소형 IoT 장치에 안테나를 통합하는 과제

사물인터넷(IoT)은 냉장고부터 시계까지 일상의 사물이 인터넷 연결을 통해 스마트 기기로 변신하는 패러다임을 바꾸는 기술 트렌드입니다. 이러한 개체는 서로 데이터를 공유하여 일상 생활의 여러 측면을 자동화하고 향상시킬 수 있습니다.

안테나는 이러한 장치에서 중추적인 역할을 합니다. 안테나는 전자기 방사선을 전류로 변환하거나 그 반대로 변환하는 장치입니다. 이 기능은 IoT 장치가 무선으로 서로 통신하고 데이터를 교환하여 사물 인터넷을 정의하는 상호 연결을 촉진하는 데 중요합니다.

그러나 많은 제약과 고려 사항을 고려할 때 이러한 소형 IoT 장치(그림 1)에 안테나를 통합하는 것은 중요한 과제입니다.

IoT 세계에서는 작은 것이 새로운 큰 요소입니다. 소비자는 작고 눈에 띄지 않는 장치를 원하며 제조업체는 이에 따르려고 노력합니다. 이러한 크기 제한은 안테나 통합에 심각한 장애물이 됩니다.

안테나는 특정 주파수에서의 공진을 기반으로 작동하며 크기는 일반적으로 작동하도록 설계된 주파수의 파장에 비례합니다. 예를 들어, 2.4GHz 주파수 대역에서 작동하는 쌍극 안테나는 이상적으로 길이가 약 6.25cm가 되어야 합니다. 이 크기는 소형 IoT 장치에 적합하지 않은 경우가 많습니다.

소형 IoT 장치 내의 공간은 혼잡하므로 안테나 통합 작업이 복잡합니다. 안테나는 프로세서, 배터리, 센서와 같은 다른 구성 요소에 근접한 위치에서 작동해야 합니다. 이러한 구성 요소는 안테나 작동을 방해하여 안테나 성능, 궁극적으로 장치 기능에 영향을 미칠 수 있습니다.

예를 들어 소형 IoT 장치 내에서 가장 큰 구성 요소인 배터리의 금속 케이스는 두 가지 방식으로 안테나 작동을 방해할 수 있습니다. 즉, 안테나를 디튠하거나 작동 주파수를 변경하거나 크기 때문에 안테나를 차폐할 수 있습니다. 안테나로 인해 효과적인 방사 패턴이 감소하고 장치의 연결성이 약화됩니다.

마찬가지로 프로세서, 특히 고주파수에서 작동하는 프로세서는 상당한 전자기 잡음을 생성합니다. 안테나가 가까이 있으면 이 잡음이 포착되어 신호 수신 및 전송을 방해할 수 있습니다.

더 작고 컴팩트한 IoT 장치에 대한 요구는 휴대성과 스타일 측면에서는 훌륭하지만 안테나 성능 측면에서는 단점이 있습니다. 이러한 장치가 작아질수록 장치 내부의 안테나도 작아져야 합니다. 이러한 크기 감소는 안테나 작동 방식의 많은 중요한 기능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

안테나 성능에 대한 소형화의 해로운 영향 중 일부는 다음과 같습니다.

이러한 문제에 대한 몇 가지 잠재적인 솔루션이 있습니다.

SoC는 마이크로컨트롤러 장치(MCU)와 RF 프런트 엔드를 하나의 실리콘 다이에 통합합니다. 이 두 가지 기능을 결합함으로써 SoC는 IoT 장치 내부의 제한된 공간을 효과적으로 활용합니다. 이러한 공간 효율성 이점은 IoT 장치가 점점 더 무선 MCU를 중심으로 설계되는 주요 이유입니다.

이러한 이점에도 불구하고 SoC가 모든 문제를 해결할 수는 없습니다. 안테나의 물리적 크기는 여전히 안테나가 작동하는 주파수의 파장에 의해 제한되며 디튜닝(근처 구성 요소로 인해 안테나 작동 주파수가 이동하는 현상)이 여전히 중요한 문제로 남아 있습니다. .

또 다른 잠재적인 솔루션은 SoC를 PCB 트레이스 안테나 또는 칩 안테나와 결합하는 것입니다.

PCB 트레이스 안테나는 도체가 PCB 표면에 에칭되어 있는 안테나입니다(그림 2). 비용 효율적이지만 상당한 공간을 차지하므로 부피가 큰 IoT 장치가 생성됩니다. 반면, 칩 안테나는 공간을 절약할 수 있는 더 작은 표면 실장 부품입니다. 그러나 접지면에 연결되어 있는지 여부에 따라 상당한 공간이 필요할 수 있습니다.

이러한 안테나 유형을 활용할 때 설계자는 IoT 장치의 크기를 추정하기 위해 다양한 요소를 고려해야 합니다. 여기에는 안테나에 필요한 PCB 치수, 필요한 여유 공간, 안테나와 장치 하우징 가장자리 사이의 거리가 포함됩니다.