アンテナを追加すると設計プロセスがどのように変わるか
製品がワイヤレスでアンテナが必要な場合、設計サイクルは少し異なります。アンテナは、PCB上の最適な位置に注意深く配置する必要があるため、設計プロセスを変更します。アンテナは、設計の他のコンポーネントとの関係を考慮することが重要です。
理想的には、設計者は他のコンポーネントを検討する前に、デザインのRF要素を配置する必要があります。この記事では、最適なアンテナの選択から始めて、アンテナが設計サイクルに追加する追加の段階について説明します。
アンテナの選択
最も人気のある組み込みアンテナは、表面実装デバイス（SMD）グループです。ボードスペースを効率的に使用することだけでなく、デバイス内で優れたパフォーマンスを実現できることからも人気があります。これらのアンテナは小さいです。それらは直径1mmまで小さくすることができ、ボードの組み立てプロセス中にホストPCBに直接リフローされます。一般的に、それらは高品質の誘電体ラミネート基板から製造されます。
設計者は、既製のアンテナモジュールの使用を検討することもできます。これらには、他のコンポーネントと一緒に小さなパッケージにアンテナが含まれており、設計にすぐに組み込むことができます。アンテナモジュールを選択する主な利点は、アンテナモジュールを設計に組み込むことができ、RF回路が既製で提供されることです。
フレキシブルプリント回路（FPC）アンテナは、設計のコンポーネントレイアウトが利用可能なボードスペースに制限されている場合、または何らかの理由でSMDアンテナが簡単に適合しない場合に興味深いオプションになる可能性があります。 FPCは、一体型ケーブルと回路基板に接続するためのUFLコネクタを備えた銅製カバーテープの薄層で構成されています。曲面にわずかに曲げられるほど薄く、デバイス内の小さなスペースに押し込まれ、デザインの外側のケーシングの内側に固定されている可能性があります。 FPCは、スペースが狭い場合に適した選択肢であり、小型のハンドヘルドデバイスで人気があります。
デバイスの設計にパフォーマンスを低下させる可能性のある材料が含まれている場合、設計者は外部アンテナを選択する可能性があります（図1）。組み込みアンテナは、金属部品の近くでは強力なパフォーマンスを達成できない傾向があるため、大きな金属機能が設計に組み込まれている場合、デバイスの外側に配置された端末またはケースに取り付けられたアンテナが最高のパフォーマンスを提供する可能性があります。
図1.外部アンテナオプションには、（左から右へ）SMDアンテナ、FPCアンテナ、またはターミナルアンテナが含まれます。出典：Antenova
これらのアンテナは、RF信号を分離するために独自の絶縁材料で製造されており、近くに金属部品がある場合でも、最小限の損失で動作します。ケースに取り付けられたアンテナは、PCB上の他のコンポーネントのためのスペースを解放し、設計の他の部分にそれほど敏感ではないため、統合が容易です。
アンテナの配置
典型的なワイヤレス設計のすべてのコンポーネントの中で、アンテナはおそらくその位置に最も敏感です。したがって、アンテナの配置は最初から決定することをお勧めします。
SMDアンテナはホストPCBに直接はんだ付けされており、アンテナの位置はそのRF性能に影響を与えます。アンテナは、軸に沿って、通常はアンテナの長さに沿って6方向に放射します。これは、うまく機能するためには、反射および吸収の障害物がないように、できるだけ多くの方向を持っている必要があることを意味します。このため、アンテナはPCBの隅に配置されるか、PCBのエッジの1つで使用されるように設計されていることがよくあります。メーカーはアンテナをさまざまな位置で動作するように設計しており、各アンテナのデータシートには、アンテナの放射方法と、パフォーマンスを最適化するためにアンテナをホストPCBに配置する方法が正確に指定されています。
図2.SMDアンテナはPCBの長辺に配置されています。出典：Antenova
ノイズを発生させ、アンテナの放射性能にインピーダンスを発生させる可能性があるため、アンテナからできるだけ離して配置する必要がある特定のコンポーネントがあります。干渉を引き起こす主な原因は、モーター、バッテリー、およびLCDなどの金属含有量の高いコンポーネントです。
