以前にワイヤレスアクティビティを監視しようとしたことがありますか? Bluetooth PCB アンテナ設計により、デバイスが標準化されたマッチング ネットワークに接続できるようになり、Bluetooth エレクトロニクスが世界中に普及しました。 たとえば、私はワイヤレスヘッドフォンを使用して携帯電話から音楽をストリーミングしています。
その後、車に乗り、ハンズフリー システムを使用して電話に応答します。 家に着くと、ハウスアシスタントとコミュニケーションをとることができるので、天気を教えてくれたり、夕食の時間を計画してくれたり、靴を脱いだり、マッサージをしてくれたりすることができます。 ああ、今になって、私が言いすぎたことがわかりました。
Bluetooth 対応デバイスのアプリケーションは数多くあり、ヘルスケア、エンターテイメント、IoT、エンターテインメント、仮想現実などが含まれます。 クリエイティブな設計者は、PCB Bluetooth アンテナが非常に役立つさまざまな用途を持っているようです。
PCB Bluetooth アンテナとは何ですか?
近距離でデータを共有するための Bluetooth は、独自の無線通信技術またはテクノロジと言えます。 2.4GHz デバイスは PCB Bluetooth アンテナを利用できます。 RP-SMA、U.FL、および SMA コネクタは、極小接続から超小型接続までの範囲のサイズで使用されます。
使用する接続に応じて、さまざまなタイプとサイズのケーブルが使用されます。 Bluetooth アンテナの大部分は依然として無指向性ですが、2.4GHz 指向性アンテナも利用できます。 スルーホール、壁面、表面、ポールの取り付けオプションがすべて利用可能です。
アンテナの互換性は Bluetooth デバイスによって異なります。 接続の互換性と周波数定格のチェックは、適切なアンテナを適切なデバイスに適合させるために行われます。 アンテナのブランドによっては、ゲインと範囲が異なる場合があります。 アンテナとデバイスの接続が異なる場合は常に、コネクタ アダプタを追加で使用できます。
PCB Bluetooth アンテナのニーズを定義する際に考慮すべき重要な要素
何よりもまず、その製品はウェアラブルですか?
ウェアラブル デバイスの場合、アンテナの選択と設計は特に困難です。 大部分の Bluetooth ウェアラブルにとって、全方向の通信範囲はフィクションのようです。 2.4GHz で哺乳類 (または人間) の体に到達するすべてのアンテナ放射は、私たちの体に取り込まれます。 本体の反対側にある別の Bluetooth ガジェットはそれを受信できません。
多くの製品開発者は、ウェアラブルには全方向をカバーする必要があると主張しますが、実際には、ガジェットが身体に近づくと、それに関係なく、すべてのエネルギーが身体に向けて失われます。
実際の使用例も考慮する必要があります。 製品を耳の中に装着すると、製品が体内で放出する放射線は信号伝達に効果がありません。
携帯電話は積極的に体に近づけなくても機能するため、視野が広いと役立ちます。 それにもかかわらず、スマートフォンを頭に近づけると、信号のために体を通して放射されるはずのエネルギーが失われます。 このため、アンテナを手や頭から遠くに伸ばすと、隣接するデバイスとの通信能力が向上します。 このため、アンテナを頭や手から遠くに伸ばすと、隣接するデバイスとの通信能力が強化されます。 BluFlux の範囲を拡張するスマートフォン ケースの特許は、そのアイデアに基づいています。
耳の中のイヤホンや頭に近づけた電話、手首に装着するスマートウォッチと比較すると、隣接する人間の組織はほとんどありません。 ユースケースやデバイスごとに明確な設計上の制約があります。
基本的な考え方は、Bluetooth アンテナは人間の近くの組織を通って放射できないということです。
製品は金属で取り付けられますか、それとも金属で囲まれますか?
伝送経路内の固体金属は、アンテナからの E-M 波を完全にブロックします。 製品が完全に金属内に収められている場合は、アンテナを外部に取り付ける必要があり、アンテナは筐体内ではなく筐体から外側に放射する必要があります。 これにより、オプションは PIFA (平面逆アンテナ) やパッチなどの指向性アンテナのタイプに制限されます。
エンクロージャの金属被覆が部分的である場合でも、アンテナを適切に配置することが不可欠であり、その正確な形状によっては、アンテナを外部アンテナにすることが必要になる場合があります。
金属または板金の壁に設置されたスマート メーターは板金を介して放射線を送信できないため、最大の視野を提供するには指向性アンテナがさらに必要になります。
Bluetoothの範囲は何ですか?
