A PCB 안테나 는 인쇄 회로 기판에 직접 식각한 구리 트레이스 또는 패턴으로, 무선 주파수 전자기파를 송수신합니다. 커넥터나 케이블이 필요 없고 자재 명세서에 항목을 추가하지 않아도 되므로, 제품에 무선 연결 기능을 제공하는 가장 저렴한 방법입니다.
또한 안테나 이론과는 무관한 이유로 설계가 실패할 가능성이 가장 높은 부분이기도 합니다. 반품된 기판을 검토한 경험에 따르면, PCB 안테나 문제의 압도적 다수는 레이아웃 문제입니다. 없어야 할 곳에 구리가 있거나, 배선 작업 중 접지면이 커졌거나, 일반적인 제조 편차를 흡수할 여유가 전혀 없는 설계가 그 예입니다.
이 가이드에서는 PCB 안테나의 작동 여부를 실제로 좌우하는 요소, 즉 비배선 영역, 기판 재료, 정합 네트워크, 그리고 제조 공정에서 허용할 편차를 다룹니다. 무선 모듈을 전달받아 특정 기판에서 안테나가 제대로 작동하도록 해야 하는 엔지니어를 위해 작성했습니다.
핵심 요점 – 가장 효과가 큰 단일 규칙은 방사체 아래와 주변의 모든 층에 구리가 없는 영역을 확보하는 것입니다. 대부분의 PCB 안테나 고장은 이 규칙을 어긴 데서 비롯됩니다. 특히 레이아웃 엔지니어가 주로 확인하는 외층 화면에서는 보이지 않는 내층 접지면이 원인인 경우가 많습니다. – 필요한 이격 거리는 파장에 따라 달라집니다. 433 MHz 안테나는 2.4 GHz 안테나보다 훨씬 넓은 기판 면적이 필요하며, 이 제약은 배선이 끝난 뒤에야 발견되는 경우가 가장 많습니다. – 기판 재료의 유전율은 안테나의 물리적 크기를 결정하고, 손실계수는 열로 손실되는 전력의 양을 결정합니다. 2.4 GHz에서는 FR-4도 충분히 사용할 수 있습니다. – 솔더 마스크는 PCB 안테나의 공진 주파수를 측정 가능한 수준으로 변화시킵니다. 동료 심사를 거친 한 측정 결과에 따르면, 433 MHz에서 마스크를 제거하면 공진 주파수가 3.5% 상승하고 최대 이득이 1.2 dB 향상되었습니다. – 설계 대역폭은 제조 편차를 흡수하는 여유입니다. 협대역 설계에는 여유가 거의 없지만, 광대역 2.4 GHz 설계는 같은 편차를 별다른 영향 없이 흡수합니다.
PCB 안테나란 무엇인가요?
PCB 안테나는 인쇄 회로 기판에 식각한 전도성 구리 트레이스 또는 패턴으로, 고주파 전류를 방사 전자기파로 변환하고, 수신 시에는 포착한 전자기파를 기판 위의 고주파 전류로 변환합니다. 기판 자체도 방사 구조의 일부입니다.
이 마지막 점이 PCB 안테나를 다른 모든 안테나와 구별합니다. 칩 안테나나 외장 휩 안테나를 구매하면 방사 소자는 특성이 규명되고 시험도 완료된 상태로 제공됩니다. 하지만 트레이스를 직접 식각하면 그 형상과 주변의 모든 요소에 대한 책임을 져야 합니다. 방사체뿐 아니라 안테나 특성을 변화시킬 수 있는 모든 구리, 금속, 플라스틱도 직접 관리해야 합니다.
여기서 세 가지 실질적인 결과가 따릅니다.
- 떨어져 나갈 부품이 없습니다. 커넥터도 케이블도 조립 단계도 필요 없습니다. 제품을 떨어뜨릴 가능성이 있다면 이는 중요합니다.
- 대신 기판 면적과 레이아웃 관리가 필요합니다. 단가를 낮추는 대신 기판 공간과 설계에 대한 주의를 투자하는 것입니다.
- 성능은 데이터시트가 아니라 레이아웃에 따라 결정됩니다. 같은 트레이스라도 기판이 다르면 서로 다른 안테나가 됩니다.
대체로 이 선택은 충분히 가치가 있습니다. 기판에 공간이 있고 설계팀이 안테나 영역을 배선 가능한 공간이 아니라 보호해야 할 영역으로 취급할 의사가 있다면, PCB 안테나는 연결 기기의 기본 선택입니다.
PCB 안테나, 칩 안테나, 외장 안테나 비교
| 옵션 | 풋프린트 | 상대적 비용 | 감수해야 하는 사항 |
|---|---|---|---|
| 트레이스 안테나 | 가장 큼 | 최저 | 레이아웃 관리와 튜닝 시간 |
| 칩 안테나 | 작음 | 낮음 | 튜닝 위험은 낮지만 효율은 다소 낮음 |
| 외장 / FPC 안테나 | 전체 크기가 가장 큼 | 가장 높음 | 커넥터, 케이블 및 조립 단계 |
9절에서는 이를 전체 의사결정표로 확장해 설명합니다.
