パッチアンテナ用同軸プローブフィードの設計方法

PCB内でのパッチアンテナの実装には、他のコンポーネントや外部モジュールへの接続が必要です。この接続は、しばしばマイクロストリップ線として配置され、例えば高度な無線システム用のパッチアンテナアレイでは、四分の一波長マッチングラインが使用されることがあります。別の方法として、SMAまたは他の同軸コネクタを使用する方法がありますが、アンテナと同じ層には配置されません。

同軸給電パッチアンテナは、PCBの片面にパッチアンテナを配置し、フィードラインをPCBの裏面にルーティングすることを含みます。2つの層間の接続はビアを使用して実装されます。この記事では、このタイプのフィードライン方法を実装するための主要な設計方程式と、このタイプのモジュールの簡単な例を示します。

パッチアンテナへの同軸給電

パッチアンテナへの同軸フィードは、パッチアンテナとそのフィードライン要素を2つの異なる層に配置することを含みます。通常、パッチを上層に、フィードライン接続を下層に配置します。その後、フィードラインは垂直SMD同軸コネクタ（例えば、73251-1350 from Molexのような垂直SMAコネクタ）を介してPCBに接続され、内部のビアが注入された信号をパッチアンテナにルーティングします。

上記のように、パッチアンテナがビアに接続される座標はアンテナの中心に位置していません。これは意図的なもので、アンテナのインピーダンスはパッチアンテナの表面全体で変化するためです。したがって、同軸ケーブル/コネクタのインピーダンスにマッチするアンテナへの入力インピーダンスの位置でプローブを接続したいと考えます。これを行うには、まずアンテナの端でのアンテナインピーダンスが必要で、これを使用してフィード位置を決定できます。

同軸フィード設計方程式

エンドフェッドパッチアンテナのための標準的な設計方程式は、このタイプの設計で使用されるパッチのサイズを決定するために使用されます。これが完了した後、同軸フィードの位置を決定できます。パッチの寸法とエッジフィードパッチのインピーダンスの設計方程式を見つけるには、別の記事（下記リンク）を参照してください。また、私たちのパッチアンテナ計算機も使用できます：

• パッチアンテナ設計方程式と計算機を見る

パッチインピーダンスと長さが見つかったら、これらを使用してインセットフィードラインの位置を決定する必要があります。通常、同軸ケーブルと一致したインピーダンス（通常は50オーム）のコネクタを使用しています。これは、パッチアンテナにマッチさせたい目標のインピーダンスです。x方向に沿って（下記参照）、アンテナのインピーダンスが50オームになる特定の位置があります。これがフィードラインが接続される位置です。

x座標の位置は、下記に示された方程式で見つかります。

要約すると、同軸プローブ配置の設計プロセスはシンプルです：

1. 動作周波数とスタックアップを選択
2. 周波数と層の厚さ/Dk値を使用してアンテナのサイズを決定する
3. アンテナのエッジ入力インピーダンスを計算する
4. 上記の方程式を使用してプローブ位置のx座標を計算する

スタックアップの設計方法

最初の画像は、このタイプの接続に許可されているスタックアップは2層ボードのみであり、アンテナが上層に、アンテナのグラウンドプレーンが下層にあることを意味しています。確かに、標準的な62ミル厚の2層ボードを使用できますが、これは厳密な要件ではありません。2層以上を使用する利点は、PCBの裏側にデジタルコンポーネントと高速信号を使用できることにあり、アンテナはPCBの反対側に隔離されます。

以下のスタックアップ例をご覧ください。このスタックアップでは、L2とL3にGNDを配置することができます。これにより、L4での信号の配置とルーティングが可能になります。アンテナがL1に配置された場合、L1の下の厚さ（この場合は4ミル）が、パッチアンテナ設計方程式で使用される基板の厚さの値となります。必要に応じて、より多くの内部層を使用することもできます。

CADツールでの接続作成

以下の例では、上記の4層スタックアップを使用し、L4にSMAコネクタ、L1にアンテナがあります。L2とL3はグラウンドです。パッチアンテナに接続するためには、SMAコネクタの中心から直接ビアを配置し、SMAがビアパッドにはんだ付けできるようにビアを充填＋キャップする必要があります。

このタイプのビアは約5GHzまで受け入れられます。そのレベルを超えると、ビア構造は50オームの目標インピーダンスに最適化され、ステッチングビアを使用する必要があります。これは、ビアのインピーダンスが発散するため、パッチアンテナの内部での信号伝搬とモードに影響を与える可能性があります。この記事で議論したように。

近日公開予定の記事と動画では、高周波で放送するためのパッチアンテナを使用したモジュールの例を紹介し、PCBの裏側を通るフィードラインを使用する裏層の回路セットを含める予定です。また、より高い周波数に対応できる裏層を通るビアスタイルの設定方法も次回の動画で紹介します。

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