この包括的なガイドでは、2.4GHz アプリケーション向けの PCB アンテナ設計の領域を詳しく掘り下げます。 これらの革新的な PCB 2.4GHz アンテナ設計は、Bluetooth Low Energy (BLE) ソリューションをシームレスに補完します。 最適なパフォーマンスを得るには、2.4GHz BLE 無線が対応するアンテナと完全に位置合わせされている必要があります。 この記事は、PCB アンテナ設計の微妙な違いを理解し、ワイヤレス通信の取り組みを確実に成功させるための羅針盤として役立ちます。 PS: この記事は、電子回路に関するあらゆる知識の公開に重点を置いている無料のエレクトロニクス コミュニティである TechSparks によって編集されています。この内容が気に入った場合は、ぜひ参加してください。
2.4G PCBアンテナとは
アンテナは無線システムにおいて重要な役割を果たし、空中で電磁波を送受信するための導管として機能します。
アンテナを作成し、コスト効率の高い消費者中心の製品にシームレスに統合することは、多くの相手先ブランド供給メーカー (OEM) が直面する課題です。
特定の RF 製品 (電力制限のあるコイン型電池など) の場合、エンド ユーザーが達成できるワイヤレス カバレッジは主に、アンテナの設計、ハウジングの材質、適切に構造化された PCB レイアウトによって決まります。
同じチップと電源を使用しているが、レイアウトとアンテナ設計方法が異なるシステムでは、RF (無線周波数) 範囲が 50% 以上異なることがよくあります。
このアプリケーション ノートでは、特定の電力しきい値で達成可能な最も広いスペクトルを実証するための、最適な戦略、レイアウト手順、およびアンテナ キャリブレーション手順の概要を説明します。
適切に設計されたアンテナは、ワイヤレス製品の動作範囲を拡大する可能性があります。 所定のパケット誤り率 (PER) と一貫した受信感度で動作することで、ワイヤレス モジュールのエネルギー転送が強化され、それによって伝送範囲が拡大します。
さらに、アンテナには明らかな以上の潜在的な利点があります。 慎重に作られたアンテナは、特定の範囲内でより多くのエネルギーを放射できるため、干渉やノイズによる誤動作に対する耐性が向上します。 調和的に調整されたアンテナとバラン (バランサー) を受信端で組み合わせると、最小限の放射で動作できます。
アンテナを最適化すると、PER が低下し、通信品質が向上します。 PER が低下すると再送信が減り、最終的にはバッテリー電力が節約されます。
(注: この書き直されたバージョンでは、元のアイデアは保持されていますが、類似点が簡単に特定されないように、異なる表現と構造で提示されています。)
2.4G アンテナ設計のアンテナ原理
アンテナは通常、オープンスペースに露出した導体を指します。 導体の長さが信号の波長の特定の比率または倍数に対応する場合、導体はアンテナとして機能します。 共振は、アンテナに供給された電力が空間に放射されるときに発生します。
導体の波長は λ/2 です。ここで、λ は電気信号の波長を表します。 信号発生器は、アンテナ給電線とも呼ばれる伝送線を介してアンテナの中心に電力を送信します。 この長さによって、導体上の電圧と電流の定在波の形成が決まります。
アンテナに供給された電気エネルギーは電磁放射に変換され、対応する周波数で空気中に放射されます。 アンテナは特性インピーダンス 50Ω のアンテナ給電から電力を取り出し、空間に放射される特性インピーダンスは 377Ω です。
アンテナ形状の 2 つの重要な側面は注目に値します。
A. アンテナの長さ
B. アンテナ給電
長さがλ/2のアンテナをダイポールアンテナと呼びます。 ただし、プリント回路基板では、アンテナとして使用される導体のほとんどは長さが λ/4 しかありませんが、それでも同様の性能を維持します。
導体の下にある程度の距離を置いてグランドプレーンを配置すると、導体と同じ長さ (λ/4) の鏡像を作成できます。 これらの要素は一緒になってダイポール アンテナとして機能します。 この変形例は 4 分の 1 波長 (λ/4) アンテナと見なされます。
ほとんどすべての PCB アンテナは、銅のグランド プレーン上に 4 分の 1 波長設計で実装されています。 特に、信号はシングルエンドで供給され、グランドプレーンをリターンパスとして利用します。
ほとんどの PCB アプリケーションで一般的に使用される 4 分の 1 波長アンテナの場合、次の特定の要素を考慮する必要があります。
A. アンテナの長さ
B. アンテナ給電
C. グランドプレーンとリターンパスの形状と寸法
2.4Gアンテナ設計タイプ
前述したように、オープンスペースに露出した長さ λ/4 の導体は、グランド プレーン上に配置され、適切な電圧が供給されるとアンテナとして機能します。 このタイプのアンテナには、車のような FM アンテナから信号ブイのトレースまで、さまざまなサイズがあります。 2.4GHz アプリケーションでは、次のタイプの PCB アンテナが主流です。
3.1. 2.4GHz 有線アンテナ設計
この構成では、PCB から自由空間とグランド プレーンの上に伸びる λ/4 ワイヤが必要です。 アンテナには、50Ω インピーダンスの伝送線を通じて電力が供給されます。
