PCB上のアンテナ配置がチップアンテナの放射性能にとって重要な理由

チップアンテナは、ウェアラブル機器やIoTセンサーなど、サイズに制約のあるデバイスにとって文字通り「最適な選択」です。たとえば、TaoglasのWLA.04はわずか1.6×0.8 mmで、BLE、Wi-Fi、ZigBeeなどの2.4 GHz接続が必要な小型デバイスに最適です。

デバイスが小さくなればなるほど、提供できるグラウンドプレーンも小さくなります。これはあらゆる種類のアンテナに当てはまりますが、チップアンテナを搭載するPCBを設計する際は特に重要です。PCBのグラウンドプレーンは、チップアンテナの性能、ひいてはデバイス上で動作するすべてのアプリケーションの性能に直接影響します。

この関係性は、デバイスOEMが全体的な視点を持ち、設計プロセスの初期段階でチップアンテナを選定すべき理由を浮き彫りにします。これにより、設計者はアンテナの統合ガイドを活用して推奨されるPCB上のアンテナ配置位置を確認できます。たとえば、WLA.04の統合ガイドでは、PCBの長辺の中間地点に配置し、最小でも90×50 mmのグラウンドプレーンを確保するよう推奨しています。

このように初期段階でアンテナのPCB上の配置を確保することで、アンテナを理想的な位置に配置できます。アンテナ配置の選定を後回しにすると、残されたスペースが性能的に最悪な場所である可能性が高まり、結果としてPCBの再設計が必要になる場合もあります。プロセッサやバッテリー、その他の部品を移動してスペースを作ることで、開発期間が延び、コストが増加する可能性もあります。

以下では、**電流励起（Current Excitation）**とそのチップアンテナ性能およびPCB設計への重要な役割について解説します。

小型アンテナは基板上の位置に非常に敏感

チップアンテナは、**高誘電率の基板（通常はセラミック）**上に組み込まれており、SMDコンポーネントのようにPCB上に実装されます。Wi-Fiやセルラーなど、さまざまなバンド・技術に対応する製品があります。

一般的には、PCBの長辺の中央または角にチップアンテナを配置するのが推奨されています（下図参照）。

小型アンテナはインピーダンス帯域幅と効率が限られており、配置に非常に敏感です。PCB上の適切な位置に配置されていないと、放射特性が大きく損なわれる可能性があります。これは、PCBのグラウンドプレーン上に励起される電流によってアンテナの放射性能が強化されるためです。正しく励起されない場合、このブースト効果は得られません。

この効果を理解するためには、アンテナ理論を少し知る必要があります。サイズの制限はアンテナの放射特性に影響を与え、サイズと性能のトレードオフを生み出します。放射効率、インピーダンス整合、周波数帯域幅が主要な指標であり、アンテナ設計者はこれらを考慮して、サイズと性能のバランスを取る必要があります。

**電気的に小さいアンテナ（ESA）とは、その動作周波数帯における波長（λ）**と比較して非常に小さいアンテナを指します。定義としては、k*a < 1（ここでk = 2π/λ、aはアンテナを囲む最小球の半径）を満たします。

以下の図は、最小包囲球の半径（a）を決定する方法を示しています。

• 図a：グラウンドプレーンなしのアンテナの半径計算。
• 図b：有限のグラウンドプレーンに設置されたアンテナ。λ/4未満またはアンテナがエッジからλ/4以内にある場合、グラウンドプレーン全体を考慮して半径を算出。
• 図c：無限大のグラウンドプレーン上のアンテナは、画像理論により2倍のサイズとして解釈され、半径も2倍。

多くの統合型ソリューションでは、ESAはPCBのエッジ付近に配置されており、グラウンドプレーン全体を「a」の計算に含める必要があります。これは、チップアンテナが常にPCBのグラウンドプレーンに依存している理由を明確に示しています。

PCBのグラウンドプレーンは、アンテナが誘導する電流の流れを通じて、放射出力に大きく貢献します。これは、片側がチップアンテナ、もう片側がグラウンドプレーンで構成される非対称ダイポールとして再解釈できます。したがって、チップアンテナの配置は非常に重要です。

モードの理解（Understanding Modes）

グラウンドプレーンの放射特性をさらに理解するには、特性モード解析（CMA）を用います。特性モードとは、任意の導電体が外部励起なしで自然に持つ共振モードを指します。これを解析することで、どのような励起方法で、どこにアンテナを配置すれば目的のモードを効率的に励起できるかが分かります。本ブログでは、対象物は長方形のPCBグラウンドプレーンです。目的は、チップアンテナを用いてPCB上の電流モードを励起し、全体の放射特性を高めることです。

構造を解析すると、理論的には無限のモードがありますが、注目すべきは最初の数モードです。これらは最も低い周波数で共振し、例えばモードJ1は、PCBの長辺がλ/2のときに共振します。

以下の図では、長方形のグラウンドプレーンにおける最初の6つのモードの電流分布を示しています。共振に近いモードほど励起しやすくなるため、チップアンテナは大きなグラウンドプレーンに配置した方が高性能になります。

これらのモードを励起するには、**結合素子（カップリングエレメント）**が必要です。ここでは、チップアンテナがその役割を果たします。結合素子には以下の2種類があります：

• 容量性結合素子（CCE：Capacitive Coupling Element）
• 誘導性結合素子（ICE：Inductive Coupling Element）

以下の図は、100×150 mmのグラウンドプレーンに設置されたCCEとICEの例です。

CCEは、プラットフォーム近くに配置されて静電場を活用してモードを励起する素子です。これは、電場が最大（電流が最小）となる位置に配置する必要があります。CCEは通常、金属プレートのコーナーに設置されます。多くのモードがこの位置で電流最小を示すからです。上図のように、コーナーに配置すれば最初の6つのモードを励起可能です。

ICEは磁界（電流）によって誘導的に励起する素子で、電流が最大となる位置に配置します。一般的にはループ構造をベースにしており、金属構造の長辺中央付近に配置されることが多いです。モードJ1やJ2を主に励起し、わずかに位置をずらすことでJ4やJ5も励起可能です。

このように、2種類の励起方式によってグラウンドプレーンのモードが励起され、アンテナの放射性能を向上させることができます。チップアンテナの推奨配置位置（コーナー or 長辺中央）は、このCCE/ICEの性質に依存します。