最近では、アンテナはほとんどどこにでも設置されています。 セキュリティ、スマートフォン、IoT デバイスなどの一般的なテクノロジーの大部分はアンテナに依存しています。 そのため、これらは互いに対話することができ、RF を設計とエンジニアリングの最も魅力的で堅牢な分野にしています。 したがって、今日の目的は、アンテナとは何か、アンテナがどのように機能するか、2.4 GHz のアンテナを構築する方法に関する基本的な知識を読者に伝えることです。
2.4 GHz PCB アンテナ設計一般
この投稿のトピックは 2.4 GHz PCB アンテナですが、アンテナに関する基本的な背景知識は初心者にとって非常に役立ちます。 専門家でない場合、または PCB アンテナについてのみ学ぶことが目的である場合でも、このセクションをスキップしてかまいません。
アンテナを適切に入手するには、共振回路とインピーダンス整合をすぐに確認してください。 最適な電力伝送を実現するには、電源と負荷のインピーダンスが正確に一致する必要があります。
アンテナとは、高周波電気を電磁信号などに変換するために使用される構造デバイスを指します。 アンテナには 1 本のワイヤーまたは一連のワイヤーが含まれています。 この特殊な種類のトランスデューサは、高周波電流を電磁波に変換します。
周波数、誘電体材料、ワイヤの長さに応じて、ワイヤは伝送線路に整合するインピーダンスとして機能します。 アンテナは負荷と伝送線路を整合させることができなければなりません。
一方、インピーダンス整合が正しい場合、エネルギーは送信を開始します。 変圧器自体がエネルギーを一次から二次へ伝達するのと同様の方法で環境中に放出されます。 アンテナは、エネルギーを電気から電磁に伝達できなければなりません。
2.4 2.4 GHz PCB アンテナ設計の種類
周波数 4 の導体が空きスペースに露出している場合は、プレーン グランド層に配置する必要があります。 前のセクションで示したように、アンテナとして使用する前に、適切な電圧を供給する必要があります。 アンテナは、車の FM アンテナと同じ高さの場合もあれば、信号ブイの軌道と同じくらい小さい場合もあります。 それは波長によって異なります。 2.4GHz 用のほとんどの PCB アンテナは、次のカテゴリのいずれかに分類されます。
· ワイヤー アンテナ 2.4 GHz PCB アンテナ設計
グランド プレーンには、回路の利用可能な領域に伸びるこの長さ 4 インチの波長ワイヤ セグメントが存在します。 50 オームのインピーダンスを持つ伝送ケーブルがこのアンテナに電力を供給します。
多くの場合、ワイヤー アンテナは最高の機能と放射範囲を提供します。 ワイヤは、ループ状、螺旋状、または直線状であってもよい。 アンテナの長さは基板の上約 4 ～ 5 mm で、この 3 次元構成では空間に伸びています。
ケーブル アンテナは、典型的なビンテージ タイプのアンテナです。 このアンテナを作成するには、ペーパー クリップまたは 1 本のアルミニウム ワイヤを基板に固定します。 -6mm の 5 つのスポットが、アルミニウム ケーブルまたはおそらくペーパー クリップが回路上に置かれた後、この層に向かって平行に立っています。 螺旋状になっています。
風にさらされる 3D アンテナとして使用されるため、RF 効率は抜群です。 このアンテナは、より等方性の放射設計と最高の信号範囲を備えています。 ワイヤー アンテナの無線範囲は 100 フィートを超える場合があります。
この種のアンテナは、小さなファクタ アンテナを必要とする BLE 用途には実際には最適ではありません。 ただし、このタイプのアンテナはかなりのスペースと縦方向の高さを占めるため、十分なスペースがあれば最適な無線周波数スペクトルと指向性を実現できる可能性があります。
ケーブル アンテナは無線周波数の点で優れた性能を発揮します。 ワイヤー アンテナは、他のタイプのアンテナと比較して、放射性能とアンテナ ゲインの点で最高のパフォーマンスを発揮します。
· PCB アンテナ 2.4 GHz PCB アンテナ設計
これは、回路基板上の直線、蛇行、円形、または逆 F 字型のフットプリントとして設計できる PCB トレースの一種です。 ワイヤー アンテナとは異なり、PCB アンテナは外部環境に露出するのではなく、PCB の同じ層に取り付けられた 2 次元配置をサポートします。
空間に現れる 3D アンテナが 2 次元 PCB トレースと同じ PCB 層に配置されるようにするには、いくつかのルールに従う必要があります。 ワイヤー アンテナと比較して、これは多くの場合、より多くの PCB 領域を占有し、効率は劣りますが安価であり、BLE アプリケーションに使用可能なワイヤレス範囲を提供します。
· チップアンテナ 2.4 GHz PCB アンテナ設計
導体付きアンテナです。 小さな IC パッケージの中に導体とアンテナが入っています。 アンテナを小さなサイズに梱包すると、特に有益です。 回路基板上に回路アンテナを設計するのに十分な領域がない場合、USB nano トランスミッターなどのアプリはこのアンテナを利用します。
チップ アンテナは、Bluetooth トランシーバーなど、非常に小さな PCB サイズを備えた特殊なアプリケーションにとって有用なソリューションであることが証明されています。 より高いパフォーマンスを提供し、PCB スペースを最小限に抑え、既製のアンテナとして利用できます。 ただし、小さなチップ アンテナは BOM を増加させ、外部コンポーネントを購入して組み立てる必要があるため、組み立てに追加の費用がかかります。
