사물 인터넷(IoT)은 최근 거의 모든 사람의 삶과 일에 영향을 미치고 있습니다. 어떤 사람들에게는 IoT에 대한 참여가 스마트워치를 사용하여 식습관이나 운동 습관을 추적하는 것만큼 간단합니다. 또한 에너지 회사의 스마트 계량기를 활용하여 에너지를 절약하고 요금을 통제할 수도 있습니다. 이러한 참여는 IoT 애플리케이션에서 무선 및 안테나 선택의 중요성을 강조합니다.

또 다른 극단으로는 가전제품, 조명, 난방, 도어락, 보안, 태양광 패널 등 모든 것을 홈 디지털 비서(Home Digital Assistant)를 통해 제어하고 관리하는 것이 가능해졌다.

국내 환경 이외의 산업 및 비즈니스 사용 사례는 일반적으로 더 다양합니다. 이는 건물 시스템을 자동화하여 효율성을 높이고 탄소 배출량을 줄이는 것을 목표로 합니다. 또한 프로세스 제어, 비즈니스 계획, 자산 관리, 장비 유지 관리 등을 향상시키기 위해 방대한 양의 데이터를 수집하는 작업도 포함됩니다. 이 데이터는 에너지 및 폐기물 관리 개선은 물론 신제품 개념화 및 설계에도 도움이 됩니다.

최신 무선 프로토콜

무선 기술은 IoT 장치 연결에 있어 몇 가지 고유한 장점을 제공합니다. 유연성은 물리적 케이블 연결의 제약 없이 다양한 위치에 장치를 배포할 수 있다는 점에서 주요 장점으로 부각됩니다. 집, 사무실 또는 공장에 새로운 전선을 설치하는 것은 혼란스러울 수 있습니다. 무선 및 안테나 선택은 특히 대규모 IoT 배포의 경우 비용 효율적이며 쉽고 저렴하게 확장할 수 있습니다.

이동성은 웨어러블 및 자산 추적과 같은 애플리케이션에서 강력한 활성화 요소를 제공하는 또 다른 이점입니다. 또한 배터리로 작동하는 IoT 장치에서는 무선 기술의 전력 효율성이 중요할 수 있습니다.

무선 선택

IoT 애플리케이션에 일반적으로 사용되는 표준화된 무선 기술에는 NFC가 포함되며, 이는 몇 센티미터 거리에서 짧은 시간 동안 데이터를 교환하는 데 이상적입니다. NFC 리더 장치에서 방출되는 RF 필드에 포함된 에너지는 요청에 따라 기억된 데이터를 검색하고 전송하기 위해 수신기 회로에 전력을 공급하기에 충분할 수 있습니다.

Bluetooth 연결은 이동성을 제공하며 특정 애플리케이션의 요구 사항을 충족하도록 데이터 속도, 범위 및 전력 소비를 설계할 수 있는 유연성을 제공합니다. 점대점 및 메시 연결이 가능하며 최신 버전은 방향 찾기 및 위치 감지도 지원합니다. 메쉬 네트워킹을 위해 처음부터 고안된 Zigbee도 유사한 특성을 가지고 있습니다.

더 긴 범위, 더 높은 데이터 속도 또는 더 큰 연결 용량이 필요한 경우 사용자는 Wi-Fi를 선호할 수 있습니다. 이론상 최대 데이터 속도가 6Gbps인 Wi-Fi 9.6까지 여러 Wi-Fi 세대가 계속 서비스되고 있습니다. Wi-Fi 6는 또한 간섭과 네트워크 연결 대기 시간을 줄이는 유연한 채널 할당 및 기술을 갖추고 있습니다. 또한 빔 형성은 데이터 전송 효율성을 향상하고 WPA3 보안을 강화할 수 있습니다.

