デュアルバンドPCBアンテナ設計：EMIを適切に管理する

1980年代以前に生まれた方なら、あの古いレンガのような携帯電話とその巨大なアンテナを覚えているかもしれません。現在に早送りすると、ほとんどの人は自分のスマートフォンにアンテナがあることさえ気づいていません。提案されたアンテナデザインは80年代から大きく進化し、新しいアンテナは複数の周波数帯で送受信できます。

モバイルおよびIoT業界が進化を続けるにつれて、電子デバイスはデータを送受信するために無線通信プロトコルを使用し続けます。これらのデバイスは、その仕事を行うために複数の周波数帯で通信する必要があり、新しいアンテナデザインはPCBに引き続き登場します。デュアルバンドアンテナは、単一のモジュールに2つのアンテナを詰め込み、PCBレイアウトで貴重なスペースを節約するのに役立ちます。

PCB内のデュアルバンドアンテナ

デュアルバンドアンテナは、2つの異なる周波数帯で送受信できるアンテナです。これらのアンテナは、個々のアンテナの能力に応じて、これらの異なる周波数で個別にまたは同時に動作することができます。標準の全方向性アンテナデザイン、例えばモノポール、ダイポール、またはスロットアンテナは、デュアルバンド放射を示すように変更することができます。

ダイポールアンテナモジュールを搭載したPCB

PCB上で利用可能なデュアルバンドアンテナは、2.4 GHzと5.8 GHzで動作できます。このタイプのアンテナは、デバイスが異なるIEEE標準に従って動作させ、WiFiを超えた通信能力の範囲を拡大することを可能にします。一部の携帯電話は、WiFiとは別のデュアルバンド通信を使用しています。

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既製のアンテナモジュールを選択するのではなく、デュアルバンドアンテナをデバイスに簡単に統合できます。統合アンテナはPCB上に直接印刷でき、外部アンテナモジュールと比較して製造および組み立てコストが低くなります。外部デュアルバンドアンテナモジュールはそれ自体のPCB上に印刷されているため、独自の統合アンテナを設計して印刷することで、より小さなフォームファクターを維持できます。

印刷アンテナの設計が得意でない場合、小さなフォームファクターを維持するもう一つのオプションは、レイアウトにセラミックチップデュアルバンドアンテナを使用することです。これらのチップは低コストで、多くの周波数オプションが利用可能です。また、50オームでインピーダンスマッチされており、業界標準を満たし、高い線形利得を持っています。

印刷デュアルバンドアンテナ

PCB上に直接デュアルバンドアンテナを印刷することは挑戦的であり、考慮すべき設計の側面がいくつかあります。高速設計ガイドラインに従う必要がある高データ転送率を持つデバイスがあります。

もしデバイスが広い温度範囲で動作する場合、体積の膨張/収縮がアンテナの共振周波数を変える原因となります。これは意図したキャリア周波数での送受信される電力を変えます。

小さい熱膨張係数を持つ金属を使用すれば、体積変化を最小限に抑えることができます。金属とトレースの熱膨張係数をボード材料のそれと一致させることが重要です。大きな不一致は極端な温度での剥離や破断につながる可能性があります。

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ジオメトリを決定し、設計を計画したら、インピーダンスを合わせる必要があります。市販のアンテナのほとんどは既に2.4 GHzで50オームのインピーダンスにマッチしていますが、カスタムアンテナでも同じことをする必要があります。アンテナとそのドライバー/レシーバー間のインピーダンスの不一致は、2つのインダクタと2つのキャパシタを使用して補償することができます。

アンテナのインピーダンスマッチングには、スミスチャートの基本的な理解が必要です。簡単に言うと、スミスチャートはアンテナと負荷の間の正確なインピーダンスの不一致を視覚化するのに役立ちます。インダクタとキャパシタの配置は、アンテナと負荷インピーダンスの正確な不一致に依存します。

一つのキャパシタ/インダクタのペアは、アンテナまたは負荷と直列に配置され、もう一つのペアはシャント要素として配置されます。一つのバンドのインピーダンスマッチングは、他のバンドのマッチングに影響を与えるため、各バンドを順番にインピーダンスマッチングすることはできません。直列およびシャント要素の配置には、試行錯誤と少しの経験が必要です。

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自己干渉EMI

PCBでEMIを制御するための対策が実施されていない場合、アンテナは自己干渉を引き起こす可能性があります。自己干渉は、放射要素（放射発振器のような）が回路内のどこかで信号を誘導するときに発生します。これは信号対雑音比を低下させ、送信アンテナから送られる信号を歪める可能性があります。これは最初にFMラジオコミュニティで「自己静穏」と呼ばれ、最近ではRFIDチップで深刻な問題でした。

PCB上の電子部品、例えばクロック、マイクロコントローラ、スイッチング電源などは、PCB内で自己干渉を引き起こし、デュアルバンドアンテナによって送受信される信号の一方または両方を劣化させる可能性があります。これらのコンポーネントの高次高調波は、アンテナ信号を妨害する不要な放射を生じさせることがあります。同様に、アンテナはこれらのコンポーネント内で自己干渉を引き起こし、PCBの残りの部分で信号を劣化させる可能性があります。

PCB上のコンポーネントの配置によっては、自己干渉を防ぐための一つの選択肢としてシールドが考えられます。ただし、送信された信号がシールドによって遮断され、目的地に到達しなくなるため、アンテナ自体をシールドすることは避けてください。フォームファクターが許す場合、マイクロコントローラやアンテナをサポートする電子部品などの重要なコンポーネントをシールドすることができ、同じボード上でアンテナはシールドされずに残されます。

シールドを配置することは、特にレイアウトが非常に複雑な場合、すべての設計に適しているわけではありません。フォームファクターによって設計が制約される場合、自己干渉や一般的なEMIに対する感受性を減らすために役立つ多くの設計実践があります。

特に重要なのは、クロックとそのグラウンドプレーンの配置です。クロックから出力トレースをそのグラウンドプレーンの上を通すことでループ領域を最小限に抑えることが重要です。これにより、漂遊RF場によって誘導される電流を減少させることができます。しかし、グラウンドプレーンをクロック自体の直下に配置してはいけません。これは中心給電パッチアンテナを形成するからです。このようなネットアンテナを排除することは、自己干渉を防ぐ最良の方法の一つです。

デュアルバンドアンテナをPCB設計に実装することを可能にする高度な機能と広範なコンポーネントライブラリを備えたAltium Designerは、あなたの設計を促進することができます。また、独自のデュアルバンドアンテナを設計することを可能にする優れたCADツールも備えています。

デュアルバンドアンテナを使用した設計についてもっと知りたい場合は、今日Altium Designerの専門家に相談してください。