最後に、デバイスの外部ケーシングもアンテナの放射フィールドの中断を引き起こす可能性があります。デバイスにプラスチックカバーが付いている場合、プラスチックは空気よりも誘電率が高く、アンテナの共振周波数をデチューンする可能性があるため、注意してください。
RF用のグランドプレーンとボードの設計
SMDアンテナは通常、放射するためにグランドプレーンを必要とします。組み込み設計では、グランドプレーンはPCBのセクションであり、RF信号が往復するための平坦な隣接表面を提供します。グランドプレーンは、アンテナの最長波長に関連する特定の長さである必要があります。したがって、アンテナが効率的に放射できるように、PCBのグランドプレーンに適切な量のスペースを提供することが重要です。
繰り返しになりますが、アンテナメーカーのデータシートで説明されます。グランドプレーンがアンテナの下にある場合もあれば、アンテナに隣接している場合もあります。これはアンテナごとに異なり、SMDアンテナを選択する際の要因になります。
グランドプレーンを必要とするだけでなく、アンテナは多くの場合、アンテナの周囲に他のコンポーネントがないようにするための特定のスペース、つまり立ち入り禁止エリアを必要とします。各アンテナのキープアウト要件も個々のアンテナごとに異なります。これらの領域は、アンテナの下にあるボードのすべてではないにしても、場合によっては複数のレイヤーを介して、他のコンポーネントから離しておく必要があります。
デバイスのRFパフォーマンスは、RFトレースラインが無線からアンテナまで可能な限り短く保たれている場合に最高になります。これは、伝送線路が長くなると、銅トレースで反射や信号エネルギー損失が発生しやすくなり、デバイスの全体的な放射性能が低下する可能性があるためです。したがって、設計のRF要素をアンテナのできるだけ近くに配置することをお勧めします。
一部の設計では、RF回路内の集中定数整合回路（Pi整合回路など）を使用して、動作帯域幅を改善するためにアンテナを調整できます。
図3.アクティブチューニング回路を備えたアンテナ設計は、より小さなグランドプレーンで見られる帯域幅の減少を克服できます。出典：Antenova
ガーバーレビューとRFテスト
設計が完成する前に、ガーバーファイルレイアウトレビューは、PCB設計のレイヤースタックアップ内のRF回路と伝送ラインの適切なチェックを提供し、完全に正しくない領域にフラグを立てます。ガーバーレビューは、アンテナ、モジュール、伝送線路、ビア、およびPCB材料がすべて、良好なRF性能のために最適化されていることを確認します。ガーバーレビューの料金を請求するアンテナ設計会社もあれば、無料で提供するアンテナ設計会社もあります。または、この目的でソフトウェア設計パッケージを使用することもできます。
次のテストは、アンテナがPCB上でどれだけうまく機能するかを測定することです。これは無響室で行われます。ただし、アンテナはチャンバーの完璧な状態でうまく機能し、最終的なアプリケーションでは動作が異なる場合があります。この場合、環境内の人や物がアンテナの放射方法に影響を与える可能性があります。したがって、ウェアラブルデバイス、または人体の近くで使用される医療デバイスの設計では、アンテナを調整して、無響室のファントムヘッドまたはファントムハンドでテストする必要があります。
パッシブテスト、無線（OTA）テスト、合成開口レーダー（SAR）など、さらにいくつかのテストで、設計が実際にどの程度機能するかを評価できます。結果は、効率、スプリアス放射、総放射電力、および総等方性感度について測定されます。
設計をテストして、デバイスが日常の使用で正しく機能し、放出や干渉が発生しないことを確認することが重要です。これらのテストは、設計にキャリアネットワークの承認が必要な場合に重要であり、通常は専門のRFテストサービスを使用します。
最後に、セルラーネットワークのすべての設計は、そのネットワークで使用するための承認を得るために、モバイルネットワークキャリアによって認定されている必要があります。
>>この記事はもともと姉妹サイトのEDN。
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Geoff Schulteis はRFアンテナアプリケーションのスペシャリストであり、Antenovaの北米の顧客設計の技術サポートを主導しています。 >
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