マルチアンテナPCBレイアウト設計：共存とアイソレーションのベストプラクティス

マルチアンテナ設計が重要な理由

現代のモバイルデバイスは、単一のPCB内に4G/LTE、Wi-Fi、Bluetooth、GNSSなど複数の無線インターフェースを常時搭載しています。複数アンテナの設計は自明ではありません。アンテナ同士が互いの性能を低下させずに共存する必要があるからです。このガイドでは、放射パターンからアイソレーション技術まで、アンテナ動作に影響を与える主要因子を網羅し、信頼性の高い高品質信号を実現するPCBレイアウト方法を示します。

共存の基礎

複数のアンテナがデバイスに詰め込まれるとき、デバイス内共存とは、それらが相互干渉を最小限に抑えながら同時に動作する能力を指します。設計目標は、各アンテナの放射効率を維持しながら、十分なアイソレーションを達成することです。

主要設計ルール

• 電圧レギュレータやデジタルロジックなどのノイジーなコンポーネントからアンテナを離す。
• 各アンテナの下にクリーンで連続したグランドプレーンを設け、適切な放射をサポートする。
• PCBスタックアップ全体でアンテナ下のクリアスペースを維持する。
• アンテナが同一グランドプレーンを共有する場合、エッチングビアなどでグランドプレーンの連続性を断ち、結合を低減する。

放射パターンと偏波

すべてのアンテナには特性的な放射パターンがあり、データシートでは3D形状と2D断面で示されることが多いです。パターンはアンテナがその軸周りにどう放射するかを示し、最強放射はアンテナの長軸（偏波）に垂直な方向にあります。

ダイバーシティアンテナ

ダイバーシティは、同一周波数上の2つのアンテナを活用してリンク信頼性を向上させます。第1アンテナがプライマリ、第2がダイバーシティ要素です。2つのアンテナを異なる空間ゾーンに配置する——典型的には90°離し、少なくとも1/4波長以上離す——ことで、相互結合を低減し、補完的な放射パターンを作ります。

ダイバーシティ構成では、両アンテナが同時に送信し、受信側がより強い信号を選択します。この戦略は、マルチパスフェージングが一般的なモバイル環境で特に効果的です。

アンテナ間結合の低減

結合はアンテナの入力インピーダンスを歪め、放射効率を低下させます。一般的な緩和技術には以下があります：

• 物理的分離の拡大（多くのLTEアンテナで20〜40mm）。
• エッチンググランドプレーンビアなどのアイソレーション構造の使用。
• 他方のアンテナ周波数帯域での一方のアンテナ信号を減衰させるビームステアリングフィルタの適用。

異なる周波数アンテナ間のアイソレーション

異なるバンドで動作するアンテナは、クロストークを防ぐため電気的にアイソレートされる必要があります。アイソレーションはネットワークアナライザで測定されるS21係数で定量化されます。実践的戦略には：

• 各アンテナの放射パターンに基づく物理的分離。
• 他方の周波数での一方のアンテナ応答を抑制する選択的フィルタリング。
• 最適化されたグランドプレーンルーティングとビア配置。

エンベロープ相関係数（ECC）の測定

ECCはMIMO性能の主要メトリクスです。0.5未満の値は許容可能なアイソレーションを示します。ECCはSパラメータから導出するか、ファーフィールド放射パターンから求められます——後者がより正確ですが放射パターン測定が必要です。

実践例

以下を搭載するスマートフォンを考えます：

• セルラー接続用LTE/4Gダイバーシティペア。
• 短距離データ用Wi-Fi/Bluetoothアンテナ。
• 測位用GNSSアンテナ。

各アンテナは、強力なLTE信号が弱いWi-FiやGNSS放射体を圧倒しないよう、十分にアイソレートされる必要があります。適切な間隔、フィルタリング、グランドプレーン設計が共存実現の鍵です。

テストと検証

レイアウト後、無響室でオーバーザエアテストを実施します。この実環境測定で結合やパターン歪みが明らかになり、量産前に設計を改良できます。

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Geoff Schulteis氏はAntenova Ltd.のシニアアンテナアプリケーションエンジニアです。アンテナの設計、統合、テストに20年以上の経験を持ち、現在は北米のAntenova顧客向けテクニカルサポートを統括しています。R&Dから製造、商用展開まで、コンシューマー製品向けアンテナシステムの設計、統合、テストに20年以上携わるアンテナエンジニアリングのプロフェッショナルです。

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