小さなPCBを備えたモバイルデバイスのワイヤレスパフォーマンスを向上させる方法

ウェアラブル、医療機器、トラッカーなどの民生用アプリケーションや、照明、セキュリティ、建物管理などの産業用アプリケーションで使用するために、小型のワイヤレスデバイスの需要が高まっています。したがって、電子機器が小さいほど、必要なPCBも小さくなります。つまり、アンテナはより短いグランドプレーンで動作する必要があります。また、電池で動作する場合は、デバイスが過度の電力を消費してはならないため、電力も要因になります。

これは、製品設計者にとって非常に困難です。新製品をキャリアネットワークで使用する前に、最終設計を正式なネットワークと政府の承認を得るために提出する必要があります。アンテナが正しく機能しない場合、またはデバイスがによって無線干渉を生成する場合、設計は失敗する可能性があります。デバイスからノイズを再放射します。したがって、送信と受信の最小レベルを通過するのに十分なワイヤレスパフォーマンスを実現することはより困難であるため、より小さな製品のキャリア承認を取得することはさらに困難になります。これは、ネットワークの承認を得るために設計が厳格な基準を満たさなければならない米国で特に当てはまります。

電気的に小さなアンテナを1GHz未満の周波数で動作させるには、優れた性能と効率を実現するために、理想的には100mm以上のグランドプレーン長が必要です。アンテナの効率が低下すると、消費電力や完成品のネットワーク承認に問題が発生します。つまり、製品設計者にとっての課題は、アンテナが正しく機能するのに十分なスペースがあり、それでもすべてのコンポーネントをより小さなPCBに収める設計を作成することです。

これは、1GHz未満の周波数で動作するアンテナに特に当てはまります。アンテナは通常、IoTデバイス、製品トラッカー、フィットネスデバイス、その他の同様の小型デバイスなどの製品に使用されます。

人体の近くで使用されるウェアラブルデバイスと医療デバイスは、特別な課題を提示します。人体はRF信号を制限するため、設計者はアンテナの放射方法を検討し、人体が信号を妨害しないようにアンテナを配置する必要があります。

ウェアラブルデバイスは、50mm以下まで小さくすることができます。そしてそれらのいくつかは複数のアンテナを使用するかもしれません！

小型デバイスのアンテナの性能に影響を与えるいくつかの要因があり、この記事ではそれらについて順番に説明します。最初で最も重要なのはグランドプレーンです。これは多くの場合、アンテナが放射するために不可欠です。ただし、これだけではありません。設計者は、アンテナを正しく配置し、他のコンポーネントとアンテナに対するこれらの位置を考慮して、アンテナの経路にノイズや金属がないことを確認する必要があります。最後に、デバイスのケーシングが違いを生む可能性があるため、避けるべき主な材料の概要を説明します。

組み込みアンテナ–その仕組み

ダイポールアンテナは2つのラジエーターを使用して動作しますが、組み込みチップアンテナには1つしかありません。組み込みアンテナの場合、PCBの表面が2番目のラジエーターになります。これは、PCBの長さが短すぎると、アンテナが効率的に動作しない理由を説明しています。

アンテナの共振は、その波長に直接関係しています。アンテナは、波長の整数倍または分数で共振する必要があり、最短の共振長は波長の1/4です。

916MHzの周波数の全波アンテナは約327mmの長さである必要があり、これは組み込みアンテナには実用的ではありませんが、1/4波長バージョンは87.2mmのグランドプレーン長で実用的です。これは、表面に取り付けられた小さなチップアンテナ内に隠されている銅のトレースと層に巻き付けられます。

アンテナ設計者は、グランドプレーンを半波長ダイポールの欠落している半分として使用することでこの制限を回避します。そのため、1/4波長モノポールアンテナはグランドプレーンに対して放射します。したがって、小型ワイヤレスデバイスで最も人気のある組み込みアンテナは、1/4波長モノポールアンテナである傾向があります。

