휴대용 전자제품을 위한 소형 고성능 안테나

Convergentia는 세계 최초의 “가상 빌드 팩토리”로 가전 시장을 비롯한 다양한 산업 분야의 고객에게 가상 프로토타입 제작 서비스를 제공하는 전문 기업입니다.

오늘날 스마트폰이나 태블릿과 같은 휴대용 장치에는 셀룰러, Wi-Fi, GPS 등 다양한 무선 시스템이 포함되어 있습니다. 안테나 성능이 좋지 않으면 데이터 처리량이나 커버리지가 좋지 않아 사용자 환경이 나빠지고 통화가 끊기거나 내비게이션이 작동하지 않을 수 있기 때문에 각 시스템에는 기능적인 안테나가 필요합니다. 반면에 디바이스는 매력적으로 보이고 크기를 최소화해야 하기 때문에 디바이스의 두께가 얇고 금속 구조로 되어 있어 안테나 설계에 어려움이 있습니다. 3D 시뮬레이션이 없으면 안테나 성능이 떨어지거나 산업 디자인이 어색해질 위험이 높습니다. 안테나 검증을 위한 대안은 여러 번의 프로토타입을 제작하는 것인데 이는 비용이 많이 들고 리드 타임이 오래 걸린다는 단점이 있습니다.

3D 시뮬레이션이 유용하려면 시뮬레이션 결과가 측정된 데이터와 유사해야 합니다. Convergentia는 둘 사이에 유사성이 떨어지는 경우 주로 시뮬레이션에 프로토타입의 리얼함을 적용하지 않아 발생한다는 사실을 발견했습니다. 디스플레이, 터치 센서 또는 스피커와 같은 복잡한 구조를 모두 1대 1로 모델링하는 것은 실용적이지 않거나 불가능하기 때문입니다. 또한 관심있는 주파수에서는 재료의 특성을 알 수 없을 수도 있습니다. 따라서 기계적인 3D 모델에서 직접 사용할 수 없는 부품을 어떻게 모델링할지 판단하는 것은 안테나 설계자의 역량에 달려 있었습니다. Convergentia의 엔지니어들은 다년간의 전자 시스템 모델링 및 설계 경험을 보유하고 있었으며 이러한 기술을 최대한 활용할 수 있는 시뮬레이션 툴을 찾고 있었습니다. 이러한 이유로 그들은 CST Studio suite^®의 강력한 solver를 선택했습니다.

 

정확한 PCB 레이아웃 모델링 및 접지 구조

대부분의 최신 통합 안테나에는 임피던스 매칭을 위한 Lumped element 또는 RF 스위치가 포함되어 있습니다. 하지만 LTE의 방대한 주파수 대역으로 인해 칩셋 공급업체는 회로에 통합 안테나 매칭 튜너를 포함하기 시작했습니다. R&D 프로세스의 초기 단계에서는 회로 시뮬레이터로 튜닝 요소를 설계할 수 있지만 실제 프로토타입을 제작하려면 레이아웃 시뮬레이션이 필수입니다. 이는 레이아웃 기생 효과가 지배적일 수 있는 고주파수(f>1.7GHz)에서 특히 중요합니다.

전통적으로 안테나 튜닝은 네트워크 분석기를 사용하여 안테나의 반사 손실을 최적화하는 방식으로 이루어집니다. 매칭 네트워크가 없어도 임피던스 정합이 좋으면 일반적으로 우수한 방사 특성도 보장됩니다. 안테나의 효율은 무반향 챔버에서 확인할 수 있습니다. 이 설계 프로세스는 매칭 네트워크가 있는 안테나에는 사용할 수 없는데 이는 좋은 임피던스 매칭이 안테나의 좋은 방사보다 네트워크의 손실을 더 고려할 수 있기 때문입니다. 안테나와 레이아웃 시뮬레이션을 결합하면 엔지니어는 추가적인 PCB 설계 라운드를 피하고 지루하고 느린 안테나 튜닝 프로세스를 건너뛸 수 있습니다.

