[기고] 안테나 디자인과 매칭 네트워크 이해하기

  • 2020-09-07
  • 글 / 아셈 엘시미(Asem Elshimi), IoT 무선 솔루션 사업부 설계 엔지니어 실리콘랩스(Silicon Labs)


RF 엔지니어링 초보자들에게는 이 글이 안테나 디자인과 매칭 네트워크에 대해서 개념적으로 이해할 수 있는 기회가 될 것이다.

이 글에서는 안테나와 매칭 네트워크가 어떻게 작동하는지 살펴보려고 한다. 이론적으로 점전하가 어떻게 방사하고(맥스웰 방정식), 매칭이 왜 필요하고(마이크로파 이론), 다이폴 안테나가 어떻게 작동하는지에 대해서 잘 알려져 있다. 하지만 실제에 있어서 안테나에 관한 지식의 상당 부분은 경험적인 것들이다.

첫째, 대부분의 안테나가 닫힌 형태의 방사 방정식을 갖고 있지 않다. 둘째, 어떤 안테나로 방정식을 구한다고 하더라도 수학적으로 매우 복잡하고 이해하기가 어렵다. 안테나 설계는 경험적 실행이 이론적 지식보다 훨씬 더 빠르게 발전하는 분야이다. 이것은 이 에너지 변환기의 복잡성을 감안했을 때 충분히 이해할 만한 것이다. 안테나는 어느 한 사람이 모든 기본적인 법칙의 토대를 놓아서 만들어진 것이 아니다. 실제로 안테나를 설계하는 것은 이론과는 또 다를 수 있다.



이 글은 먼저 무선 전자장치가 물리적으로 어떻게 작동하는지 설명하는 것에서 시작한다. 무선 전자장치는 다수의 물리적(하드웨어) 및 비물리적(소프트웨어) 층으로 이루어진다. 대개의 엔지니어들은 이 전체적인 시스템의 부분만을 이해한다. 특히 자신의 업무가 매칭 네트워크를 설계하거나 위상 배열 안테나를 설계하는 것처럼 특정한 측면으로 국한되어 있을 때라면 더 그럴 것이다.

이 글에서는 방사 점전하가 비상대론적 속도로 진동하는 것에서부터 블루투스 통신 채널로 수도 계량기 리딩을 게이트웨이로 전달하는 것에 이르기까지 전반적인 과정에 대해서 살펴보고자 한다. RF 엔지니어링 초보자들에게는 이 글이 안테나 디자인과 매칭 네트워크에 대해서 개념적으로 이해할 수 있는 기회가 될 것이다. 무선 전문가들에게는 경험에서 얻어진 우수 관행을 배우고 지식을 확대하는 기회가 될 것이다.

그림 1은 주요 안테나 디자인을 보여준다. 많은 이들에게 가장 익숙한 안테나는 TV 방송 수신뿐만 아니라 1세대 셀룰러 휴대전화와 완구에도 사용되었던 모노폴 안테나일 것이다. 경력이 오래된 아날로그 및 무선 엔지니어들은 야기-우다 안테나가 1990년대 말까지도 TV 수신기 용으로 지붕 위에 설치되었던 것을 기억할 것이다.



경제적이고 기계적인 이유에서 오늘날 무선 전자장치에 가장 널리 사용되는 안테나는 마이크로스트립 패치 안테나이다. 설명하기 가장 쉬운 안테나는 혼 안테나일 것이다. 혼 안테나 개념을 사용해서 다른 타입의 안테나들도 설명할 수 있다. 전자기 이론을 조금이라도 이해한다면 이러한 안테나들이 다 같은 원리로 작동한다는 것을 알 수 있다.

안테나는 일종의 에너지 변환기이다. 한쪽에서는 유도 전자기파를 포착하고 다른 쪽으로는 자유 공간 구면파를 방사한다. 모든 와이어는 어느 정도 안테나로서 동작한다. 모든 와이어는 자신을 통과해서 전달되는 전자기 에너지의 일부를 방사한다. 이것이 전기 절연을 사용하는 한 가지 이유이다. 그런데 안테나가 전자기 에너지를 방사한다고 할 때, 여기서 말하는 방사는 매우 특정한 방사를 말한다.

