すべてのアンテナにグラウンドプレーンは必要ですか？

PCB設計やRFシステム全般に関してよくある質問の一つに、アンテナの近くでのグラウンドの使用に関するものがあります。他の記事で詳述しているように、そして実際によく知られているように、接地された導体は一般に、そうでなければ材料に伝播するであろう電磁波に対してある程度の遮蔽を提供します。実際には、導体が地面（地球）に文字通り接続される必要はなく、単に入ってくる波を中和するための過剰な電荷の強力な源/シンクとして機能するのに十分な大きさであればよいのです。

EMIや近くの相互接続から発生するノイズについて話している場合でも、PCB内の大きな発信器について話している場合でも、グラウンドの効果は同じであり、アンテナの近くにグラウンドが存在すると、発信器の放射特性に影響を与えます。「アンテナにグラウンドプレーンが必要か」という質問への簡単な答えは「それによる」ということです。この記事でその理由を詳しく説明します。

グラウンドが放射に与える影響

すべてのアンテナにグラウンドプレーンが必要なわけではありません。一部のアンテナは、特定の放射パターンを生成するため、アンテナの入力インピーダンスを制御するため、または実装の実用的な理由から、グラウンドプレーンの上に設計されています。

電気的には、アンテナの下にあるグランドプレーンの機能は、地面領域にイメージエミッターを作り出すことです。これは、電場がグランドプレーンでゼロに終わる電磁界の境界条件を満たすために使用されます。グランドプレーンの上にあるアンテナは、地上の領域より上にのみ放射します。これにより、アンテナから見える放射パターンが決定されます。
小さなパッチアンテナからの放射パターンの例を以下に示します。この例では、パッチアンテナは標準ガイドラインに従い、グランドプレーンの上に配置されています。見ての通り、放射はアンテナの上の領域にのみ行われます。

概念的には、これは予想されるべきことであり、これはグランドプレーンが等しい大きさの反対の極性を持つエミッターのように振る舞い、その放射をアンテナの放射に重ね合わせるために発生します。グランドプレーンは基本的に導電性のグランドプレーンからの放射を反射しているので、グランドプレーンに向かって移動する任意の放射は反射され、グランドプレーンの上の領域に留まります。

これらを踏まえると、グランドを必要としないプリントされたアンテナがあり、PCB内にプリント要素として配置できます。これらは一般的にトレースアンテナであり、逆F型アンテナや四分の一波長トレースアンテナなどがあります。

リファレンスデザインやオンラインのその他のガイドラインを見ると、しばしばアンテナがどの方向にも放射できるように、PCBの地面が完全にクリアされた領域上に設計されているのを見かけます。しかし、他のアンテナは、望ましい放射パターンをエンジニアリングするために、直下に地面が必要です。

一部のアンテナは地面が必要です

一旦、単極、双極、ループアンテナから離れると、効果的であるために地面平面が必要なPCB内のアンテナの例をいくつか見ることができます。ここで強調する簡単な例を二つ挙げます：

1. パッチアンテナアレイ
2. スロットまたはエッジエミッタ

パッチアレイやエッジ/スロットエミッタではない多くのアンテナスタイルを思いつくことができることに注意してください。高周波シミュレータ（HFSSまたはオープンソース向けのopenEMS）があれば、アンテナの放射特性を計算することができます。

まず、パッチアンテナとパッチアンテナアレイについて考えてみましょう。個々のパッチアンテナは基本的にグラウンドプレーンの上にある開放共振腔であり、これらのアンテナはパッチの端の周りで放射します。アレイに配置されると、アレイ内のパッチに接続するマイクロストリップは、高い放射効率を確保するために特定のインピーダンス値を必要とします。したがって、マイクロストリップのインピーダンスとアンテナの固有モード（共振周波数）を設定するために、2つの理由でグラウンドが必要です。

次に、スロットとエッジエミッターを見てみましょう。これらは一般的ではありませんが、マイクロストリップ、基板統合導波管、グラウンド付き共面ストリップライン、またはスロット導波管を使用して設計するのは簡単です。この場合、スロットアンテナは実際にはグラウンドネットの切り欠きであり、スロットを通じて放射することによってアンテナが機能します。簡単な例として、以下に示すマイクロストリップ結合スロットアンテナがあります。入力マイクロストリップはインピーダンス制御が必要で、L2にグラウンドが必要です。

エッジ発光アンテナはシンプルです。伝搬をガイドする構造の端に開口部を設けるだけです。基板統合導波路を使用した例を以下に示します。端での境界条件の一致は、微分方程式の解き方を知らない場合には難しいかもしれませんが、それは別の記事の話題です。基板統合導波路を使用してこれをどのように実装できるか、以下のテストボードを見てみましょう。

アンテナの動作条件を計算するのが難しい場合があるため、設計者は参照設計やメーカーのアプリケーションノートに従うアプローチを取ることが多いです。これらのノートには一般的に注意を促していますが、アンテナ領域のグラウンドガイドラインはほとんどの場合正確であり、従う価値があると言えます。

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