製品のターゲット範囲は次のクエリです。 Bluetooth の本来の目的 (50 m ～ 100 m) より長い距離にわたって安定した Bluetooth 接続が必要な場合は、20 mm 未満の Bluetooth チップ アンテナの使用を避けてください。
上記ですでに学習したように、電気的に小さな領域での動作を可能にするために、誘電体 (および高透過性材料) がマイクロ アンテナに組み込まれています。
PCB 不動産 – アンテナ、RF コンポーネント、およびグランド プレーンは、回路基板上の 40 mm x 40 mm のスペース内に収まりますか?
アンテナの効率、設置インピーダンスの整合、およびパターンは、この最小回路基板面積要件の影響を受けます。 Bluetooth チップ アンテナを使用する場合、ほとんどの場合、PCB が「カウンターポイズ」として必要になります。 PCB と実際のチップ構造は両方ともアンテナのコンポーネントです。
クリアランス領域と回路基板のグランドプレーンの要件は何ですか?
効率的な 12 波アンテナを作成するには、1/4 波長アンテナを十分な長さのグランド プレーンと組み合わせる必要があります。 さらに、全方向性アンテナには、グランドプレーンによる干渉を受けずに送信するためのスペースが必要です。
また、特定の PCB レイアウトの ISM 帯域と一致するようにアンテナの動作帯域を調整する部品やサポート部品のためのスペースも確保する必要があります。
これらの PCB 設計コンポーネントは、このようなアンテナが Bluetooth で適切に機能するために不可欠であるため、チップ アンテナのメーカーのほとんどは、これらのコンポーネントを考慮したレイアウトの推奨事項を提供しています。
採用する価値のあるレイアウト原則は、少なくとも 4 分の 1 波長の規則に従う必要があります。この規則では、そのようなグランド プレーンは偏波方向に少なくとも 4 分の 1 波長の長さでなければならないと規定されています。
これは Bluetooth の場合は 31 mm のようですが、通常は長い方が好ましいです (たとえば、Johanson のレイアウト要件では、2.4GHz アンテナのグランド プレーンの長さとして 40 mm を推奨しています)。 このグランドプレーンに対するアンテナの必要な方向と位置は、アンテナの指向性によって決まります。
周囲の素材や目的に応じて、全方向性アンテナまたは指向性アンテナが必要になります。 以下で説明するように、製品の使用例と材質は、アンテナに必要な指向性の量に影響します。
PCB の狭いエッジによって給電される IFA アンテナや全方向性モノポールなどには、長さが少なくとも 31 mm で、理想的には同じ幅のグランド プレーンが必要です。
回路基板設計に適したタイプの Bluetooth アンテナの選択
たとえその分野に関する予備知識がなくても、RF 設計者のように推論する能力を身につけなければなりません。
製品の機能仕様を厳密に定義することは、PCB で動作する適切な Bluetooth アンテナを選択する最初のステップとして機能します。 次の問い合わせを検討してください
製品はウェアラブルですか、それとも柔軟性がありますか?
フォームファクタにはどのような制限がありますか?
製品は梱包または金属に取り付けられていますか?
必要なアンテナ利得と通信距離はどれくらいですか?
