868MHz 안테나 선택: PCB 장착형 헬리컬, 휩 및 서브GHz 안테나 설계

868MHz 무선 장치용 안테나를 선택할 때는 단순히 공칭 동작 주파수를 맞추는 것 이상의 고려 사항이 있습니다. 엔지니어는 지역별 주파수 계획, 사용 가능한 접지면, 설치 방법, 외함 재질, 방사 패턴, 그리고 애플리케이션에 필요한 RF 성능 등을 고려해야 합니다. 이러한 요소들은 LoRaWAN, LPWAN, 원격 모니터링, 스마트 계량 및 기타 서브 GHz 무선 시스템에 특히 중요합니다.

이 가이드는 868MHz 대역에서 PCB 장착형 안테나, 헬리컬 모노폴 안테나, 외부 채찍형 안테나를 평가하는 방법을 설명합니다. 또한 실용적인 파장 및 접지면 계산 방법을 소개하고 대표적인 안테나들을 비교합니다. Kinghelm TE Connectivity ANT-868-HETH를 사용하는 제품에 대해 설명하고, 생산 전에 필요한 RF 검증 단계를 기술합니다.

1. 작동 대역 및 애플리케이션 요구 사항을 확인하십시오.

안테나를 선택하기 전에 해당 기기에서 실제로 사용하는 주파수 범위와 대상 시장에 적용되는 규정을 확인하십시오. 433MHz, 470MHz, 868MHz, 915MHz는 일반적으로 사용되는 서브 GHz 주파수 대역을 나타내는 용어이지만, 서로 바꿔 사용할 수 없습니다. 지역별 할당, 허용 송신 전력, 듀티 사이클 제한 및 채널 계획은 다양합니다.

868MHz 대역을 기준으로 설계된 안테나가 915MHz 대역 전체에서 우수한 성능을 발휘할 것이라고 자동으로 가정해서는 안 됩니다. 두 제품이 겉보기에 비슷해 보이더라도 공진 주파수, 정합 네트워크 및 방사 특성은 크게 다를 수 있습니다.

새로운 설계를 진행할 경우, 안테나 후보군을 선정하기 전에 다음 요구사항을 문서화하십시오.

• 동작 주파수 : 명목상의 중심 주파수뿐만 아니라 실제 주파수 범위를 지정하십시오.
• 라디오 기술: 해당 애플리케이션이 LoRaWAN, 다른 LPWAN 프로토콜, 텔레메트리 또는 독자적인 Sub-GHz 링크를 사용하는지 여부를 확인하십시오.
• 사용 가능한 공간: PCB 크기, 여유 공간, 인클로저 크기 및 허용 안테나 높이를 기록하십시오.
• 장착 방법 : 설계에 PCB 장착 부품, 스루홀 안테나 또는 외부 안테나가 필요한지 결정하십시오.
• RF 목표: 허용 가능한 임피던스 정합, 효율, 방사 범위 및 통신 범위를 정의하십시오.
• 환경 요구 사항 : 온도, 습기 노출, 진동 및 설치 예정 환경을 고려하십시오.

소형 안테나는 기계적 통합을 단순화할 수 있지만, 크기만으로 시스템 성능이 결정되는 것은 아닙니다. 안테나는 접지면, 외함, 배터리, 케이블 및 주변 전자 부품을 포함한 전체 장치와 함께 작동해야 합니다.

2. PCB 장착형, 헬리컬형 및 외부 안테나 구성 비교

다양한 안테나 구조는 서로 다른 기계적 및 RF 제약 조건을 해결합니다. PCB에 장착하는 세라믹 안테나는 공간 절약에 도움이 되며, 나선형 모노폴은 모노폴 방사체를 소형화한 형태입니다. 외부 채찍형 또는 고무 안테나는 방사 소자를 전자 장치에서 멀리 떨어뜨려 배치에 더 많은 유연성을 제공할 수 있습니다.

공간 제약이 있는 장치를 위한 PCB 장착형 안테나

제품 케이스가 작고 외부 방사 소자가 바람직하지 않은 경우, PCB 장착형 안테나는 실용적인 선택이 될 수 있습니다. 그러나 안테나의 표기된 이득이나 중심 주파수만으로는 설치 후 성능을 완벽하게 설명할 수 없습니다. PCB 레이아웃, 접지면, 정합 부품 및 주변 재질에 따라 공진 주파수가 변하고 방사 효율에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.

