개요: 이 애플리케이션 노트에서는 무선 도어 잠금장치(RKE), 타이어 공기압 모니터(TPM), 차고문 개폐장치, 홈 보안 센서 또는 TV 리모트 컨트롤과 같은 최근의 휴대용 송신기 애플리케이션에 사용되는 다양한 안테나에 대해 설명한다. 또한 루프/휩(loop/whip), 돌출형 스트립/"페이퍼 클립", 기존의 휩, 헬릭스 및 패치 안테나를 살펴보고, Maxim의 송신기와 매칭되는 네트워크를 제시한다.
머리말
무선 도어 잠금장치(RKE), 타이어 공기압 모니터(TPM), 차고문 개폐장치, 홈 보안 센서 및 TV 리모트 컨트롤 등에 사용되는 송신기용 안테나는 매우 작은 패키지에 들어갈 수 있어야 한다. 이러한 이유로 이들 애플리케이션에 사용되는 거의 모든 안테나는 전기적으로 짧다(0.1 파장 이하 크기). 이 애플리케이션 노트에서는 이러한 안테나를 구성하는 방법과 임피던스 수치를 제공한다.
안테나 종류
PCB 루프 또는 휩 안테나
PCB 루프 또는 휩 안테나는 PCB(printed circuit board)상의 원형, 타원형, 정사각형 또는 직사각형 트레이스이다. 애플리케이션에 양면 PCB를 사용한다고 가정하면 안테나 아래의 PCB의 다른 쪽에는 어떤 것도 탑재되어서는 안 된다. 즉 안테나 아래에는 접지 플레인이나 다른 트레이스가 배치되어서는 안 된다.
입력(안테나 트레이스의 "구동" 또는 "피드 포인트" 단으로도 알려져 있음)은 전력 증폭기(PA)에 직접 또는 매칭 네트워크를 통해 연결된다. 매칭 네트워크의 부품들은 PCB의 다른 쪽의 접지 플레인 위에 배치된다. 칩 안테나 아래의 영역에 어떤 것도 오지 않게 하기 위해 PCB의 반대쪽의 접지 플레인은 항상 구동 단에서 종단된다. 칩 안테나의 다른 쪽 단은 접지 플레인에 연결된다. 이것은 일반적으로 비아를 통해 그 아래의 접지 플레인에 연결된 PCB 상단 레이어의 넓은 면적에서 트레이스를 종단하여 수행된다. 또한 안테나 단을 비아를 통해 그 아래의 접지 플레인에 직접 연결하여 수행할 수도 있다.
안테나의 다른 쪽 단이 개방되어 있으면 안테나는 휩 또는 단극 안테나가 된다. 휩 안테나는 직선이거나 원형, 타원형, 정사각형 또는 직사각형의 일부인 트레이스로 PCB상에 실장할 수 있다. 그림 1은 PCB 루프/휩 안테나를 간략히 보여준다.
그림 1. PCB 루프 또는 휩 안테나
범용 안테나는 접지 단락으로 종단되지 않고 개방하거나 접지 단락할 수 있는 패드/연결로 종단되는 루프이다. 패드에는 안테나의 적절한 주파수 튜닝을 위해 인덕터 또는 커패시터를 실장할 수 있다.
보통 휴대용 송신기에서 일반적인 크기(한 쪽이 2cm ~ 5cm)의 소형 루프 안테나는 30nH ~ 100nH의 인덕턴스와 몇 옴(ohm)의 등가 직렬 저항을 갖는다. 이론적으로 직렬 저항은 1옴 미만이지만 보드 손실, 커버로부터의 유전체 손실, 다른 회로 부품과의 커플링 및 측정 허용오차 등으로 인해 저항 부품은 네트워크 분석기로 측정했을 때 10Ω 정도로 높을 수 있다.
휴대용 송신기에서 일반적인 크기의 소형 휩 안테나는 1pF ~ 5pF의 커패시턴스와 몇 옴의 등가 직렬 저항을 갖는다. 소형 휩 안테나의 이론적 직렬 저항은 동일한 크기를 갖는 소형 루프의 직렬 저항보다 대략 10배가 넘지만 여전히 작은 크기이며 실제로 측정되는 저항은 루프 안테나의 경우와 거의 비슷하다.
칩 안테나는 단가를 절약할 수 있지만 안테나의 특성이 보드 재료와 트레이스의 제조 허용오차에 따라 달라진다는 단점을 갖는다. 훨씬 더 반복 가능한 특성을 갖는 표면 실장 안테나가 나와 있으며, 안테나 설계의 일관성이 중요할 때 이들 안테나를 고려한다.
돌출형 스트립 또는 "페이퍼 클립" 안테나
그림 2에 보이는 돌출형 스트립 또는 페이퍼 클립 안테나는 칩 루프 또는 휩 안테나와 매우 비슷하다. 일반적으로 이들 안테나는 외부 와이어 또는 금속으로 된 평판 스트립으로 PCB에 연결되며 아주 약간(밀리미터 단위) 위로 올라온다. 연결은 칩 안테나와 동일하다. 이 유형의 안테나의 추가적인 장점은 PCB 상의 다른 부품으로부터 조금 떨어질 수 있다는 점이다. 안테나의 원단(far end)은 부동 상태로 둘 수 있으며 부전도성의 스탠드오프로 지지하거나 아래로 구부려 PCB에 연결할 수 있다. PCB에 실장한 경우 안테나를 실장 가능한 패드로 가게 하여 접지 플레인에 연결하거나 개방 상태로 두거나 인덕터 또는 커패시터와 같은 수동 소자를 통해 접지로 연결할 수 있다.
