무선 LAN 안테나 설계 및 시뮬레이션
글│How-Siang Yap, Bart Van-Hecke, Agilent EEsof EDA
편파 디버시티를 채택한 WLAN 안테나는 수신기 성능이 우수한 저렴한 PCB 기판에 제작할 수 있다. 이 글에서는 직교 편파를 통해 2.4GHz에서 작동하는 인쇄 다이폴 쌍을 최신 3D 전자기(EM) 시뮬레이션 도구로 설계하고 시뮬레이션하여 표면 전류 및 이와 관련된 원격장 방사 패턴을 예측하는 방법을 설명하고자 한다.
특히 EM-회로 동시 시뮬레이션을 이용하여 안테나 편파 전환을 처리하는 기저대역 회로 요소의 효과를 통합함으로써 안테나 설계의 범위를 확장한다. 이를 통해 수동 데이터 전송 없이도 선형 또는 비선형 회로 시뮬레이션에서 직접 안테나 여기를 제공할 수 있다.
소비자 무선 어플리케이션의 경우, 안테나를 무선 제품에 비파과적으로 통합시키는 동시에 저렴한 비용으로 우수한 성능을 제공해야 한다. 여기서는 FR4 PCB 보드에 두 개의 직교 다이폴 안테나를 인쇄하여 2.4GHz WLAN 어플리케이션에서 이러한 목표를 달성하는 방법을 예로 들어 설명하자. PCB 보드를 수직으로 세운 상태에서 작동시키는 경우, 수직 또는 수평 다이폴은 각각 수직 또는 수평으로 편파된 신호를 선택적으로 송신 및 수신한다(그림 1참조).
강한 신호가 있는 안테나를 감지하여 전환하는 회로를 구성함으로써 이 편파 디버시티를 통해 WLAN 작동 시 다중 경로 반사와 간섭을 줄일 수 있다. 이 안테나의 세부적인 설계 및 분석 내용은 이미 논의했으므로 안테나 작동을 간략하게 파악하기 위한 전자기(EM) 시뮬레이션과 안테나 성능에 미치는 전환 회로의 영향을 분석하기 위한 EM-회로 동시 시뮬레이션을 통해 설계의 범위를 확장해보겠다.
그림 1. PCB에 두 개의 인쇄 다이폴과 스위칭 네트워크가 있는 편파 디버시티
안테나 설계를 보다 빠르게 통찰하기 위한 EM 시뮬레이션
다이폴의 형태와 크기를 그림 2에 나타내었다. 안테나 구조는 Momentum 평면 3D EM 시뮬레이터(애질런트 EEsof EDA)를 사용하여 시뮬레이션하였으며 2GB RAM을 탑재한 HP xw4400 Intel Dual Core 6600 2.4 GHz Win XP 64비트 사양의 일반 노트북 PC를 사용하여 1분 내에 데이터와 일치하는 정확한 결과를 얻었다. 이러한 빠른 시뮬레이션 덕분에 모양 또는 재질 파라미터의 변화에 따른 안테나 작동을 신속하게 파악할 수 있다.
그림 2. 인쇄된 2.4 GHz 다이폴의 3D 형태 및 크기
그림 3에는 4.2~5.0 범위에서 변화하는 FR4 유전 상수가 다이폴 공진 주파수에 미치는 영향을 나타내었다. 여기서 유전 상수가 높을수록 공진 주파수가 낮아진다는 사실을 알 수 있다. 높은 유전 상수의 기판에서 줄어든 파장에 상대적으로 다이폴이 전기적으로 더 커지기 때문에 이는 예상되는 결과이다. 이러한 고찰은 이러한 변화가 일반적으로 존재하는 많은 저가형 제품 설계 시에 특히 중요하다.
그림 3. 안테나 공진 주파수에 미치는 FR4 PCB 유전 상수 변화의 영향
그림 4와 같이 안테나 표면 전류 흐름에 미치는 형태 변화의 영향을 살펴봄으로써 추가적인 통찰을 얻을 수 있다. 전류 밀도가 시각적 컬러에 매핑되고 위상을 360도로 스위핑하여 애니메이션시킬 수 있기 때문에 표면 전류 플롯은 불일치 또는 불필요한 커플링의 원인을 해결할 때 유용하다. 이제 인접 구조에서 전류가 유도되거나 의도하지 않은 공진 주파수에서 전류가 포획되는 위치를 확인하고 교정할 수 있다. 이는 자르고 시도해보는 기존의 방식에 따라 여러 번 보드를 돌리고 조작하는 것보다 외형 변경 측면에서 더 정확하고 효과적이다.
