アンテナを小型 IoT デバイスに統合するという課題

モノのインターネット (IoT) は、冷蔵庫から時計に至るまでの日用品がインターネット接続を備えたスマート デバイスに変わる、パラダイムシフトする技術トレンドです。 これらのオブジェクトは相互にデータを共有できるため、日常生活のさまざまな側面を自動化および強化することができます。

アンテナはこれらのデバイスにおいて極めて重要な役割を果たします。 アンテナは、電磁放射を電流に、またはその逆に変換するデバイスです。 この機能は、IoT デバイスがワイヤレスで相互に通信してデータを交換できるようにするために重要であり、モノのインターネットを定義する相互接続を促進します。

ただし、多くの制約と考慮事項が存在することを考慮すると、これらの小型 IoT デバイス (図 1) にアンテナを統合することは大きな課題です。

IoT の世界では、小さいことは新たな大きなことです。消費者はコンパクトで目立たないデバイスを望み、メーカーはそれに準拠しようと努めています。 これらのサイズ制限は、アンテナの統合にとって大きなハードルとなります。

アンテナは特定の周波数での共振に基づいて動作し、そのサイズは通常、動作するように設計された周波数の波長に比例します。 たとえば、2.4 GHz の周波数帯域で動作するダイポール アンテナは、理想的には長さ約 6.25 cm である必要がありますが、これは多くの場合、小型の IoT デバイスには実現不可能なサイズです。

小型 IoT デバイス内のスペースは密集しているため、アンテナの統合には複雑な作業が伴います。 アンテナは、プロセッサ、バッテリー、センサーなどの他のコンポーネントに近接して機能する必要があります。 これらのコンポーネントはアンテナの動作に干渉し、そのパフォーマンス、そして最終的にはデバイスの機能に影響を与える可能性があります。

たとえば、多くの場合、コンパクトな IoT デバイス内で最大のコンポーネントであるバッテリーの金属ケースは、アンテナの動作を 2 つの方法で妨げる可能性があります。1 つはアンテナの離調、動作周波数の変更、またはそのサイズによりアンテナの遮蔽のいずれかです。アンテナが損傷し、実効放射パターンが減少し、デバイスの接続が弱まります。

同様に、プロセッサ、特に高周波数で動作するプロセッサは、かなりの電磁ノイズを発生します。 アンテナが近接すると、このノイズを拾い、信号の送受信に干渉する可能性があります。

IoT デバイスの小型化、コンパクト化の推進は、携帯性とスタイルの点で優れていますが、アンテナのパフォーマンスに関してはマイナス面もあります。 これらのデバイスが小型化するにつれて、デバイス内のアンテナも同様に縮小する必要があります。 このサイズの縮小は、アンテナの動作方法の多くの重要な機能に悪影響を与える可能性があります。

小型化がアンテナの性能に及ぼす悪影響には、次のようなものがあります。

これらの課題に対しては、いくつかの解決策が考えられます。

SoC は、マイクロコントローラー ユニット (MCU) と RF フロント エンドを 1 つのシリコン ダイに統合します。 これら 2 つの機能を統合することで、SoC は IoT デバイス内の限られたスペースを有効に活用します。 このスペース効率の利点が、IoT デバイスがワイヤレス MCU を中心に設計されることが増えている主な理由です。

これらの利点にもかかわらず、SoC がすべての問題を解決できるわけではありません。アンテナの物理的なサイズは、アンテナが動作する周波数の波長によって依然として制限されており、離調 (近くのコンポーネントによって引き起こされるアンテナの動作周波数のシフト) が依然として重大な問題です。 。

もう 1 つの潜在的な解決策は、SoC と PCB トレース アンテナまたはチップ アンテナのいずれかを組み合わせることです。

PCB トレース アンテナは、導体が PCB の表面にエッチングされたアンテナです (図 2)。 費用対効果は高いですが、かなりのスペースを占有するため、かさばる IoT デバイスが作成されます。 一方、チップ アンテナは、スペースを節約できる小型の表面実装コンポーネントです。 ただし、グランドプレーンに接続されているかどうかによっては、かなりのスペースのスペースが必要になる場合があります。

これらのアンテナ タイプを利用する場合、設計者はさまざまな要因を考慮して IoT デバイスのサイズを見積もる必要があります。 これらには、アンテナに必要な PCB の寸法、必要なクリアランス領域、アンテナとデバイス ハウジングの端の間の距離が含まれます。