PCB 안테나 유형과 각 유형의 사용 시점
다섯 가지 안테나 형상으로 거의 모든 PCB 안테나 용도를 다룰 수 있습니다. 어떤 형상을 기준 설계에서 가장 보기 좋게 만들 수 있는지가 아니라, 기판 면적을 얼마나 할애할 수 있는지가 선택의 기준입니다.
| 종류 | 주요 치수 | 일반적인 2.4 GHz 풋프린트 | 방사 패턴 | 적합한 용도 |
|---|---|---|---|---|
| 모노폴 | 접지면 위의 1/4파장 | 약 23 mm 트레이스(Nordic) | 무지향성 | 가장 간단한 통합, 가장 넓은 대역폭 |
| 미앤더형 역 F 안테나(MIFA) | 접어 만든 1/4파장 | 7.2 x 11.1 mm | 무지향성 | 소형 연결 기기에 적합한 대표 안테나 |
| 패치 | 반파장 | Large | Directional, high gain | GPS, point-to-point |
| Dipole | Half-wave, two arms | 중간 | Balanced omnidirectional | Wi-Fi and LoRa modules |
| Loop / NFC | Inductive | Varies | Near-field | RFID and NFC |
The trade-offs in one line each:
- Monopole. The easiest to tune and the most forgiving, because it has the widest bandwidth. Costs the most length.
- MIFA. Folds electrical length into a small footprint. Costs bandwidth and efficiency for that size saving, which makes it less tolerant of fabrication variation.
- Patch. Buys gain and directionality. Needs a solid ground plane directly beneath and a lot of area.
- Dipole. Balanced and less dependent on the ground plane, but needs a clear keep-out around both arms and symmetric routing.
- Loop and NFC. A different design model entirely. Do not apply a GHz patch model to a near-field inductive loop.
The MIFA dimensions above come from Infineon’s antenna design and RF layout guidelines, which specify a 7.2 mm x 11.1 mm antenna with a 20 mil trace width for 2.4 GHz human-interface applications (Infineon AN91445, document 001-91445).
How a PCB Antenna Radiates
An antenna radiates when its physical length is a specific fraction of the signal’s wavelength, and everything on the board near that conductor changes the effective length.
At 2.45 GHz, the free-space wavelength is 122.4 mm, so a quarter-wave is 30.6 mm. That is the textbook figure. What it does not tell you is how long a real printed trace should be, because the relationship between a formula and a board is weaker than most guides suggest.
Consider the other bound people quote. Dividing the free-space quarter-wave by the square root of the substrate dielectric constant gives 30.6 / √4.3 = 14.8 mm. Neither number describes a working antenna:
- √Dk is the wrong divisor for a trace antenna. The velocity factor for a microstrip line depends on the effective dielectric constant, not the bulk value, and for a trace over FR-4 that effective value lands nearer 3.0 to 3.3 than 4.3.
- A quarter-wave monopole over a ground plane is close to the free-space length, not the substrate length. The ground plane acts as an image plane, and end loading plus finite ground plane size then shorten the trace somewhat.
Nordic Semiconductor’s published design guideline resolves this with a real number: a printed quarter-wave monopole at 2.4 GHz measures about 23 mm long, requiring a minimum 5 mm clearance to the ground plane (Nordic Semiconductor, General PCB design guidelines). That is neither 14.8 mm nor 30.6 mm, and it is 55% longer than the substrate calculation.
The practical lesson: treat the wavelength arithmetic as a sanity check on order of magnitude, and treat a vendor reference design as the actual starting point. Then measure.
One more piece of physics matters for everything that follows. The antenna is a transducer between roughly 50 ohms at the radio and 377 ohms of free space. Every element between those two points, the feed line, the matching network, the substrate, is loss. This is why nearby copper is not a minor concern: metal couples to the radiator, loads it capacitively, and shifts its resonance.
PCB Antenna Layout Rules: Keep-Out, Ground Plane and Placement
The layout rule that decides whether a PCB antenna works is a copper-free zone on every layer beneath and around the radiator, and its size scales with the wavelength you are transmitting on.
Here is what vendor documentation actually specifies, and it is less than you might expect.