小型チップ アンテナを使用する場合は、放射性接地領域の影響を受けるもう 1 つの重要な側面を考慮する必要があります。 したがって、接地スペースに関するメーカーのアドバイスに従う必要があります。 実際、チップ アンテナは、PCB アンテナとは異なり、アンテナの長さを変更することによって変更することはできません。 さらに、アンテナを変更するには同様のネットワークが必要であるため、BOM が含まれます。
ほとんどのアプリケーションには、IFA や MIFA などの PCB アンテナが必要です。 これらのコンパクトな小型トレース アンテナは、安価なだけでなく、非常によく機能します。
接地面は、チップ アンテナのパフォーマンスを制御します。 通常、より広い部屋と敷地面積が必要になります。 チップ アンテナが完全に等方性である必要はありません。 いくつかの放射方向に有利な点があります。 最も高い放射線の経路も、プラスチック部品と GND 間隔に応じて異なります。
2.4G アンテナ設計 アンテナの選択
アンテナの選択は、使用目的、既存の PCB スペース、放射範囲、コスト、指向性などの要素によって決定します。
ワイヤレス マウスなど、BLE または低電力 Bluetooth を使用するアプリケーションでは、数 kbps の通信速度と 10 インチの範囲の放射のみが必要です。 それにもかかわらず、音声認識を使用する遠隔制御アプリケーションの場合は、別の屋内アンテナが必要と思われます。 アンテナのデータ速度は 64kbps で、放射範囲は 10 ～ 15 インチの範囲です。
ポータブル オーディオ デバイスには多用途のアンテナが必要です。 「ダイバーシティ アンテナ」という用語は、2 つのアンテナを 1 つの回路基板上にのみ配置することを指します。 マルチパス減衰や反射による追加のアンテナの妨害があるかどうかに関係なく、少なくとも 1 つのアンテナは常にある程度の放射を受信できます。
本物の音声情報を届けるには、多様なアンテナが必要です。 また、パケット損失を発生させずにスループットを向上させる必要がある場合、ビーコン デバイスの屋内の場所にも役立つ可能性があります。
· 2.4 GHz PCB アンテナ設計フィードを考慮
このような幅の制約は、短いアンテナに使用される PCB のトレースではかなり緩くなります。 アンテナの配線とアンテナの給電接点が同じ幅であることを確認してください。
· 2.4 GHz PCB アンテナ設計長を考慮
アンテナの放射の周波数とインピーダンスの選択を変更するには、さまざまな PCB の厚さを考慮してアンテナ MIFA の長さを変更します。 アンテナの各長さには、PCB のサイズに基づいた C&T RF アンテナがあります。
· 2.4 GHz PCB アンテナ設計パフォーマンスに対する環境の影響
一般に、プリント基板の共振周波数グランドボードと製品のプラスチックシェルのサイズと厚さは、消費者製品で使用されるアンテナの性能に大きな影響を与えます。 一種の LC 共振器は、アンテナを複製するのに役立ちます。 LC共振器の共振周波数は、インダクタンスを表すLまたは容量を表すCが増加すると低下します。 機能的静電容量は、RF プレーンとプラスチック カバーが大きくなると増加し、結果として RF が低下します。
· 2.4 GHz PCB アンテナ設計のグランド プレーンの影響
さまざまなサイズの回路基板にアンテナを取り付けることにより、アンテナが共振周波数のグランド プレーンの厚さに対してどの程度敏感であるかを決定するための調査が実行されます。
RF が低くなり、高周波接地層の面積が増えることで接地層の性能が向上し、結果としてリターンロスが小さくなります。 これは、PCB レイアウトを成功させるための重要な要素を構成します。
アンテナの 4 分の 1 波長の性能は、提供されるグランド層が大きいほど、理論上の性能とより密接に相関します。 アンテナ構造におけるこの基本的な考え方は、接地された小型モジュラー アンテナを配置するスペースが不十分であるという課題に対処できます。
· 2.4 GHz PCB アンテナ設計のプラスチック ハウジングの影響
同様に、Bluetooth マウスは、製品のプラスチック シェルがアンテナに及ぼす影響を判断するために、アンテナの共振周波数を測定する前に、プラスチック シェル内のアンテナをテストするのに役立ちます。
アンテナをポリマー筐体の近くに置くと、動作周波数が低下します。
100MHzと200MHzの間が共振周波数です。 必要な周波数帯域を取得するには、必要なアンテナを調整します。
アンテナの共振周波数を100MHz～200MHzの限界まで下げるには、プラスチックケースの厚みだけでなく、接地層の厚みも厚くする必要があります。
2.4 GHz PCB アンテナ設計のシェルとグランド プレーンのガイドライン
- コンポーネント、グランド プレーン、または固定ネジをアンテナの先端の近くやアンテナの長さに沿って配置してはなりません。
- オーディオ ケーブルとバッテリー ケーブルを、回路基板上のアンテナ配線の同じ面を通過させることはできません。
- 金属ケースはアンテナを完全に囲むことができません。 確かに、製品のシェルが文字通り金属製であるか、保護カバーである場合でも、アンテナを完全に囲わないでください。
- アンテナが意図した方法で最大限の放射を得るには、アンテナ D の位置が完成品の経路と一致する必要があります。
- 十分なスペースが必要です: MIFA、チップ アンテナ、IFA、およびケーブル アンテナの S11 パラメータ値は、グランド層のサイズが大きくなるにつれて増加します。
- アンテナ F の直下にはグランド プレーンを配置しないでください。すべてのアンテナがこの設定の対象となります。
- 接地面の間には十分な距離が必要です。 アンテナとその幅はできるだけ短くする必要があります。
