FPC および PCB 埋め込みパッチ アンテナの動作原理

PCB にアンテナを埋め込むことは、ワイヤレス デバイスの一般的なソリューションです。設計と製造が簡単で、PCB 上のどこにでも配置できます。ただし、PCB 埋め込みアンテナは環境の影響も非常に受けやすいため、アンテナのパフォーマンスに影響を与える可能性があります。この記事では、FPC および PCB 埋め込みパッチ アンテナの動作原理、その長所と短所、および埋め込みアンテナを備えたワイヤレス デバイスを設計する際の考慮事項について説明します。

パッチ アンテナとは何ですか?パッチ アンテナの動作原理パッチ アンテナの長所と短所パッチ アンテナを設計する際に考慮すべき要素まとめ

パッチアンテナとは何ですか?

パッチ アンテナは、基板上に取り付けられた平らな長方形の金属パッチで構成されるアンテナの一種です。基板は通常、FR4 や Rogers などの誘電体材料でできており、パッチをグランドプレーンから絶縁するのに役立ちます。パッチは通常、マイクロストリップ ラインまたは同軸ケーブルによって給電され、ダイポールまたはモノポールのいずれかになります。

パッチ アンテナは製造が簡単で非常に小さくできるため、非常に人気があります。携帯電話、タブレット、ラップトップなどの無線デバイスでよく使用されます。パッチ アンテナは衛星通信や GPS システムでも使用されます。

パッチアンテナの動作原理

パッチ アンテナに RF 信号が供給されると、パッチに流れる電流によりパッチから電磁波が放射されます。パッチの形状とサイズによって、アンテナが共振する周波数が決まります。パッチは放射波の偏波も決定します。偏波は線形または円形のいずれかになります。

基板の材質と厚さもアンテナの性能に影響します。基板が厚いと共振周波数が低くなり、基板が薄いと共振周波数が高くなります。基板材料の誘電率も、アンテナの共振周波数と帯域幅に影響します。

パッチ アンテナは通常、パッチのサイズと形状によって決まる特定の周波数で動作するように設計されています。周波数は、マイクロストリップ給電線の長さを変更するか、給電線に調整スタブを追加することによって調整できます。

パッチアンテナのメリットとデメリット

利点

パッチ アンテナは製造が簡単で非常に小さくできるため、非常に人気があります。汎用性も高く、さまざまな用途に使用できます。パッチ アンテナは、他のタイプのアンテナと比較して比較的安価でもあります。

短所

パッチ アンテナの主な欠点の 1 つは、環境の影響を非常に受けやすいことです。アンテナのパフォーマンスは、壁、家具、さらには人などの周囲の物体の影響を受ける可能性があります。パッチ アンテナは、基板に使用される誘電体材料にも非常に敏感です。基板の誘電率がアンテナの共振周波数と一致しない場合、性能が低下します。

パッチ アンテナを設計する際に考慮すべき要素

パッチ アンテナを設計する際には、動作周波数、帯域幅、ゲイン、効率、放射パターンなど、考慮すべき要素が多数あります。

操作頻度

動作周波数は、パッチ アンテナを設計する際に考慮すべき最も重要な要素です。パッチのサイズと形状によって、アンテナが共振する周波数が決まります。周波数は、マイクロストリップ給電線の長さを変更するか、給電線に調整スタブを追加することによって調整できます。

帯域幅

パッチ アンテナの帯域幅は、アンテナが効果的に動作する周波数の範囲です。通常、帯域幅は非常に狭く、1% ～ 2% 程度です。ただし、より厚い基板を使用するか、アンテナに無給電素子を追加することによって増加させることができます。

得

パッチ アンテナのゲインは、アンテナが電磁波をどれだけうまく放射または受信できるかを表します。通常、ゲインは非常に高く、10 dBi ～ 20 dBi 程度です。ただし、より大きなパッチを使用するか、アンテナに反射板を追加することによって、増加させることができます。

効率

パッチ アンテナの効率は、入力電力のどれだけが放射電力に変換されるかを示す尺度です。通常、効率は非常に高く、90% ～ 95% 程度です。ただし、損失の多い基板を使用するか、アンテナに抵抗負荷を追加することによって、この値を減らすことができます。

放射パターン

パッチ アンテナの放射パターンは、アンテナがさまざまな方向に電磁波をどのように放射または受信するかを示す尺度です。通常、放射パターンは非常に指向性が高く、アンテナは特定の方向に最適に放射または受信することを意味します。ただし、より大きなパッチを使用するか、アンテナに反射板を追加することで、より全指向性を高めることができます。

結論

パッチ アンテナは、製造が簡単で非常に小型にできるため、無線デバイスによく使用されます。ただし、環境に対して非常に敏感でもあり、パフォーマンスに影響を与える可能性があります。アンテナが組み込まれたワイヤレス デバイスを設計する場合、動作周波数、帯域幅、ゲイン、効率、放射パターンを考慮することが重要です。アンテナの共振周波数に適合する基板材料を選択することも重要です。これらの要素を考慮することで、さまざまな環境で適切に動作する組み込みアンテナを備えたワイヤレス デバイスを設計することができます。