| Figure | Source | What it actually measures |
|---|---|---|
| ~23 mm trace length, minimum 5 mm clearance to ground plane | Nordic Semiconductor | 2.4 GHz에서 안테나 패턴과 접지면 가장자리 사이의 이격 거리 |
| 433~510 MHz 대역을 868~930 MHz 대역으로 이동하기 위해 L4를 19.0 mm로 단축 | Texas Instruments SWRA730 | 43 x 25 mm 안테나의 트레이스 길이와 동작 대역 |
| 안테나 영역은 다른 배선에 사용할 수 없음 | Texas Instruments SWRA730 | 정성적 금지 사항, 단면 레이아웃 |
| RF 매칭 회로 주변 약 70 mil의 배선 금지 영역 | Silicon Labs AN928.2 | 매칭 네트워크 배선 금지 영역, 아닌 안테나 배선 금지 영역 |
어떤 실리콘 또는 모듈 업체도 대역별 배선 금지 영역을 밀리미터 단위로 정리한 표를 공개하지 않습니다. 모든 업체는 이격 거리를 정성적으로 표현하거나, 특정 안테나 부품의 풋프린트 도면을 기준으로 제시하거나, 한 주파수에서의 단일 이격 거리로 표시합니다. 각 대역별로 특정 밀리미터 범위를 제시하는 표를 보셨다면, 거의 틀림없이 어떤 업체 문서도 출처로 제시하지 않은 제조 관련 블로그에서 가져온 것입니다. 이러한 표는 지침이 아니라 출처가 명시되지 않은 업계 경험칙으로 취급하세요.
문서에서 명확히 밝히는 사항은 다음과 같습니다.
- 방사체 아래에는 어떤 층에도 구리 포어, 평면 또는 트레이스를 배치하지 않습니다. Nordic은 칩 패드에서 안테나 급전부까지의 RF 경로 아래에 끊김 없는 접지면을 요구하며, 매칭 회로 아래의 내부층에도 별도로 배선 금지 영역을 요구합니다. Texas Instruments는 안테나 아래 영역을 다른 배선에 사용할 수 없다고 명시합니다.
- 이격 거리는 파장에 비례합니다. 이는 물리 법칙에서 직접 도출됩니다. 433 MHz의 1/4파장은 자유 공간에서 약 173 mm인 반면, 2.45 GHz에서는 30.6 mm입니다. 따라서 서브 GHz 안테나에는 몇 배 더 큰 기판 면적이 필요하며, 이는 배선이 끝난 뒤에야 가장 자주 발견되는 제약 조건입니다.
- 기판 가장자리에 배치하거나 기판 밖으로 돌출된 안테나, 방사체의 한쪽 이상에 충분한 여유 공간이 있는 경우.
- 배선 금지 영역 안에는 금속을 두지 않습니다. 장착 하드웨어, 배터리 접점, 실드 캔 및 커넥터 셸은 모두 방사 에너지를 안테나 쪽으로 반사합니다.
- 튜닝 전에 기구 설계를 확정하세요. 튜닝 후에 인클로저, 배터리 또는 장착 보스를 옮기면 튜닝 결과가 무효화됩니다.
안테나 아래의 구리가 디튜닝을 일으키는 이유
방사체 아래나 옆에 있는 구리는 모두 전자기적으로 안테나와 결합합니다. 이 결합으로 기생 정전 용량이 추가되어 안테나에 부하가 걸리고, 공진 주파수가 낮아지는 동시에 임피던스 정합이 나빠집니다. 이것이 작동 원리이며, 이 규칙이 권고가 아닌 절대 조건인 이유입니다. 상층에 무해해 보이는 접지 포어도 3층에서는 커패시터 전극이 됩니다.
특히 레이아웃 엔지니어가 주로 확인하는 외층 화면에는 내부층 포어가 보이지 않는다는 점이 위험합니다. 해결 방법은 현재 작업 중인 층뿐 아니라 모든 층에서 배선 금지 영역을 확인하는 것입니다.
PCB 안테나 재료 및 적층 구조
기판은 유전율을 통해 안테나의 물리적 크기를 결정하고, 손실 계수를 통해 열로 손실되는 전력의 양을 결정합니다. FR-4 는 2.4 GHz에서 충분히 적합합니다.
선택을 좌우하는 수치는 두 가지이며, 각각 다른 역할을 합니다. Dk는 크기를 결정합니다: 유전율이 높을수록 같은 주파수에서 안테나가 짧아집니다. Df는 손실을 결정합니다: 손실 탄젠트가 높을수록 송신 전력 중 더 많은 양이 방사 신호가 되지 않고 유전체 안에서 열로 변환됩니다.
| 재료 | 공정 Dk | 설계 Dk | 10 GHz에서의 Df | 참고 사항 |
|---|---|---|---|---|
| Isola 370HR (FR-4) | 2 GHz에서 4.04 | 해당 없음, 적층 구조에 따라 다름 | 2 GHz에서 0.0210 | 적층 구조에 따라 다름. 아래 참조 |
| Rogers RO4350B | 3.48 ± 0.05 | 3.66 | 0.0037 | RF 회로 |
| Rogers RO4003C | 3.38 ± 0.05 | 3.55 | 0.0027 | 중간 대역 RF |
| Rogers RT/duroid 5880 | 2.20 ± 0.02 | 2.20 | 0.0009 | 저유전율 PTFE |
| Rogers RO3003 | 3.00 ± 0.04 | 3.1629 | 0.0010 | PTFE |
모든 Rogers 값은 10 GHz 기준이며 괄호 안에는 2.5 GHz 기준 값이 표시되어 있습니다. 각 값은 명시된 허용 오차가 적용되는 대표적인 공정값입니다(Rogers RO4350B, RO4003C, RT/duroid 5880). Isola의 수치는 2024년 6월자 개정판 E인 Isola 370HR 제품 페이지에서 가져왔습니다. 해당 자료에는 기판 구조에 따라 달라지는 측정값이 공개되어 있습니다. Dk는 100 MHz에서 4.24, 1 GHz에서 4.17, 2 GHz에서 4.04, 5 GHz와 10 GHz에서 3.92이며, 같은 주파수 범위에서 Df는 0.0150에서 0.0250까지 변합니다(Isola 370HR).