In IoT 애플리케이션 더 긴 범위와 더 큰 이동성이 필요한 경우 선택 사항은 다음과 같습니다. 셀룰러 및 저전력 LoRa 및 Sigfox와 같은 광역 네트워크(LPWAN) 기술. 기존 네트워크가 꺼지면 기존 2.5G 및 3G 데이터 연결이 최신 LTE 및 5G 네트워크를 사용하는 LTE-M 및 NB-IoT와 같은 표준으로 대체됩니다. 이는 일반적으로 소량의 데이터로 구성된 빈번한 교환이 필요한 IoT 애플리케이션의 요구 사항을 충족하도록 최적화되었습니다.

자산 추적기와 같은 장치는 내비게이션-위성 집합(일반적으로 글로벌 내비게이션 위성 시스템 또는 GNSS라고 함)을 사용할 수 있습니다. 예로는 GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou 등이 있습니다. 다중 별자리 수신기는 더욱 견고하고 강력한 위치 데이터 가용성의 이점을 누릴 수 있습니다.

일부 수신기는 위성 사업자가 제공하는 특별한 고정밀 서비스에 대한 액세스를 제공할 수 있습니다. 추적기는 내장된 GNSS 하위 시스템을 사용하여 위치를 계산하고 이 정보를 LPWAN 또는 셀룰러와 같은 무선 연결을 통해 호스트 IoT 애플리케이션과 공유할 수 있습니다.

무선 및 안테나 선택

기본적으로, 안테나 RF 캐리어 주파수의 공진을 활용하여 전자기 영역과 전기 영역 간에 신호를 전송합니다. 이를 위해서는 안테나의 유효 길이가 반송파 신호 파장의 특정 부분이어야 합니다.

따라서 무선 및 안테나 선택을 고려할 때 크기가 중요합니다. 크기는 안테나가 작동하는 주파수 대역과 직접적인 관련이 있습니다. 이는 선택한 무선 기술 및 관련 작동 주파수에 따라 달라집니다.

또한 안테나 패키징은 부품 선택에 영향을 미치는 중요한 문제입니다. IoT 장치에는 엄격한 크기 제한이 적용될 수 있습니다. 이를 위해서는 고성능을 제공하면서도 안테나가 작아야 합니다. 특히 열악한 조건에 노출될 수 있고 장기간 작동이 유지될 것으로 예상되는 원격 센서 및 스마트 미터와 같은 품목에는 밀봉이 필요한 경우가 많습니다.

IoT 애플리케이션에 자주 사용되는 특정 주파수 대역과 무선 기술에 최적화된 PCB 실장, 내부 실장 및 외부 안테나를 선택할 수 있는 포트폴리오는 설계자가 해당 애플리케이션에 가장 적합한 유형을 선택하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 포트폴리오는 다양한 유형과 크기, 납땜 또는 동축 연결과 같은 선택 사항, NFC 및 GNSS 안테나와 같은 특정 기술에 최적화된 부품을 제공합니다.

NFC 안테나

NFC 애플리케이션용 무선 및 안테나 선택에 영향을 미치는 요인은 여러 가지입니다. NFC는 13.56MHz에서 작동하므로 최적의 통신을 보장하려면 이 특정 주파수에서 공진하도록 안테나를 설계해야 합니다. 권선형 안테나와 루프 안테나는 일반적으로 기성 부품으로 제공됩니다.

유효 안테나 길이는 작동 주파수와 관련이 있지만 NFC 안테나는 판독 장치에서 방출되는 RF 장에서 에너지를 수집하여 IoT 장치의 내장형 마이크로 컨트롤러, 메모리 및 보안 IC를 포함할 수 있는 추가 하드웨어에 전원을 공급하는 역할도 합니다. 리더가 요청한 데이터를 수집하고 전송합니다.

최종 선택은 장치의 폼 팩터 및 원하는 판독 범위와 같은 변수에 따라 달라질 수 있습니다. 일반적으로 작은 안테나는 크기는 작지만 판독 범위가 더 짧고, 안테나가 크면 판독 범위가 더 깁니다. 장치 또는 애플리케이션 내에서 사용 가능한 공간에 따라 안테나 크기가 결정됩니다.

