無線システムにおけるアンテナ分離の設計

古い携帯電話を分解したことがある人やIoTデバイスを設計する人は、これらの設計には複数の通信機能が存在し、それぞれ異なるアンテナが必要であることを知っています。RF設計者は、相互接続の隔離に注意を払うべきですが、ワイヤレスシステムをモデリングおよび設計する際には、アンテナの隔離も同じくらい重要です。

最も基本的なアンテナ隔離技術は、単にアンテナを離して配置し、マッチングネットワークを設計して、望ましい動作周波数から離れたレベルのフィルタリングを提供することを要求します。複数の通信プロトコルを持つワイヤレスデバイスの実際のPCBでは、さらに進んでスタックアップを考慮し、干渉を抑制するための電磁バンドギャップ構造を設計する必要があります。

アンテナ隔離の種類

複数のアンテナが同じボード上に存在する場合、アンテナ隔離対策を実施するべきです。最も単純な隔離の形態は、異なるアンテナをボードの異なる部分に分けることで、反射器のないアンテナから放射される放射は自然に距離とともに減衰します。これには、アンテナマッチングネットワークを慎重に調整して過剰な利得を防ぐことが続きます。隔離は相互的です。つまり、2つの要素間のアンテナの利得と透過率の両方の機能です。2つのアンテナ間の低い隔離値は、アンテナが互いの放射を拾うことを意味します。

アンテナの分離の「種類」と言うとき、実際には一つのアンテナから放出された電磁放射が別のアンテナにどのように受信されるかを指しています。実際の基板がその筐体に収められると、放射のための環境はかなり複雑になり得ます。以下の干渉源を抑制するために分離を設計する必要があります：

• 直接放射：これは単に一つのアンテナから送信された放射の強度を減少させ、別のアンテナによって受信されることを含みます。これは方向性、偏波感度、および任意の遮蔽要素の機能です。
• 筐体共振：放出された放射は筐体内で共振を励起することができ、これは反射と多重経路伝播によって異なる基板セクション間の干渉を引き起こします。筐体共振は放射パターン内の小さなスパイクとして現れます。
• 導波管モードの励起：アンテナが励起され、特定の周波数で放射すると、平行平面導波管モードの伝播が励起されることがあります。この問題は計画されていないリターンパスの結果ではなく、アンテナからの放射によって発生する効果です。同様に、放射するアンテナ、特に平面アンテナによって表面波が励起され、基板の屈折率と空気の屈折率のコントラストによって異なる基板セクションに導かれることがあります。
• ノイズカップリング：あるセクションからのノイズがEMIとして別のセクションに伝播することがあります。EMIに関するアンテナ間の問題は、賢明なフロアプランニングで部分的に解決されます。

アンテナの隔離は、一方のアンテナが他のアンテナからの放射をどれだけ容易に拾うかの尺度であり、2つのアンテナ要素間のS12の観点から定量化されます。典型的な隔離目標は製品によって異なりますが、少なくとも+20 dBに設定され、隔離はベクトルネットワークアナライザーで測定できます。スマートフォンのように参照平面を共有するアンテナは、グラウンドプレーンで励起される電流のために隔離が低くなり、両方のアンテナの効率が低下する可能性があります。

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直接放射に対する隔離

高指向性アンテナ（例えば位相配列アンテナ）を扱う場合、主瓣と側瓣が直接互いに向かないようにアンテナを慎重に配置すること以外にやるべきことはほとんどありません。同様に、2つの偏波アンテナを扱う場合、2つのアンテナが互いに電気的に直交するように単に向きを変える必要があります。しかし、これは多くの先進的なモバイル/IoT製品では実用的ではありません。

放射が非偏光または弱く偏光している場合、そしてアンテナが互いに近い場合、2つのアンテナとマッチングネットワークの利得は、適切なレベルの隔離を提供するために正確に調整されなければなりません。LCマッチングネットワークは、シリーズまたはシャント抵抗器を使用して、関連するアンテナ周波数でのフィードマイクロストリップに十分なマッチングを提供することができます。2つのアンテナ周波数がかなり異なる場合、マッチングネットワークによって提供される隔離は十分である可能性があります。しかし、高出力の放射器を使用し、十分に近接して配置されたアンテナの場合、隔離レベルを高めるために追加の対策が必要になることがあります。

隔離のための電磁バンドギャップ（EBG）構造

電磁バンドギャップ（EBG）構造について聞いたことがなくても、ビアフェンスについては聞いたことがあるでしょう。ビアフェンスは、ほとんどのRF設計で遭遇するEBG構造の最も単純なタイプである可能性が高いですが、ビアフェンス構造のバリエーションは、アンテナアレイ間の広帯域隔離を提供するように設計することができます。これらの構造は、上記の4つの隔離ポイントのうち2つ、表面波の抑制と導波管モードの抑制に対処するために使用することができます。

概念的には、これらの構造は静電気的に、または回路モデルを使用して分析することができ、どちらの側面もこれらの構造が隔離に役立つ方法の理解を提供します。回路モデルの観点からは、これらの構造はLCバンドストップフィルターとして分析することができ、構造の共振周波数で高インピーダンスを生成します。複数のEBG構造を並列に（つまり、複数の層に）、または直列に（つまり、同じ層上で隣り合わせに）配置することで、共振と帯域幅を所望の値に正確に調整することができます。さらに、並列に積み重ねることで、より高次のフィルターを形成し、構造の帯域幅を狭める効果があります。

EBG構造はビアフェンスよりも多くのボードスペースを取りますが、はるかに高い隔離を提供するように設計することができます。表面波や導波モードの抑制を通じてアンテナ隔離を提供することに加えて、EBG構造はPDN内の同時スイッチングノイズ（SSN）の抑制にも役立ちます。これは、単一の周波数または少数の周波数で動作するアナログコンポーネントにとって非常に有用ですが、デジタルPDNにはそれほど有用ではありません。これは、デジタル信号のように、デジタルPDN内のSSNが広帯域で発生するためです。EBG構造に関するさらに詳しい情報については、このIEEEの記事をご覧ください。

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