868 MHzアンテナの選択：PCB実装ヘリカルアンテナ、ホイップアンテナ、サブGHzアンテナの設計

868MHz帯無線機器用のアンテナ選定は、公称動作周波数に合わせるだけでは不十分です。エンジニアは、地域ごとの周波数計画、利用可能なグランドプレーン、取り付け方法、筐体材質、放射パターン、そしてアプリケーションで求められるRF性能も考慮する必要があります。これらの要素は、LoRaWAN、LPWAN、リモートモニタリング、スマートメータリング、その他のサブGHz帯無線システムにおいて特に重要です。

このガイドでは、868 MHz アプリケーション向けの PCB 実装アンテナ、ヘリカル モノポール、および外部ホイップ型アンテナの評価方法について説明します。また、実用的な波長とグランド プレーンの計算方法を紹介し、代表的なアンテナを比較します。 Kinghelm TE Con​​nectivity ANT-868-HETH を使用した製品について説明し、製造前に必要な RF 検証手順の概要を示します。

1. 動作帯域とアプリケーション要件を確認する

アンテナを選ぶ前に、機器が実際に使用する周波数範囲と、対象市場で適用される規制を確認してください。433MHz、470MHz、868MHz、915MHzは、一般的に使用されるサブGHz帯の周波数カテゴリを表す用語ですが、これらは互換性がありません。地域ごとの割り当て、許可される送信電力、デューティサイクル制限、チャネルプランは異なります。

868MHz帯向けに設計されたアンテナが、必ずしも915MHz帯全体で良好な性能を発揮するとは限りません。たとえ2つの製品が似たような外観であっても、共振周波数、整合回路、放射特性は大きく異なる可能性があります。

新規設計の場合、アンテナ候補を絞り込む前に、以下の要件を文書化してください。

• 動作周波数： 公称中心周波数だけでなく、実際の周波数範囲を指定してください。
• 無線技術： アプリケーションがLoRaWAN、他のLPWANプロトコル、テレメトリ、または独自のサブGHzリンクを使用しているかどうかを識別します。
• 利用可能なスペース： プリント基板の寸法、クリアランス面積、筐体の寸法、および許容アンテナ高さを記録してください。
• 取り付け方法： 設計上、基板実装部品、スルーホールアンテナ、または外部アンテナのどれが必要かを判断してください。
• RFターゲット： 許容可能なインピーダンス整合、効率、放射範囲、および通信範囲を定義する。
• 環境要件： 温度、湿気への曝露、振動、および設置予定環境を考慮してください。

小型アンテナは機械的な統合を容易にするが、サイズだけではシステム性能は決まらない。アンテナは、グランドプレーン、筐体、バッテリー、ケーブル、および周辺の電子部品を含む、デバイス全体と連携して動作する必要がある。

2. 基板実装型、ヘリカル型、外部アンテナ構成を比較する

アンテナ構造によって、機械的およびRF上の制約が異なります。PCB実装型のセラミックアンテナは省スペース化に役立ち、ヘリカルモノポールアンテナはモノポール放射器をコンパクトに実現します。外部ホイップアンテナやゴムアンテナを使用すれば、放射素子を電子部品から離すことができ、設置場所の自由度が高まります。

スペース制約のあるデバイス向け基板実装型アンテナ

製品の筐体が小さく、外部放射素子が望ましくない場合、プリント基板実装型アンテナは実用的な選択肢となり得ます。しかし、アンテナの公表されている利得や中心周波数は、設置後の性能を完全に表すものではありません。プリント基板のレイアウト、グランドプレーン、整合部品、および周囲の材料によって共振周波数が変化し、放射効率に影響を与える可能性があります。

プリント基板実装型アンテナを評価する際は、メーカー推奨のレイアウトおよび配置制限に従ってください。設計がその構成で評価されていない限り、電池、金属製ブラケット、ディスプレイフレーム、シールド、その他の導電性構造物を放射素子に近づけすぎないようにしてください。

PCBアンテナの統合に関する詳細な背景情報については、「BLEウェアラブル向けパッチアンテナ、チップアンテナ、PCBアンテナの比較」を参照してください。この記事はウェアラブルデバイスへの統合に焦点を当てていますが、レイアウトとクリアランスの原則は、小型アンテナの設計にも役立ちます。

小型サブGHz設計向けヘリカルモノポール

らせん状モノポールアンテナは、導電性コイル構造を用いて小型アンテナを実現します。スルーホールタイプは、PCBおよび機械設計が部品の取り付け方法やクリアランス要件に対応できる場合に有効です。

すべてのヘリカルアンテナが電気的または機械的に互換性があるとは限りません。スルーホールタイプと表面実装タイプでは、特定のデバイスにおいて、フットプリント、設置要件、および性能が異なる場合があります。PCBを改造する前に、正確な部品番号とメーカーの図面を確認してください。