안테나가 올바르게 동작하려면 적절한 접지면이 필요합니다. 이는 여러 개의 개별 금속 부품이 있는 소형 디바이스에서는 실현하기 어려울 수 있습니다. 디바이스에서 좋은 접지면을 만든다는 것은 금속 부품을 서로 연결하여 안테나 성능을 극대화해야 한다는 것을 의미합니다. 접지 구조가 제대로 설계되지 않으면 대역폭이 부족하거나 의도치 않게 RF 트랩이 생성되어 안테나 손실이 몇 데시벨 증가할 수 있습니다. 이러한 종류의 손실 공진은 안테나 설계자에게 잘 알려져 있으며 프로토타입에서 추적하고 수정하기가 매우 어렵습니다. 이러한 문제의 원인을 찾는데 몇 주가 걸릴 수 있으며 문제를 해결하려면 새로운 프로토타입 제작이 필요할 수 있습니다. 시뮬레이션을 사용하면 프로토타입을 제작하는 비용 없이 설계를 검토할 수 있으며, 필드 시각화를 통해 공진 구성 요소를 눈으로 식별할 수 있습니다.

 

실제 시스템의 정확한 가상 프로토 타입

 

 

 

 

 

 

그림1은 기본 및 보조 셀룰러 안테나와 GPS 및 Wi-Fi 안테나를 포함하여 Convergentia에서 제작한 태블릿 프로토타입을 보여줍니다. 셀룰러 안테나는 플라스틱 안테나 캐리어에 장착된 플렉스 타입으로 그림 2와 같이 안테나 임피던스 매칭과 클립 공급을 위한 소형 PCB가 장착되어 있습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 GPS 안테나는 별도의 PCB에 에칭되어 있고 Wi-Fi 안테나는 세라믹 유형입니다.

Convergentia는 시뮬레이션과 측정의 상관 관계가 매우 좋다는 것을 발견했습니다. 임피던스 매칭은 두 개의 코일과 두 개의 커패시터로 이루어졌습니다. Convergentia는 시뮬레이션과 측정 사이의 차이가 모델과 물리적 현실 사이의 차이로 인해 발생한다는 것을 발견했습니다.

 

 

 

세라믹의 재료 특성과 PCB 접지의 세부 사항을 알 수 없었기 때문에 그림 4와 같이 Wi-Fi 안테나 주파수 응답에 약간의 불일치가 발생했습니다. 안테나와 재료 특성을 약간 조정한 결과 예상한 성능을 얻을 수 있었습니다. 그림 5와 같이 기본 셀룰러 안테나 시뮬레이션 결과와 측정 결과 사이에는 좋은 상관관계가 있었습니다.

가상 프로토타입 제작을 통해 장치 개발 시간 및 프로토타입 라운드 수가 단축되었습니다. 이러한 속도 향상은 두 가지 요인에서 비롯되었습니다. 첫째, 실제 프로토타입 제작 중 안테나 성능 문제로 인한 기계적 변경이나 PCB 변경이 필요 없었습니다. 안테나의 잠재력을 모두 활용하기 위해 미세 조정만 하면 되었습니다. 둘째, 모든 안테나가 구성된 대로 동작했기 때문에 안테나 설계자가 안테나를 먼저 작동시킬 때까지 기다릴 필요 없이 다른 영역의 테스트를 시작할 수 있습니다. 예를 들어 EMC 및 데이터 처리량 테스트를 즉시 시작할 수 있습니다. 성공적인 가상 빌드를 위한 전제 조건은 시뮬레이션 모델이 디바이스의 네트워크 레이아웃과 접지 구조를 포함하여 향후 프로토타입과 일치해야 한다는 것입니다. Convergentia의 시뮬레이션 전문성과 CST Studio Suite의 강력한 CAD Import 툴 및 정확한 solver 기술을 결합하여 효과적인 가상 프로토타이핑 워크플로우를 구현할 수 있었습니다.

 

본 자료는 다쏘시스템의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다.

원본 : 다쏘시스템

PDF 다운로드 : https://www.3ds.com/assets/invest/2024-02/simulia-em-convergentia-case-study.pdf