PCB용 역 F 안테나 설계

인쇄 안테나는 평면 장치의 낮은 프로필을 유지하기 때문에 RF PCB에 매우 인기 있는 옵션입니다. Bluetooth/WiFi 기능을 갖춘 MCU 중 일부를 살펴보면, 소형 폼 팩터에서 Rx 및 Tx를 제공하기 위해 보드 가장자리에 역-F 안테나를 볼 수 있습니다. 이 글에서는 이러한 안테나 중 하나를 설계하는 방법, 일부 설계 방정식, 그리고 다른 회로로의 간섭 없이 최대 방사 효율을 위해 이러한 안테나를 배치하는 위치에 대해 설명하겠습니다.

역-F 안테나 개요

역-F 안테나의 전형적인 구현은 아래 이미지에 나와 있습니다. 이 유형의 안테나는 사분의 일 파장 안테나로, 작동 매개변수(대역폭, 임피던스 등)는 안테나의 사분의 일 파장 다리를 따라 기하학적으로 조정함으로써 설정됩니다. 전형적인 역-F 안테나의 개요는 아래에 나와 있습니다.

L2의 GND 평면은 L1의 GND 가장자리까지 이어져야 하며, 안테나 아래에는 구리 도금이 있어서는 안 됩니다. 이를 통해 안테나는 전류가 0이 아닌 안테나의 긴 다리 주변에서 거의 전방향으로 방사할 수 있습니다. 방사는 전방향이며 가장자리 필드에 의해 제공되지만, 이러한 유형의 안테나에서 기대할 수 있는 이득을 줄입니다. 거의 전방향성 덕분에 이러한 안테나는 이전 모바일 핸드셋에서 단일 대역 또는 이중 대역 안테나로 가장 인기가 있었습니다.

이에 대한 변형은 미앤더드 인버티드-F 안테나, 또는 MIFA입니다. 이 안테나는 잘 알려진 ESP32 MCU를 사용하는 ESP8266 모듈에서 가장 흔히 볼 수 있습니다. 미앤더드 안테나는 상단 레이어에 있으며, 안테나의 4분의 1 파장 부분을 구성하는 긴 지그재그 세그먼트를 포함합니다.

이 두 안테나는 패치 안테나와 비교될 수 있으며, 인버티드-F 안테나(또는 그 변형)는 기본 패치 안테나에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다:

• Inverted-F 안테나는 동일한 파장에서 작동하는 패치 안테나보다 작습니다
• Inverted-F 안테나는 매칭 네트워크가 있을 경우 프로브 급전이나 직접 급전으로 사용할 수 있습니다
• Inverted-F 안테나는 더 많은 분기를 적용함으로써 다중 대역으로 만들 수 있습니다
• Inverted-F 안테나의 대역폭은 비슷하지만, 수동 부품을 사용하여 대역폭을 더 쉽게 조정할 수 있습니다

주요 단점은 패치 안테나가 지상 영역 위의 반평면으로 방사하기 때문에 패치 안테나에 비해 이득이 낮다는 것입니다. 다른 단점은 Inverted-F 안테나를 패치 안테나 배열처럼 그룹으로 형성할 수 없다는 것입니다. 따라서, 보다 고급 안테나 시스템의 경우, 패치 안테나가 우세합니다.

Inverted-F 안테나 설계 방정식

불행히도, Inverted-F 안테나에는 일반적으로 복잡한 구조 때문에 설계 방정식이 없습니다. 하지만, 전송선로로 구성되어 있기 때문에, 주어진 마이크로스트립 폭에 대한 입력 임피던스를 계산하기 위해 회로 기반 접근 방식을 사용할 수 있습니다.

먼저, 설계자는 역-F 안테나 설계에 사용될 마이크로스트립 임피던스를 선택할 자유가 있습니다. 마이크로스트립의 특정 폭에 대한 엄격한 요구사항은 없지만, 임피던스가 매우 클 수 있으며 심지어 진공이나 유전체에서의 전파파 임피던스 값을 초과할 수도 있다는 점을 유의해야 합니다.

트레이스 섹션의 특성 임피던스를 결정하기 어렵지만, 목표 주파수와 4분의 1 파장 목표를 기반으로 전파 상수와 총 안테나 길이를 쉽게 결정할 수 있습니다:

전파 상수가 알려지면, 트레이스 임피던스가 알려져 있다면 회로 모델을 사용하여 안테나로의 입력 임피던스를 계산할 수 있습니다. 아래 회로 모델은 표준 역-F 안테나 배열의 두 가지 분기를 보여주며, 한 다리는 단락(Z1 = 0 옴)되고 다른 다리는 개방(Z2 = 무한대)됩니다.

이 두 다리를 병렬로 설정하고 각 다리에 대한 표준 입력 임피던스 방정식을 사용하면, 안테나의 입력 임피던스에 대해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다:

입력 임피던스가 알려지면, LC 임피던스 매칭 네트워크를 사용하여 안테나 급전선과 매칭될 수 있습니다.

부품 또는 구리 채우기?

PCB 레이아웃 소프트웨어에서 작업할 때, 역 F 안테나를 구성 요소로 만들어야 할까요, 아니면 구리 채움 영역으로 만들어야 할까요? 둘 다 좋은 이유가 있으며, 어느 쪽을 선택해도 결과는 같습니다. 개인적으로, 저는 역 F 안테나를 구성 요소로 만드는 것을 선호하지만, 이는 특정 외부 층 두께와 Dk 값에 맞게 수행되어야 합니다.

역 F 안테나를 구성 요소로 만들려면, 안테나의 구리 요소를 구성 요소 발자국에 투입으로 배치합니다. 안테나가 PCB 레이아웃에 배치되면, 안테나를 이동하고 회전하기가 더 쉬워집니다. 구성 요소를 Net Tie로 정의하여 단락 오류를 방지하고 제조업체로부터의 질문을 피하십시오. 이 방법의 단점은, 안테나에 업데이트가 필요한 경우, 이러한 업데이트를 발자국에 적용한 다음 PCB 레이아웃에서 발자국을 업데이트해야 한다는 것입니다.

이 구성 요소를 완성하려면 안테나의 급전선 입구에 입력으로 단일 패드를 배치하여 회로도 상의 핀과 일치시키십시오. 그런 다음 다른 구성 요소처럼 회로도에서 구성 요소를 연결하십시오. 구성 요소가 PCB로 업데이트되면, 반전 F 안테나의 풋프린트가 나타나며, 다른 구성 요소처럼 배치하고 라우팅할 수 있습니다.

PCB 레이아웃에 반전 F 안테나를 그리고 배치해야 할 때는 Altium Designer®의 2D 및 3D CAD 도구를 사용하십시오. 디자인을 마치고 제조업체에 파일을 릴리스하려면 Altium 365™ 플랫폼이 협업하고 프로젝트를 공유하기 쉽게 해줍니다.

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