이중 대역 PCB 안테나 설계: 전자기 간섭을 제어하기

1980년대 이전에 태어난 사람이라면, 그 옛날 벽돌처럼 생긴 휴대폰과 그 거대한 안테나를 기억할 것입니다. 현재로 시간을 빨리 돌려보면, 대부분의 사람들은 자신의 스마트폰에 안테나가 있다는 사실조차 깨닫지 못합니다. 제안된 안테나 디자인은 80년대 이후로 많은 발전을 이루었으며, 새로운 안테나는 하나 이상의 주파수 대역에서 송수신할 수 있습니다.

모바일 및 IoT 산업이 계속 발전함에 따라, 전자 기기는 데이터를 송수신하기 위해 무선 통신 프로토콜을 계속 사용하게 됩니다. 이러한 기기는 작업을 수행하기 위해 여러 주파수 대역에서 통신할 필요가 있으며, 새로운 안테나 디자인은 계속해서 PCB에 등장할 것입니다. 듀얼 밴드 안테나는 단일 모듈에 두 개의 안테나를 포장하여 PCB 레이아웃에서 귀중한 공간을 절약할 수 있도록 도와줍니다.

PCB에서의 듀얼 밴드 안테나

듀얼 밴드 안테나는 두 가지 다른 주파수 대역에서 송수신할 수 있는 안테나입니다. 이러한 안테나는 개별 안테나의 기능에 따라 이러한 다른 주파수에서 개별적으로 또는 동시에 작동할 수 있습니다. 표준 전방향 안테나 디자인, 예를 들어 모노폴, 다이폴 또는 슬롯 안테나는 듀얼 밴드 방출을 보여주도록 수정될 수 있습니다.

다이폴 안테나 모듈이 있는 PCB

PCB에는 이미 2.4GHz와 5.8GHz에서 작동할 수 있는 듀얼 밴드 안테나가 있습니다. 이러한 유형의 안테나는 장치가 다양한 IEEE 표준에 따라 작동하게 하고 통신 기능 범위를 WiFi를 넘어 확장할 수 있게 합니다. 일부 모바일 전화는 WiFi와 별개의 듀얼 밴드 통신을 사용합니다.

완제품 안테나 모듈을 선택하는 대신, 듀얼 밴드 안테나를 장치에 쉽게 통합할 수 있습니다. 통합된 안테나는 PCB에 직접 인쇄될 수 있으며 외부 안테나 모듈에 비해 제조 및 조립 비용이 낮습니다. 외부 듀얼 밴드 안테나 모듈이 자체 PCB에 인쇄되므로, 자체 통합 안테나를 설계하고 인쇄하면 더 작은 폼 팩터를 유지할 수 있습니다.

인쇄된 안테나 설계가 당신의 취향이 아니라면, 작은 폼 팩터를 유지하는 또 다른 옵션은 레이아웃에 세라믹 칩 듀얼 밴드 안테나를 사용하는 것입니다. 이 칩들은 저렴하며 다양한 주파수 옵션이 있습니다. 또한 50 옴에서 임피던스 매칭이 되어 있으며, 업계 표준을 충족하고, 높은 선형 이득을 가지고 있습니다.

인쇄된 듀얼 밴드 안테나

PCB에 직접 이중 대역 안테나를 인쇄하는 것은 도전적일 수 있으며 고려해야 할 여러 설계 측면이 있습니다. 높은 데이터 전송률을 가진 장치는 고속 설계 지침을 따라야 합니다.

장치가 넓은 온도 범위에서 작동하는 경우, 부피 팽창/수축으로 안테나의 공진 주파수가 변할 수 있습니다. 이는 의도한 캐리어 주파수에서 전송되거나 수신되는 전력을 변경합니다.

열팽창 계수가 작은 금속을 사용하면 부피 변화를 최소화할 수 있습니다. 금속과 트레이스의 열 계수를 보드 재료의 열 계수와 일치시키는 것이 중요합니다. 큰 불일치는 극단적인 온도에서 층간 분리나 균열을 초래할 수 있습니다.