이 표에서 특히 강조할 점은 두 가지입니다.
보편적으로 적용되는 FR-4의 Dk 값은 없습니다. Isola가 공개한 자체 데이터만 보더라도 유리 섬유 종류와 수지 함량에 따라 기판 구조만으로 Dk가 약 3.54에서 4.44까지 달라집니다. “FR-4의 Dk는 4.3이다”라는 문장은 일반적인 경험칙으로는 쓸 수 있지만, 사양으로는 사용할 수 없습니다. 실제 등급을 지정하세요.
공정 Dk와 설계 Dk는 서로 다른 값이며, 이 둘을 혼동하는 것이 이 주제에서 가장 흔한 자재 선정 오류입니다. RO4350B의 공정 Dk는 3.48이고 설계 Dk는 3.66입니다. 이 5% 차이는 완성된 기판에서 구리 표면 거칠기와 동박 처리 때문에 발생하며, 시뮬레이션된 안테나 성능에도 눈에 띄는 영향을 줍니다. 시뮬레이션에는 설계값을, 제조에는 허용 오차가 포함된 공정값을 사용하세요. 어떤 값을 사용했는지도 명시하세요.
자재 선택에 관한 현실적인 기준은 다음과 같습니다. 2.4 GHz에서는 FR-4를 사용할 수 있습니다. 약 5 GHz를 넘으면 유전 손실이 실제 통신 거리에 영향을 주기 시작하므로 저손실 라미네이트를 지정할 가치가 있습니다. RF 라미네이트를 사용한다고 해서 잘못된 레이아웃이 보완되는 것은 아닙니다.
솔더 마스크가 공진 주파수를 바꾸는 방식
솔더 마스크는 트레이스 주변의 유효 유전율을 높여 공진 주파수를 낮춥니다. 실제 측정값으로 확인된 변화는 흔히 인용되는 경험칙보다 큽니다.
1.6 mm FR-4 기판의 433 MHz 변형 역 F 안테나를 대상으로 한 동료 심사 논문에서는 다른 모든 매개변수를 그대로 둔 채 솔더 마스크 층을 제거하자 공진 주파수가 433 MHz에서 448 MHz로3.5% 상승했으며, 피크 실현 이득도 -13.8 dBi에서 -12.6 dBi로 1.2 dB 향상했습니다(Buckley 외, Electronics Letters, 제50권 제8호, 2014년).
널리 퍼진 1~2%라는 수치는 측정 결과가 아니라 제조 관련 블로그에서 나온 것으로, 발표된 측정값의 대략 절반에 불과합니다. 협대역 애플리케이션에서는 3.5%의 주파수 이동이 대역 내와 대역 밖의 차이를 만들 수 있습니다. 대역이 충분히 좁아 조치가 필요하다면 Gerber 파일에서 방사체 위의 솔더 마스크를 개구하면 됩니다.
PCB 안테나의 임피던스 정합 및 튜닝
PCB 안테나를 튜닝한다는 것은 송신 시 무선 칩 출력에서 안테나까지 전력이 반사되지 않고 전달되도록 임피던스를 50옴으로 변환하는 것을 의미합니다. 수신 시에도 같은 원리가 반대 방향으로 적용됩니다.
합격 기준은 전체 대역에서 반사 손실이 10 dB 이상인 것입니다. 실용적인 관점에서 10 dB는 전력비 10:1에 해당하므로 입사 전력의 10분의 1이 반사되고 90%가 전달됩니다. Infineon의 안테나 설계 지침에는 이 관계가 표로 직접 정리되어 있습니다. S11이 -10 dB이면 전력의 10%가 반사되고 90%가 방사되며, -20 dB이면 1%가 반사되고 -3 dB이면 50%가 반사됩니다(Infineon AN91445).
실제 절차는 다음과 같습니다.
- 벡터 네트워크 분석기를 사용해 관심 대역 전체에서 S11을 측정합니다.
- 공진 주파수와 대역 중심에서의 복소 임피던스를 확인합니다.
- 대역 중심에서만이 아니라 전체 대역에서 반사 손실이 10 dB 이상이 될 때까지 정합 부품을 추가하거나 값을 변경합니다.
