소개
인쇄 회로 기판에서 안테나 통합 최적화
안테나는 전자파를 송수신하여 다양한 애플리케이션에서 무선 통신을 용이하게 하는 중요한 기능을 제공합니다. 인쇄 회로 기판(PCB)은 안테나 구조를 전자 제품에 통합하기 위한 이상적인 플랫폼을 제공합니다. 최적의 안테나 유형과 PCB 소재를 선택하려면 전기적 성능, 기계적 요구 사항 및 비용 고려 사항의 신중한 균형이 필요합니다.
이 가이드에서는 일반적인 안테나 유형, PCB 기판 소재 및 안테나 설계를 적합한 회로 기판 소재와 정렬하기 위한 필수 기준에 대해 자세히 설명합니다. 다양한 무선 애플리케이션에서 견고한 안테나 성능을 보장하기 위해 주요 전기적 매개변수와 기계적 고려 사항을 설명합니다.
Wi-Fi, 셀룰러 네트워크, Bluetooth, GPS 시스템 또는 특수 RF 대역에 관계없이 최신 전자 장치에서 우수한 무선 연결을 달성하려면 안테나와 PCB 소재에 대한 철저한 이해가 필수적입니다.
안테나 성능 요인
안테나 설계를 최적화하려면 여러 가지 중요한 전기적 및 물리적 요인을 신중하게 고려해야 합니다.
공진: 안테나가 에너지를 효율적으로 방사하고 수신하는 주파수 대역.
지향성: 안테나 에너지가 특정 방향 패턴으로 집중되는 것.
이득: 안테나 방사 패턴에서 신호 강도의 증폭.
빔폭: 안테나의 주 방향 방사 로브의 각도 폭.
반사 손실: 안테나에서 소스로 반사되는 전력의 측정값. 반사 손실이 낮을수록 효율성이 더 좋습니다.
대역폭: 안테나가 허용 가능한 성능을 유지하는 주파수 범위.
크기: 안테나의 물리적 치수로, 이득 기능을 제한할 수 있습니다.
편파: 지구 표면에 대한 방사 전기장 벡터의 방향.
이러한 각 요인은 다양한 무선 통신 애플리케이션에서 안테나의 성능, 효율성 및 적합성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.
일반적인 안테나 유형
다양한 안테나 유형은 무선 애플리케이션에 고유한 장점과 고려 사항을 제공합니다.
모노폴 안테나
전방향 방사 패턴
접지 평면 참조 필요
적당한 이득 및 빔폭
간단한 PCB 트레이스 구조
다이폴 안테나
양방향 방사 패턴
균형 피드 필요
낮음에서 적당한 이득
PCB에 쉽게 통합
평면 역 F 안테나(PIFA)
로우 프로파일 및 컴팩트
전방향 방사 패턴
기하학적 구조에 따라 결정되는 공진 주파수
적당한 대역폭
마이크로스트립 패치 안테나
로우 프로파일 설계
지향성 방사 패턴
좁은 대역폭
빔 스티어링에 사용되는 어레이
슬롯 안테나
접지 평면에 에칭된 슬롯
적당한 이득을 가진 넓은 빔폭
전방향 또는 양방향 패턴
패치 안테나 구조를 보완
호른 안테나
매우 높은 이득 및 지향성
좁은 주파수 대역에서 작동
더 큰 물리적 프로파일
낮음 손실 및 높은 효율성
안테나 유형을 제품 크기, 대역폭 요구 사항 및 원하는 방사 패턴에 맞게 조정하면 무선 통신 시스템에서 최적의 성능을 보장합니다.
안테나 공급 기술
안테나는 각각 고유한 특성을 가진 다양한 공급 구조를 통해 트랜시버에 연결됩니다.
동축 케이블:
간소성과 적당한 비용 제공
적당한 신호 손실
마이크로스트립 라인:
PCB에 포토리소그래피 트레이스 활용
비용 효율적인 가격대에서 저손실 전송 제공
도파관:
중공 금속 파이프로 구성
최소한의 신호 손실을 제공하지만 제조 비용이 더 높음
개구부:
전도성 표면의 모양이 있는 개구부를 통해 에너지 전달
설계 유연성과 고유한 통합 가능성 제공
올바른 공급 구조를 선택하려면 복잡성, 신호 손실, 통합 가능성 및 대역폭 요구 사항과 같은 요인을 균형 있게 조정해야 합니다. 마이크로스트립 라인은 종종 PCB 기판에 원활하게 통합되어 다양한 안테나 애플리케이션에서 안정적인 성능을 보장하기 때문에 선호됩니다.
안테나 접지 구조
대부분의 안테나는 효율적으로 작동하기 위해 접지면 구조가 필요합니다.
연속 접지면 - 전체 레이어를 사용하는 대신 일관된 낮은 임피던스 레퍼런스를 제공합니다.