다시 말해서 유용한 전자기 방사이다. 2020년에 말하는 유용한 전자기 방사란, 전자기파가 표준(FCC, ETSI 등)에서 허용한 주파수로 진동하고 애플리케이션의 목표 거리를 이동할 수 있을 만큼 전력이 충분한 것을 말한다. 예를 들어서 블루투스 안테나는 수십 밀리와트 대의 전자기파를 전송/방사할 수 있어야 한다. 이러한 전자기파는 수 미터의 공간을 가로질러서 전달될 수 있다. 이 글에서는 계속해서 블루투스를 사례로 들어서 설명하도록 하겠다. 그러면 먼저 안테나가 특정한 주파수와 출력 전력을 사용한 에너지 변환기라는 점을 살펴보자.



에너지 변환기란 무엇인지부터 확실히 하자. 에너지 변환기란 간단히 말해서 어떤 한 형태로 된 전기 에너지를 취한 다음에 이 전기 에너지를 약간 다른 형태로 전송하는 전기적 변환기라고 할 수 있다. 전기적 신호의 전압 대 전류 비를 변화시키는 것이다. 다시 말해서 전기 신호의 파동 임피던스를 변화시킨다(옴의 법칙인 전압/전류 = 임피던스에 따라서). 변환기의 대표적인 예로서 우리가 학교에서 배웠고 오늘날에도 여전히 전력망에 사용되고 있는 이중 권선 트랜스포머를 들 수 있다.

전력 발전소에서는 전류는 매우 높고 전압은 낮은 전기 신호를 발생시킨다. 이 신호를 수백 킬로미터의 거리로 손실을 최소화하면서 전송하기 위해서 변압기를 사용해서 파동 임피던스를 높인다. 다시 말해서 전압은 높이고 전류는 낮춘다. 전류가 낮으면 긴 거리를 더 적은 손실로 이송할 수 있다.

순수하게 전기적 관점에서 안테나는 트랜스포머가 하는 일을 한다. 혼 안테나는 거의 트랜스포머와 흡사하게 작동한다. 직사각형 도파관 끝에 혼 안테나를 부착한 것을 보면, 어떻게 전자기파가 준비되고 도파관을 빠져나가서 자유 공간으로 향하는지 알 수 있다(그림 3). 혼 안테나가 점점 더 크게 열리도록 설계된 것이 기본적으로 에너지 변환기다. 50Ω 임피던스로 동축 케이블로부터 유도된 파동을 포착하고 이것을 377Ω 파동 임피던스를 사용해서 자유 공간 파동으로 변환한다. 안테나는 유도된 파동을 자유 공간 파동으로 매칭시키는 매칭 장치이다. 그렇다면 매칭이 왜 중요한가?



77전기 트랜스포머와 마찬가지로, 유도 파동은 최소한의 손실로 자유 공간을 이동하기 위해서 이러한 에너지 변환을 필요로 한다(만약에 전자기파가 파동 임피던스가 자유 공간 임피던스와 다르다면 자유 공간으로 전달될 수 없을 것이다).

그렇다면 파동 임피던스란 무엇인가? 이것은 전자기파로 전기 에너지 대 자기 에너지의 비이다. 자유 공간의 파동 임피던스가 377Ω이라는 것은 무슨 뜻일까? 파동이 자유 공간으로 전달되기 위해서 377Ω의 파동 임피던스가 필요하다는 뜻이다. 이 숫자는 어떻게 알아낸 것인가? 자유 공간으로 맥스웰 방정식을 풀면 파동 임피던스가 377Ω이라는 것을 알 수 있다.

또는 직접 시험을 실시해서 자유 공간으로 전기 에너지와 자기 에너지의 비를 측정해도 결과적인 수치가 놀랍도록 정확하게 일치한다는 것을 발견하게 될 것이다. 이것은 아마도 인류 역사에 있어서 가장 인상적인 과학적 검증 사례의 하나일 것이다. 그렇다면 50Ω은 어떻게 된 것일까? 왜 도파관 내에서 파동 임피던스는 50Ω일까? 이런 질문은 대단히 바람직한 것이다. 50Ω은 마이크로파 회로로 표준적 수치이다.