쉽게 잘못 처리할 수 있는 점이 두 가지 있습니다. 첫째, 대부분의 모듈 레퍼런스 설계에는 특정 부품값을 사용하는 2개 또는 3개의 부품으로 구성된 정합 네트워크가 포함되어 있습니다. 이 값들은 시작점일 뿐 고정값이 아니며, 기판 적층 구조와 접지면 형상에 따라 달라집니다. 둘째, 양방향 모두 중요합니다. 칩에서 안테나 쪽을 바라보며 튜닝하고, 안테나에서 무선부 쪽을 바라보며 튜닝해야 합니다.
반사 손실 관계를 반대로 이해하지 않도록 주의하세요. 반사 손실 10 dB는 전력의 90%가 전달된다는 뜻입니다. 이를 90%가 반사된다는 뜻으로 혼동하면 약 0.46 dB에 해당하는데, 이는 정상 작동하는 안테나가 아니라 심하게 손상된 안테나를 의미합니다.
제조성: 기판 제작 공차가 안테나에 미치는 영향
기판 제작 공정에서는 공표된 허용 오차 범위 내에서 목표 치수와 다른 결과가 나올 수 있습니다. 안테나는 기판의 다른 부분과 달리, 이런 치수 차이가 단순히 트레이스 모양이 조금 달라지는 데 그치지 않고 RF 성능에 영향을 주는 부품입니다.
여기서 가장 확실한 출처가 있는 수치는 라미네이트의 유전율 허용 오차입니다. Rogers가 이를 통계적 주장이 아닌 데이터시트의 주요 사양으로 공개하기 때문입니다.
| 재료 | 공정 Dk 허용 오차 | 상대 허용 오차 | 대략적인 주파수 영향 |
|---|---|---|---|
| Rogers RO4350B | ± 0.05 | ± 1.4% | ± 0.7% |
| Rogers RT/duroid 5880 | ± 0.02 | ± 0.9% | ± 0.5% |
| Rogers RO3003 | ± 0.04 | ± 1.3% | ± 0.7% |
상대 허용 오차와 주파수 영향은 제조업체가 명시한 값이 아니라 계산으로 도출한 값입니다. 계산 방법은 간단합니다. 상대 Dk 허용 오차는 절대 허용 오차 범위를 공칭값으로 나눈 값이며, 공진 주파수는 1/√Dk에 비례하므로 Dk 허용 오차가 ±1.4%이면 공진 주파수는 대략 ±0.7% 이동합니다.
안테나에 영향을 주는 다른 요소와 그 영향의 방향은 다음과 같습니다.
- 에칭 언더컷은 트레이스 길이를 줄여 공진 주파수를 높입니다. 그 방향은 교과서적인 물리 법칙으로 설명할 수 있습니다. 그 크기는 공정에 따라 달라지므로 정량화한 1차 자료는 없습니다. 여기에 임의의 수치를 제시하지 마세요.
- 유전체 두께 편차 트레이스가 경험하는 유효 유전율을 바꾸어 공진 주파수와 급전선 임피던스 모두를 이동시킵니다.
- 동박 두께 편차 트레이스 폭을 바꾸어 특성 임피던스에 영향을 줍니다.
- 로트 간 Dk 편차 앞서 유도한 바와 같이 공진 주파수를 낮춥니다.
특히 식각 공차와 관련해서는 널리 인용되는 “±0.0005 inch”라는 수치가 보편적인 표준값은 아닙니다. 대부분의 표준 감산식 공정에서는 절대값이 아니라 백분율로 공차를 제시하며, 이 정도 규모의 절대값은 고급 미세 선폭 공정이나 레이저 공정에 해당합니다. 마찬가지로 IPC-4101이 특정 Dk 공차를 규정한다는 주장은 유료 표준을 의역한 제조업체 블로그에서 나온 것이지 표준 자체에 근거한 것이 아닙니다. 제조업체에 실제 수치를 문의하세요.
중요한 것은 그 결과입니다. 설계에 반영한 대역폭은 이러한 모든 편차를 흡수하는 여유분입니다. 위 솔더 마스크 연구의 433 MHz 안테나는 10 dB 반사 손실 대역폭이 4.5 MHz로, 중심 주파수의 약 1%였습니다. 이런 설계는 ±0.7%의 Dk 변화도 감당할 여유가 거의 없습니다. Infineon의 계산 예에서 S11이 2.33~2.56 GHz 구간 전체에서 -10 dB 미만을 유지하는 광대역 2.4 GHz 설계는 대역폭이 약 200 MHz, 즉 중심 주파수의 8%이므로 같은 편차를 알아차리지 못할 정도로 흡수합니다.
이는 서로 다른 주파수에서 동작하는 서로 다른 두 안테나이므로, 직접 비교 측정값이 아니라 비율의 비교로 이해해야 합니다. 핵심은 한 설계는 중심 주파수의 약 1%에 해당하는 여유 대역폭으로 편차를 흡수하고, 다른 설계는 8%를 활용한다는 점입니다. 이 차이는 주파수가 아니라 설계의 대역폭에서 비롯됩니다.
다음 세 가지 조치를 취하세요. 임피던스 제어를 지정하고, “FR-4”라고만 쓰는 대신 적층판 등급을 명시하며, 설계를 확정하기 전에 제조업체에 실제 식각 공차와 유전율 공차를 문의하세요.