外部ホイップアンテナとゴム製アンテナ

筐体の構造上、アンテナを主要なRF周波数ずれ源から離れた位置に配置できる場合、外部アンテナは有効です。この構成は、ゲートウェイ、監視機器、およびより大きなアンテナ形状が許容される機器に適しています。

アンテナの定格周波数、インピーダンス、利得仕様、偏波、取り付けインターフェース、および該当する場合はケーブルまたは給電方式を確認してください。最終的な設置については、想定される動作環境における機械的耐久性とRF性能についても評価する必要があります。

3. 波長とグランドプレーンの原理を適用する

波長はアンテナの寸法を理解する上で有用な出発点となる。しかし、波長だけでは実用的なアンテナの最終的な物理的サイズは決定されない。負荷、コイルの形状、誘電体材料、近傍の導体、整合回路など、様々な要素が設計に影響を与えるからである。

868MHzにおける波長を計算してください。

初期見積もりには、以下の式を使用してください。

波長（λ）（メートル）≈ 300 ÷ 周波数（MHz）

868MHzでは：

• 波長：λ ≈ 300 ÷ 868 ≈ 0.346 m、または約346 mm。
• 1/4波長：λ/4 ≈ 86.4 mm。

1/4波長という結果は、自由空間における単純なモノポールアンテナの理論的な基準値である。実際のアンテナは、物理的にこれより短くなったり、負荷やチューニングによって形状が異なったりする可能性がある。その実効電気長と性能は、アンテナの構造と設置方法によって異なる。

地面平面が重要な理由

モノポールアンテナは、そのグランド構造と連動して動作します。プリント基板のグランドプレーン、取り付け方法、および近傍の導電性部品は、電流分布と放射パターンに影響を与えます。メーカーの基準設定と異なるグランドプレーンを使用すると、インピーダンス整合や実際の性能が変化する可能性があります。

例えば、TE Con​​nectivity社のANT-868-HETH製品情報では、アンテナの仕様書に38×84mmのグランドプレーンが基準として記載されています。これは評価のための基準構成として扱うべきであり、すべての868MHzアンテナに共通する基板サイズ要件として扱うべきではありません。

プリント基板のレイアウトを行う際には、以下の実際的な手順を考慮してください。

1. アンテナメーカーが推奨する設置場所のパターン、接地接続、および立ち入り禁止区域に従ってください。
2. 設計ガイドラインで定められている場合は、導電性物体や敏感な部品を放射部から離してください。
3. 推奨されるRFレイアウトに従って、アンテナ給電部と整合回路を配置してください。
4. 設計プロセスでインピーダンス調整が必要な場合は、調整部品のためのスペースを確保してください。
5. 計算や基板単体でのシミュレーションだけに頼るのではなく、組み立て済みの製品でアンテナの性能を測定する。

より詳細な設計上の考慮事項については、『RFアンテナ設計：中級エンジニアのための実践ガイド』を参照してください。

マッチングと測定

50Ωのインピーダンス仕様は有用なインターフェース基準ではありますが、最終製品に組み込んだ際にアンテナが50Ωの負荷を示すことを保証するものではありません。アンテナとプリント基板（PCB）が一体となってRFシステムを構成します。

ベクトルネットワークアナライザ（VNA）を使用して、必要な動作帯域における入力整合を評価します。S11とVSWRの測定は、共振周波数のずれや整合の問題を特定するのに役立ちます。可能な場合は、全放射効率、放射パターン、および無線通信性能も評価してください。

S11値が良好だからといって、高い放射効率や期待される通信範囲が保証されるわけではありません。導電損失、誘電損失、筐体の影響、アンテナの向き、受信環境など、様々な要因が実際の通信結果に影響を与えます。

4。 比較する Kinghelm TE ANT-868-HETHを搭載した868MHz製品

製品を比較する際は、電気的仕様と機械的適合性を区別することが重要です。サブGHz帯の設計には、小型のPCB実装アンテナ、外部ゴムアンテナ、スルーホール型ヘリカルモノポールアンテナなどが考えられますが、それぞれ異なる統合要件を満たす必要があります。

代表者 Kinghelm 製品

重要：上記の値はメーカーが公表している製品仕様であり、同一条件下での性能比較ではありません。測定定義と試験条件が同等でない限り、ゲイン値を直接的に同等と解釈しないでください。最終設計は、想定されるプリント基板、筐体、および設置環境で評価する必要があります。

比較結果の解釈方法

KH-10032-A83は、中心周波数868MHz、帯域幅10MHzのコンパクトな基板実装型アンテナです。必要な動作帯域とメーカーのレイアウトガイドラインを前提として、アンテナの設置面積を小さくすることが設計上の優先事項である場合に、検討する価値があるかもしれません。

KH-(868)-J505-JBは、公称周波数868MHz、インピーダンス50Ω、ゲイン2.0dBiのゴム製アンテナとして記載されています。これは、プリント基板実装型セラミックアンテナとは異なる統合アプローチを採用しており、製品の機械設計において外部アンテナまたは別体アンテナの取り付けが可能な場合に検討できます。