아일랜드 접지면 - 안테나 아래의 접지를 격리하여 공간을 절약하지만 일부 결합을 허용합니다.
펜싱 - 고임피던스 필드를 차폐하기 위해 절연 구리 벽으로 안테나를 둘러싸고 있습니다.
허니컴 - 주기적 개방 셀 메시는 격리와 컴팩트함을 절충합니다.
하이브리드 - 균형 잡힌 안테나 격리를 위해 로컬 아일랜드와 주변 펜싱과 같은 기술을 결합합니다.
신중한 접지 구조는 낭비되는 PCB 공간을 최소화하면서 안테나 동작을 차폐합니다.
안테나 시뮬레이션
제작 전에 안테나 성능을 정확하게 시뮬레이션하면 개발 반복이 줄어듭니다.
유한 요소 EM 솔버
ANSYS HFSS와 같은 솔버는 복사, 임피던스 및 커플링에 대한 심층 모델링을 위해 전체 3D EM 분석을 사용합니다.
모멘트 방법 솔버
FEKO와 같은 MoM 도구는 패치, 슬롯 및 모노폴과 같은 평면 안테나를 분석하는 데 탁월합니다.
안테나 어레이
요소 간의 상호 커플링을 모델링하여 어레이 성능을 최적화합니다.
회로 공동 시뮬레이션
시스템 회로 모델에 통합된 안테나 임피던스와 복사를 공동 시뮬레이션합니다.
프로토타입 제작
테스트 프로토타입은 작동 조건에서 시뮬레이션 모델을 빠르게 검증합니다.
성숙한 안테나 시뮬레이션은 제작 전에 가상 프로토타입을 실제 성능에 매우 가깝게 만듭니다.
PCB 기판 재료
회로 기판 소재는 다음을 통해 안테나 성능에 큰 영향을 미칩니다.
유전 상수 - 공진 치수 및 임피던스 매칭에 영향을 미칩니다.
손실 탄젠트 - 손실이 많은 소재는 이득과 효율을 감소시킵니다.
이방성 - 장착 평면에 관계없이 일관된 특성.
습기 흡수 - 다양한 전기적 매개변수를 방지합니다.
열 허용 오차 - 근처 구성 요소의 열을 견딥니다.
기계적 강도 - 진동, 굽힘 및 충격을 견딥니다.
두께 - 기판이 얇을수록 방사 효율이 향상됩니다.
PCB 기판 선택 지침
안테나 PCB 소재를 선택할 때 다음 지침을 따르세요.
유전 상수 - 최대 복사 효율을 위해 PTFE(Dk=2.2)와 같은 낮은 Dk 기판을 사용하세요. 높은 Dk는 더 작은 크기를 허용합니다.
손실 탄젠트 - 크기 감소가 발생하지 않는 한 안테나 효율을 위해 낮은 손실 소재(Df<0.005)를 지정하세요.
이방성 - 굽힘이나 PCB 장착 방식에 관계없이 유전 특성이 안정적으로 유지되도록 하세요.
습기 흡수 - <0.2%의 수분 흡수율로 정격화된 기판을 찾으세요.
열 허용 오차 - 무연 납땜 및 인접 구성 요소의 경우 기판 Tg가 250°C 이상이어야 합니다.
두께 - 최적의 고주파 응답을 위해 약 3-5밀의 얇은 라미네이트를 목표로 하세요.
기계적 특성 - 환경 노출에 대해 정격화된 견고하고 유연한 기판을 지정하세요.
가용성 - 비용 효율성과 안정적인 공급을 위해 대량의 상업용 PCB 소재를 사용하세요.
가격 – 비용 대 전기 및 기계적 요구 사항 간의 균형을 고려합니다.
안테나, 제품 및 생산 요구 사항을 신중하게 균형 잡으면 최적의 PCB 소재가 도출됩니다.
일반적인 안테나 PCB 소재
다음과 같은 표준 마이크로파 PCB 소재:
Rogers RO4000 시리즈
Taconic RF-45
Isola IS410
Polyflon PTFA
Park Nelco NH9211
안정성, 낮은 손실 및 거칠기 일관성으로 인해 안테나 통합에 일상적으로 사용됩니다. 세라믹 충전 PTFE 복합재와 같은 고주파 제형은 안테나에 최적화된 추가 향상을 제공합니다.
결론
PCB 소재를 통해 최적의 안테나 성능을 달성하려면 필수적인 전기적 및 물리적 요인을 신중하게 고려해야 합니다. PCB 기술은 다양한 유형의 안테나를 소형 무선 장치에 통합하는 데 도움이 됩니다. 안테나 요구 사항에 맞게 조정된 적절한 기판을 선택하면 비용 효율성, 소형화 및 운영 단순성의 균형을 유지하면서 안정적인 무선 연결이 보장됩니다.