PCB 안테나 테스트 및 측정
벡터 네트워크 분석기와 작업대에서의 15분 측정이면 안테나의 작동 여부를 알 수 있습니다. 대부분의 문제는 반사 손실 스윕 한 번으로 드러납니다.
테스트는 두 단계로 나뉘며, 각 단계는 서로 다른 질문에 답합니다.
| 단계 | 장비 | 측정 항목 | 필요한 대상 |
|---|---|---|---|
| 작업대 | 벡터 네트워크 분석기 | S11, 반사 손실, 공진 주파수, 대략적인 효율 | 거의 모든 사용자 |
| 챔버 | 무반사 챔버 | 방사 패턴, 이득, TRP, TIS, EIRP | 셀룰러 및 인증 대상 제품 |
여기서는 거의 모든 독자가 실제로 수행할 수 있는 1단계에 가장 주목합니다. 합격 기준은 명확합니다. 전체 대역에서 반사 손실이 10 dB 이상이어야 하고, 공진 주파수는 관심 대역의 중심에 있어야 합니다. 공진 피크가 대역 중심이 아니라 가장자리에 있으면 중심 주파수에서 기준을 충족하더라도 설계에 여유가 부족합니다.
2단계에서는 안테나의 정합 상태가 아니라 공간으로 방사되는 특성을 평가합니다. 총 방사 전력은 송신 중 대역 전체에서 방사되는 총전력을 측정하고, 총 등방성 감도는 대역 전체에서 평균 수신 감도를 측정합니다. 셀룰러 제품의 통신사 인증 제도에서 평가하는 항목이므로, 이 측정값은 기술적인 측면뿐 아니라 상업적인 측면에서도 중요합니다.
두 단계 모두에 적용되는 원칙이 하나 있습니다. 최종 구성에서 측정하세요. 안테나는 최종 적층 구조와 최종 외함을 적용한 상태로 측정해야 합니다. 그 구성만이 의미 있는 결과를 제공하기 때문입니다. 베어 보드 상태에서 얻은 결과는 유효한 결과가 아닙니다. 따라서 튜닝을 시작하기 전에 기구 설계를 확정해야 합니다.
RF 측정에 합격하는 것이 최종 승인을 받는 것과 같은 뜻은 아닙니다. 보드를 조립한 뒤 출하 여부를 결정하는 작업 품질 기준은 별개의 문제이며, 이에 대한 내용은 다음 가이드에서 다룹니다: IPC-A-610 합격 기준.
PCB 안테나, 칩 안테나, 외장 안테나 비교
트레이스 안테나, 칩 안테나, 외장 안테나 중 하나를 선택하는 것은 기판 면적, 일정 위험, 통신 거리 사이의 절충입니다. 무엇을 가장 감당하기 어려운지에 따라 적합한 선택이 달라집니다.
| 옵션 | 풋프린트 | 상대적 비용 | 상대 효율 | 통합 작업량 | 고장 유형 |
|---|---|---|---|---|---|
| 트레이스 안테나 | 가장 넓은 기판 면적 필요 | 최저 | 단위 면적당 성능 최고 | 높음: 레이아웃 관리와 튜닝 필요 | 금지 영역이 잘못 설정되면 문제를 감지하기 어려운 상태로 성능이 저하됨 |
| 칩 안테나 | 작음 | 낮음 | 약간 낮음 | 낮음: 튜닝이 거의 필요하지 않음 | 금지 영역이 잘못 설정되면 역시 성능 저하 |
| 외장 / FPC 안테나 | 전체 부피가 가장 큼 | 가장 높음 | 통신 거리 최장 | 중간: 커넥터와 케이블 필요 | 커넥터에서 문제가 발생 |
결정 기준:
- 보드 공간을 충분히 확보할 수 있고, 튜닝 작업에 들이는 노력이 정당화될 만큼 생산량이 많은가? 트레이스 안테나를 선택하세요. 비용이 가장 저렴하고 성능도 좋으며, 튜닝 작업은 한 번만 하면 됩니다.
- 보드가 작거나 일정이 촉박한가? 칩 안테나를 선택하세요. 몇 센트 더 들이면 튜닝 위험을 대부분 없앨 수 있지만, 킵아웃 규칙은 여전히 지켜야 합니다.
- 인클로저가 금속이거나 요구되는 통신 거리가 매우 긴가? 외장 안테나를 선택하고 커넥터와 케이블을 사용하세요. 금속 케이스 안에서 전파를 방사할 좋은 방법은 없습니다.
표의 가운데 열에 적힌 내용을 기억하세요. 칩 안테나는 킵아웃 규칙을 피하는 방법이 아닙니다. 맞춤형 기하 구조를 튜닝하지 않아도 되게 해 주는 방법일 뿐이며, 잘못된 위치에 구리가 있으면 트레이스 안테나와 똑같이 성능이 저하됩니다.
