PCB用インバーテッドFアンテナ設計

プリントアンテナは、平面デバイスの低プロファイルを維持するために、RF PCBにとって非常に人気のある選択肢です。Bluetooth/WiFi対応のMCUのいくつかを見ると、コンパクトな形状でRxとTxを提供するために、ボードの端に沿って逆F型アンテナが見られることがあります。この記事では、これらのアンテナの設計方法、いくつかの設計方程式、および他の回路への干渉なしに最大の放射効率を得るためにこれらのアンテナを配置する場所について説明します。

逆F型アンテナの概要

逆F型アンテナの典型的な実装は、以下の画像に示されています。このタイプのアンテナは四分の一波長アンテナであり、動作パラメータ（帯域幅、インピーダンスなど）は、アンテナの四分の一波長の脚に沿って幾何学を調整することによって設定されます。典型的な逆F型アンテナの概要を以下に示します。

L2のGNDプレーンはL1のGNDの端まで直接走るべきであり、アンテナの下には銅の流れがあってはなりません。これにより、アンテナは電流が非ゼロのアンテナの長い脚の周りでほぼ全方向に放射することができます。放射は全方向であり、フリンジフィールドによって提供されますが、このタイプのアンテナから期待されるゲインを減少させます。ほぼ全方向性のおかげで、これらのアンテナは以前、古いモバイルハンドセットで単一バンドまたはデュアルバンドアンテナとして最も人気がありました。

これの変種には、ミアンダー型逆Fアンテナ、またはMIFAがあります。このアンテナは、よく知られているESP32 MCUを使用するESP8266モジュールで最も一般的に見られます。ミアンダー型アンテナはトップレイヤーにあり、アンテナの四分の一波長セクションを構成する長いジグザグセグメントが含まれています。

これらのアンテナはパッチアンテナと比較することができ、逆Fアンテナ（またはそのバリアント）は基本的なパッチアンテナに対していくつかの利点を提供します：

• Inverted-Fアンテナは、同じ波長で動作するパッチアンテナよりも小さいです
• Inverted-Fアンテナは、マッチングネットワークが存在する限り、プローブ給電または直接給電が可能です
• Inverted-Fアンテナは、より多くの枝を適用することでマルチバンドにすることができます
• Inverted-Fアンテナの帯域幅は比較可能ですが、受動部品を使用することで帯域幅をより簡単に調整できます

主な欠点は、パッチアンテナが地面領域の上半分に放射するため、パッチアンテナに比べて利得が低いことです。もう一つの欠点は、パッチアンテナアレイのようにInverted-Fアンテナをグループに形成することができないことです。したがって、より高度なアンテナシステムには、パッチアンテナが支配的になっています。

Inverted-Fアンテナ設計方程式

残念ながら、Inverted-Fアンテナの設計方程式はありません。これは、通常、その構造が複雑であるためです。しかし、伝送線から構築されているため、特定のマイクロストリップ幅に対する入力インピーダンスを計算するために、回路ベースのアプローチを取ることができます。

まず、設計者は逆F型アンテナ設計に使用するマイクロストリップのインピーダンスを自由に選択できます。マイクロストリップの特定の幅に厳密な要件はありませんが、インピーダンスが非常に大きくなり、真空や誘電体の伝播波インピーダンス値を超える可能性があることに注意する必要があります。

トレースセクションの特性インピーダンスを決定することは難しいですが、四分の一波長ターゲットとターゲット周波数に基づいて、伝播定数とアンテナの全長を簡単に決定できます：

伝播定数がわかると、トレースインピーダンスがわかっている限り、回路モデルでアンテナへの入力インピーダンスを計算できます。以下の回路モデルは、標準的な逆F型アンテナ配置の2つの分岐を示しており、一方の脚はショートされ（Z1 = 0オーム）、もう一方の脚はオープンです（Z2 = 無限）。

これら2つの脚を並列に設定し、各脚に対して標準の入力インピーダンス方程式を使用すると、アンテナの入力インピーダンスについて以下の結果が得られます：

入力インピーダンスがわかると、LCインピーダンスマッチングネットワークを使用してアンテナフィードラインにマッチングできます。

コンポーネントまたは銅フィル？

PCBレイアウトソフトウェアで作業する際、インバーテッドFアンテナをコンポーネントとして作成するか、銅の塗りつぶし領域として作成するかどうかは、どちらも良い理由があり、いずれの場合も同じ結果が得られます。個人的には、特定の外層の厚さとDk値に合わせてインバーテッドFアンテナをコンポーネントで作成することを好みます。

インバーテッドFアンテナをコンポーネントとして作成するには、アンテナの銅の要素をコンポーネントのフットプリント内で注ぎ込みとして配置します。アンテナがPCBレイアウトに配置されると、アンテナの移動や回転が容易になります。コンポーネントをネットタイとして定義して、ショートサーキットのエラーや製造業者からの質問を避けるようにしてください。これの欠点は、アンテナに更新が必要な場合、これらの更新をフットプリントに加え、その後でPCBレイアウトでフットプリントを更新する必要があることです。

このコンポーネントを完成させるには、アンテナのフィードライン入口にスキーマティックシンボルのピンに合わせた単一のパッドを入力として配置します。その後、他のコンポーネントと同様にスキーマティック内でコンポーネントを配線します。コンポーネントがPCBに更新されると、反転Fアンテナのフットプリントが表示され、他のコンポーネントと同様に配置および配線できます。

PCBレイアウトに反転Fアンテナを描画して配置する必要がある場合は、Altium Designer®の2Dおよび3D CADツールを使用してください。設計が完了し、製造業者にファイルをリリースしたい場合、Altium 365™プラットフォームを使用すると、プロジェクトの共有やコラボレーションが簡単になります。

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