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USB ドングルおよび BLE 用途向けの PCB アンテナ

この例では、一般に USB ドングルや BLE の用途で使用される小型の PCB アンテナを設計および解析する方法を説明します。アンテナの設計と寸法は、[1] のアプリケーション ノートに指定されているとおりです。このアンテナ設計は、15.2×5.7 mm 以下の空間しか必要とせず、アンテナを 50 オームの信号源に接続したときに 2.4 GHz の産業、科学、医療用周波数 (ISM) 帯域全体で電圧定在波比 (VSWR) が必ず 2 未満になります。

変数の作成

変数を割り当てて、最上部の金属層を作成します。

L1 = 3.94e-3;
L2 = 2.70e-3;
L3 = 5e-3;
L4 = 2.64e-3;
L5 = 2e-3;
L6 = 4.90e-3;

W1 = 0.90e-3;
W2 = 0.5e-3;

D4 = 0.5e-3;
D5 = 1.4e-3;
D6 = 1.70e-3;

Lgp = 15.2e-3; % Length of the Ground plane
Wgp = 30e-3;   % Width of the Ground plane

LBS = 15.2e-3; % Length for the Board Shape
WBS = 5.2e-3;  % Width of the Board Shape

ジオメトリの作成

上の図に示すように、antenna.Rectangle オブジェクトを使用してすべての矩形セクションを作成します。

a = antenna.Rectangle(Length=W1, Width=L6, Center=[W1/2,L6/2-D4]);
b = antenna.Rectangle(Length=L3, Width=W2, Center=[L3/2,W2/2+L6-D4]);
c = antenna.Rectangle(Length=W2, Width=L6, Center=[W2/2+D5+W1,L6/2-D4]);
d = antenna.Rectangle(Length=W2, Width=L4, Center=[W2/2+W1+D5+W2+D6,-L4/2+L6-D4]);
e = antenna.Rectangle(Length=L5, Width=W2, Center=[L5/2+L3,-W2/2+L6-L4]);
f = antenna.Rectangle(Length=W2, Width=L4, Center=[W2/2+W1+D5+W2+D6+W2+L5,-L4/2+L6-D4]);
g = antenna.Rectangle(Length=L2, Width=W2, Center=[L2/2+W1+D5+W2+D6+W2+L5,W2/2+L6-D4]);
h = antenna.Rectangle(Length=W2, Width=L4, Center=[W2/2+W1+D5+D6+W2+L5+L2,-L4/2+L6-D4]);
i = antenna.Rectangle(Length=L5, Width=W2, Center=[L5/2+L3+L5+L2,-W2/2+L6-L4]);
j = antenna.Rectangle(Length=W2, Width=L4, Center=[W2/2+W1+D5+W2+D6+W2+L5+L2+L5,-L4/2+L6-D4]);
k = antenna.Rectangle(Length=L2, Width=W2, Center=[L2/2+W1+D5+W2+D6+W2+L5+L2+L5,W2/2+L6-D4]);
l = antenna.Rectangle(Length=W2, Width=L1, Center=[W1+D5+W2+D6+W2/2+L5+L2+L5+L2,-L1/2+L6-D4]);

すべての矩形を結合して形状を可視化します。

Newobj = a + b + c + d + e + f + g + h + i + j + k + l;
figure
show(Newobj)

PCB ボードの設計

[1] のアプリケーション ノートのセクション 4.3 の仕様に従って、PCB ボードを設計します。[1] に記載されている情報を以下に再掲します。

PCB の 1-2 層は公称で 0.25 mm

PCB の 2-3 層は公称で 0.50 mm

PCB の 3-4 層は公称で 0.25 mm

各層の銅厚が 35 um の FR4 の厚さ

FR4 の誘電率は 4.5

グランド プレーンの寸法は 30 mm、誘電体基板は FR4、ボード全体の高さは 1 mm です。PCB アンテナには 4 つの層があります。各層の詳細を以下に示します。

1) 放射層 - 導体

2) 誘電体層 - 0.25 mm

3) グランド層 - 導体

4) 誘電体層 - 0.75 mm - この高さは、PCB の説明に記載されている 2-3 層と 3-4 層を合算したものです。

アンテナの誘電体基板を定義します。アンテナには、最上部に放射層があり、その下に厚さ 0.25 mm の誘電体層があります。3 番目の層はグランド層で、その下に厚さ 0.75 mm の別の誘電体層が続きます。

d = dielectric("FR4");
d.Thickness = 0.25e-3;
d.EpsilonR = 4.5;
d1 = dielectric("FR4");
d1.Thickness = 0.75e-3;
d1.EpsilonR = 4.5;

pcbStack オブジェクトを使用して、アンテナの PCB スタックを作成します。antenna.Rectangle オブジェクトを使用して、ボードとグランド プレーンを作成します。ボード、誘電体、およびグランド プレーンを pcbStack の Layers プロパティに割り当てます。FeedLocations プロパティと Vialocations プロパティを設定し、第 1 層から第 3 層までのフィードとビアを作成して、BoardThickness を 1 mm に設定します。

show 関数を使用してアンテナを可視化します。

ant = pcbStack;
boardshape = antenna.Rectangle(Length=LBS, Width=WBS+Wgp, Center=[LBS/2-0.5e-3,(WBS-Wgp)/2]);
ant.BoardShape = boardshape;
ant.BoardThickness = d.Thickness + d1.Thickness;
gnd = antenna.Rectangle(Length=Lgp, Width=Wgp, Center=[Lgp/2-0.5e-3,-Wgp/2]);
ant.Layers = {Newobj,d,gnd,d1};
ant.FeedDiameter = W2/2;
ant.ViaDiameter = W1/4;
ant.FeedLocations = [W1+1.4e-3+W2/2,-D4/2,3,1];
ant.ViaLocations = [W1/2,-D4/2,3,1];
ant.FeedViaModel = "square";
ant.Conductor = metal("Copper");
ant.Conductor.Thickness = 35e-6;
figure
show(ant)

アンテナ性能の解析

sparameters 関数を使用して S パラメーターを計算し、rfplot 関数を使用してそれらをプロットします。

spar = sparameters(ant,linspace(2e9,3e9,21));
figure
rfplot(spar);

MaxEdgeLength が 1.2 mm に設定された mesh 関数を使用してより密度の高いメッシュを生成し、1 波長あたり約 50 個の三角形を確保します。

figure
mesh(ant,MaxEdgeLength=1.2e-3);

sparameters 関数を使用して改善後のメッシュにおける S パラメーターを計算し、rfplot 関数を使用してそれらをプロットします。

spar = sparameters(ant,linspace(2.2e9,2.7e9,11));
figure
rfplot(spar)

pattern 関数を使用して、アンテナの 3 次元パターンをプロットします。

figure
pattern(ant,2.4e9)

参考文献

[1] Andersen, Audun. “Small Size 2.4 GHz PCB Antenna.” Texas Instruments. Accessed January 14, 2022. https://www.ti.com/lit/an/swra117d/swra117d.pdf.