일으킵니다. 외함 공진은 방사 패턴에서 작은 스파이크로 나타납니다.
• 도파관 모드 여기: 안테나가 특정 주파수에서 여기되고 방사될 때, 평행 평면 도파관 모드가 전파될 수 있습니다. 이 문제는 계획되지 않은 반환 경로의 결과가 아니라, 안테나에서 발생하는 방사로 인해 발생하는 효과입니다. 마찬가지로, 방사하는 안테나, 특히 평면 안테나에 의해 표면 파동이 여기될 수 있으며, 이는 기판의 굴절률과 공기 사이의 굴절률 대비 덕분에 다른 보드 섹션으로 유도될 수 있습니다.
• 노이즈 커플링: 한 섹션에서 발생한 노이즈가 전자기 간섭(EMI)으로 다른 섹션으로 전파될 수 있습니다. 안테나 간의 EMI 문제는 스마트 플로어플래닝으로 부분적으로 해결됩니다.

안테나 격리는 한 안테나가 다른 안테나로부터 방사를 얼마나 쉽게 받아들일 수 있는지를 측정하는 것으로, 두 안테나 요소 간의 S12 측면에서 정량화됩니다. 일반적인 격리 목표는 제품에 따라 최소 +20 dB로 설정되며, 격리는 벡터 네트워크 분석기로 측정할 수 있습니다. 스마트폰과 같이 참조 평면을 공유하는 안테나는 접지 평면에서 흥분된 전류로 인해 낮은 격리를 가질 수 있으며, 이는 두 안테나의 효율을 감소시킬 것입니다.

직접 방사에 대한 격리

고방향성 안테나, 예를 들어 위상 배열 안테나와 같은 경우에는 주로브와 사이드로브가 서로 직접적으로 향하지 않도록 안테나를 신중하게 배치하는 것 외에 할 수 있는 일이 거의 없습니다. 마찬가지로, 두 개의 편파된 안테나를 다룰 때에는 두 안테나가 서로 전기적으로 직교하도록 배향하기만 하면 됩니다. 그러나 이는 많은 고급 모바일/IoT 제품에서 실용적이지 않습니다.

방사선이 비편광이거나 약하게 편광되어 있고, 안테나들이 서로 가까운 경우, 두 안테나의 이득과 매칭 네트워크는 올바른 수준의 격리를 제공하기 위해 정확하게 조율되어야 합니다. LC 매칭 네트워크는 연속 또는 병렬 저항기와 함께 관련 안테나 주파수에서 피드 마이크로스트립에 충분한 매칭을 제공할 수 있습니다; 두 안테나 주파수가 상당히 다를 때 매칭 네트워크에 의해 제공되는 격리는 충분할 수 있습니다. 그러나, 고출력 방사기를 사용하고 충분히 가까이 배치된 안테나의 경우, 격리 수준을 높이기 위한 추가 조치가 필요할 수 있습니다.

격리를 위한 전자기 대역 간격(EBG) 구조

전자기 대역 간격(EBG) 구조에 대해 들어본 적이 없더라도, 비아 펜스에 대해서는 아마 들어봤을 것입니다. 비아 펜스는 대부분의 RF 설계에서 만나게 될 가장 간단한 유형의 EBG 구조일 가능성이 높지만, 비아 펜스 구조의 변형은 안테나 배열 사이에 광대역 격리를 제공하도록 설계될 수 있습니다. 이러한 구조는 위에 나열된 네 가지 격리 포인트 중 두 가지인 표면파 억제와 도파관 모드 억제를 해결하는 데 사용될 수 있습니다.

개념적으로, 이러한 구조는 정전기적으로 또는 회로 모델을 사용하여 분석될 수 있으며, 두 가지 측면 모두 이러한 구조가 격리에 도움이 되는 방법에 대한 이해를 제공합니다. 회로 모델 측면에서, 이러한 구조는 LC 대역 정지 필터로 분석될 수 있으며, 구조의 공진 주파수에서 높은 임피던스를 생성합니다. 여러 EBG 구조를 병렬로(즉, 여러 층에 걸쳐) 또는 직렬로(즉, 같은 층에 서로 옆에) 배치하면, 공진과 대역폭을 원하는 값으로 정확하게 조정할 수 있습니다. 또한, 병렬로 쌓는 것은 고차 필터를 형성하고 구조의 대역폭을 좁히는 효과가 있습니다.

EBG 구조는 비아 펜스보다 더 많은 보드 공간을 차지하지만, 훨씬 높은 격리를 제공하도록 설계될 수 있습니다. 표면파 및 도파관 모드 억제를 통한 안테나 격리뿐만 아니라, EBG 구조는 PDN에서 동시 스위칭 노이즈(SSN)를 억제하는 데에도 도움이 됩니다. 이는 단일 주파수 또는 소수의 주파수에서 작동하는 아날로그 구성 요소에 매우 유용하지만, 디지털 PDN에는 그다지 유용하지 않습니다. 이는 디지털 신호와 마찬가지로, 디지털 PDN에서의 SSN이 넓은 대역폭에서 발생하기 때문입니다. EBG 구조에 대한 자세한 정보는 이 IEEE 기사를 참조하세요.

Altium Designer®의 설계 및 분석 도구는 매칭 네트워크를 설계하고, EBG에 대한 회로 모델을 분석하거나, 충분한 격리를 위해 보드를 레이아웃하는 데 도움이 될 수 있습니다. 레이아웃 도구는 보드 내 EBG를 설계하기에 이상적이며, 시뮬레이션 도구는 매칭 네트워크를 조정하고 격리 구조에 대한 회로 모델을 분석하는 데 도움을 줄 수 있습니다. Altium Designer는 또한 스키마 구축, 구성 요소 관리, 제조업체에 제출할 자료 준비를 위한 통합 도구 세트를 포함하고 있습니다.

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