일반적으로 일부 NFC 안테나는 다른 안테나보다 방향에 더 민감할 수 있으므로 특정 모델을 선택하고 장치에서 최적의 위치를 ​​결정할 때 특별한 주의가 필요할 수 있습니다. 이는 회로 기판에 통합되거나 인클로저에 부착될 수 있습니다.

금속 물체, 전기 간섭 및 기타 환경 요인이 안테나 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 차폐 또는 적절한 배치가 필요할 수 있습니다. NFC 칩/모듈과 안테나 간의 적절한 임피던스 매칭은 전력 전달을 최대화하고 신호 손실을 최소화하는 데 필수적입니다.

일반적으로 사용되는 기술용 안테나

2.4GHz에서 작동하는 Bluetooth 및 Wi-Fi와 같은 무선 기술은 물론 셀룰러 및 LPWAN 기술의 경우 PCB 실장, 내부 및 외부 안테나를 폭넓게 선택할 수 있습니다. 선택은 장치의 폼 팩터, 크기 제약, 원하는 통신 범위와 같은 요소에 따라 달라집니다.

칩 크기 안테나는 산업, 과학 및 의료 애플리케이션(ISM 대역이라고도 함)을 위한 2GHz 주파수 대역의 Bluetooth 및 Wi-Fi 3/4/2.4 애플리케이션에 사용할 수 있습니다.

외부 안테나는 일반적으로 모노폴 또는 다이폴 설계로 되어 있습니다. 모노폴 유형은 전파를 반사하고 방사 패턴을 형성하는 데 도움이 되는 접지면이 필요한 단일 와이어로 구성됩니다. 패턴은 전방향입니다.

쌍극자 유형에는 간격으로 분리된 두 개의 전도성 요소가 있습니다. 일반적으로 이득이 더 크고 방사 패턴이 양방향이지만 일반적으로 모노폴보다 긴 반파장 안테나입니다. 안테나의 이득은 장치의 범위와 적용 범위에 직접적인 영향을 미칩니다. 이득이 높은 안테나는 더 긴 통신 범위를 제공할 수 있습니다.

많은 사람들이 자동차, 밴 또는 건설 차량과 같은 이동식 자산에 장착된 추적기와 같은 소형 장치에 대해 셀룰러 연결을 선택합니다. 이러한 응용 분야에서는 덜 눈에 띄는 설치를 허용하거나 깨지기 쉬운 부품을 위험으로부터 보호하는 데 내부 안테나가 적합할 수 있습니다. 반면, 셀룰러 연결을 통해 여러 IoT 엔드포인트의 데이터를 클라우드로 전달하도록 설계된 게이트웨이와 같은 장치에는 더 큰 외부 안테나가 적합할 수 있습니다.

GNSS 안테나

GNSS 안테나는 세라믹 패치 안테나 등 다양한 스타일로 제공됩니다. 일종의 원형 편파를 갖고 있어 위성 신호에 대한 높은 감도를 보장합니다. 위성 위치가 있는 자산 추적 장치와 같은 장비를 설계할 때 설계자는 선택한 안테나가 관련 별자리를 지원하는지 확인해야 합니다.

결론

크기와 패키징은 IoT 애플리케이션용 안테나를 선택할 때 고려해야 할 중요한 문제입니다. 대형 외부 안테나는 가장 유리한 RF 성능을 제공하는 경향이 있습니다. 반면, 환경적 문제를 견디고 더 쉬운 사용과 휴대성을 제공하기 위해 내부 장착이 선호되는 경우가 많지만, 표면 장착 안테나는 크기 제약이 극심할 때 솔루션을 제공할 수 있습니다. 선택은 전기적 특성과 물리적 특성의 최상의 조합을 찾는 디자이너의 친구입니다.

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• 출처: https://www.iotforall.com/antenna-design-priorities-in-iot-applications