Compact High-Performance Antennas for Portable Electronics
Convergentia는 세계 최초의 Virtual Build Factory로 가전 제품 시장을 비롯한 다양한 산업의 고객에게 가상 Prototyping 서비스를 제공하는 전문 업체입니다.
오늘날 스마트폰 및 태블릿과 같은 휴대용 장치에는 셀룰러, Wi-Fi, GPS를 비롯한 많은 무선 시스템이 포함되어 있습니다. 이러한 장치의 안테나 성능이 저하되면 데이터 처리량이 낮아지거나 불안한 커버리지의 형태로 이어져 사용자 환경이 나빠질 수 있습니다. 뿐만 아니라 통화가 끊어지거나 자동차 내비게이션이 동작하지 않을 수 있기 때문에 각 시스템에는 Functional 안테나가 필요합니다. 이러한 반면에 장치는 매력적으로 보이고 작은 사이즈를 가져야 합니다.
장치의 두께와 금속 구조의 존재는 안테나 설계에 어려움을 유발합니다. 3D 시뮬레이션을 하지 않으면 안테나 성능이 떨어지거나 산업 디자인이 까다로워질 위험이 높습니다. 안테나 검증의 대안은 비용이 많이 들고 리드 타임이 긴 여러 Prototyping round를 사용하는 것입니다. 그러나 grounding 구조 혹은 impedance matching network와 같이 Prototype으로는 효과적인 연구가 어려운 것들이 있습니다.
3D 시뮬레이션이 유용하려면 시뮬레이션된 결과가 측정된 데이터와 높은 유사성을 보여야 합니다. 시뮬레이션된 데이터에 대한 신뢰를 구축하려면 둘 사이의 높은 일치도가 필요합니다. Convergentia는 둘 사이에 불일치가 발생했을 때 주로 시뮬레이션 모델과 Prototype의 유사성이 부족하기 때문이라는 것을 발견했습니다. 이는 디스플레이, 터치 센서 혹은 스피커와 같은 모든 복잡한 구조를 1대 1로 모델링하는 것이 실용적이지 않거나 심지어 가능하지 않기 때문입니다. 물성의 특성도 관심있는 주파수에서 알 수 없을 때도 있습니다. 따라서 mechanical 3D 모델에서 직접 사용할 수 없는 부품을 모델링하는 방법을 판단하는 것은 안테나 설계자의 능력에 달려 있습니다. Convergentia의 엔지니어는 전자 시스템을 모델링하고 설계하는데 다년간의 경험을 가지고 있기 때문에 그 기술을 최대한 활용할 수 있는 시뮬레이션 도구를 찾고 있었습니다. 이러한 이유로 그들은 CST Studio Suite®의 Powerful Solver를 선택했습니다.
Accurately Modeling PCB Layout and Grounding Structures
대부분의 최신 통합 안테나에는 Impedance Matching을 위한 RF 스위치나 Lumped component를 포함하지만, LTE 내의 방대한 주파수 대역으로 인해 Chipset 공급 업체는 회로에 integrated antenna matching tuner를 포함하기 시작했습니다. R & D 프로세스의 초기 단계에서는 회로 시뮬레이터를 사용하여 튜닝 요소를 설계할 수 있지만 동작하는 Prototype의 경우 layout 시뮬레이션이 필수입니다. 이는 layout parasitic 효과가 지배적일 수 있는 높은 주파수 (f > 1.7GHz)에서 특히 중요합니다.
전통적으로 안테나 튜닝은 Network Analyzer를 사용하여 안테나의 Return Loss를 최적화함으로써 수행됩니다. Matching Network가 없다면 일반적으로 우수한 impedance matching이 우수한 radiation 특성을 보장합니다. 안테나의 효율은 anechoic chamber에서 확인할 수 있습니다. 좋은 impedance matching은 양호한 안테나의 radiation보다 네트워크의 손실을 더 많이 고려할 수 있기 때문에 이 설계 프로세스는 matching network가 있는 안테나에는 사용할 수 없습니다. Combined 안테나 및 Layout 시뮬레이션을 통해 엔지니어는 추가 PCB design round를 피할 수 있고 지루하고 느린 안테나 튜닝 절차를 건너 뛸 수 있습니다.
