스마트 홈 통신을 가능하게 하는 IoT 안테나
(출처: isrofiyah/stock.adobe.com; AI로 생성)
스마트 홈 솔루션은 가정 내 거의 모든 전자 기기에 점진적으로 통합되고 있다. 스마트 홈의 초기 단계에서는 스마트 스피커, 스마트 조명, 스마트 온도조절기, 허브 등이 등장했지만, 오늘날에는 빗물 오수 펌프, 차고 문, 전기차 충전기, 전기 패널, 차단기, 그리고 더욱 긴밀하게 상호 연결된 엔터테인먼트 시스템까지 모든 주요 가전제품의 스마트 홈 변형 제품들이 등장하고 있다.
이 같은 모든 장치에는 공통점이 있다. 이들은 프로비저닝, 초기 설치, 제어 프로그래밍을 수행하기 위해 허브, 클라우드 서비스, 또는 현장 장치와의 어떤 형태의 통신 채널이 필요하다. 스마트 홈 허브, 게이트웨이, 홈 인터넷 라우터 및 모뎀은 일반적으로 유선 이더넷을 요구하거나 이를 활용하지만, 대부분의 스마트 홈 기기는 주택 소유인이나 관리인이 집 전체에 유선 이더넷을 설치할 필요 없이 무선 통신 프로토콜을 사용한다. 따라서 대부분의 스마트 홈 기기는 IoT 안테나가 필요한 무선 통신 서비스를 사용한다.
이 글에서는 이 같은 IoT 안테나가 최신 스마트 홈 기술 발전에 어떻게 기여하는지 살펴보고, 최신 통신 솔루션 중 주요 제품들을 소개한다.
IoT를 위한 무선 프로토콜
스마트 홈 IoT 안테나는 다양한 폼 팩터로 구성될 수 있으며 다양한 프로토콜에서 작동한다. 가장 대중적인 스마트 홈 무선 프로토콜은 Wi-Fi®, Bluetooth®, Bluetooth Low Energy, Zigbee, 근거리 무선 통신(NFC)이며, 4G LTE나 5G와 같은 셀룰러 연결도 점차 늘어나고 있다. 일부 공급업체들은 여러 가지 독점 무선 프로토콜을 사용하기도 하지만, 현재 생산되는 대부분의 스마트 홈 무선 기기는 공통 무선 표준을 준수하며 매터(Matter)와 같은 산업 컨소시엄 표준을 통해 상호 운용성을 지원한다.
Wi-Fi 표준은 보다 효율적인 저대역폭 애플리케이션을 위해 지속적으로 업데이트되고 있지만, Bluetooth와 Zigbee는 주로 프로비저닝, 상대적으로 낮은 처리량, 메시, 간헐적인 무선 통신에 사용된다. Wi-Fi는 주로 보안 카메라 스트림, 게이트웨이 연결, 개인용 전자 기기, 가전제품 또는 게이트웨이를 사용하지 않는 독립형 장치와 같은 고대역폭 애플리케이션에 사용된다. NFC 및 RFID는 무선 페어링이나 프로비저닝을 용이하게 하는 데 자주 사용되지만, 통신을 위해서는 다른 NFC/RFID 장착 기기와 매우 가까운 거리(수 센티미터)가 필요하다. 일부 스마트 홈 기기도 데이터 서비스를 위해 셀룰러 연결을 사용하지만, 모바일 기기에서 더 널리 사용된다. 원격 보안 시스템도 셀룰러 연결을 사용할 수 있다. 자율 이동 로봇(AMR)과 같은 로봇 시스템이 가정에서 보편화됨에 따라 셀룰러 연결 또한 더욱 보편화될 것으로 예상된다. AMR의 초기 사례로는 진공 로봇, 자율 제초기, 그리고 미래의 휴머노이드 로봇이 있다. 또한, GNSS/GPS는 모바일 스마트 홈 기기의 추적 및 경로 지정에도 주로 사용된다.
IoT 안테나 설치 시 고려 사항
스마트 홈 기기에서 전송되는 전기 신호를 무선 매체를 통해 다른 스마트 홈 기기로 전송할 수 있는 전자기파로 변환하려면 무선 프로토콜 요구 사항을 준수하는 안테나 제품이 필요하다. 이 같은 다양한 요구 사항을 충족하기 위해 각 무선 프로토콜에는 이에 맞는 전용 IoT 안테나 유형이 존재한다(그림 1). 또한 여러 공통 무선 표준 또는 주파수 대역에서 작동하는 다중 대역, 다중 프로토콜 및 다중 서비스 IoT 안테나 제품들도 존재한다.
그림 1: IoT 안테나는 다양한 무선 프로토콜을 충족하기 위해 다양한 폼 팩터로 제공되며, 스마트 홈 기기의 유도 전송 신호를 무선 매체를 통해 다른 스마트 홈 기기로 전송되는 전자기파로 효과적으로 변환한다 (출처: 마우저 일렉트로닉스)
이러한 IoT 안테나는 스마트 홈 기기 애플리케이션, 사용 중인 무선 프로토콜, 그리고 기기의 하우징 디자인에 가장 적합하도록 다양한 폼 팩터로 제공된다. 대부분의 최신 스마트 홈 기기는 사용 편의성을 높이고 설치 또는 취급 중 안테나가 손상되지 않도록 기기 하우징 내부에 숨겨져 있다. 기기 하우징 내부의 안테나는 기기의 인쇄 회로 기판(PCB) 중 하나에 통합된 내장형 임베디드 안테나이거나, 기기 회로 기판에 통공 또는 표면 실장된 온칩 및 모듈형 안테나일 수 있다(그림 2).
