コンパクトIoTデバイス向けアンテナ設計の最適化

ますます多くのデバイスが無線でインターネットに接続されるにつれ、電子エンジニアは多くの課題に直面しています。例えば、いかに無線送信機を既存の装置スペースに組み込むか、いかにますます小さなサイズのデバイスを設計・製造するか。さらに、人間工学、アクセシビリティ、環境との調和に適合したIoT（モノのインターネット）製品に対する顧客要求を満たすことにも努めています。

IoT製品を検討する際、サイズ期待は無線特性と価格と並んで最も重要な考慮事項の一つです。理想的には、エンジニアは小型、優れたRF（無線周波数）性能、低価格のIoTコンポーネントを好みます。しかし、IoTコンポーネントは通常、上記すべての利点を兼ね備えておらず、ソリューションプロバイダーは課題に直面します。

幸い、電子産業が全く新しいシリコンプロセス技術に依存し続ける中、近年はシリコンチップのサイズがますます小さくなっています。MCU（マイクロプログラム制御装置）とRFフロントエンドをSoC（システムオンチップ）構造に統合することで、IoT実装のスペース問題は解決されました。しかし、SoCへの開発トレンドは、RF送信機の物理構造、すなわちアンテナに関する問題を解決していません。アンテナ設計は通常、顧客に任せるか、統合アンテナを備えた使いやすいアンテナモジュールの選択を勧めています。小型IoTデバイスを設計する際、アンテナのスペースは直面しなければならないもう一つの課題です。スペース設計には高効率と信頼性の高い無線接続能力が求められます。

なぜSoCなのか？

21世紀にIoTが最初に開花したとき、業界はM2M（マシンツーマシン）と見なされていました。IoT相互接続に寄与するコンポーネントには主に、GPRSモデム、Bluetoothシリアルケーブル、Sub-G無線が含まれます。すべての設計は、接続実現のために2つの主要コンポーネントを利用します：MCUと無線モデム。基本的なIoT機能実装に十分な最小スペースは全方向で50mmであり、つまりすべてのデバイスのサイズは携帯電話程度です。

シリコン産業がMCUとRF機能を1チップのスペースに統合する技術へ一貫して移行する中、開発者はより多くの機会を得ています。今では、IoTデバイスのすべての機能を同じIC/SoC内で実現できます。ワイヤレスMCUには明確な利点があるため、IoTコンポーネントシステムはワイヤレスMCUへ転換し始めています。その結果、エンジニアは1種類のコンポーネントのみでIoTデバイスを設計でき、スペースを節約できます。さらに、コンポーネントの低コストによりコスト削減も可能です。現代のIoTデバイス構造が選択可能になるにつれ、サイズの利点からSoCベースのシステムがより普及するでしょう。

しかし、SoCへの開発トレンドは物理構造の問題、すなわちアンテナを解決しません。

アンテナをどう配置し、どれだけのスペースが必要か？

アンテナはサイズと効率の両方を考慮しなければならないため、多次元的な複雑さに直面することを認めざるを得ません。BOM（部品表）コストが比較的低いため、IoT設計ではPCBパターンでアンテナを設計するのが一般的です。しかし、PCBアンテナは通常25mm×15mmの範囲内という顕著なサイズ要求を伴い、IoT製品の体積を大きくします。モジュールに適用される際、アンテナには別の欠点があります。シールド材によるデチューニングに非常に敏感で、最終製品組み立てプロセスで最適動作状態に達するよう具体的に考慮する必要があります。SoC設計では、通常の設計の一部として、アンテナチューニングは専門知識に依存して得られます。設計上、PCBアンテナと他のアンテナに違いはありません。

アンテナメーカーは長らく「チップアンテナ」を提供し、設計作業を簡素化してきました。さらに、このタイプのアンテナはサイズで利点があります。このカテゴリのアンテナは主に以下の方法で提供されます：

• a. GNDと非結合のアンテナ。比較的大きなクリアランス範囲を必要とします。典型例はモノポールアンテナとフリップFアンテナ。
• b. GNDと結合したアンテナ。比較的小さなクリアランス範囲のみ必要、またはアンテナを全く必要としません。

両タイプのアンテナは、クリアランス範囲またはグランドプレーンと、PCBサイズにおけるスペース要求を備えています。IoT設計でRFコンポーネントが要求するスペースには、必要なクリアランス範囲も含まれるべきです。ここにはいかなるコンポーネントや配線も残してはならないため、設計者がIoT装置のサイズを見積もる際、PCBサイズとクリアランス範囲をアンテナと互換性を持って考慮する必要があります。さらに、アンテナとシールドエッジの間には一定のスペースを維持すべきです。

IoTデバイスをボタン電池サイズに設計すると、アンテナ効率は確実に損なわれます。サイズを小さくしようとすると、RF性能を達成する効率が低下します。全方向で10mm未満のデバイス性能は、2.4GHzの周波数でしか達成されません。例えば、携帯電話ユーザーに10メートル以上のBluetooth接続を提供でき、これは大多数に受け入れられています。

しかし、全方向サイズが20mmに近づくと、RF効率は劇的に向上します。40mmに近づくと、グランドチューニングを達成した多数のアンテナの高効率が最高値に達します。

これはその後、2つの同等デバイス間の通信距離が、Bluetooth 4.2プロトコルに従って60mm〜400mmの範囲であるべきことを意味します。15.4プロトコル（Zigbeeなど）を適用すると、見通し内の最長通信距離は500メートル以上に達します。したがって、設計者はアプリケーションの違いとターゲットサイズに基づき、PCBサイズとアンテナの性能・効率のバランスを取る必要があります。なぜなら、ほとんどのチップアンテナはPCBグランドプレーンをアンテナ構成の一部分と見なすからです。さらに、アンテナ/モジュール位置も設計フェーズで重要な役割を果たすため、設計者は最適なモジュールグランドを達成するためにクリアランス範囲を考慮する必要があります。