다만 경우에 따라서 75Ω이나 그 보다 높은 숫자를 사용할 수도 있다. 오늘날의 최신 마이크로파 기술에서는, 다시 말해서 칩상의 마이크로파 회로로는 누구도 50Ω이라는 숫자에 대해서 더 이상 신경 쓰지 않게 되었다. 그렇다면 이 표준 숫자는 어디서 나온 것일까? 이것은 아마도 과거에 동축 케이블 디자이너들이 케이블 상으로 최대 전력 처리 능력과 손실 사이에 절충을 하고자 꾀하면서 등장한 것으로 보인다. 이 숫자가 50Ω이었다. 그리고 이것이 모든 무선 엔지니어들이 사용하는 표준이 되었다.



예를 들어서 수도 계량기 데이터를 검출 및 처리하고 게이트웨이로 무선으로 전송하기 위한 SoC를 개발하려고 한다고 하자. 이 SoC의 메모리로 저장되는 데이터는 1과 0으로 표현된다. 어떤 메모리 스위치는 오프(off)이고, 어떤 메모리 스위치는 온(on)이다. 온인 스위치는 디지털 1을 나타내고, 오프인 스위치는 디지털 0을 나타낸다. 메모리를 순차적으로 읽고 모든 데이터를 전송할 수 있도록 준비시킨다. 그리고 안테나라고 하는 에너지 변환기를 사용한다. 안테나는 와이어로부터 전자기 에너지를 포착하고 이의 임피던스를 변화시키고 자유 공간으로 전송한다.

무선 전송의 초기 시대에는 개발자가 안테나의 한쪽 끝에서 온/오프 키잉 신호를 적용하고 다른 곳에 있는 리시버로 이 신호를 포착해서 성공적으로 전송을 할 수 있었다. 하지만 최신 RF 엔지니어링으로는 많은 이유에서 이렇게 하는 것이 불가능하다. 첫째, 1과 0이 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)의 주파수로 생성된다. 이 주파수는 통상적으로 수십 MHz이다. 안테나가 10MHz 50Ω 유도 파동을 377Ω으로 효율적으로 변환하기 위해서는 길이가 약 15미터가 되어야 한다.



이것은 최신 전자장치로 엄청나게 큰 것이다. 예를 들어서 스마트폰으로 15미터 길이의 안테나를 사용한다고 상상해 보라. 그렇다면 안테나가 왜 이렇게 길어야 하는가? 안테나가 되도록 효율적이기 위해서는 자신이 전송하는 파동의 주파수 부근에서 공진해야 한다. 공진은 안테나 구조의 양쪽 사이에서 전자기 에너지가 계속해서 진동하도록 한다. 그러므로 이 구조로 되도록 많은 에너지를 유지함으로써(소스 측으로 반사하는 것이 아니라) 더 많은 방사 전력을 가능하게 한다.

공진을 위해서는 안테나 크기가 전달 파동 파장의 절반이어야 한다. 기본적으로 유용한 안테나는 전달 파동 파장의 십여 배일 것이다. 빛의 속도 =파장 * 주파수이다. 이것은 빛의 속도, 전달 파동의 주파수, 파장 사이의 관계를 나타낸다. 이 관계식을 사용해서 안테나 길이가 15미터로 계산된 것이다.

더 작은 안테나를 사용하려면 더 높은 신호 주파수를 사용하면 된다. 그러기 위해서 하는 것이 신호로 변조를 적용하는 것이다. 변조는 정보의 저주파수 신호를 전송 가능한 더 높은 주파수 신호로 인코딩하는 것이다. 이렇게 하는 한 가지 간단한 방법이 저주파수 신호에 고주파수 반송파를 곱하는 것이다. 이 결과가 진폭 변조(AM) 신호이다. 그렇다. 예전에 자동차 라디오에 사용되던 AM이 이 AM이다. 블루투스로는 이 반송파가 2.4GHz 주파수이다.

