점점 더 많은 제품과 장치들이 기본으로 측위 기능을 통합함에 따라, 동일한 모듈에 위성 수신 칩과 안테나를 모두 결합한 최적화된 “GNSS 안테나 모듈”이 좋은 솔루션이 될 수 있다. 이러한 모듈을 통해 제품 출시 기간이 단축되고 물류가 간소화돼 “신속한” 측위 기능 구현을 위한 경제적인 솔루션이 제공된다. GNSS 안테나 모듈의 이점과 설계 관점을 소개한다.

“신속한” 측위 기능 구현을 위한 GNSS 안테나 모듈

점점 더 많은 최종 제품이 매력적인 기능으로 측위 기능(global positioning)을 통합하고 있다. 친숙한 내비게이션 시스템 외에도 차량 및 자산 추적 시스템, 개인 위치추적 장치(personal locators), 보안 시스템, 자동판매기, 건강 모니터링 및 오락용 장치에서 GNSS 수신기가 요구되고 있다.


모든 GNSS 수신기는 일반적으로 20,000 km 정도 떨어진 위성으로부터 송출된 매우 약한 신호를 수신하기 위해 안테나가 필요하다. 대부분의 고객들이 RF/안테나 튜닝 전문지식이나 소싱 능력을 가지고 있지 않으므로, 동일한 모듈에 위성 수신 칩과 안테나가 함께 통합한 “GNSS 안테나 모듈”이 적합한 솔루션이 될 수 있다. 이러한 모듈을 통해 제품 출시 기간이 단축되고 물류가 간소화돼, “신속한” 측위 기능 구현을 위한 경제적인 솔루션이 제공된다. 또한 GNSS 안테나 모듈은 GNSS 모듈에 외부 안테나를 더한 것보다 크기가 상당히 작다. 이를 통해 칩 안테나가 통합된 GNSS 안테나 모듈은 얇은 두께의 제품에 쉽게 적용될 수 있다.

GNSS 안테나 모듈이 적용될 수 있는 적합한 애플리케이션은 고속 성장하고 있는 개인 및 반려동물 위치추적 장치다. 이러한 유형의 장치들은 크기는 매우 작지만 장치 방향에 관계없이 최적의 안테나 성능을 요구한다. 또한 위성 수신 칩의 높은 수준의 방해전파 면역성(jamming-immunity)도 중요하다. 개인 추적 장치가 일반적으로 잡음원으로 작용할 수 있는 휴대전화용 모뎀을 포함하고 있거나, 이동전화와 근접거리에서 사용될 수도 있기 때문이다. 방향에 관계없이 우수한 수신율을 고려해 최적화된 안테나가 달린 GNSS 안테나 모듈 외에도 휴대전화 노이즈에 대해 높은 수준의 면역성을 제공하기 위해 통합된 SAW 필터도 중요한 설계 기준에 해당된다.


일 GNSS vs. 다중 GNSS

사용되는 국가에 따라 GPS, GLONASS (러시아), BeiDou(중국), QZSS(일본)를 포함한 다양한 위성 시스템의 지원이 필요할 수 있다. 이것은 장치의 지역 호환성을 확대시킨다. 또한 동시에 2대의 위성 시스템을 지원하므로(예: GPS/GLONASS, GPS/BeiDou, GLONASS/BeiDou) 위치를 계산하는데 필요한 최소 4대의 위성과 가시선(line-of-sight, LoS) 확보 가능성을 높여 위치 결정 속도와 신뢰성을 증가시킨다.

GNSS 안테나 모듈과 칩 안테나가 통합된 애플리케이션에 대한 예가 그림 1에 제시돼 있다. 개인 위치추적 장치는 통합된 칩 안테나로 인해 매우 얇게 디자인할 수 있으며 웹 인터페이스를 통해 사용자의 위치를 추적하고 표시할 수 있다. 이 장치에는 유블럭스의 칩 안테나 모듈 CAM-M8Q이 통합돼 있다. 이 모듈은 크기가 작으며(9.6×14.0×1.95 mm) 다중 GNSS 기능도 제공한다.

