PCBアンテナ設計：種類、原理、ベストプラクティス

無線通信に囲まれた世界では、コンパクトで安価かつ信頼性の高いアンテナへの需要がかつてないほど高まっています。アンテナは電磁波の応用です。アンテナに関する多くの理論と実践が存在しますが、そのうち認識されているものはごくわずかです。無線データ転送のための一つの解決策として、プリント基板（PCB）アンテナの使用が挙げられます。PCBアンテナを使用することは、かさばる外部アンテナを不要にし、電子機器に直接統合するための便利なソリューションです。アンテナがプリント素子として配置されるか既製品を使用するかに関わらず、PCB設計者はアンテナが深いレベルでどのように動作するかを知ることが重要です。本記事では、エンジニアがアンテナの設計、選択、配置方法を理解できるよう、アンテナの背後にある主要な概念のいくつかを紹介します。

適切に設計されたアンテナは、無線製品の最適な動作距離を保証します。無線機から送信できる電力が大きいほど、特定のパケットエラー率（PER）と受信感度に対してカバーできる距離が大きくなります。同様に、受信側の適切に調整された無線機は、アンテナに入射する最小限の放射で動作できます。RFレイアウトは

無線マッチングネットワークとともに、無線機からの電力の大部分がアンテナに到達し、その逆も同様であることを保証するために適切に設計する必要があります。

PCBアンテナの基本理論：

アンテナは可逆デバイスであり、電圧と電流が供給されると電磁波を放出するか、電磁波を受信して電圧と電流に変換します。アンテナは基本的に空間に露出した導体です。導体の長さが信号の波長の一定の比率または倍数である場合、それはアンテナになります。この条件は「共振」と呼ばれ、アンテナに供給される電気エネルギーが自由空間に放射されるため、導体の長さはλ/2であり、λは電気信号の波長です。アンテナは、例えば50Ωのインピーダンスを持つアンテナフィードによって給電され、377Ω2の独立性を持つ自由空間に送信します。したがって、アンテナの形状には2つの最も重要な考慮事項があります：

1. アンテナの長さ

2. アンテナフィード

アンテナは、その形状に応じて電界または磁界を拾うように設計できます。最も単純なアンテナは、特定の長さの単線です。磁気アンテナはワイヤのループを使用し、システム内の送信機/受信機素子は、ループアンテナを含む回路を完成させる負荷のように機能します。

アンテナの種類：

適切なフィードを備えたグランドプレーン上で、自由空間に露出した長さλ/4の導体は、効果的なアンテナになり得ます。波長に応じて、アンテナは車のFMアンテナのように長くなったり、ビーコン上の小さなトレースのように短くなったりします。2.4GHzアプリケーションの場合、ほとんどのPCBアンテナは以下の種類に分類されます：

1. ワイヤアンテナ：これは、グランドプレーン上で長さがλ/4に一致し、PCB上に自由空間に延びるワイヤの一部です。これは一般的に50Ωの伝送ラインによって給電されます。ワイヤアンテナは、その寸法と三次元的な露出により、最高の性能とRF範囲を提供します。ワイヤは、直線ワイヤ、ヘリックス、またはループにすることができます。これは三次元（3D）構造であり、アンテナはPCB平面から4〜5mmの高さで空間に突出しています。

2. PCBアンテナ：これはPCB上に描かれたトレースです。アンテナの種類とスペースの制約に応じて、直線トレース、逆F型トレース、メアンダトレース、円形トレース、または波状の曲線にすることができます。PCBアンテナでは、アンテナはPCBと同じ平面内の二次元（2D）構造になります。自由空間に露出した3Dアンテナが2D PCBトレースとしてPCB平面に持ち込まれるため、従わなければならないガイドラインがあります。PCBアンテナはより多くのPCB面積を必要とし、ワイヤアンテナよりも効率が低いですが、安価です。製造が容易で、BLEアプリケーションに許容される無線範囲を備えています。

3. チップアンテナ：これは、内部に導体が詰め込まれた小型フォームファクタICのアンテナです。PCBアンテナを印刷したり、3Dワイヤアンテナを支持するスペースが限られている場合に便利です。

アンテナパラメータ：

リターンロス：アンテナのリターンロスは、アンテナが50Ω伝送ライン（TL）にどれだけ適合しているかを示します。TLの特性インピーダンスは通常50Ωですが、異なる値の場合もあります。商用アンテナおよび試験装置の業界標準は50Ωインピーダンスであるため、この値を使用するのが最も便利です。リターンロスは、不整合により入射電力のどれだけがアンテナによって反射されるかを示します。理想的なアンテナは、完全に整合されている場合、反射なしに全エネルギーを放射します。

リターンロスが無限大の場合、アンテナはTLに完全に整合していると言えます。ほとんどの場合、リターンロス≥10dBが十分と見なされます。10dBのリターンロスは、入射電力の90％が放射のためにアンテナに入ることを意味します。

帯域幅：帯域幅はアンテナの周波数応答を示します。これは、対象帯域全体、つまりBLEアプリケーションの場合は2.40GHzから2.48GHzの間で、アンテナが50Ω伝送ラインにどれだけ適合しているかを示します。

放射効率：反射されなかった電力の一部は、アンテナ内で熱または熱損失として散逸します。熱損失は、FR4基板の誘電体損失と銅トレースの導体損失によるものです。この情報は放射効率として特徴付けられます。100％の放射効率は、反射されなかったすべての電力が自由空間に放射されることを示します。小型フォームファクタPCBの場合、熱損失は最小限です。