TE ANT-868-HETHは、862～870MHzの周波数帯域で動作するスルーホール型ヘリカルモノポールアンテナです。取り付け方法および電気的特性は、対象製品の実際の要件と照らし合わせて評価する必要があります。

ボーマン Kinghelm 検証なしに、TE ANT-868-HETHの直接代替品として製品を説明すべきではありません。取り付け方法、グランドプレーンとの相互作用、整合、機械的クリアランス、RF性能の違いにより、PCBまたは筐体の変更が必要になる場合があります。生産承認前に、選択した製品の正確な寸法、インターフェース、および適合性に関する文書を確認してください。

5. 最終デバイスにおけるRF性能の検証

仕様が正しくても、アンテナは組み込み後に動作が変わる可能性があります。金属製の筐体、バッテリー、ディスプレイ、ケーブル、取り付けブラケット、あるいは近傍の回路などが、アンテナのインピーダンスや放射特性を変化させる可能性があるからです。そのため、アンテナの検証は、最終的な調達チェックではなく、製品開発プロセスの一部として行うべきです。

推奨検証チェックリスト

• 周波数範囲： アンテナが必要なすべてのチャンネルと該当する地域バンドをカバーしていることを確認してください。
• インピーダンス整合： 適切なRFテスト装置を使用して、動作範囲全体にわたってS11またはVSWRを測定します。
• 放射線効率： 試験リソースが許す限り、代表的な組み立て済みデバイスを用いて放射性能を評価する。
• オリエンテーション： アンテナの想定される向きと、使用時の製品の想定される位置を評価してください。
• 地面効果： 最終的な基板レイアウトを、メーカー推奨構成または基準構成と比較してください。
• 囲い込み効果： 最終的な筐体、バッテリー、ディスプレイ、および主要な導電性部品を取り付けた状態でテストを行います。
• コミュニケーションパフォーマンス： アンテナ利得だけに頼るのではなく、実際の動作条件下で無線リンクをテストしてください。
• 環境適合性: 温度、湿度、振動、機械的要件を製品ドキュメントと照合して確認してください。
• 企業コンプライアンス： 完成したデバイスが、対象市場における関連する無線および製品要件を満たしていることを確認してください。

本製品がLoRaWANまたはその他の長距離無線アプリケーション向けに設計されている場合、テストは実際の展開環境を反映したものでなければなりません。設置高さ、アンテナの向き、障害物、干渉、受信アンテナなど、すべてがリンク性能に影響を与える可能性があります。

基板実装型設計の場合、初期のRF測定で調整が必要と判断された場合に備え、整合回路の調整のための十分な余裕を確保してください。部品の変更はすべて文書化し、量産仕様のハードウェアで検証する必要があります。

6. サブGHz設計と調達に関する十分な情報に基づいた意思決定を行う

実用的なサブGHzアンテナの選定は、まず目標周波数帯域の決定から始まり、機械的な統合、RF検証、そして調達先の検討へと続きます。最小のアンテナが必ずしも最良の選択肢とは限らず、公表されているゲイン値が高いからといって、すべての製品で優れた性能が保証されるわけではありません。

小型デバイスの場合、KH-10032-A83のようなPCB実装型アンテナは、記載されている周波数範囲とレイアウト要件が設計に合致する場合、評価対象として検討できます。別体実装型アンテナの方が適している場合は、KH-(868)-J505-JBが別の形状として評価対象となります。スルーホール型ヘリカルモノポールアンテナを必要とする設計の場合は、TE ANT-868-HETHが、その構成を評価するためのメーカー提供の参考資料となります。

部品表を最終決定する前に、正確なモデル、動作帯域、機械図面、インピーダンス、ゲイン測定条件、取り付けインターフェース、および該当する適合情報を確認してください。既存のアンテナを交換する場合は、公称周波数だけに頼るのではなく、実際のデバイスで機械的な適合性とRF性能の両方をテストしてください。

Kinghelmのアンテナ製品群には、さまざまな無線統合要件に対応する製品が含まれています。エンジニアや購買担当者は、公開されている製品仕様を確認し、生産用部品を選択する前に、意図する用途への適合性を確認できます。

アンテナ統合に関する詳細なガイダンスについては、「Bluetoothアンテナの選び方：パッチアンテナからセラミックアンテナまで」をご覧ください。この記事はBluetoothに焦点を当てていますが、アンテナ構造を製品の設置スペースや統合上の制約に適合させるための追加情報も提供しています。

参考情報

1. TEコネクティビティ ANT-868-HETH 製品ページ.
2. TEコネクティビティ アンテナカタログ.
3. Kinghelm, アンテナ製品一覧.
4. Kinghelm, ゴムアンテナ製品一覧.
5. Kinghelm, RFアンテナ設計：中級エンジニアのための実践ガイド.
6. Kinghelm, BLEウェアラブル向けパッチアンテナ、チップアンテナ、PCBアンテナの比較.
7. Kinghelm, Bluetoothアンテナの選び方：パッチ型からセラミック型まで.