グランドプレーンの長さ

組み込みアンテナが効率的に機能するためには、グランドプレーンが最低周波数でアンテナの少なくとも1/4波長である必要があります。したがって、より低い周波数では、グランドプレーンが100mm以上の場合、設計がはるかに簡単になります。

組み込みアンテナの性能は、グランドプレーンの長さに直接関係しているため、平面図を正しい長さにすることは、小規模な設計にとって最大の課題です。

図1は、左側の794MHzから右側の2.69GHzまでのグランドプレーンの長さとアンテナ効率のトレードオフを示しています。

図1.（出典：Antenova Ltd）

これらの結果は、1GHz未満の周波数で小さなグランドプレーンのアンテナ効率がどのように低下​​するかを明確に示しています。これらの結果は、791〜960 MHz、1710〜2170 MHz、2300〜1400 MHz、2500〜2969MHzの周波数で動作する3G / 4Gチップアンテナで得られたものです。

一般に、1GHz未満の周波数を使用するデバイスの場合、グランドプレーンは100mm以上である必要があります。米国では、4G周波数は、100mmよりも長いグランドプレーンを必要とするT MobileのB71帯域と同様に、698MHzまたは617MHzの低い帯域を使用します。

アンテナをPCBに配置する

次に、PCB上のアンテナの位置と、他のコンポーネントとの関係でのアンテナの配置を検討する必要があります。アンテナは、効果的に放射できるように、RFレイアウト全体とPCBスタックアップの最適な位置に配置する必要があります。

個々のアンテナは、PCB上のいくつかの場所で効率的に動作するように設計されています。これは多くの場合コーナーまたはエッジですが、アンテナはそれぞれ異なるため、設計に適合するアンテナを選択し、そのアンテナに関するメーカーの推奨に従って配置することが重要です。

図2は、ウェアラブル製品や時計などの小型デバイスでアンテナがクリアランス領域とともにどのように配置されているかを示しています。

図2.（出典：Antenova Ltd）

図3は、時計の設計に適したアンテナの配置を示しています。この設計では、このアンテナの上下に指定されている推奨クリアランスが維持されています。これは赤で示されています。

図3.（出典：Antenova Ltd）

バッテリーやLCDなどのノイズの多いコンポーネントをアンテナセクションの近くに置かないでください。アンテナは、エネルギーを受け取り、ノイズの多いコンポーネントから放射されたノイズを拾い上げ、そのノイズをラジオに転送して、受信信号を劣化させる受動コンポーネントです。 RF性能を向上させるために、アンテナも人体から離して配置する必要があります。これは、上の図3で青色でマークされた距離です。

RFフィードとグランド接続の配置は、アンテナの機能にとって重要です。小さなPCBに小さな埋め込みアンテナがある場合、PCBにエッチングされた銅のトラックがアンテナの不可欠な部分を形成する可能性があるため、製造元の仕様または参照設計に従うように注意する必要があります。

全体的なRFレイアウトとPCBスタックアップ

設計でRFエレメントのレイアウトを慎重に検討することにより、アンテナのパフォーマンスを最大化できます。銅のグランドプレーンをトレースで切断したり、複数の層に配置したりしないでください。そうすれば、アンテナのグランドプレーン部分がより効果的に放射できるようになります。

LCDやバッテリーなどのコンポーネントは、アンテナの放射方法を妨げる可能性があるため、PCBレイアウトのアンテナ領域から離しておくことが重要です。

マルチバンド周波数の場合、最低4層のPCBレイアウトをお勧めします。

図4は、最上層と最下層がどのようにグランドプレーンを提供するかを示していますが、グランドプレーンから離れている必要があるデジタル信号と電力は、これらの間のスペースで実行されます。

図4.（出典：Antenova Ltd）

パフォーマンスのためにアンテナを調整する

グランドプレーンが理想よりも短い場合、設計者は他の手法を検討して、組み込みアンテナのパフォーマンスを向上させることができます。

1つの方法は、運用国に合わせてアンテナを調整することです。 4Gの周波数範囲は698MHzから2690MHzまでの広い周波数範囲ですが、それぞれの異なる世界の地域はこの帯域の一部のみを使用し、アンテナは一度に1つの周波数でしか動作できません。これは、製品を1つの地理的領域で使用する場合、周波数帯域のより狭いセクションで動作するように調整できることを意味します。これにより、アンテナのパフォーマンスが向上します。

