最高のPCBアンテナ設計ソフトウェアでアンテナ実装が容易になる

回路基板アンテナの設計は、どのソフトウェアにとっても難しい作業になり得ますが、Altium Designerなら問題になることはありません。これは、あなたのBLEアンテナ設計ソフトウェアとして、そしてそれ以上のことにも対応できるソフトウェアです。

ALTIUM DESIGNER

アンテナ設計が問題なく配置されるようにする

消費者と産業の需要が、より小型の無線デバイスの需要を促しています。これらのデバイスは、ウェアラブル技術、Bluetooth Low Energy (BLE) アプリケーション、個人通信システム、インターネットオブシングス（IoT）アプリケーション、医療技術、自動車の先進運転支援システム、その他の革新的な技術をサポートしています。これらおよびその他のアプリケーションは、物理的なフットプリントとコストを削減しながら性能を維持するPCBアンテナを必要とします。さらに、PCBアンテナ設計は、典型的な2.4 GHz帯からミリ波帯の周波数に至るまでの周波数要件にも対応する必要があります。

PCBやチップアンテナ上に延びる三次元のワイヤーを使用する代わりに、PCBアンテナ設計ソフトウェアはプリント基板上に描かれたトレースで構成されています。アンテナの種類やスペースの制約に応じて、PCBアンテナ設計者が使用するトレースの種類には、直線トレース、反転F型トレース、蛇行トレース、円形トレース、またはウィグルがある曲線トレースが含まれます。PCBアンテナの二次元構造は、製造元が指定した仕様を満たすために、Altium Designerのような堅牢なアンテナ設計ソフトウェアを必要とします。

最高のPCBアンテナシミュレーションソフトウェアは、イノベーションをアプリケーションにマッチさせます

製造業者は、ケーブルやコネクタを含む既製のコンポーネントとしてPCBアンテナを提供する場合があります。利用可能なPCBアンテナオプション（例えば、BLEアンテナ設計、IoTアンテナなど）が豊富にあるため、チームはシステム設計に追加したり、電気的および機械的要件に応じてアンテナをカスタマイズすることができます。PCBアンテナの設計は、基本的なマイクロストリップパッチから、マイクロストリップパッチ、ストリップライン、共面導波管（CPW）伝送線の組み合わせに至るまで様々です。一部の設計では、同じPCBアンテナ内で異なるタイプの伝送線を組み合わせることがあります。

PCBアンテナ設計ソフトウェアの選択は、アプリケーションに依存します。ワイヤレスマウスには、他のアプリケーションが必要とするRF範囲やデータレートと同じものは必要ありません。インターネットオブシングスに接続されたセンサーやデバイスは、より大きなRF範囲と高いデータレートを必要とします。新しいPCBアンテナ設計は、広帯域周波数範囲が必要なシステムアプリケーションや同じアンテナによって複数のアプリケーションが提供されることに対応するために、デュアルバンドおよび複数周波数バンドのカバレッジを特徴としています。

RF範囲の変動のために、同じ電力要件を持つ設計でも、異なるレイアウトを採用し、アンテナ設計のために異なる原則を適用することがあります。アプリケーションに関係なく、アンテナの設計とRFレイアウトが性能に最も大きな影響を与えます。さらに、PCBアンテナシミュレーションソフトウェアは、RFトレースのレイアウトガイドラインに従い、PCBスタックアップとグラウンディングのベストプラクティスに準拠し、電源供給のデカップリングを提供し、適切なRFパッシブコンポーネントで構成されている必要があります。設計と製品要件の違いが、PCBアンテナ設計ソフトウェアの必要性を確立します。

例として、高い利得を必要としない高周波アプリケーションでは、誘電体によって大きなグラウンドプレーンから分離された回路基板の片面に形成されたマイクロストリップパッチからなるモノポールPCBアンテナが使用されます。他のアプリケーションでは、特定の周波数でより高い利得を必要とし、多層構成を使用する場合があります。どちらの場合も、ターゲット動作周波数の波長はパッチのサイズと直接関係があります。

PCBアンテナ設計には基本的なアプローチが必要です

PCBアンテナ設計は、主要な性能パラメータの設定から始まります。これらのパラメータには

• リターンロス
• 帯域幅
• 放射効率
• 放射パターン、および
• 利得

が含まれます。すべてのアンテナは、一般的に50オームの特性インピーダンスを持つ信号フィードとマッチする必要があります。アンテナのリターンロスは、ミスマッチのためにアンテナによって反射される入射電力（dB）の量を示すことで、マッチングの品質を示します。無限のリターンロスは、アンテナが信号フィードとマッチしていることを示します。完璧なアンテナ設計は、すべてのエネルギーを反射せずに放射します。一般的に、設計チームはリターンロス10 dBを十分と見なし、入射電力の90％がアンテナによって放射されます。