放射パターン：放射パターンは放射の指向性特性を示します。つまり、どの方向により多くの放射があり、どの方向により少ないかを示します。この情報は、アプリケーションでアンテナを適切に方向付けるのに役立ちます。

利得：利得は、すべての方向に均一に放射する等方性アンテナと比較した、対象方向の放射を示します。これはdBiで表されます—理想的な等方性アンテナと比較して放射界がどれだけ強いかを示します。

アンテナの物理設計：

PCB上でも外部コンポーネントとして統合する場合でも、アンテナ設計者の目標は、特定の動作目標を満たすようにアンテナの形状を定義することです：

• 高い放射効率
• フィードラインとフロントエンドに沿った低損失
• 指向性（放射パターン）
• フィードラインの整合
• 十分な帯域幅

アンテナの物理設計とPCBへの配置は、上記のすべての動作特性を決定します。アンテナ設計に使用されるフィールドソルバーは、2つの方法で使用できます：周波数領域でアンテナ本体の電圧と電流分布を決定する（モーメント法または境界要素法を使用）、またはアンテナ周辺に放射される電磁界を決定する。

アンテナ周辺の電磁界が決定されると、ソフトウェアを使用して放射パターンと放射効率を決定できます。アンテナ用のフィールドソルバーは一般的に周波数領域で動作するため、これらの値は周波数の関数としてプロットできます。これにより、設計者はアンテナの放射帯域幅を決定できます。

メアンダ逆Fアンテナ（MIFA）：

MIFAは、そのコンパクトなサイズと効率的な性能により、ヒューマンインターフェースデバイス（HID）で広く使用されているアンテナです。Cypressは、小型フォームファクタで優れた性能を提供する堅牢なMIFAを開発しました。

• サイズ：7.2 mm × 11.1 mm（284 mils × 437 mils）
• 適した用途：ワイヤレスマウス、キーボード、プレゼンター、その他のHIDアプリケーション
• 設計：アンテナトレース幅は全体を通して20 milsです。PCBスタック間隔に応じて変更される可能性のある主要パラメータは、RFトレース（伝送ライン）の幅（W）です。

アンテナのチューニングと整合：

アンテナチューニングは、所望の周波数帯域内でチップ出力からアンテナに向かって測定した場合、アンテナのリターンロスが10dBより大きいことを保証します。このプロセスは、送信と受信の両方で効率的な電力伝送にとって重要です。iンピーダンス整合について、このトピックに関する最近のブログで詳しくご覧ください。

• 送信モード：10dBより大きいリターンロスは、チップからの出力電力の90％がアンテナに送信されることを保証します。
• 受信モード：無線機側を見る場合も同じチューニング手順に従い、インピーダンスが50Ωであることを確認する必要があります。これにより、受信電力の90％が無線機に転送されることが保証されます。

アンテナチューニングと無線機チューニングはどちらもインピーダンス整合の最適化を含むため、総称してアンテナチューニングと呼ばれます。無線機の出力インピーダンスがアンテナインピーダンスの複素共役である場合、電力伝送が最大化されます。ほとんどのアンテナチューニングプロセスでは、これは以下によって達成されます：

1. アンテナインピーダンスを50Ωに変換する
2. バランを50Ωに整合させる

PCBアンテナの設計上の考慮事項：

PCBアンテナ設計に取り組む際、最小限のスペースで最適な性能を達成するために考慮すべきいくつかの主要な要素があります：

1. 周波数帯域：無線システムの動作周波数は、PCBアンテナの寸法と構成を決定するために使用されます。設計方程式とシミュレーションツールを使用して、特定の周波数帯域に合わせてアンテナ寸法を最適化できます。

2. アンテナ形状：形状、サイズ、レイアウトを含むPCBアンテナのジオメトリは、放射パターン、効率、インピーダンスに直接影響します。最高の性能を達成するには、慎重な設計上の考慮が必要です。

3. グランドプレーン：連続的で十分に接続されたPCBグランドプレーンは、ほぼすべてのアプリケーションで、特にPCBアンテナの場合に必要です。この場合、グランドプレーンは基準点として機能し、放射損失を最小限に抑えるのに役立ちます。

4. インピーダンス整合：最小限の信号反射と損失で最大の放射性能を達成するには、PCBアンテナのインピーダンスを内部回路のインピーダンスに整合させることが重要です。整合ネットワーク、スタブチューニング、その他のインピーダンス整合コンポーネントを使用して、インピーダンスの最適な整合を達成できます。インピーダンスが整合していないアンテナは、不要な損失と信号偏差を引き起こす可能性があります。

性能テストと最適化：

PCBアンテナ設計が完了したら、所望の仕様と標準への準拠を確保するために、テストと必要な最適化を実行することが不可欠です。以下のような様々なテスト方法があります：

• Sパラメータ測定
• 放射パターン測定
• インピーダンス整合分析

結論：

結論として、PCBアンテナの設計には、周波数帯域、アンテナ形状、グランドプレーン、インピーダンス整合など、様々な要素を慎重に考慮する必要があります。これらは電子工学と電磁気学の重要な部分であり、正しく設計されないと理論が破綻し、アンテナがまったく動作しなくなります。高度な設計およびテスト技術の使用と組み合わせてベストプラクティスに従うことで、ユーザーはあらゆる無線通信製品向けに効率的で信頼性が高く、低コストのPCBアンテナを開発できます。