그럼으로써 안테나 크기를 2cm 이내로 축소시킬 수 있다. 이것이 우리가 더 이상 안테나를 볼 수 없게 된 이유이다. 전자장치 안으로 집어넣을 수 있을 만큼 크기가 작아져서 우리 눈에 띄지 않게 된 것이다. 이러한 변조는 또 다른 중대한 이점을 가져다준다. 바로 공존(coexistence)할 수 있다는 것이다.



필자는 1990년대에 어린 시절에 어떻게 아버지가 휴대전화로 통화를 하는데 누나도 동시에 통화할 수 있는지 의아해했다. 어떻게 둘이 방해받지 않고 통화할 수 있는 것일까? 아버지의 목소리를 전자기 에테르로 내보내는데 어떻게 이것이 누나의 휴대전화로 결합하지 않는 것일까? 셀룰러 휴대전화와 무선 전자장치는 변조를 사용해서 이 문제를 피할 수 있다. 전자기 에테르 다시 말해서 주파수 스펙트럼을 작은 대역폭들로 나눌 수 있다.

이것을 RF 엔지니어링 용어로 “채널”이라고 한다. 어떤 두 블루투스 노드들이 링크를 형성하고자 하면 이 둘이 서로 통신하기 위한 채널을 선택한다(다른 통신 표준도 마찬가지다). 그런 다음 그 채널에 해당되는 반송파로 모든 비트들(1과 0)을 변조한다. 그러면 인근에서 또 다른 블루투스 링크가 형성된다고 하더라도 먼저 형성된 이 링크가 심하게 영향을 받지 않는다. 두 링크가 스펙트럼 공간에 있어서 직교성이기 때문이다. 각기 링크가 각기 다른 반송파 주파수로 동작한다. 그러므로 자신의 채널로 해당되는 특정한 반송파 주파수만 복조함으로써 해당 링크로 지정된 정보를 디코딩할 수 있다.

예를 들어서 2.4GHz 변조 반송파와 정보를 블루투스 채널을 통해서 전송한다고 하자. 그리고 50Ω 파동을 포착하고 이것을 377Ω 자유 공간 파동으로 변환할 수 있는 극소형 5mm 안테나를 사용한다고 하자. 그런데 좀더 들여다보면 약간의 작업이 더 필요하다는 것을 알 수 있다. 이 2.4GHz 신호는 칩상으로 준비되어 있다.



다시 말해서 저전력 신호이다. 이 저전력 신호를 고전력으로 변환해야 한다(여기서 높고 낮다는 것은 상대적인 의미이다). 여기서 말하는 저전력은 수 마이크로와트 대이고, 고전력은 수 밀리와트 대이다. 이 둘 다 전력 전자 엔지니어에게는 수 킬로와트 대의 신호에 비해서 잡음으로 여겨질 것이다.

지금까지는 안테나가 어떻게 전력을 방사하는지 이론적인 역학을 살펴보았다. 다음은 안테나 디자인을 좀더 효과적으로 설계하기 위한 몇 가지 실제적인 고려사항들이다:

• 우수한 안테나 이득과 거리를 위해서는 적정한 안테나 크기가 필요하다. 이것은 목표 솔루션에 따라서 달라질 것이다. 예를 들어서 블루투스 마우79스는 50cm 이내의 거리와 5kbps(낮은 데이터 레이트)로 동작한다. 그러므로 거리를 절충할 수 있다. 다시 말해서 무선 마우스 용으로 안테나는 람다/2보다 훨씬 작게 할 수 있다. 크기가 작아지면 안테나가 더 이상 완벽하게 매칭되지 않는다. 하지만 공간으로 낮은 수준의 전자기 에너지만 방사하면 되는 애플리케이션이라면 별 문제가 되지 않을 것이다.

• 람다/2는 안테나의 이론적 크기인데, 이 크기를 람다/4로 낮추면 더 작은 폼팩터를 달성할 수 있다. 람다/4 안테나 하단으로 접지 플레인을 사용하기만 하면 된다. 이미지 이론과 몇몇 전자기 이론을 적용해서, 람다/4 안테나에 접지 플레인을 사용하면 람다/2 안테나처럼 동작할 수 있다.

• 접지 플레인 디자인은 충분히 넓게 하고 방해받지 않도록 해야 한다.