アンテナの帯域幅は、アンテナの周波数応答を測定します。異なる視点でこれを説明すると、帯域幅はアンテナが関心のある全帯域にわたって信号フィードとマッチする能力を測定します。BLEアンテナ設計を考慮すると、最大の損失は2.33 GHzと2.55 GHzで発生し、最小の損失と最高の効率は2.40 GHzと2.48 GHzの間で発生します。ほとんどの消費者向けデバイスは、運用環境によって引き起こされるデチューニングの影響を最小限に抑えるために、より広い帯域幅を使用します。

放射効率は、アンテナで反射されない電力が熱または熱損失として散逸する量を説明します。100パーセントの放射効率は、反射されない全ての電力が自由空間に放射されることを示します。PCBアンテナ設計では、熱損失はFR4基板の誘電体損失とトレースの導体損失を通じて発生します。小型フォームファクターのPCBアンテナは、最小の熱損失と最高の放射効率を持っています。

放射効率と同様に、アンテナには特定の放射電力があります。理想的なアンテナの振る舞いは、アンテナ軸に垂直な面内で全方向に均等に電力を放射します。ほとんどのPCBアンテナは、全方向性パターンを持つ優れたが理想的ではない放射効率を持っています。放射パターンは、最も高い放射と最も低い放射を示す方向を示しているため、放射効率はアンテナをアプリケーションに適した向きにする方法を示します。アンテナの利得（dBi）は、理想的な振る舞いと比較したときに、関心のある方向の放射の強さを測定します。

これらのパラメータを観察することと同時に、PCBアンテナは最適な性能を発揮するために適切なサイズのグラウンドプレーンを必要とします。シンプルな設計の観点から、アンテナはLC共振器として振る舞います。共振周波数は、インダクタンスまたはキャパシタンスが増加すると減少します。大きなグラウンドプレーンはキャパシタンスを増加させ、共振周波数を減少させます。より良いグラウンディングは、より良いリターンロスを達成します。正しいグラウンドを確立することで、PCBアンテナ設計者はより良い性能を得ることができます。

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PCBアンテナ設計は課題を提示します

高性能PCBアンテナを設計しようとするチームは、いくつかの異なる課題に直面します。一部のアプリケーションでは、アンテナシステムの性能を向上させるために、送信側と受信側の両方で複数のアンテナを使用する場合があります。しかし、互いに近接しているアンテナ要素は、相互結合によって相互作用を始める可能性があります。要素間の各反応は、アレイが良好なインピーダンスマッチングを維持する能力に影響を与え、電力を無駄にします。さらに、電磁結合はアンテナの放射パターンを乱し、利得を妨げ、共振周波数に影響を与えます。

もう一つの課題は、エンクロージャがアンテナ感度に与える影響です。多くの場合、エンクロージャに使用されるプラスチックは、空気よりも高い誘電率を持っています。アンテナとエンクロージャの間に十分なクリアランスがないと、アンテナはより高い有効誘電率を見ることになります。その結果、アンテナの電気的長さが増加し、共振周波数が減少します。設計チームは、最終的なプラスチックエンクロージャを装着し、製品を典型的な使用シナリオでインストールした状態で、アンテナマッチングネットワークの性能を常に検証するべきです。

高周波数では、RF回路のインピーダンスは、負荷からの距離が異なる場合に測定したときに変化します。RFトレースの幅と厚さ、トレースと地面とのクリアランス、基板の種類もインピーダンス変化の量に影響を与えます。PCBアンテナ設計では、同軸ケーブル、マイクロストリップ線、共面導波路が伝送線として機能します。一般的な実践には、RFトレースの特性インピーダンスを変換し、マッチングソースと負荷インピーダンス間の最大電力伝送を確保するために、受動回路をマッチングネットワークとして使用することが含まれます。

PCBアンテナを利用する電子製品内の高速回路の使用は、電磁干渉と放射される放射のリスクを高めます。集積回路のダウンスケーリングとマイクロプロセッサのクロック周波数の増加によって引き起こされる同時スイッチングノイズ（SSN）は、自己ジャミング、つまり信号対雑音比を悪化させ、アンテナによって送信される信号を歪ませる信号の導入を引き起こします。同様に、アンテナはその伝送線に沿って自己ジャミングを引き起こし、PCB全体の信号を劣化させることがあります。

良いアンテナ設計ソフトウェアは何を提供しますか？

PCBアンテナ設計ソフトウェアは、PCBアンテナを構成するフィルター、マイクロストリップライン、および受動部品を正確に分析します。このソフトウェアは、金属-誘電体層、フィード、およびコネクタタイプを表示することでPCBアンテナ設計を支援します。現代の設計要件を満たすために、PCBアンテナシミュレーションソフトウェアは最適な性能のためのアンテナの幾何学的および電気的特性を提供します。これらの特性を確立することで、ソフトウェアは正しいアンテナインピーダンスと放射パターンをモデル化できます。