그림 4. 인쇄 다이폴에 대한 표면 전류 애니메이션은 인접 구조에 불필요한 커플링, 반사 또는 공명을 일으키는 위치를 확인하고 교정할 때 유용하다.
Momentum에 사용되는 MOM (method-of-moments) 시뮬레이션 기법은 무한대의 유전 평면을 가정하며, 이 조건에 근접하는 대부분의 어플리케이션에서 받아들일 수 있는 가정이다. 유한한 유전 효과를 고려해야 하는 상황(예를 들어, 인쇄 다이폴이 PCB의 가장자리에 매우 가깝게 인쇄되는 경우)에서는 유한 요소 방법(FEM)을 이용한 완전한 3D EM 시뮬레이션을 채택할 수 있습니다.
그림 5에는 전자기 설계 시스템(애질런트 EEsof EDA의 EMDS)을 사용한 시뮬레이션을 나타내었다. 여기서는 다이폴을 PCB 가장자리로부터 5mm 및 2mm 위치시켰는데, 이는 거의 100MHz의 공진 주파수 이동을 나타낸다.
그림 5. 완전한 3D EM 시뮬레이션은 PCB 가장자리에 인접한 다이폴 인쇄의 영향을 보여준다. PCB 가장자리로부터 다이폴을 5mm~2mm 이동시키면 공진 주파수가 위쪽으로 100MHz 이동한다.
그림 6에는 Momentum과 EMDS로 예측되는 다이폴 원격장 방사 패턴이 비교되어 있다. EMDS에는 계산을 위해 무한 PCB 유전 평면을 가정할 필요가 없기 때문에 가정된 무한 PCB 평면에서 방사를 보이지 않는 MOM 기법으로 예상되는 플롯과 비교하여 원격장 플롯이 더 정확하다.
그림 6. MOM 계산 시 기본적으로 가정되는 무한 유전 평면 때문에 MOM(method-of-moments) 기법으로 계산된 다이폴의 원격장 패턴에는 PCB 평면에 방사가 나타나지 않는다. 오른쪽에는 원격장에 대한 더욱 정확한 유한 요소 방법(FEM) 계산을 나타내었는데, 색조의 변화로 나타내었듯이 방사 전력이 더욱 균일한 토로이달 분포를 보인다.
동시 시뮬레이션 및 동시 최적화된 회로 요소 및 안테나
편파 디버시티를 이용하기 위해 핀-다이오드 스위칭 네트워크를 여기에 연결하여 다이폴이 선택적으로 On, Off 전환된다. 다음 사항을 고려해야 한다.
- 전반적 안테나 성능에 미치는 스위칭 네트워크의 영향
- 한 다이폴이 다른 다이폴에 미치는 영향
- 안테나와 송수신기 사이에서 스위칭 네트워크 일치
이러한 고려 사항은 고급 설계 시스템(ADS) 플랫폼 내에 Momentum이 통합된 EM-회로 동시 시뮬레이션을 수행하여 모두 분석할 수 있다. 그림 7은 두 개의 다이폴과 스위칭 네트워크의 동시 시뮬레이션 구성을 보여준다. 여기서는 5V 또는 -5V 제어 전압으로 각 다이폴 밑부분에 있는 PIN 다이오드를 바이어스 처리하여 편파를 선택한다. 공통 피드에서 두 다이폴을 보았을 때의 S11 반사 계수를 그림 8에 나타내었으며, 측정된 응답과 잘 일치하는 것을 알 수 있다.
그림 7. 회로-EM 동시 시뮬레이션을 통해 두 안테나 및 스위칭 회로를 함께 분석하고 최적화할 수 있다. DSP 제어 하에 있는 적응형 안테나 매칭 및 빔 형성에도 적용할 수 있다.
그림 8. 편파 스위칭 회로의 효과를 포함한 편파 디버시티 다이폴의 반사 계수
여기서부터, 형태를 조정하고 스위칭 회로 파라미터를 변경하여 공진 주파수 또는 다이폴의 S11 일치를 최적화해야 하는 경우 ADS에서 EM-회로 동시 최적화를 수행할 수도 있다. 여러 주파수 및 대역폭에 걸쳐 하나의 안테나를 사용해야 하는 소프트웨어 정의 무선 시스템에서 DSP 제어 하의 적응형 안테나 매칭 또는 빔 형성 네트워크를 설계할 때도 이와 유사한 기법을 이용할 수 있다. 이는 다양한 사용자와의 거리에서 취급했을 때 휴대 전화의 변화하는 안테나 특성에 맞게 콘덴서 매트릭스를 적절히 전환하기 위한 목적으로도 유용하다.