그림 2. 돌출 스트립 안테나
돌출 스트립 안테나의 임피던스는 칩 안테나 임피던스와 매우 비슷하다.
기존의 휩 안테나
일부 휴대용 기기는 기존 휩 또는 "스텁" 안테나를 설치할 수 있는 또 다른 방향의 공간이 있다. 보통 이 안테나는 2cm ~ 5cm 와이어로 보호 유전체 재료로 도포되기도 한다. 성능 데이터가 제공되는 상용 (OTS) 안테나나 "DIY(do-it-yourself)" 방식의 금속 조각으로 제공될 수 있다. OTS 안테나는 일부 PCB 안테나보다 더 반복 가능한 임피던스 특성을 갖는다. 이는 이들 안테나가 더 많은 내부 손실을 경험하기 때문에 저항이 클 수 있기 때문이다. 보다 큰 일부 OTS 안테나는 리액턴스 (커패시턴스 또는 인덕턴스) 없이 50Ω에 가까운 임피던스를 가질 수 있다. 이들은 또한 커패시턴스를 튜닝 아웃할 수 있는 인덕터를 내장할 수 있다. 그림 3은 2개의 독립형 휩 안테나를 보여준다.
그림 3. 독립형 휩 안테나 (자료제공: Antenna Factor)
헬릭스 안테나
헬릭스 안테나는 외관이 두꺼운 휩 안테나와 매우 비슷하다. 이 안테나는 보통 2cm ~ 5cm의 길이로 얇은 와이어 코일로 되어 있다(그림 4). 많은 사용자들은 애플리케이션에 맞추어 코일을 감아 사용한다. OTS 형식의 헬릭스 안테나도 나와 있다. 이러한 헬릭스 안테나의 대부분은 20Ω ~ 50Ω의 실수 및 0Ω에 가까운 허수(커패시턴스 또는 인덕턴스 없음)의 임피던스를 갖는다. 이들 값의 이론적 원리는 권선의 인덕턴스가 휩 안테나의 내부 커패시턴스를 상쇄한다는 것이다. 헬릭스 안테나는 매칭이 용이하지만 동일한 크기의 다른 안테나보다 더 잘 방사하지는 않는다.
그림 4. 헬릭스 안테나 (자료제공: Antenna Factor)
패치 안테나
패치 안테나는 기존 크기가 보통 파장의 1/4이기 때문에 300MHz ~ 450MHz에서 거의 사용되지 않는다. 다른 PCB 안테나와는 달리 패치 안테나는 PCB의 다른 쪽에 접지 플레인을 갖는다. 안테나의 구동되지 않는 단이 개방되어 있어 커패시턴스를 형성하기 때문에 소형 패치 안테나의 임피던스는 휩 안테나와 비슷하다. 소형 패치 안테나의 임피던스는 작은 직렬 저항을 갖는 1pF ~ 5pF 커패시터와 비슷하게 나타난다.
Maxim 송신기를 위한 범용 매칭 네트워크
그림 5는 위에 설명된 모든 안테나와 Maxim의 송신기를 매칭시켜주는 우수한 네트워크를 보여준다. 할당된 패드에는 원하는 안테나 종류에 따라 인덕터나 커패시터를 실장할 수 있다. 직렬 소자 E6 또는 션트 소자 E5를 사용하여 리액턴스의 일부 또는 전부를 튜닝아웃하고 안테나의 등가 저항을 변경할 수 있다. 소자 E3, E4, E5는 언제나 파이 네트워크 저역통과 필터(LPF)를 형성하여 PA 출력으로부터 발생하는 고차 고조파를 제거하는 데 사용된다. E5를 안테나에 대한 튜닝 소자로 사용할 경우 이 소자의 값과 파이 네트워크 LPF에 필요한 값을 결합할 수 있다. RF를 DC 전원으로부터 절연시키기 위해 인덕터(L1)가 필요하며 DC 블록을 제공하기 위해 커패시터(C1)가 요구되지만 필요한 경우 임피던스를 변환하는 값을 선택할 수도 있다. 대부분의 Maxim 송신기는 125Ω ~ 250Ω 사이의 저항(실제 임피던스)을 구동할 때 최고의 효율과 전력 출력에서 동작하지만 더 높은 출력의 MAX7044는 더 작은 부하 저항에서 RF 전압 스윙을 유지하기 때문에 60Ω ~ 120Ω 사이의 저항에서 최고의 효율로 동작한다.
그림 5. 루프, 휩, 헬릭스 또는 기타 일반적인 안테나를 사용하는 송신기를 위한 범용 매칭 네트워크
그림 6은 소형 PCB 루프 안테나를 위한 매칭 네트워크를 보여준다. 직렬 커패시터 C4의 값은 루프 인덕턴스의 (전부는 아니지만) 대부분을 튜닝 아웃하는 값이 선택되었다. 이 인덕턴스는 네트워크의 나머지 부분을 위해 작은 직렬 저항을 보다 관리 가능한 저항으로 최대한 변환시킨다.
다운로드, PDF 형식