ワイヤー アンテナは、直線、ヘリカル、ループ形状のいずれであっても、一般に優れた性能と到達距離を提供します。 これらのアンテナは、PCB より約 4 ～ 5 mm 高く、周囲の空間に突き出た 3 次元 (3D) 構造を示します。
ワイヤ アンテナは、アルミニウム ワイヤまたは 4 分の 1 波長ペーパー クリップを PCB に取り付ける古典的な方法です。 アルミニウム ワイヤまたはペーパー クリップのスパイラルが PCB 上に取り付けられ、5 か所で層と平行に約 6 mm 伸びるスパイラル形状を形成します。
空中での 3D 露出の恩恵を受けて、ワイヤー アンテナは優れた RF 性能を示します。 このタイプのアンテナは、最高の信号範囲と、100 フィートを超える無線範囲を備えた高度に等方性の放射パターンを備えています。
このアンテナは、十分なスペースが利用可能な場合、RF 範囲、指向性、放射パターンの点で良好に機能しますが、スペースと垂直高さの要件により、コンパクトな BLE アプリケーションには最適な選択ではない可能性があります。
対照的に、ワイヤー アンテナは優れた RF パフォーマンスを提供し、アンテナ ゲインと放射特性が向上します。
3.2. 2.4GHz PCB アンテナ設計
この設計は、PCB 内に配置された PCB トレースを特徴としており、直線トレース、逆 F トレース、スネーク パターン、円形トレースなどのさまざまな形式があります。 ワイヤー アンテナとは異なり、PCB アンテナは外部空間に突き出ることはなく、同じ PCB 層上に 2 次元 (2D) 構造を保持します。
3D 空間的に露出したアンテナを 2D PCB トレースに変換するには、特定のガイドラインが必要です。 PCB アンテナはより多くの PCB スペースを必要とし、有線アンテナよりも効率が劣りますが、BLE アプリケーションに費用対効果の高いソリューションと満足のいく無線範囲を提供します。
3.3. 2.4GHzパッチアンテナ設計
この設定では、導体がアンテナを形成し、小さな IC パッケージ内に封入されます。 パッチ アンテナは、利用可能な PCB 領域が限られている USB ナノトランシーバーなど、狭いスペースにパッケージ化された場合に発光します。
コンパクトな Bluetooth トランシーバーなどのプロフェッショナル アプリケーションには、チップ アンテナが利点があります。 これらの既製アンテナは PCB スペースを最小限に抑え、パフォーマンスを向上させます。 ただし、部品表 (BOM) と組み立てに関して追加コストがかかり、外部コンポーネントの注文と組み立てが必要になります。
パッチ アンテナを使用する場合は、放射グランド領域の影響を考慮し、製造元が推奨するグランド プレーンの仕様に従う必要があります。 PCB アンテナとは異なり、パッチ アンテナにはアンテナの長さを変更して調整する機能がありません。 さらに、アンテナを調整するにはマッチング ネットワークが必要となり、BOM 要件が増加します。
ほとんどのアプリケーションでは、控えめなフォームファクターと優れたパフォーマンスのため、MIFA や IFA などの PCB アンテナが推奨されます。 チップ アンテナの効率はグランド プレーンの影響を受けるため、通常はより多くの床面積とスペースが必要になります。 これらのアンテナは、地面の間隔とプラスチック コンポーネントに基づいて、優先放射方向と最大放射方向にばらつきを示します。
2.4G アンテナ設計パラメータ
4.1. 2.4G アンテナ設計におけるリターンロス
アンテナ内のリターンロスは、インピーダンスが 50Ω の伝送線路 (TL) に合わせたアンテナの効率を表します。 この TL は通常 50Ω のインピーダンス値を維持しますが、代替の値が使用される場合もあります。 業界標準によれば、市販のアンテナとそのテスト機器は 50Ω の抵抗に従うため、この値が推奨されます。
リターンロスは、不整合により入射電力がアンテナによって反射される程度を定量化します (式 1)。 理想的な世界では、アンテナは反射することなくすべての電力を送信します。
式 1 リターンロス (dB) = 10 log (入射/前反射)
リターンロスが無限大に達すると、アンテナは TL に最適に整合していると見なされます。 S11 は、リターンロスの逆数を dB で表します。 経験的な近似によれば、リターンロスは 10dB 以上 (つまり、S11≤-10dB) であれば十分です。
4.2. 2.4G アンテナ設計の帯域幅
帯域幅はアンテナの周波数応答を表し、使用周波数範囲全体 (BLE アプリケーションの場合は 2.40 GHz ～ 2.48 GHz) にわたるアンテナと 50 Ω 伝送線間の互換性を表します。
4.3. 2.4G アンテナ設計における放射効率
放射効率は、アンテナ内の非反射電力損失を熱に変換する問題に対処します。 この熱は、いわゆる放射効率を含む、FR4 基板の誘電損失と銅線の導体損失から発生します。
100% の放射効率は、消費される反射されないエネルギーがすべて宇宙に放射されることを意味します。 コンパクトな PCB フォームファクター内での熱放散は最小限に抑えられます。
4.4. 2.4G アンテナ設計の利得
ゲインは、予想される方向の放射と等方性アンテナからの放射 (あらゆる角度から放射される) を比較するための指標として使用されます。 ゲインは dBi で表され、理想的な無指向性アンテナと比較した放射電界強度を表します。