PCB 안테나의 흔한 문제와 해결 방법
대부분의 PCB 안테나 문제는 다섯 가지 증상으로 나뉘며, 각 증상에는 한 시간 안에 확인할 수 있는 가장 유력한 원인이 하나씩 있습니다.
| 증상 | 가장 유력한 원인 | 확인 방법 | 해결 방법 |
|---|---|---|---|
| 측정한 공진 주파수가 낮음 | 방사체 아래나 옆에 구리가 있음 | 상단 레이어만 보지 말고 모든 레이어의 킵아웃 영역을 확인하세요 | 모든 레이어에서 킵아웃 영역을 확보하고 다시 측정하세요 |
| 측정한 공진 주파수가 높음 | 에칭된 트레이스가 짧거나 기준 설계에서 가정한 것보다 작음 | 제작된 치수를 거버 파일과 비교하세요 | 트레이스 길이를 수정하거나 제조업체의 기준 설계와 대조해 확인하세요 |
| 반사 손실은 양호하지만 통신 거리가 짧음 | 정합은 되었지만 효율이 낮음 | 킵아웃 영역 안에 금속이 있는지 확인하고, 기판의 Df가 해당 주파수에 적합한지 확인하세요 | 금속을 제거하고 손실 탄젠트가 적절한지 확인하세요 |
| 벤치에서는 작동하지만 인클로저에 넣으면 작동하지 않음 | 인클로저나 도금이 방사체의 공진을 벗어나게 함 | 케이스를 닫은 상태에서 측정하세요 | 케이스 재료의 유전 특성을 평가하고 안테나 위치를 옮기세요 |
| 제품마다 동작이 다름 | 제작 편차로 설계 여유가 줄어듦 | 여러 보드에서 S11을 비교하세요 | 대역폭을 넓히거나 허용오차 사양을 더 엄격하게 설정하세요 |
첫 번째 문제가 압도적으로 흔하지만, 확인 절차는 가장 자주 빠뜨립니다. 라우팅 중에 추가된 그라운드 플레인이 확인하지 않은 레이어에 있으면 바로 이런 증상이 나타납니다.
네 번째 문제는 따로 짚고 넘어갈 필요가 있습니다. 튜닝 전에 기구 설계를 확정해야 하는 이유이기 때문입니다. 튜닝 후 인클로저를 변경하는 것은 작은 변동이 아닙니다. 안테나의 공진이 완전히 대역 밖으로 벗어날 수 있습니다.
자주 묻는 질문
PCB 안테나란 무엇인가요?
PCB 안테나는 인쇄 회로 기판에 직접 에칭한 구리 트레이스 또는 패턴으로, 무선 주파수 전자기파를 송수신합니다. 기판 자체가 방사 구조의 일부이므로, 트레이스의 형상만큼이나 보드 레이아웃도 안테나 성능을 좌우합니다.
외장 안테나가 내장 안테나보다 더 나은가요?
통신 거리 면에서는 그렇지만, 비용·크기·신뢰성 면에서는 그렇지 않습니다. 외장 안테나는 자유 공간으로 전파를 방사하므로 대체로 통신 거리가 더 길지만, 커넥터와 케이블, 조립 공정, 고장 요인이 추가됩니다. 내장 PCB 안테나는 더 저렴하고 손상되기 어렵지만 통신 거리가 짧으며, 작동을 위해 주변에 다른 부품이 없는 보드 공간이 필요합니다.
PCB 안테나에는 보드 공간이 얼마나 필요한가요?
요구 공간은 거의 전적으로 주파수에 따라 달라집니다. 이격 거리 요구 사항이 파장에 비례하기 때문입니다. Nordic의 2.4 GHz 기준 설계는 길이 약 23 mm인 트레이스와 그라운드 플레인까지 5 mm의 이격 거리를 사용합니다. 반면 433 MHz의 1/4 파장 길이는 자유 공간에서 약 173 mm이므로, 서브 GHz 안테나에는 몇 배 더 넓은 공간이 필요합니다.
PCB 안테나 아래에 그라운드 플레인을 둘 수 있나요?
안 됩니다. 방사체 아래의 구리는 방사체와 결합해 기생 정전 용량을 추가하고 공진을 벗어나게 합니다. 그라운드 플레인은 안테나 아래가 아니라 킵아웃 경계 바깥에 있어야 합니다. Nordic은 RF 급전 경로 아래에는 연속적인 그라운드를 요구하며, 정합 회로 아래에는 별도로 킵아웃을 요구합니다.
솔더 마스크가 PCB 안테나 성능에 영향을 주나요?
그렇습니다. 솔더 마스크는 유효 유전율을 높여 공진 주파수를 낮춥니다. 동료 심사를 거친 433 MHz 측정 연구에서는 솔더 마스크를 제거하자 공진 주파수가 433 MHz에서 448 MHz로 이동해 3.5% 상승했고, 최대 이득은 1.2 dB 향상되었습니다. 협대역 설계에서는 방사체 위의 솔더 마스크를 개구 처리하세요.
