はじめに
プリント基板上のアンテナ統合の最適化
アンテナは、電磁波の送受信という重要な機能を果たし、さまざまなアプリケーションで無線通信を容易にします。プリント基板 (PCB) は、アンテナ構造を電子製品に統合するための理想的なプラットフォームを提供します。最適なアンテナ タイプと PCB 材料を選択するには、電気的性能、機械的要件、およびコストの考慮事項を慎重にバランスさせる必要があります。
このガイドでは、一般的なアンテナ タイプ、PCB 基板材料、およびアンテナ設計を適切な回路基板材料と一致させるための重要な基準について詳しく説明します。さまざまなワイヤレス アプリケーションで堅牢なアンテナ性能を確保するために、主要な電気的パラメータと機械的考慮事項について説明します。
Wi-Fi、セルラー ネットワーク、Bluetooth、GPS システム、または特殊な RF バンドのいずれの場合でも、アンテナと PCB 材料を完全に理解することは、最新の電子機器で優れたワイヤレス接続を実現するために不可欠です。
アンテナの性能要因
アンテナ設計を最適化するには、いくつかの重要な電気的および物理的要因を慎重に考慮する必要があります。
共振: アンテナが効率的にエネルギーを放射および受信する周波数帯域。
指向性: アンテナ エネルギーを特定の指向性パターンに集中させること。
ゲイン: アンテナの放射パターンにおける信号強度の増幅。
ビーム幅: アンテナの主な指向性放射ローブの角度幅。
リターン ロス: アンテナからソースに反射される電力の測定値。リターン ロスが低いほど、効率が良いことを示します。
帯域幅: アンテナが許容可能なパフォーマンスを維持できる周波数の範囲。
サイズ: アンテナの物理的寸法。ゲイン能力を制限する場合があります。
偏波: 地球の表面に対する放射電界ベクトルの方向。
これらの各要因は、さまざまな無線通信アプリケーションにおけるアンテナのパフォーマンス、効率、適合性を決定する上で重要な役割を果たします。
一般的なアンテナの種類
さまざまなアンテナ タイプには、ワイヤレス アプリケーションに固有の利点と考慮事項があります。
モノポール アンテナ
全方向性放射パターン
グランド プレーン リファレンスが必要
中程度のゲインとビーム幅
シンプルな PCB トレース構造
ダイポール アンテナ
双方向放射パターン
バランス フィードが必要
低～中程度のゲイン
PCB に簡単に統合可能
平面逆 F アンテナ (PIFA)
薄型でコンパクト
全方向性放射パターン
共振周波数は形状によって決まる
中程度の帯域幅
マイクロストリップ パッチ アンテナ
薄型設計
指向性放射パターン
狭い帯域幅
ビーム ステアリングに使用されるアレイ
スロット アンテナ
グランド プレーンにエッチングされたスロット
中程度のゲインで広いビーム幅
全方向性または双方向パターン
パッチ アンテナ構造を補完
ホーン アンテナ
非常に高いゲインと指向性
狭い周波数で動作バンド
より大きな物理的プロファイル
低損失と高効率
アンテナの種類を製品のサイズ、帯域幅要件、および必要な放射パターンに合わせることで、無線通信システムで最適なパフォーマンスが保証されます。
アンテナ給電技術
アンテナは、それぞれ異なる特性を持つさまざまな給電構造を介してトランシーバーに接続します。
同軸ケーブル:
1.シンプルでコストも中程度
2.信号損失は中程度
マイクロストリップライン:
1.PCB 上のフォトリソグラフィートレースを使用
2.コスト効率の良い価格で低損失伝送を実現
導波管:
中空の金属パイプで構成
信号損失は最小限ですが、製造コストが高くなります
開口部:
導電性表面の形状開口部を通じてエネルギーを転送
設計の柔軟性と独自の統合の可能性を提供
適切な給電構造を選択するには、複雑さ、信号損失、統合の実現可能性、帯域幅要件などの要素のバランスを取る必要があります。マイクロストリップラインは、PCB 基板へのシームレスな統合が可能なため、多くの場合好まれ、さまざまなアンテナアプリケーションで信頼性の高いパフォーマンスを保証します。
アンテナ地上構造
ほとんどのアンテナは、効率的に動作するためにグランド プレーン構造を必要とします。
連続グランド プレーン – 1 つのレイヤー全体を使用することで、一貫した低インピーダンス リファレンスを提供します。
