組み込みRF設計: セラミックチップアンテナと基板トレースアンテナ

Altium Designer
|  February 16, 2018
組み込みRF設計: セラミックチップアンテナと基板トレースアンテナ
現代的なカフェの内装

 

過去数年間にわたってカフェの文化は大幅に進化しており、新しいカフェの多くでは、店に何か独創的な工夫を加える新たな方法を探し求めています。カフェと本屋を組み合わせたり、特定地域のコーヒー豆の技術を持つバリスタを抱えるグルメ向けコーヒー、さらには猫カフェなどの変わり種も出現しました。 

しかし、結局のところ、カフェの客が求めているのは飲み物や軽食を口にする、友達と会って話をする、またはオフィスや家庭の外で何かの仕事を片付けることです。表面的な飾り付けで店を際立たせることもできるかもしれませんが、主要な概念は比較的変化しないものです。これは、プリント基板部品の選択肢の決定とよく似ています。 

長年にわたるロボティクス、AI、IoT開発とともに、小型、高性能、低コストの組み込みRFトランシーバー ソリューションに対する需要は増え続けています。設計者がセラミックチップと基板トレースのどちらのアンテナタイプを選択するかを左右する主要な要因がコスト、基板レイアウト、専門技術であることは依然として変わりません。

基板アンテナ: 使用周波数範囲の確認

従来は、設計技術者はより信頼性の高いトレースアンテナについて目的の周波数範囲と出力のトレードオフを検討していました。今日の組み込みアンテナのハードウェアは、400MHz~5.5GHzの間の特定の帯域で動作するように割り当てられています。セラミックアンテナの実装がより信頼性が高く、安価で、使いやすくなるにつれ、この競争は過熱しつつあります。

実際には、製造前に設計者が基板設計CADでプリント基板上に配置する単純なワイヤトレースの費用はわずかなものです。トレースアンテナは低コストであるにもかかわらず、依然としてセラミックチップアンテナが好まれることはよくあります。セラミックチップアンテナによって得られる小型化、実装の容易さ、環境からの干渉に対する耐性の高さがコストを相殺する場合があるためです。

基板トレースアンテナ

基板トレースアンテナは、特に小型で高信頼度の実装において、設計、実装、調整が難しいとされています。ワイヤアンテナと同様、トレースアンテナのサイズは目的の帯域幅の周波数で決まります。例えば低い周波数では、信号を共振させるにはトレースアンテナの長さをより長くする必要があります。

セラミックチップアンテナと比較して、基板トレースアンテナには次のような利点があります。

  • トレースアンテナは製造プロセスでプリント基板に組み込まれる
  • 最適に調整した場合、トレースアンテナはネットワークの信頼性と信号強度を高めると同時に広い帯域幅で動作できる
  • トレースアンテナは薄型である

基板トレースアンテナの欠点を以下に示します。

  • 特に低い周波数で、設計が困難である。基板レイアウトの変更の影響を非常に受けやすく、変更するごとに調整が必要となり、場合によっては製造のやり直しが必要
  • セラミックチップアンテナよりもはるかに多くの面積を必要とする。特に低い周波数の設計ではこの問題が顕著である。多くの基板面積が占有されるため、設計のコストが増大する
  • トレースアンテナは、環境からの干渉の影響を非常に受けやすい

基板トレースアンテナは、製造後に設計者が物理的な変更を加えることができません。変更が必要な場合、ユーザーは設計を変更してから基板を再度製造する必要があります。基板アンテナはサイズが大きくなる可能性があり、設計/調整プロセスに時間を要する(通常、シミュレーションソフトウェアや大規模なテストが必要です)という性質が、基板の設計者が基板アンテナの代わりにセラミックチップアンテナを使う動機となる場合があります。

アンテナが取り付けられたプリント基板上のSIMカード
実際のアンテナの外観はこれとは多少異なるかもしれませんが、サイズと周波数の問題は変わりません。

セラミックチップアンテナ

セラミックチップアンテナも通常ネットワークアナライザーによる調整が必要ですが、トレースアンテナのような、基板の印刷後に変更できないという物理的特性はありません。このため、シミュレーションソフトウェアが必要なく、また以前の部品が無駄になり新たな試作基板の製造に費用が掛かることもありません。

セラミックチップアンテナ自体にも、以下の利点があります。

  • サイズが小さく、広範な構成を使用可能
  • 周囲の環境ノイズや部品による干渉を比較的受けにくい
  • 基板の設計やレイアウトに変更を加えやすく、シミュレーションの必要もない。セラミックチップアンテナはチューニングしやすく、置き換えも可能
  • セラミックチップアンテナには、以下に示す欠点もあります。
  • セラミックチップアンテナと、必要な部品を購入するための初期コストが高価(現在のところ、チップアンテナの平均価格は0.10~1.60ドルです。)

セラミックチップアンテナは、設計段階の完了後に基板に追加する部品です。この特徴から、開発時に多様な調整が可能です。セラミックチップアンテナは表面実装されるため簡単に取り外しおよび交換でき、ハードウェアを素早く修正できます。

セラミックチップアンテナを使って設計すると、基板上の空き領域が増え、必要な追加部品を組み込むことができます。この自由度と引き換えに基板サイズを低減し、製造コストを節約することもできます。基板トレースアンテナを含む基板図のレイヤーを増やすごとに無駄に費される基板面積が増えるため、特に大量の多層プリント基板を設計する技術者はこの点を考慮することが重要です。 

周波数と振幅を表す音声波形のイメージ
基板に要求されるコストと有用性を考慮して、最適なアンテナを確実に選択する必要があります。 

調整の時間を最小限に抑え、信号強度を最大化し、さらに必要な他の部品を追加する場所を残しながら、サイズが可能な限り小さいアンテナを作成するのは大変な作業です。実装方式にかかわらず、試作を幅広くテストし、実現可能性を精査できる無線測定結果を通して最終的な試作を決定することが最も重要です。 

調整が必要な場合、強力なPCB設計ソフトウェアを使用すれば、はるかに迅速かつ簡単に行うことができます。自動インタラクティブ配線、電流密度解析ツールのPDN Analyzer、簡単な2Dと3Dのレイアウト切り換えなどの優れた機能を持つソフトウェアをお探しの場合、基板設計CADのAltium Designerなら、基板設計を的確に行うために必要な統一設計環境を提供できます。

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