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• デュアルバンドアンテナ設計でEMIをチェックする
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分析とシミュレーションは設計プロセスの一部に過ぎない

Altium Designerは回路基板アンテナの課題を解決します

Altium Designerは、一貫したPCBアンテナ性能に必要なインピーダンスの制御とマッチングのためのスキーマティックエディタ、PCBエディタ、および信号整合性分析ツールを提供します。スキーマティックエディタとPCBエディタは、出力ピンから目的の入力ピンまでのインピーダンスマッチングが発生することを保証します。さらに、エディタは、回路全体でマッチングを達成するための終端部品の追加や、PCBアンテナ間の相互結合を防ぐために使用されるデカップリングキャパシタまたは材料の提案を行います。チームは、データベースライブラリやAltium Vaultを通じて、BLEアンテナ設計のようなものをサポートするための正しいコンポーネントを見つけることができます。

Altium Designerの信号整合性分析ツールは、許容できないレベルの反射を持つ可能性があるネットを特定します。これらのツールは、信号反射とクロストークの潜在的なレベルを予測し、潜在的な終端コンポーネントの何が起こるかの分析を提供します。エディタ、設計ルール、およびActive Routeの組み合わせにより、信号の正しいルーティングパスが確保され、信号ルートの下には途切れることのないリターン電流の経路が存在します。これらの技術を用いることで、Altium DesignerはEMIを防ぎ、最適なPCBアンテナ設計性能のための最良の設計を提供します。

クロック、マイクロコントローラー、およびスイッチング電源にシールドを配置することはEMIを排除するための一つの解決策を提供しますが、任意のシールドは送信信号をブロックし、PCBアンテナ設計を覆うべきではありません。Altium Designerは、ルーティングのための設計ルールとそのActive Route機能の組み合わせにより、自己干渉を防ぐことができます。クロックからの出力トレースは、地面プレーンの上を走るべきであり、それにより、漂遊RF場によって誘導される電流を減少させ、ループ領域を最小限に抑えます。Altium Designerはまた、地面プレーンの最適な配置を通じて自己干渉を引き起こす可能性のあるネットPCBアンテナを排除するのにも役立ちます。クロックの直下に配置された任意の地面プレーンはネットアンテナを形成します。

Altiumのレイヤースタックマネージャーは、プリント基板設計で使用されるレイヤーを定義し、スタックに含まれるレイヤーの種類を管理します。PCBアンテナを設計する際、チームはレイヤースタックマネージャーを使用して、各レイヤーの材料の種類、厚さ、誘電率を指定できます。Altium Designerには、ルーティング幅の設計ルールに特性インピーダンス駆動幅オプションも含まれています。このオプションは、インピーダンスを幅の設定に変換する業界標準の方程式を適用します。

Altium Designerは、3D PCBレイアウトツールも提供しており、チームは機械データがPCBアンテナに与える影響を確認できます。設計チームは、コンポーネントモデルをライブラリエディタにインポートし、エンクロージャをPCBエディタにインポートして、正確な衝突テストを実行できます。Altium DesignerはECADとMCADのコラボレーションを可能にするため、ソフトウェアはチームが外部の物理的制約を扱い、適切なボード形状を選択できます。これらのツールを使用して、設計チームは回路とエンクロージャの必要な調整を行い、プラスチックが誘電率に影響を与えないようにします。

Altiumの統合設計環境は、PCBアンテナ設計を容易にします

多くのPCBアンテナシミュレーションソフトウェアが必要なツールを提供していますが、Altium Designerはスキーマティックと回路基板ツールを一つの環境に配置しています。レイヤースタックマネージャーやシグナルインテグリティ分析ツールなどの強力な設計ツールは、同じメニュー、コマンド、機能キーに応答します。Altiumの統合設計環境内に見つかるツールの完全なスイートは、概念をスキーマティックからPCBレイアウト、設計ドキュメント、そして製造と生産へと移行させます。

• Altium Designerでの回路基板のレイヤースタック定義について学びましょう。
• Altium Designerのインタラクティブルーティングについて学びましょう。
• Altium Designerのスマートコンポーネント配置について学びましょう。

どのような設計であっても、安心してください。

Altium Designerの革新的なソフトウェアは、BLEアンテナ設計、医療機器、IoT設計など、あなたの潜在的な設計ニーズを達成し、成功させる能力があります。回路基板を最も正確で安定した方法で生産に移行できる安全性を与えましょう。電子機器を正しく完成させるために、Altium Designerを信頼してください。