1つのデザインに2つ以上のアンテナを配置する方法

複数のアンテナを備えたPCBの設計は簡単ではありません。この記事では、アンテナとそのRF信号の動作に影響を与え、PCBのレイアウトで考慮する必要のあるいくつかの要因に焦点を当てます。

アンテナを設計に配置することは常に注意が必要ですが、設計に2つ以上のアンテナがある場合、アンテナがどのように放射するか、アンテナがどのように一緒に機能するか、およびそれらの相対位置が信号にどのように影響するかを理解することがさらに重要です。

一般に、SMDアンテナは、いくつかの基本的なルールに従っている限り、他のコンポーネントの近くに共存するように設計されています。

アドバイスは、アンテナを他のノイズの多いコンポーネントから遠ざけ、アンテナの下にグランドプレーンを配置して、アンテナが効果的に放射できるようにすることです。 PCBスタックアップ全体を通して、アンテナの下のスペースを空けておくことが重要です。

内部に複数の異なるアンテナを備えたデバイスを設計するには、PCB上の単一のシステムで複数のアンテナがどのように共存して機能するかを知る必要があります。さまざまな無線システムが互いに近接したアンテナで動作するための要件は、「デバイス内共存」と呼ばれます。

場合によっては、2つのアンテナを使用して、ダイバーシティ構成で同じ周波数で連携します。これにより、1つのアンテナだけの場合よりも強力な送信が可能になります。その他の場合、デバイスには異なる周波数で動作する複数のワイヤレス接続が必要であり、「共存」で独立して動作できるように、これらをある程度分離できるように設計する必要があります。

優れた設計により、ボード上のすべてのアンテナの高性能と信頼性を実現できます。設計者の目標は、すべてのアンテナを分離し、すべてのアンテナが正しく一緒に動作できるようにアンテナを配置することです。

放射線パターン

すべてのアンテナには独自の放射パターンがあり、アンテナは無響室などの完璧な状態で放射されるため、製造元のデータシートに示されます。

放射線パターンは通常、3Dパターンおよびそのパターンの2次元断面として表示されます。アンテナはアンテナの長さに沿って走る軸の周りを放射し、アンテナからの電気エネルギーはその軸に垂直な方向に最も強く反射されます。これがアンテナの偏波です。

アンテナの放射パターンは通常、アンテナが使用される周波数帯域の中央で測定されます。

図1.1990MHzでのLTEアンテナの3Dアンテナパターン。 （出典：Antenova）

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図2.1990 MHzでの同じLTEアンテナのアンテナパターン、断面図。 （出典：Antenova）

多様性のペア

ダイバーシティは、2つのアンテナを同じ周波数で一緒に使用して、より信頼性の高いワイヤレス接続を作成するアンテナ技術です。これは、自由空間で動き回るモバイルワイヤレスデバイスに最適なソリューションです。2つのアンテナが連携して動作することで、デバイスが動き回るときに信頼性の高いリンクが提供される可能性が高くなります。

ダイバーシティでは、最初のアンテナがメインアンテナで、2番目のアンテナがダイバーシティアンテナです。 2つのアンテナは同じグランドプレーンを共有でき、異なる空間ゾーンに配置されます。これにより、「結合」（2つのアンテナが同様の信号を反射する現象）が減少します。

ダイバーシティ構成では、両方のアンテナが同時に送信しますが、異なる方向を指します。次に、受信機は2つの信号のうち強い方を受信します。これにより、受信した信号の信頼性が向上します。アンテナのペアは、PCBの反対側の角または反対側に配置できます。

アンテナをダイバーシティ構成で使用する場合は、結合を減らすために配置されます。つまり、2つのアンテナは、放射パターンが互いに完全に異なるように配置されます。

分極化

アンテナの偏波はアンテナの長軸に平行であり、アンテナはこの軸に垂直にエネルギーを放射し、アンテナの両端にヌルパワーのゾーンがあります。

最良の相互相関を得るには、ダイバーシティアンテナのペアを交差偏波、空間および極性の異なる偏波に配置する必要があります。受信機は、アンテナのいずれかから最も強い信号を受け取ります。これにより、1つのアンテナだけで実現できるよりも強力な受信が実現します。実際には、これは通常、2つのアンテナが互いに90°に配置されることを意味します。これにより、異なる偏波が実現され、デバイスが動き回るときに、より信頼性の高い信号が受信機に送信されます。