사용된 칩 안테나 구성요소는 BeiDou(1560 MHz) 및 GPS(1575 MHz)부터 GLONASS(1606 MHz)에 이르기까지 모든 L1 주파수를 처리할 수 있다. 표면실장형 모듈이므로 매우 얇은 제품 디자인에도 구현이 가능하다.

칩 안테나 모듈 적용 시 주의가 요구되는데, PCB가 전체 안테나의 일부를 구성하고 있기 때문이다. 따라서 최적의 성능을 달성하려면 시스템 차원에서 종합적인 기술지원이 필요하며, 이 분야에서 다년간 경험이 있는 엔지니어가 중요하다.



CAM-M8Q: 드롭인 포지셔닝 솔루션

CAM-M8Q는 고객이 외부 안테나를 사용하기로 결정하면 내부 칩 안테나를 백업용 안테나로 사용할 수 있는 기능을 내장하고 있다. 이 기능은 외부 안테나가 고장나거나 손상될 수 있는 애플리케이션에서, 예를 들어 외부 안테나의 손상 가능성이 있는 차량 추적 시스템에 유용하다(그림 6의 배선도 참조).

PAM-7Q: 신뢰할 수 있는 일체형 GPS 안테나 모듈

GPS 전용 애플리케이션의 경우, PAM-7Q(그림 3)는 실장 위치의 유연성으로 인해 매우 인기 있는 폼팩터다. PAM-7Q는 기존의 설계에 그대로 장착하거나 맞춤형 PCB에 핀-헤더로 납땜이 가능하다. PAM-7Q의 18×18 mm 패치 안테나는 RHCP 편파를 제공한다.

설계가 간단하고 인터페이스 구성이 간편하므로 설치비용을 최소 수준으로 유지할 수 있다. 이는 GPS 포지셔닝에 대한 소규모의 신속하고 비용 효율적인 솔루션을 필요로 하는 산업 및 소비자 애플리케이션에 적합하다.
두 모듈은 모두 장치의 방향에 관계없이 최적의 안테나 성능을 고려해 설계되고 조정됐으며, SAW 필터가 통합돼 있으므로 감도가 높고 방해전파 면역성을 제공한다.

안테나 모듈 성능

그림 4는 3개의 평면에서 얻은 GNSS 안테나 이득 측정치를 보여주고 있다. 수직면에서는 거의 균일한 성능을 보인다는 사실에 주목하자. 이는 장치 방향과 관계없이 하늘을 향하고 있는 방향에서는 일정한 안테나 이득을 나타낸다.

그림 4의 측정치는 80×40 mm 접지면에 실장된 모듈에서 측정한 것이다. 짙은 파란색 사각형은 안테나 모듈의 권장되는 실장 위치를 나타낸다.

회로도

다음에 제시된 회로도는 CAM-M8Q GNSS 안테나 모듈을 이용해 디자인할 때 회로의 간소함을 보여준다. 그림 5에 제시된 첫 번째 회로도는 내부 GNSS 안테나를 이용한 단독 솔루션이다. 일상적인 전원 필터링 및 보호를 위해 필요한 몇 개의 외부 수동소자와 on/off 전원 스위치가 포함돼 있다.

모든 위치 정보는 핀 25와 26에 있는 2-wire 인터페이스를 통해 호스트 프로세서에 전달된다. 호스트 처리는 요구하지 않으며, 모듈은 최종 위치를 전달한다.

그림 6은 외부 GNSS 안테나를 사용한 설계를 보여주고 있다. 외부 안테나가 손상되거나 연결이 끊긴 경우, 포지셔닝이 계속 이어질 수 있도록 모듈은 자동으로 내부 GNSS 칩 안테나로 전환된다. 이는 외부 안테나가 사고로 손상되거나 기능이 방해를 받을 수 있는 차량 애플리케이션에 매우 유용한 기능이다. 

AEM_Automotive Electronics Magazine