PCB 장착형 안테나를 평가할 때는 제조업체에서 권장하는 배치 및 접근 금지 요건을 준수해야 합니다. 배터리, 금속 브래킷, 디스플레이 프레임, 차폐 장치 또는 기타 전도성 구조물을 방사 소자에 너무 가깝게 배치하지 마십시오. 단, 해당 구성에서 설계가 검증된 경우는 예외입니다.

PCB 안테나 통합에 대한 추가 정보는 BLE 웨어러블 기기용 패치 안테나, 칩 안테나, PCB 안테나 비교 자료를 참조하십시오 . 이 자료는 웨어러블 기기 통합에 중점을 두고 있지만, 레이아웃 및 공간 확보 원칙은 소형 안테나 설계를 계획할 때도 유용합니다.

소형 서브 GHz 설계를 위한 나선형 모노폴

나선형 모노폴 안테나는 전도성 코일 구조를 사용하여 소형 안테나를 구현합니다. 스루홀 방식은 PCB 및 기계 설계가 부품의 장착 방식과 공간 요구 사항을 수용할 수 있는 경우에 유용할 수 있습니다.

모든 헬리컬 안테나가 전기적 또는 기계적으로 서로 호환된다고 가정하지 마십시오. 스루홀 버전과 표면 실장 버전은 특정 장치에서 크기, 설치 요구 사항 및 성능이 다를 수 있습니다. PCB를 수정하기 전에 정확한 부품 번호와 제조업체 도면을 확인하십시오.

외부 채찍형 안테나 및 고무 안테나

외부 안테나는 안테나를 주요 RF 주파수 편차 발생원으로부터 멀리 배치할 수 있는 인클로저 구조가 허용하는 경우 유용할 수 있습니다. 이러한 구성은 게이트웨이, 모니터링 장비 및 안테나 크기가 커도 괜찮은 장치에 적합할 수 있습니다.

안테나의 정격 주파수, 임피던스, 이득 사양, 편파, 장착 인터페이스 및 케이블 또는 급전 방식(해당되는 경우)을 확인하십시오. 최종 설치 후에는 의도된 작동 환경에서 기계적 내구성과 RF 성능을 평가해야 합니다.

3. 파장 및 접지면 원리 적용

파장은 안테나 크기를 이해하는 데 유용한 출발점입니다. 하지만 파장 자체만으로는 실제 안테나의 최종 물리적 크기를 결정할 수 없습니다. 부하, 코일 형상, 유전체 재료, 주변 도체, 정합 네트워크 등 모든 요소가 설계에 영향을 미치기 때문입니다.

868MHz에서의 파장을 계산하세요

초기 추정치를 계산하려면 다음 공식을 사용하십시오.

파장(λ) (미터) ≈ 300 ÷ 주파수(MHz)

868MHz에서:

• 파장: λ ≈ 300 ÷ 868 ≈ 0.346 m, 또는 약 346 mm.
• 파장의 4분의 1: λ/4 ≈ 86.4 mm.

4분의 1 파장 결과는 자유 공간에 있는 단순 모노폴 안테나에 대한 이론적인 기준값입니다. 실제 안테나는 물리적으로 더 짧거나 부하 및 튜닝을 통해 다른 형태로 구성될 수 있습니다. 안테나의 유효 전기 길이와 성능은 안테나 구조 및 설치 방식에 따라 달라집니다.

접지면이 중요한 이유

모노폴 안테나는 접지 구조와 함께 작동합니다. PCB 접지면, 장착 방식, 그리고 주변의 전도성 부품들은 전류 분포와 방사 패턴에 영향을 미칩니다. 제조사에서 제시한 기준 설정과 다른 접지면을 사용하면 임피던스 정합과 실제 성능이 달라질 수 있습니다.

예를 들어, TE Connectivity ANT-868-HETH 제품 정보의 안테나 문서에는 38 × 84 mm 크기의 접지면이 참조 사양으로 명시되어 있습니다. 이는 평가를 위한 참조 구성으로 간주해야 하며, 모든 868MHz 안테나에 적용되는 보편적인 PCB 크기 요구 사항으로 여겨서는 안 됩니다.

PCB를 설계할 때 다음과 같은 실질적인 단계를 고려하십시오.

1. 안테나 제조업체에서 권장하는 설치 패턴, 접지 연결 및 접근 금지 구역을 준수하십시오.
2. 설계 지침에서 요구하는 경우, 전도성 물체 및 민감한 부품을 방사 영역에서 멀리 떨어뜨려 놓으십시오.
3. 권장 RF 레이아웃에 따라 안테나 피드와 매칭 네트워크를 배치하십시오.
4. 설계 과정에서 임피던스 조정이 필요한 경우 튜닝 부품을 위한 공간을 확보하십시오.
5. 조립된 제품에서 안테나를 측정하고, 계산이나 PCB 시뮬레이션에만 의존하지 마십시오.