結合効果の低減

アンテナ間の結合は、コンパクトなデバイスでは自然に発生します。これにより、放射パターンが減少し、各アンテナが受けるクロスチャネル干渉が増加します。また、アンテナの入力特性も変更します。グランドプレーンを介してエッチングすることにより、結合効果を最小限に抑えることができます。

アンテナ間の距離

2つのダイバーシティアンテナ間の距離は、少なくとも波長の1/4である必要があり、それらの間の距離は信号に影響します。

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図3：例–この図は、メインアンテナからダイバーシティアンテナまでのアイソレーションと距離を示しています。比較のために40mm、25mm、20mmを示しています。この例は、AntenovaのインテグラアンテナSR4L049を示しています。 （出典：Antenova）

さまざまな周波数でアンテナを分離する

異なる周波数で動作するアンテナは、互いに干渉しないように配置する必要があります。アンテナの用語では、それらは互いに電気的に絶縁されている必要があります。目標は、高性能を実現するように各アンテナを配置することですが、分離するとアンテナの放射電力が低下する可能性があります。アイソレーションの値は、ネットワークアナライザを使用してS21係数として測定されます。

アンテナ間の分離を改善する方法はいくつかあります。放射パターンを考慮してアンテナをさらに離して配置するだけで、ある程度の分離が作成され、それが役立ちます。

アンテナの各ペアが分離されるようにアンテナを配置すると、アンテナが独立して放射するのに役立ちますが、各アンテナの送信電力がいくらか低下します。

次のオプションは、フィルターを使用して、反対側のアンテナが必要とする周波数で一方のアンテナの効率を下げることです。

図4.ビームステアリングは、ダイバーシティアプリケーションでの分離と相互相関を改善するためのアンテナ技術です。 （出典：Antenova）

ECC（エンベロープ相関係数）

MIMOアンテナシステムの分離機能を検証するために、ECCはMIMOアンテナシステムで研究する重要なパフォーマンス基準です。 ECCは、アンテナシステムのSパラメータまたは遠方界特性に基づいて計算できます。遠方界パラメータに基づくECCは、MIMOアンテナシステムの各アンテナの放射ビームの方向を考慮し、Sパラメータに基づくECCは、2つのアンテナのポート特性を考慮します。

遠方界特性に基づくECCは、アンテナの放射パターンを測定する必要があるため、より困難ですが、分離解析ではより正確であると見なされます。通常、0.5未満のECC値は、MIMOアンテナシステムで許容できると見なされます。

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放射損失と反射減衰量
図5：画像は、並列および直角の2つのアンテナの放射プロットと、2番目の構成がより一貫性のある信号を示していることを示しています。 （出典：Antenova）

結論

多くのモバイルデバイスは、複数のワイヤレス接続を使用しています。これらは、4G / LTE、MIMO / WLAN、Bluetooth、またはGNSSポジショニングアンテナの任意の組み合わせであり、1つの設計内に5つまたは6つのアンテナを簡単に含めることができます。たとえば、セルラーリンクを提供するLTE / 4G用のダイバーシティアンテナ、Wi- Bluetooth用のFiアンテナ、および位置決め用のGNSSアンテナ。この場合の目的は、マルチシステム環境で、すべてのアンテナを並べて動作させることですが、相互に干渉することはありません。共存を考慮しない場合、強力なLTE / 4G信号が、小さなWi-Fiアンテナなどの小さなアンテナからの信号をブロックする可能性があります。

複数のアンテナを備えたPCBの設計は簡単ではありません。この記事では、アンテナとそのRF信号の動作に影響を与え、PCBのレイアウトで考慮する必要のあるいくつかの要因に焦点を当てます。コンポーネントがすべて正しく機能していることを確認するには、PCBを無響室での無線テストに送る必要があります。設計に必要な変更を強調し、アンテナがどのように一緒に動作しているかを示し、デバイスの実際のパフォーマンスを予測します。

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> Geoff Schulteis はAntenovaLtdのシニアアンテナアプリケーションエンジニアです。Geoffはアンテナの設計、統合、テストに20年以上の経験があり、現在、北米のAntenovaの顧客の技術サポートを率いています。彼はアンテナエンジニアリングの専門家であり、R＆Dから製造、商業展開に至るまで、消費者向け製品のアンテナシステムの設計、統合、テストに20年以上の経験があります。

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