このような質問への回答に従ってニーズをより正確に定義できれば、デバイスに適した理想的な Bluetooth アンテナの選択に少し近づくことになります。
製品がウェアラブルになる場合は、スペースが限られている可能性が高いため、チップ アンテナまたはマイクロストリップが推奨されます。 金属プレート アンテナは、長距離通信が最も重要なニーズである場合に、より優れたアンテナ ゲインを実現する理想的な選択肢となります。
前述のフレームワーク内で機能設計ニーズを最適化することで、デバイスに最適なアンテナを選択できます。
セラミックチップを使用したアンテナ
あらかじめパッケージ化されたセラミック チップ アンテナは、比較的コンパクトなフォーム ファクタを備えていますが、効率と利得は低くなります。 帯域幅が限られており、コストが高いため、位置追跡や測距などのアプリケーションには理想的な選択肢ではない可能性があります。 このようなチップは、低距離アプリケーションを頻繁に使用する堅固なウェアラブル技術に最適です。
さまざまなメーカーからいくつかのチップ アンテナが製造されています。 これにより、設計者は、Bluetooth 対応デバイスを支援する適切なゲイン、帯域幅、フォーム ファクターを選択する際に、大きな自由度が得られます。
アンテナは金属板製
大量の電力は、効率が良く、帯域幅が低く、線形利得を備えた金属板アンテナによって処理できます。
小さなフォームファクタを必要とするアプリケーションでは、コストが高く設置面積が大きいため、最適なオプションではない可能性があります。 これらのアンテナは、逆 F アンテナ、モノポール アンテナ、またはダイポール アンテナとして作成でき、直線偏波放射で動作します。
これらのアンテナは、その名前が示すように、特定のパターンがエッチングされた金属板で作られています。 この PCB にも金属板アンテナは直接取り付けられていません。 代わりに、アンテナは、他のコンポーネントに接続する直角ブラケットを備えた回路基板の上に配置されます。 電源プレーン、ラウンド プレーン、およびその他のコンポーネントは、アンテナの下の領域に存在しないでください。
マイクロストリップ アンテナ
コストが重要な考慮事項となる場合、フォーム ファクターがプレート アンテナをサポートできない場合は、PCB にマイクロストリップ アンテナを取り付けることを選択できます。 これらのアンテナは、線形効率と利得の点でチップ アンテナよりも優れています。 これらは回路基板上に印刷できるため、製造が容易になり、プレート アンテナよりも優れた帯域幅が得られます。
マイクロストリップ アンテナを設計する際には、正確な構成が必要です。 マイクロストリップのサイズがわずかに変化すると、アンテナの共振周波数が変化する可能性があり、その結果、共振シフトが大きくなり、2.4 GHz での線形効率とゲインが低下します。 それに伴い通信範囲も狭くなります。 製品のメーカーは、アンテナの厳しい公差に準拠する必要があります。
PCB Bluetooth アンテナの設計オプションと種類
逆 F アンテナを使用した PCB Bluetooth アンテナ設計
誘電率の高い誘電体材料を使用すると、逆Fアンテナ本体をシート状や線状にすることができ、Bluetoothアンテナの小型化も可能になります。 逆Fアンテナは実用化されているアンテナの中で最も普及しており、設計コストは安価ですが、車載アンテナとして使用するとある程度の体積が大きくなります。
通常、アンテナは PCB の最上層に取り付けられます。 その床は、上層のアンテナの近くに位置することが多い。 ただし、アンテナをアンテナの近くに配置しないでください。 この領域は明確にする必要があります。
湾曲したフローを備えた PCB Bluetooth アンテナ設計
蛇行したアンテナの長さを推定することはさらに困難です。 トポロジカルな幾何学的空間と堆積領域によってその長さが決まりますが、通常は 4 分の 1 波長に比べて若干長くなります。 この蛇行アンテナは、多くの場合、PCB パッケージまたは統合アンテナで提供されます。 このアンテナは逆 F 型に似ており、多くの場合 PCB の最上層に取り付けられます。 多くの場合、そのグランドはアンテナに近い上層に配置されます。
関連する PCB Bluetooth アンテナ設計の考慮事項
- アンテナの信号 (周波数 400 MHz 以上) は容易に減衰するため、このアンテナと隣接する地面との間に存在する距離は、少なくともその線幅の 3 倍になります。
- ストリップ線路とマイクロストリップ線路のこの特性インピーダンスは、スラブの厚さ、線幅、ビア、および誘電率によって決まります。
- スルーホールによって生じるこの寄生インダクタンスは、高周波信号を大幅に減衰させます。 その結果、RF ラインにスルーが存在することを避けてください。
結論
さまざまな WLAN テクノロジーや電子レンジなど、2.4 GHz ISM 帯域を使用するデバイスの完全な動物園と共存するために、Bluetooth デバイスは周波数チャネル間をホップします。 Bluetooth Low Energy は、通常の Bluetooth (79) と比較して提供するチャンネル (40) が少ないですが、周波数範囲全体が使用されるため、アンテナの観点からは違いはありません。