보다 자세한 설계 고려 사항은 RF 안테나 설계: 중급 엔지니어를 위한 실용 가이드를 참조하십시오.

매칭 및 측정

50Ω 임피던스 사양은 유용한 인터페이스 기준이지만, 최종 제품에 설치했을 때 안테나가 50Ω 부하를 나타낸다는 것을 보장하지는 않습니다. 안테나와 PCB는 함께 RF 시스템을 구성합니다.

벡터 네트워크 분석기(VNA)를 사용하여 필요한 동작 대역에서 입력 임피던스 정합을 평가하십시오. S11 및 VSWR 측정은 공진 주파수 이동 및 정합 문제를 파악하는 데 도움이 될 수 있습니다. 가능한 경우 총 방사 효율, 방사 패턴 및 무선 통신 성능도 평가하십시오.

우수한 S11 결과만으로는 높은 방사 효율이나 예상되는 통신 범위를 보장할 수 없습니다. 전도 손실, 유전 손실, 밀폐 효과, 안테나 방향 및 수신기 환경 모두 실제 결과에 영향을 미칩니다.

4. 비교 Kinghelm TE ANT-868-HETH를 사용하는 868MHz 제품

제품을 비교할 때는 전기적 사양과 기계적 호환성을 구분해야 합니다. 소형 PCB 장착형 안테나, 외부 고무 안테나, 스루홀 헬리컬 모노폴 안테나는 모두 서브 GHz 설계에 사용할 수 있지만, 각각 필요한 통합 방식이 다릅니다.

대리인 Kinghelm 제품

중요: 위의 값은 제조업체에서 제시한 제품 사양이며, 동일 조건에서의 성능 비교 결과가 아닙니다. 측정 정의 및 테스트 조건이 동일하지 않은 경우, 이득 수치를 직접적인 동등 값으로 해석해서는 안 됩니다. 최종 설계는 의도된 PCB, 인클로저 및 설치 환경에서 평가해야 합니다.

비교를 해석하는 방법

KH-10032-A83은 868MHz 중심 주파수와 10MHz 대역폭을 가진 소형 PCB 장착형 안테나 옵션입니다. 설계 시 안테나 크기를 최소화해야 하는 경우, 필요한 동작 대역과 제조업체의 레이아웃 지침을 고려하여 검토해 볼 만합니다.

KH-(868)-J505-JB는 공칭 주파수 868MHz, 임피던스 50Ω, 이득 2.0dBi의 고무 안테나로 표기됩니다. 이는 PCB에 장착된 세라믹 안테나와는 다른 통합 방식을 나타내며, 제품의 기계적 설계가 외부 또는 별도로 장착된 안테나를 수용할 수 있는 경우 고려될 수 있습니다.

TE ANT-868-HETH는 제조사에서 862~870MHz 주파수 대역에서 작동하도록 명시된 스루홀 헬리컬 모노폴 안테나입니다. 장착 방식 및 전기적 특성은 대상 제품의 실제 요구 사항에 맞춰 평가해야 합니다.

Bowman의 Kinghelm 검증 없이 제품을 TE ANT-868-HETH의 직접적인 대체품으로 설명해서는 안 됩니다. 장착, 접지면 상호 작용, 매칭, 기계적 간격 및 RF 성능의 차이로 인해 PCB 또는 인클로저를 변경해야 할 수 있습니다. 생산을 승인하기 전에 선택한 제품의 정확한 치수, 인터페이스 및 규정 준수 문서를 확인하십시오.

5. 최종 기기에서 RF 성능을 검증합니다.

사양이 정확하게 명시된 안테나라도 통합 후에는 동작 방식이 달라질 수 있습니다. 금속 케이스, 배터리, 디스플레이, 케이블, 장착 브래킷 또는 주변 회로 등이 안테나의 임피던스와 방사 특성을 변화시킬 수 있기 때문입니다. 따라서 안테나 검증은 최종 소싱 단계가 아니라 제품 개발 과정의 일부로 포함되어야 합니다.