그림 2: 장치 하우징에 쉽게 통합할 수 있는 얇은 두께의 FPC 및 PCB 안테나. (출처: 마우저 일렉트로닉스)
외장형 안테나는 여전히 스마트 홈 애플리케이션에서 사용되고 있다. 하우징 외부에 안테나를 설치하면 크기 및 폼 팩터 제약이 완화되는 등 안테나 설계의 자유도가 높아지기 때문이다. 이러한 방식으로 외장형 IoT 안테나는 내장형 안테나 폼 팩터보다 더 높은 성능과 더 저렴한 브래킷에 맞춰 설계할 수 있으며, 이는 더욱 강력한 무선 통신, 더 높은 처리량, 그리고 더 긴 도달 범위를 가능하게 한다. 이 같은 이유로 많은 무선 보안 카메라는 외부 안테나를 사용하는 반면, 스마트 조명 장치는 내장형 또는 온칩 안테나를 사용한다. 이러한 애플리케이션의 경우, 장치의 성능 요구 사항과 폼 팩터는 최적의 안테나 선택에 있어 서로 다른 결과를 초래하는 설계 제약을 야기한다. 매우 작은 장치의 경우에는 온칩, 모듈형, 내장형 안테나가 가장 적합한 경우가 많다.
안테나가 원하는 방향으로 신호를 효율적으로 송수신하려면 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 장애물을 최소화해야 한다는 점에 유의해야 한다. 여기에는 하우징이나 장치 설계 측면도 포함되며, 이러한 이유로 안테나는 일반적으로 회로 기판 및 배선 외부에 위치해야 한다. 공간이 제한된 애플리케이션에서는 개별 안테나로는 동일 위치 간섭이나 원치 않는 결합 없이 이러한 장애물을 최소화하기 어려운 경우가 많다. 이러한 경우 온칩, 모듈 및 내장형 안테나 설계가 효과적일 수 있다.
다중 무선 프로토콜과 단일 다중 프로토콜 안테나를 사용할 수 없는 성능 요건을 가진 애플리케이션에서는 설계에 다수의 안테나를 통합해야 한다. 여러 안테나가 서로 가까이 있으면 동일 위치 간섭 문제가 발생할 수 있으므로, 안테나를 신중하게 선택하고 배치해야 한다. 다중 프로토콜을 지원하는 적절한 회로 또는 무선 프로토콜 모듈을 사용하면 동일한 안테나를 두 개 이상의 무선 프로토콜에 사용할 수 있다. 그러나 다중 프로토콜 사용을 위해 안테나를 페어링하려면 페어링이 인증 요건 및 지역 스펙트럼 규정을 충족하는지 확인하기 위해 여러 매개변수를 신중하게 선택하고 평가해야 하는 경우가 많다.
Amphenol RF의 홈 자동화 솔루션
다양한 무선 프로토콜로 실행되는 여러 IoT 기기를 지원하는 적합한 안테나를 선택하는 데 있어 어려움을 겪는 설계자를 위해 Amphenol RF는 다양한 구성에 걸쳐 광범위한 주파수를 포괄하는 IoT 안테나 솔루션을 제공한다. 홈 자동화 개발에는 효율적인 무선 통신이 필수적이며, 내장형, 내장형 및 외장형 안테나를 포함한 다양한 안테나 포트폴리오를 통해 Amphenol RF는 다양한 스마트 홈 애플리케이션에 높은 효율성과 탁월한 성능을 제공한다. 이 같은 안테나 솔루션들은 구현이 용이하며 셀룰러, Wi-Fi, GNAA, Bluetooth, Bluetooth Low Energy, LoRa, WLC 및 NFC 옵션을 포함한다. 이처럼 광범위한 RF 상호 연결 부품들은 설계별 제약 조건을 충족하여 스마트 홈의 미래를 실현한다.
맺음말
가전 제조업체들은 경쟁력을 갖추기 위해 제품에 스마트 홈 기능을 통합해야 하는 상황에 직면해 있다. 이러한 추세는 스마트 홈 애플리케이션의 다양한 요구 사항을 충족하는 고성능의 다양한 IoT 안테나 제품에 대한 수요를 증가시키고 있다. 이 같은 요구 사항을 충족시키는 일은 다양한 무선 통신 프로토콜과 수많은 설계 고려 사항으로 인해 더욱 복잡해진다. 그러나 Amphenol RF의 IoT 안테나 솔루션 포트폴리오와 같은 제품들은 설계자가 애플리케이션에 맞춰 특별히 설계된 안테나를 통해 IoT 설계 주기를 단축할 수 있도록 지원한다. 셀룰러 네트워크, Wi-Fi, GPS 또는 RFID 시스템 등 어떤 용도이든 이 같은 IoT 안테나 제품들은 다양한 커넥터 옵션과 내장형, 내장형 및 외장형 안테나 구성에 걸쳐 안정적이고 고성능의 연결을 보장한다. 스마트 홈 자동화의 미래는 밝으며, 신중한 설계와 적절한 기술 선택을 통해 더욱 지능적이고 상호 연결된 생활 환경을 기대할 수 있을 것이다.
저자
장-자크 들릴(Jean-Jacques DeLisle)은 로체스터 공과대학(RIT)에서 전기공학 학사학위 및 석사학위를 취득했다. RIT 재학 시에 RF/마이크로파 연구에 매진했으며, 대학 잡지에 글을 쓰고, 즉흥 코미디 동아리 창단 멤버로 활동했다. 학위를 마치기 전에 Synaptics에 IC 레이아웃 및 자동화 테스트 설계 엔지니어로 채용되었다. 동축 안테나 및 무선 센서 기술 개발 및 분석으로 6년의 연구 활동 후에 RIT를 졸업하면서 다수의 기술 논문을 제출하고 미국 특허를 출원했다.