안테나가 올바르게 작동하려면 적절한 ground plane이 필요합니다. 이것은 여러 개의 분리된 metal 부품이 있는 소형 장치에서 실현하기 어려울 수 있습니다. 장치에 좋은 ground plane을 만드는 것은 최대 안테나 성능을 얻을 수 있도록 metal 부품을 함께 연결해야 함을 의미합니다. Ground 구조가 제대로 설계되지 않은 경우 대역폭이 충분하지 않거나 의도하지 않은 RF trap이 생성되어 안테나 손실이 몇 dB까지 증가할 수 있습니다. 이러한 종류의 lossy resonance는 안테나 설계자에게 잘 알려져 있으며 Prototype에서 추적 및 수정이 매우 어렵습니다. 이러한 문제의 원인을 찾는 데 몇 주가 걸릴 수 있으며 문제를 해결하려면 새로운 Prototyping 단계가 필요합니다. 그러나 CST Studio Suite 시뮬레이션을 통해 Prototype 제작 비용 없이 설계를 검토할 수 있었고 field 시각화를 통해 resonant component를 눈으로 식별할 수 있게 되었습니다.
CST Studio Suite의 강력함과 다재다능함은 고객에게 최첨단 Virtual Prototyping Solution을 제공하기 위해 시뮬레이션 전문 지식을 최대한 활용할 수 있도록 해줍니다.
-Dr Sami Hienonen Technology Manager, Convergentia Ltd-

Accurate Virtual Prototypes of Real Systems
Convergentia는 GPS, Wi-Fi 안테나 및 1차, 2차 셀룰러 안테나의 태블릿 Prototype을 제작했습니다. 셀룰러 안테나는 플라스틱 안테나 캐리어에 장착된 flex type으로 안테나 Impedance matching 및 feeding clip을 위한 소형 PCB가 있습니다. GPS 안테나는 별도의 PCB에 에칭되어 있으며 Wi-Fi 안테나는 ceramic type입니다.
Convergentia는 시뮬레이션과 측정의 일치도가 매우 높다는 것을 발견했습니다. Impedance matching은 2개의 코일과 2개의 커패시터로 이루어졌습니다. Convergentia는 시뮬레이션과 측정의 차이가 모델과 physical reality의 차이로 인해 발생한다는 사실을 발견했습니다. Ceramic의 물성 특성과 PCB Ground의 세부 사항을 알 수 없어 Wi-Fi 안테나 주파수 응답에서 일부 불일치가 발생했으나, 안테나와 물성 특성을 약간 조정하여 예상 성능을 도출하였습니다. 1차 셀룰러 안테나 시뮬레이션 결과와 측정 값이 유사함을 보였습니다.
Virtual Prototyping을 통해 디바이스 개발 시간과 Prototype round 수는 감소했습니다. 이러한 속도 향상은 두 가지 요인에서 비롯되었습니다. 첫째, Physical Prototyping 중 안테나 성능 문제로 인해 기계적 변경이나 PCB 변경이 필요하지 않았습니다. 안테나의 모든 잠재력을 사용하기 위해서는 미세 조정 만 필요했습니다. 둘째, 모든 안테나가 구조대로 동작했기 때문에 안테나 설계자가 먼저 안테나를 작동시킬 때까지 기다리지 않고 다른 영역의 테스트를 시작할 수 있습니다. 예를 들어 EMC 및 데이터 처리량 테스트를 즉시 시작할 수 있었습니다. 성공적인 virtual build를 위한 전제 조건은 장치의 ground 구조 및 matching network layout을 포함하여 곧 출시될 Prototype과 일치하는 시뮬레이션 모델이어야 한다는 것입니다. CST Studio Suite의 강력한 CAD Import 도구와 정확한 solver 기술의 조합은 Convergentia의 시뮬레이션 전문 지식과 함께 효과적인 Virtual Prototyping Workflow를 구현할 수 있도록 했습니다.
 

■ 원문은 다쏘시스템즈 홈페이지에서 확인 가능합니다.
https://www.3ds.com/insights/customer-stories/convergentia