モバイルデバイス向け微小PCBでのワイヤレス性能最適化

ウェアラブル、医療機器、トラッカーなどの消費者市場や、照明、セキュリティ、ビル管理などの産業分野で、より小型なワイヤレスデバイスへの需要が高まっています。製品フットプリントが縮小するにつれ、アンテナを搭載するPCBも小型化し、設計者は縮小したグランドプレーンと、電池駆動デバイスのより厳しい電力予算で作業することを強いられています。

この課題への対応は極めて重要です。最終設計はすべて、キャリアネットワークで動作する前に正式なネットワークおよび政府認証を受ける必要があるためです。最適でないアンテナは認証不合格、デバイスノイズの再放射、送受信閾値を脅かす干渉の原因となります。特に米国では、規制当局が精密な性能指標を要求しています。

1GHz以下で動作する電気的に小型なアンテナは、理想的には100mm以上のグランドプレーン長が必要で、許容効率を達成できます。グランドプレーンが短くなると効率が低下し、消費電力が増大してネットワーク認証を満たすのが困難になります。したがって、設計者は微小PCB上で全コンポーネントを収容しながら、堅牢なグランドプレーンのための十分なスペースを確保する必要があります。

この経験則は、通常1GHz以下で動作する一般的なIoT、トラッカー、フィットネスデバイスに適用されます。

ウェアラブルと医療機器は、人体がRF信号を減衰させるため、さらなるハードルとなります。アンテナ配置はボディブロッキング効果を最小限に抑えるよう、向きと人体からの距離を慎重に考慮する必要があります。

一部のウェアラブルは50mmほどのコンパクトさで、複数のアンテナを搭載する製品もあります。

微小デバイスでのアンテナ性能には複数の要因が影響します。グランドプレーンのサイズが最重要ですが、アンテナの正しい配置、近くのノイズ源や金属部品の回避、適切な筐体材料の選択も必要です。

組み込みアンテナの仕組み

組み込みチップアンテナは単一の放射器を使用し、PCB表面がダイポールのもう一方のアームとして機能します。PCBが短すぎると、アンテナは効率的に共振できません。

共振は波長に関連します。916MHzでの1/4波長モノポールには約87mmのグランドプレーンが必要で、表面実装設計に実用的です。設計者はしばしばグランドプレーンを欠損した半波ダイポールとして扱い、1/4波長モノポールをコンパクトデバイスの最も一般的な選択肢としています。

グランドプレーンの長さ

最適な効率を得るには、グランドプレーンが動作波長の少なくとも1/4必要です。1GHz以下の周波数では、これは100mm以上のグランドプレーン長に相当します。

図1は、794MHz〜2.69GHzのバンド全体で、グランドプレーンを短くすると効率が急激に低下することを示しています。

図1. （出典: Antenova Ltd）

これらの測定値は、791〜960MHz、1710〜2170MHz、2300〜1400MHz、2500〜2969MHzをカバーする3G/4Gチップアンテナから得られています。サブ1GHz動作には通常100mmのグランドプレーンが必要です。米国では、698MHzの4GバンドやT-MobileのB71（617MHz）では、さらに長いグランドプレーンが必要です。

PCB上でのアンテナ配置

RFレイアウトとPCBスタックアップ内での配置が重要です。多くのアンテナはコーナーやエッジで最も良く動作しますが、具体的な推奨はメーカーのデータシートに依存します。

図2は、ウェアラブルまたは腕時計型PCBでのアンテナ周辺のクリアランス例を示しています。

図2. （出典: Antenova Ltd）

図3は、赤で示した必要クリアランスゾーンを尊重した腕時計への適切な配置例です。

図3. （出典: Antenova Ltd）

バッテリー、LCDなどのノイズ源コンポーネントをアンテナ近くに配置しないでください。アンテナに結合したノイズは受信信号を劣化させます。アンテナを人体から離してください。図3の青いゾーンが最適な分離距離を示しています。

銅トレースがアンテナの一部を形成する場合、適切なRF給電とグラウディングを確保するため、メーカーのリファレンスデザインを厳密に遵守してください。

全体のRFレイアウトとPCBスタックアップ

RF要素を慎重に配置してアンテナ性能を最大化します。トレースでグランドプレーンを切断したり、複数のレイヤーに分散させたりしないでください。連続したグランドプレーンがアンテナの効果的な放射を可能にします。

LCDやバッテリーなどのコンポーネントをアンテナエリアから離し、干渉を防ぎます。

マルチバンド動作には4層PCBが推奨されます。図4は典型的なスタックアップを示します：トップとボトムレイヤーが堅牢なグランドプレーンを提供し、中間レイヤーでデジタル信号と電力配線をルーティングします。

図4. （出典: Antenova Ltd）

性能向上のためのアンテナチューニング

グランドプレーンが理想的な長さに達しない場合、以下の代替案を検討してください：

• 地域特化チューニング。 アンテナの動作バンドを特定国の4G割り当てに絞り込み、効率を向上させます。
• アクティブチューニングネットワーク。 給電点近くにPIマッチングネットワークを追加し、小さなグランドプレーン（<75mm）での帯域幅損失を補償します。RFスペシャリストがこれらの回路設計を支援することが多いです。

図5は評価ボード上のマッチングネットワークを示しています。

図5. （出典: Antenova Ltd）

伝送線路の設計

PCB材料、厚さ、誘電率が定まれば、標準的なRFトレースツールでコプレーナー伝送線路を設計できます。これにより、トランシーバーとパワーアンプに整合した50Ωの特性インピーダンスが確保されます。

Antenovaは無料のRF伝送線路計算ツールを提供しています。

その他の考慮事項

複数のアンテナがPCBを共有する場合、空間的分離と直交配置がアイソレーション維持に不可欠です。MIMOシステムでは、慎重なレイアウトで相互相関を低く保ちます。

図6はダイバーシティ用の近接配置を示しています。

図6. （出典: Antenova Ltd）

図7はダイバーシティ用の対向配置を示しています。

図7. （出典: Antenova Ltd）

筐体はアンテナ近くの金属部品を避けるべきです。金属メッキコーティングでも共振をシフトさせ帯域幅を減少させます。金属の近接は放射を遮断し、全体のパターンを劣化させます。

結論

微小PCB設計にアンテナを組み込む際は、まずアンテナを選択し配置することから始めます。この「アンテナファースト」アプローチにより、他のコンポーネントを追加する前にRF性能が最適化され、キャリア認証合格の可能性が大幅に高まります。規制当局は厳格な効率要件を課しますが、AT&Tは107mm未満のデバイスに対して閾値を緩和しています。

これらのガイドラインを採用することで、設計者はコンパクトで効率的、かつ準拠したワイヤレス製品を作成できます。