アイランド グランド プレーン – アンテナの下のグランドを分離することでスペースを節約しますが、ある程度の結合は許容します。
フェンス – 高インピーダンス フィールドをシールドするために、アンテナを銅製の絶縁壁で囲みます。
ハニカム – 周期的なオープン セル メッシュは、絶縁とコンパクトさをトレードオフします。
ハイブリッド – バランスの取れたアンテナ絶縁のために、ローカル アイランドと周辺フェンスなどの手法を組み合わせます。
注意深いグランド構造は、アンテナの動作をシールドしながら、PCB の無駄なスペースを最小限に抑えます。
アンテナシミュレーション
製造前にアンテナ性能を正確にシミュレートすることで、開発の繰り返し回数を減らすことができます。
有限要素 EM ソルバー
ANSYS HFSS などのソルバーは、完全な 3D EM 解析を使用して、放射、インピーダンス、結合を詳細にモデル化します。
モーメント法ソルバー
FEKO などの MoM ツールは、パッチ、スロット、モノポールなどの平面アンテナの解析に優れています。
アンテナ アレイ
要素間の相互結合をモデル化して、アレイ性能を最適化します。
回路のコシミュレーション
システム回路モデルに統合されたアンテナのインピーダンスと放射をコシミュレーションします。
プロトタイピング
テスト プロトタイプにより、動作条件全体でシミュレーション モデルを迅速に検証できます。
成熟したアンテナ シミュレーションにより、製造前に仮想プロトタイプを実際の性能に非常に近づけることができます。
PCB基板材料
回路基板の材質は、次の点でアンテナの性能に大きく影響します。
誘電率 – 共振寸法とインピーダンス整合に影響します。
誘電正接 – 損失の多い材料はゲインと効率を低下させます。
異方性 – 取り付け面に関係なく一貫した特性があります。
吸湿性 – 電気パラメータの変化を防ぎます。
耐熱性 – 近くのコンポーネントからの熱に耐えます。
機械的強度 – 振動、曲げ、衝撃に耐えます。
厚さ – 基板が薄いほど放射効率が向上します。
PCB基板の選択ガイドライン
アンテナ PCB 材料を選択するときは、次のガイドラインに従ってください。
誘電率 – 放射効率を最大化するには、PTFE (Dk=2.2) などの低 Dk 基板を使用します。Dk が高いほど、サイズを小さくできます。
誘電正接 – サイズを縮小する必要がある場合を除いて、アンテナ効率のために低損失材料 (Df<0.005) を指定します。
異方性 – 曲げや PCB の取り付け方法に関係なく、誘電特性が安定していることを確認します。
吸湿性 – 吸湿性が 0.2% 未満の基板を探します。
耐熱性 – 鉛フリーはんだ付けおよび隣接コンポーネントには、基板の Tg が 250°C 以上である必要があります。
厚さ – 最適な高周波応答を得るには、約 3～5 ミルの薄いラミネートをターゲットにします。
機械的特性 – 環境暴露に耐える堅牢で柔軟な基板を指定します。
入手可能性 – コスト効率と安定した供給のために、大量の市販 PCB 材料を使用します。
価格 – コストと電気的および機械的ニーズのトレードオフを検討します。
アンテナ、製品、および生産要件のバランスを慎重に取ることで、最適な PCB 材料が生まれます。
一般的なアンテナPCB材料
標準的なマイクロ波 PCB 材料:
1.Rogers RO4000 シリーズ
2.Taconic RF-45
3.Isola IS410
4.Polyflon PTFA
5.Park Nelco NH9211
これらは、安定性、低損失、粗さの一貫性により、アンテナ統合に日常的に使用されています。セラミック充填 PTFE 複合材などの高周波配合により、アンテナ向けに最適化されたさらなる強化が実現します。
結論
PCB 材料を通じて最適なアンテナ性能を実現するには、重要な電気的および物理的要因を慎重に考慮する必要があります。PCB 技術により、さまざまなアンテナ タイプをコンパクトなワイヤレス デバイスに統合できます。アンテナ要件に合わせて適切な基板を選択すると、信頼性の高いワイヤレス接続が確保され、コスト効率、小型化、操作の簡略化のバランスが取れます。