모든 안테나에 접지면이 필요한가요?

PCB 설계와 RF 시스템에 관련된 가장 흔한 질문 중 하나는 안테나 근처에서 접지의 사용과 관련이 있습니다. 다른 기사에서 자세히 설명했듯이, 그리고 실제로 잘 알려져 있듯이, 접지된 도체는 그렇지 않으면 물질로 전파될 수 있는 전자기파에 대해 일정 수준의 차폐를 제공합니다. 실제로, 도체가 지구(대지)에 문자 그대로 연결될 필요는 없으며, 들어오는 파동을 중화하기 위해 과잉 전하의 강력한 원천/싱크로 작용할 수 있을 만큼 크기만 있으면 됩니다.

우리가 EMI나 근처의 상호연결에서 발생하는 노이즈에 대해 이야기하든, PCB 내의 큰 방출기에 대해 이야기하든, 접지의 효과는 동일할 수 있으며 안테나 근처에 접지가 있으면 방출기의 방사 특성에 영향을 미칩니다. "안테나에 접지면이 필요한가요?"라는 질문에 대한 간단한 답은 "상황에 따라 다릅니다;"라고 할 수 있으며, 이 글에서 그 이유를 자세히 설명하겠습니다.

접지가 방사에 미치는 영향

모든 안테나가 접지면을 필요로 하는 것은 아닙니다. 일부 안테나는 특정한 방사 패턴을 생성하거나, 안테나의 입력 임피던스를 제어하거나, 구현의 실용적인 이유로 접지면 위에 설계됩니다.

전기적으로, 안테나 아래의 접지면의 기능은 접지 영역에서 이미지 방사체를 생성하는 것입니다. 이것은 전기장이 접지면에서 0으로 종료되는 전자기 경계 조건을 만족시키는 데 사용됩니다. 접지면 위에 있는 안테나는 접지 위의 영역으로만 방출될 것입니다. 이것은 안테나에서 볼 수 있는 방사 패턴을 결정할 것입니다.
작은 패치 안테나에서의 예시 방사 패턴은 아래에 나타나 있습니다. 이 예시에서, 패치 안테나는 표준 지침을 따르며 접지면 위에 배치됩니다. 우리가 볼 수 있듯이, 방출은 오직 안테나 위의 영역으로만 이루어집니다.

개념적으로, 이것은 예상되어야 하며, 이것은 접지면이 동일한 크기의 반대 극성 방사체처럼 작용하여 그 방사를 안테나 위에 중첩시키기 때문에 발생합니다. 접지면은 본질적으로 전도성 접지면에서 방사를 반사하므로, 접지면을 향해 이동하는 모든 방사는 반사되어 접지면 위의 영역에 머물게 됩니다.

이 모든 것을 염두에 두고, 접지가 필요하지 않은 PCB 내에 배치될 수 있는 인쇄된 안테나가 있습니다. 이들은 일반적으로 역-F 안테나나 4분의 1파장 트레이스 안테나와 같은 트레이스 안테나입니다.

레퍼런스 디자인이나 온라인의 다른 가이드라인을 살펴보면, PCB의 지역에서 접지가 완전히 제거된 디자인을 자주 볼 수 있습니다. 이는 안테나가 어떤 방향으로든 방사할 수 있도록 하기 위함입니다. 그러나 다른 안테나들은 원하는 방사 패턴을 설계하기 위해 바로 아래에 접지가 있어야 합니다.

일부 안테나는 접지가 필요합니다

모노폴, 다이폴, 루프 안테나에서 벗어나면, 접지 평면이 있어야만 효과적인 PCB 안테나의 예를 볼 수 있습니다. 여기 간단한 예를 두 가지 소개하겠습니다:

1. 패치 안테나 어레이
2. 슬롯 또는 엣지 방사기

패치 어레이나 엣지/슬롯 방사기가 아닌 많은 다른 안테나 스타일을 생각해낼 수 있습니다. 고주파 시뮬레이터(HFSS 또는 오픈 소스 사용자를 위한 openEMS)가 있다면, 안테나의 방사 특성을 계산할 수 있습니다.

먼저, 패치 안테나와 패치 안테나 배열을 고려해 보겠습니다. 개별 패치 안테나는 기본적으로 접지면 위에 열린 공진 공동이며, 이러한 안테나는 패치의 가장자리 주변에서 방사됩니다. 배열로 배치될 때, 배열 내의 패치에 연결된 마이크로스트립은 높은 방사 효율을 보장하기 위해 특정 임피던스 값을 요구합니다. 따라서, 우리는 두 가지 이유로 접지가 필요합니다: 마이크로스트립 임피던스와 안테나의 고유 모드(공진 주파수)를 설정하기 위해서입니다.

다음으로, 슬롯 및 엣지 방사기를 살펴보겠습니다. 이들은 흔하지 않지만 마이크로스트립, 기판 통합 도파관, 접지가 있는 공평한 스트립라인 또는 심지어 슬롯 도파관으로 설계하기 쉽습니다. 이 경우, 슬롯 안테나는 실제로 접지망에서의 컷아웃이며, 안테나는 슬롯을 통해 방사함으로써 기능합니다. 간단한 예로 아래에 보이는 마이크로스트립 결합 슬롯 안테나가 있으며, 입력 마이크로스트립은 임피던스가 제어되어야 하며 L2에 접지가 필요합니다.

에지 방출 안테나는 간단합니다; 구조물의 가장자리에 개구부를 배치하기만 하면 전파를 안내할 수 있습니다. 기판 통합 도파관을 사용한 예시는 아래에 나와 있습니다. 가장자리에서의 경계 조건 일치는 미분 방정식을 풀 방법을 모른다면 어려울 수 있지만, 그것은 다른 기사의 주제입니다. 아래의 테스트 보드를 살펴보면 기판 통합 도파관을 사용하여 이를 어떻게 구현할 수 있는지 확인할 수 있습니다.

일부 안테나의 작동 조건을 계산하는 데 어려움이 있을 수 있기 때문에, 디자이너들은 참조 설계나 제조업체의 응용 노트를 따르는 접근 방식을 취할 가능성이 높습니다. 일반적으로 이러한 노트에 주의할 것을 권하지만, 안테나 영역의 접지 지침은 대부분 올바르며 따를 가치가 있다고 말할 수 있습니다.

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