권장 검증 체크리스트

• 주파수 범위 : 안테나가 필요한 모든 채널과 해당 지역 주파수 대역을 커버하는지 확인하십시오.
• 임피던스 매칭: 적절한 RF 테스트 장비를 사용하여 작동 범위에 걸쳐 S11 또는 VSWR을 측정하십시오.
• 방사선 효율: 시험 여력이 되는 경우, 대표적인 조립 장치에서 방사 성능을 평가하십시오.
• 정위: 의도된 안테나 방향과 사용 중 제품의 예상 위치를 평가하십시오.
• 접지면 효과: 최종 PCB 레이아웃을 제조업체에서 권장하는 구성 또는 참조 구성과 비교하십시오.
• 밀폐 효과: 최종 케이스, 배터리, 디스플레이 및 주요 전도성 부품을 설치한 후 테스트하십시오.
• 의사소통 성과: 안테나 이득에만 의존하지 말고, 대표적인 작동 조건에서 실제 무선 링크를 테스트하십시오.
• 환경적 적합성: 제품 설명서와 비교하여 온도, 습도, 진동 및 기계적 요구 사항을 확인하십시오.
• 규정 준수 : 완성된 장치가 목표 시장의 관련 무선 및 제품 요구 사항을 충족하는지 확인하십시오.

LoRaWAN 또는 기타 장거리 무선 애플리케이션용으로 개발된 제품의 경우, 실제 구축 환경을 반영하여 테스트를 진행해야 합니다. 설치 높이, 안테나 방향, 장애물, 간섭, 수신 안테나 등 모든 요소가 링크 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

PCB 실장형 설계의 경우, 초기 RF 측정 결과 튜닝이 필요한 것으로 나타나면 매칭 네트워크 조정을 위한 충분한 여유 공간을 확보해야 합니다. 모든 부품 변경 사항은 문서화하고 실제 생산용 하드웨어에서 검증해야 합니다.

6. 정보에 입각한 서브 GHz 설계 및 소싱 결정을 내리십시오.

실용적인 서브 GHz 안테나 선택은 목표 주파수 대역을 정하는 것에서 시작하여 기계적 통합, RF 검증, 그리고 공급처 검토를 거치는 과정으로 이어집니다. 가장 작은 안테나가 반드시 최선의 선택은 아니며, 공표된 이득 수치가 높다고 해서 모든 제품에서 더 나은 성능을 보장하는 것도 아닙니다.

소형 장치의 경우, 명시된 주파수 범위 및 레이아웃 요구 사항이 설계와 일치하는 경우 KH-10032-A83과 같은 PCB 장착 안테나를 평가 대상으로 고려할 수 있습니다. 별도로 장착되는 안테나가 더 적합한 경우, KH-(868)-J505-JB는 평가할 수 있는 또 다른 폼 팩터를 제공합니다. 스루홀 헬리컬 모노폴이 필요한 설계의 경우, TE ANT-868-HETH는 해당 구성을 평가하기 위한 제조업체 문서화된 참조를 제공합니다.

자재 명세서를 확정하기 전에 정확한 모델, 작동 대역, 기계 도면, 임피던스, 이득 측정 조건, 장착 인터페이스 및 해당 규정 준수 정보를 확인하십시오. 기존 안테나를 교체하는 경우, 공칭 주파수에만 의존하지 말고 실제 장치에서 기계적 적합성과 RF 성능을 모두 테스트하십시오.

Kinghelm당사의 안테나 포트폴리오는 다양한 무선 통합 요구 사항을 충족하는 제품을 포함합니다. 엔지니어와 구매팀은 공개된 제품 사양을 검토하여 생산에 필요한 부품을 선택하기 전에 의도된 용도에 적합한지 확인할 수 있습니다.

안테나 통합에 대한 자세한 내용은 "블루투스 안테나 선택 방법: 패치 안테나부터 세라믹 안테나까지"를 참조하십시오 . 이 글은 블루투스에 초점을 맞추고 있지만, 제품 공간 및 통합 제약 조건에 맞는 안테나 구조 선택에 대한 추가적인 정보도 제공합니다.

참고자료

1. TE 커넥티비티, ANT-868-HETH 제품 페이지.
2. TE 커넥티비티, 안테나 카탈로그.
3. Kinghelm, 안테나 제품 목록.
4. Kinghelm, 고무 안테나 제품 목록.
5. Kinghelm, RF 안테나 설계: 중급 엔지니어를 위한 실용 가이드.
6. Kinghelm, BLE 웨어러블 기기용 패치형 안테나, 칩형 안테나, PCB형 안테나 비교.
7. Kinghelm, 블루투스 안테나 고르는 방법: 패치형부터 세라믹형까지.