PCB 안테나는 어떻게 튜닝하나요?
벡터 네트워크 분석기로 전체 대역에서 S11을 측정하고, 대역 중앙에서 공진 주파수와 임피던스를 확인한 다음, 정합 회로를 조정해 전체 대역에서 반사 손실이 10 dB를 넘도록 하세요. 기준 설계의 부품 값은 시작점일 뿐이며, 실제 적층 구조에 따라 달라집니다.
PCB 안테나 설계는 어렵나요?
이론은 까다롭지만, 실제로 발생하는 문제 유형은 몇 가지로 한정되어 있고 구체적이며, 거의 모두 수학이 아니라 레이아웃 문제입니다. 모든 레이어에서 킵아웃 영역을 확보하고, 라미네이트 등급을 명시하고, 인클로저를 닫기 전에 측정한다면 대부분의 위험을 줄일 수 있습니다.
PCB 안테나에는 특수한 PCB 재료가 필요한가요?
표준 FR-4가 충분히 적합한 2.4GHz에서는 그렇지 않습니다. 대략 5GHz를 넘어서면 유전 손실로 인해 통신 거리가 줄기 시작하므로 저손실 기판을 지정할 가치가 있습니다. RF 기판을 지정한다고 해서 잘못된 레이아웃이 보완되는 것은 아니며, 기준으로 삼을 단일한 보편적 FR-4 유전율도 없습니다.
시작하기
다른 작업을 하기 전에 먼저 기판이 이격 규칙을 준수하는지 직접 점검하세요. 현재 그리는 레이어뿐 아니라 모든 레이어에서 방사체 아래와 옆에 구리가 있는지 확인하고, 기구 설계 중 금속이 이격 경계 안으로 들어오지 않았는지도 확인하세요.
그다음 “FR-4”라고만 쓰지 말고 기판 등급을 명시한 뒤, 인클로저를 닫기 전에 S11을 측정하세요. 이 세 단계를 순서대로 수행하면 대부분의 문제를 찾아낼 수 있습니다.
스택업과 아트워크가 이미 확정된 상태라면, 제작을 진행하기 전에 안테나 영역, 기판 사양 및 제어 임피던스 요구사항을 검토해 드릴 수 있습니다.
출처
- Rogers Corporation, RO4350B 기판, RO4003C 기판, 및 RT/duroid 5880 기판. 10GHz(2.5GHz)에서 규정된 공정 및 설계 유전율과 허용오차, 손실탄젠트. 2026-10-20에 열람.
- Isola Group, 370HR 기판 및 프리프레그, 개정판 E, 2024년 6월. 100MHz~10GHz에서 구조에 따른 유전율 및 손실탄젠트와 인용된 IPC-TM-650 시험 방법. 2026-10-20에 열람.
- Nordic Semiconductor, 일반 PCB 설계 지침, 약 23mm 길이의 인쇄형 1/4파장 모노폴, 접지면까지 최소 5mm의 이격 거리, RF 경로 아래의 연속된 접지면 요구사항 및 정합 회로 아래 내부 레이어의 구리 배제 영역에 관한 내용. 2026-10-20에 열람.
- Infineon Technologies, AN91445 안테나 설계 및 RF 레이아웃 지침, 문서 001-91445. 반사 손실과 반사 전력 표, 충분성 기준인 10dB, 폭 20mil인 MIFA의 7.2 x 11.1mm 치수 및 광대역 2.4GHz 설계 예제에 관한 내용. 2026-10-20에 열람.
- J. Buckley, D. Gaetano, K. G. McCarthy, L. Loizou, B. O’Flynn 및 C. O’Mathuna, “무선 스마트 시스템 응용을 위한 소형 433MHz 안테나”, Electronics Letters, 제50권, 제8호, 572-574쪽, 2014년 4월 10일, DOI 10.1049/el.2013.4312, 솔더 마스크로 인한 공진 주파수의 측정 변화(433MHz에서 448MHz로), 1.2dB의 이득 변화 및 4.5MHz의 반사 손실 대역폭에 관한 내용.
- 텍사스 인스트루먼트, SWRA730 433~930MHz 및 2.4GHz BOM 조정형 PCB 안테나, 2022년 2월. 안테나 치수 43 x 25mm, L4 트레이스 길이 19.0mm 및 안테나 아래 배선 금지에 관한 내용.
- Silicon Labs, AN928.2 EFR32 시리즈 2 레이아웃 설계 가이드, 개정판 1.5. 약 70mil 및 37mil인 정합 회로의 구리 배제 영역 치수에 관한 내용입니다. 이 치수는 안테나 방사체가 아니라 정합 네트워크에 적용된다는 점에 유의하세요.
- 47 CFR Part 15, 미국 내 902~928MHz 및 2.4~2.5GHz ISM 대역의 운용을 규정하는 비면허 송신기에 관한 FCC 규정.
- ETSI EN 300 328, 유럽의 2.4GHz ISM 대역 광대역 전송 시스템을 다루는 표준.