• 최종 제품의 플라스틱 인클로저와 관련해서 주의를 기울여야 한다. 플라스틱은 공기보다 유전 상수가 더 높다(그러므로 파동 임피던스가 다르다). 그러므로 공간으로 완벽하게 방사하도록 설계된 안테나를 플라스틱으로 밀봉하면 성능 저하를 나타낼 수 있다. 인클로저가 얼마나 꽉 차 있느냐에 따라서, 안테나의 근역장 역학에 영향을 미칠 수 있다. 이것은 성능에 부정적으로 영향을 미치는 것으로 이어진다.

• 안테나 피드에도 주의를 기울여야 한다. 이 구조가 전적으로 디바이스로부터 신호를 포착하는 임무를 맡고 이 신호를 안테나로 매끄럽게 전달한다. 피드는 전반적인 디자인의 대역폭과 신뢰성에 직접적으로 영향을 미친다.

그러면 이제 매칭 네트워크에 대해서 살펴보자. 왜 매칭이 또 필요한 것일까? 매칭은 기본적으로 에너지 변환이다. 전력 증폭기(PA)를 사용해서 고 에너지 파동을 생성하면 특정한 파동 임피던스를 갖는다. 그런데 표준적 안테나(와 칩에서부터 안테나까지 이어지는 모든 커넥터와 트레이스들)는 파동 임피던스가 50Ω이다. 그러므로 효율적인 에너지 전달을 위해서는 PA를 빠져나가는 파동을 50Ω으로 변환해야 한다. 이를 위해서 매칭 네트워크가 사용된다.

매칭 네트워크를 유체 역학에 빗대어 설명할 수 있다. 당신은 어렸을 때 수도 호스를 가지고 장난을 친 적이 있을 것이다. 수도 호스의 구멍을 막으면 수압이 높아져서 물을 더 멀리 분사할 수 있다. 유체 역학에 따라서 질량, 단면적, 유속 사이에는 상관관계가 존재한다. 흐르는 물의 단면적을 변화시키면 속도가 높아진다. 유량 역학의 단면적은 전기역학의 파동 임피던스에 비유할 수 있다. 그리고 매칭 네트워크는 수도 호스의 구멍을 막는 것과 같은 일을 한다.

바로 이런 식으로 메모리 셀들 사이에 진동하는 일단의 전자들이 어느 메모리 셀로 1을 저장하고 어느 메모리 셀로 0을 저장하고 있는지 말해준다. 이렇게 진동하는 전자들을 취하고 2.4GHz 같이 훨씬 더 높은 주파수로 진동하는 또 다른 전자들을 변조한다. PA의 입력을 2.4GHz 전자들로 노출시킨다.

PA는 안테나를 강한 전자기파로 범람시킨다. 안테나 표면에서 전자들을 정확히 채널 주파수로 진동하도록 만들고 수십 밀리와트의 자유 공간 전자기파를 생성하고 이것을 다른 많은 전자기파들(다른 무선 파동들과 빛 파동들과 무수히 많은 여타 파동들)로 가득 찬 실내를 가로질러서 전달한다. 그리고 이 파동이 리시버 안테나 표면의 전자들을 동일한 주파수로 진동하게 만든다. 그리고 리시버 체인 상에서 전자들이 진동해서 1과 0으로 인코딩된 정보를 디코딩한다.

바로 이것이 최신 무선 통신이 작동하는 방식이고, 마르코니가 대서양을 횡단해서 세계를 변화시킬 RF 통신을 전송했던 방식이고, 셀룰러 기술이 우리의 목소리를 기지국으로 전송하고 여기서 다시 음성 데이터를 지구 반대편에 있는 가족에게 전송할 수 있는 방식이다. 이와 같이 진화된 RF 기술을 위해서는 엄청난 양의 잘 설계된 진동이 필요하다.


 저자 소개
아셈 엘시미(Asem Elshimi)는 실리콘랩스(Silicon Labs)의 IoT 무선 솔루션 사업부 RFIC 설계 엔지니어이다. 2018년에 실리콘랩스에 입사했으며, RF 회로 설계와 전자기 구조 설계를 맡고 있다. UC 데이비스에서 전기 컴퓨터 공학 석사학위를 취득했다.

 

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