기하학적 형태를 결정하고 설계를 계획한 후에는 임피던스를 맞춰야 합니다. 시중에 나와 있는 대부분의 안테나는 이미 2.4 GHz에서 50 옴 임피던스에 맞춰져 있으며, 사용자 정의 안테나도 동일하게 해야 합니다. 안테나와 그 드라이버/수신기 사이의 임피던스 불일치는 두 개의 인덕터와 두 개의 커패시터를 사용하여 보상할 수 있습니다.

안테나의 임피던스 매칭을 위해서는 스미스 차트에 대한 기본적인 이해가 필요합니다. 간단히 말해서, 스미스 차트는 안테나와 부하 사이의 정확한 임피던스 불일치를 시각화하는 데 도움을 줍니다. 인덕터와 커패시터의 배치는 안테나와 부하 임피던스 사이의 정확한 불일치에 따라 달라집니다.

하나의 커패시터/인덕터 쌍은 안테나나 부하와 직렬로 배치되고, 다른 쌍은 병렬 요소로 배치됩니다. 한 대역의 임피던스 매칭은 다른 대역의 매칭에 영향을 미치므로, 각 대역을 순차적으로 임피던스 매칭할 수 없습니다. 직렬 및 병렬 요소를 배치하는 것은 약간의 시행착오와 경험이 필요합니다.

당신이 마음은 어린아이라고 할 때, 이것이 PCB 디자인에 영향을 미치지 않기를 바랍니다.

자체 간섭 EMI

PCB에서 EMI를 제어하기 위한 조치가 이루어지지 않으면, 안테나가 자체 간섭을 일으킬 수 있습니다. 자체 간섭은 방사 요소(예: 방사 발진기)가 회로 어딘가에서 신호를 유도할 때 발생합니다. 이는 신호 대 잡음 비율을 저하시키고 송신 안테나에서 보낸 신호를 왜곡시킬 수 있습니다. 이는 처음에 FM 라디오 커뮤니티에서 "자체 소음 감소"라고 불렸으며, 최근에는 RFID 칩에서 심각한 문제였습니다.

PCB에 있는 전자 부품들, 예를 들어 클록, 마이크로컨트롤러, 스위칭 전원 공급 장치 등은 PCB 내부에서 자체 간섭을 일으키고 듀얼 밴드 안테나가 송수신하는 신호 중 하나 또는 둘 모두를 저하시킬 수 있습니다. 이러한 부품들의 고차 하모닉은 원치 않는 방출을 생성하여 안테나 신호에 간섭을 일으킬 수 있습니다. 마찬가지로, 안테나는 이러한 부품들에서 자체 간섭을 일으킬 수 있으며 PCB의 나머지 부분에서 신호를 저하시킬 수 있습니다.

PCB상의 부품 배치에 따라, 차폐는 자체 간섭을 방지하는 한 가지 옵션이 될 수 있습니다. 안테나 자체를 차폐하지 않도록 주의하세요. 차폐는 전송된 신호를 차단하고 결국 목적지에 도달하지 못하게 합니다. 형태 요소가 허용한다면, 마이크로컨트롤러와 안테나를 지원하는 전자 부품과 같은 중요 부품들은 차폐될 수 있으며, 안테나는 동일한 보드에서 차폐되지 않은 상태로 남겨둘 수 있습니다.

차폐를 배치하는 것이 모든 디자인에 적합한 것은 아닙니다. 특히 레이아웃이 매우 복잡할 때는 그렇습니다. 형태 요소에 의해 디자인이 제한될 때, 자체 간섭과 일반적으로 EMI에 대한 민감성을 줄일 수 있는 여러 가지 디자인 관행이 도움이 될 수 있습니다.

특히 중요한 것은 클록과 그의 접지면 배치입니다. 루프 영역을 최소화하기 위해 클록의 접지면 위로 출력 트레이스를 실행하는 것이 중요합니다. 이는 떠돌이 RF 필드로 인해 유발되는 전류를 줄입니다. 그러나 접지면을 클록 자체 바로 아래에 배치해서는 안 됩니다. 이는 중심 급전 패치 안테나를 형성하기 때문입니다. 이러한 종류의 네트 안테나를 제거하는 것은 자가 간섭을 방지하는 가장 좋은 방법 중 하나입니다.

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