もう1つの手法は、アクティブチューニングネットワーク、事実上追加のRFスイッチング回路を含めることです。これは、ホストPCBが75mm未満の小さなグラウンドによって引き起こされる帯域幅の減少を克服するのに役立ちます。アンテナのフィードポイントの近くにPIマッチング回路を追加して、アンテナを微調整し、パフォーマンスを向上させます。マッチング回路の設計には、通常、RFスペシャリストの支援が必要です。

図5に、アンテナ評価ボードの整合回路を示します。

図5.（出典：Antenova Ltd）

送電線の設計

PCBの材料が選択され、その厚さと誘電率がわかれば、市販のRFトレース設計ソフトウェアパッケージの1つを使用して同一平面上の伝送線路を設計できます。これは、PCBの厚さ、銅層の分離、および基板の誘電率を使用して、伝送線路の最適な幅と両側の適切なギャップを計算し、50Ωの同一平面上の伝送線路を実現します。

すべての伝送ラインは50Ωの特性インピーダンスを持つように設計する必要があり、トランシーバーやパワーアンプなどのRFシステムの他の部分も50Ωのインピーダンスを持つように設計する必要があります。

Antenovaは、設計者が伝送線路のサイズを決定するのに役立つ無料のRF伝送線路計算ツールを提供しています。

その他の要因

同じPCB上で異なる周波数で動作しているが、近接して配置されているアンテナが複数存在する場合があります。アンテナがGPS受信機などの受信専用システムである場合、4Gラジオなどの近くの送信アンテナによって検知が解除され、GPSシステムの精度が低下する可能性があります。これらのアンテナシステムは、アンテナ間の物理的な距離（アンテナが互いに直交していることを確認する）、またはアンテナ間で共有される接地電流を除去するためにグランドプレーンにノッチを付けることによって分離するように注意する必要があります。

多入力多出力（MIMO）システムでは、設計に複数のアンテナが必要になります。アンテナは、共存できるように、一方を他方に対して配置する必要があります。次に、それらを同じ周波数に一致させることができます。アンテナは、分離と相互相関が許容範囲内にあることを確認するために配置する必要があります。上記のように、アンテナ間の物理的な距離によってアンテナを分離するように注意する必要があります。アンテナが互いに直交していることを確認するか、アンテナ間のグランドプレーンにノッチを付けて、アンテナ間で共有されるグランド電流を除去します。アンテナ。

図6は、ダイバーシティの近接構成を示しています。

図6.（出典：Antenova Ltd）

図7は、ダイバーシティの反対の構成を示しています。

図7.（出典：Antenova Ltd）

アウターケースにはアンテナの近くに金属を入れてはいけませんが、エネルギーを効果的に伝導しないため、特定の金属コーティングは許容されます。アンテナの近くにある金属物体は、アンテナの周波数をより低くシフトさせる可能性があります。また、アンテナが動作するように設計されている帯域幅の量を減らすことができます。アンテナの近くにある金属製の物体に関する別の問題は、金属製の物体が金属が配置されている方向の信号をブロックし、全体的な放射パターンを減らし、信号を劣化させて基地局との接続を失う可能性があることです。

結論

製品設計にアンテナを含める場合、特に小さなPCBを使用している場合は、最初にアンテナを選択し、これを最初にPCBに配置することをお勧めします。他の方法で完成した設計にアンテナを挿入するよりも、この方法で行う方が簡単です。アンテナを最初に考えることは、通常、RFエレメントが期待どおりに機能する設計を実現するための最速の方法です。

これにより、デバイスのネットワーク承認を取得する可能性が高くなります。アンテナが承認を得るためであり、規則が厳しい場合、アンテナは効率的に動作する必要があります。ただし、AT＆Tは、107mm未満のデバイスを考慮し、これらの小型デバイスの効率のしきい値を下げました。