A PCBアンテナ は、プリント基板に直接エッチングされた銅箔の配線またはパターンで、無線周波数の電磁波を送受信します。製品にワイヤレス接続機能を追加する最も低コストな方法です。コネクタもケーブルも部品表の項目も増えません。
設計の中でも、アンテナ理論とは関係のない理由で不具合が起きる可能性が最も高い箇所でもあります。返品された基板を調査した経験では、PCBアンテナの問題の大半はレイアウトに起因します。本来あってはならない場所に銅箔がある、配線中にグランドプレーンが拡大された、あるいは通常の製造ばらつきを吸収する余裕が残っていない設計などです。
このガイドでは、PCBアンテナが実際に機能するかどうかを左右する要素、すなわちキープアウトゾーン、基板材料、整合回路網、そして製造工程で許容する公差について解説します。無線モジュールを渡され、特定の基板上でアンテナを機能させる必要があるエンジニアを対象としています。
要点 – 最も効果の大きい基本ルールは、放射素子の下と周囲に、すべての層で銅箔のない領域を設けることです。PCBアンテナの不具合の大半は、このルール違反に起因します。多くの場合、レイアウト担当者が確認する外層表示では見えない内層のグランドプレーンが原因です。 – 必要なクリアランスは波長に応じて変わります。433 MHzのアンテナには2.4 GHzのアンテナよりもはるかに広い基板面積が必要で、これは基板の配線完了後に初めて問題になることが最も多い制約です。 – 基板材料は、比誘電率によってアンテナの物理的なサイズを決め、誘電正接によって熱として失われる電力の大きさを決めます。2.4 GHzでは、FR-4で十分に対応できます。 – ソルダーマスクはPCBアンテナの共振を実測できるほど変化させます。査読付きの433 MHzでの測定では、マスクを除去すると共振周波数が3.5%上昇し、ピーク利得が1.2 dB向上しました。 – 設計帯域幅は、製造公差を吸収するための余裕です。狭帯域設計にはほとんど余裕がありません。一方、広帯域の2.4 GHz設計なら、同じばらつきがあっても影響を受けません。
PCBアンテナとは？
PCBアンテナは、プリント基板にエッチングされた導電性の銅箔配線またはパターンです。高周波電流を放射電磁波に変換し、受信時には受け取った電磁波を高周波電流に変換します。基板自体も放射構造の一部です。
この点こそが、PCBアンテナを他のあらゆるアンテナ方式と区別する要素です。チップアンテナや外付けホイップアンテナを購入すれば、放射素子の特性評価と試験は済んでいます。配線をエッチングする場合は、その形状と周囲のすべてに責任を負うことになります。放射素子を設計するだけでなく、その特性を変化させる銅箔、金属、プラスチックのすべてを管理する必要があります。
実用上、次の3つの点が重要です。
- 折れて外れる部品がありません。 コネクタもケーブルもなく、組み立て工程も不要です。落下する可能性のある製品では、これは重要です。
- 代わりに必要なのは、基板面積とレイアウト上の配慮です。 製品単価を下げる代わりに、基板上のスペースと設計上の注意を割り当てることになります。
- 性能を決めるのはデータシートではなく、レイアウトです。 同じ配線でも、基板が異なれば別のアンテナになります。
多くの場合、このトレードオフには価値があります。基板に十分なスペースがあり、アンテナ領域を配線可能な領域ではなく保護すべき領域として扱う意思が設計チームにあるなら、PCBアンテナはあらゆる接続デバイスにおける標準的な選択肢です。
PCBアンテナ、チップアンテナ、外部アンテナの比較
| 選択肢 | フットプリント | 相対コスト | 必要になる対応 |
|---|---|---|---|
| 配線アンテナ | 最大 | 最低 | レイアウト上の配慮と調整にかかる時間 |
| チップアンテナ | 小 | 低 | 調整に伴うリスクが低く、効率はやや低い |
| 外部アンテナ／FPCアンテナ | 総面積が最大 | 最高 | コネクタ、ケーブル、組み立て工程が必要 |
第9節では、これを詳細な選定マトリクスにまとめます。
PCBアンテナの種類と使い分け
ほぼすべてのPCBアンテナ用途は、5種類のアンテナ形状でカバーできます。どの形状を選ぶかは、リファレンス設計でどれが最も見栄えするかではなく、基板面積をどれだけ割り当てられるかで決まります。
| 種類 | 設計を左右する寸法 | 2.4 GHzでの一般的な占有面積 | 放射パターン | 最適な用途 |
|---|---|---|---|---|
| モノポール | グランド上の1/4波長 | 配線長約23 mm（Nordic） | 全方向性 | 実装が最も簡単で、帯域幅が最も広い |
| メアンダ形逆Fアンテナ（MIFA） | 折り曲げた1/4波長 | 7.2 × 11.1 mm | 全方向性 | 小型の接続デバイス向け。汎用性の高い定番 |
| パッチ | 半波長 | 大きい | 指向性が高く、高利得 | GPS、ポイントツーポイント |
| ダイポール | 半波長、2本のアーム | 中程度 | 平衡型、全方向性 | Wi-FiおよびLoRaモジュール |
| ループ／NFC | 誘導型 | さまざま | 近磁界 | RFIDおよびNFC |
トレードオフを一言ずつ：
- モノポール。 最も調整しやすく、最も扱いやすい方式です。帯域幅が最も広いからです。その代わり、最も長さが必要です。
- MIFA。 電気的な長さを小さなフットプリントに収めます。そのサイズ上の利点と引き換えに帯域幅と効率が低下するため、製造ばらつきの影響を受けやすくなります。
- パッチ。 利得と指向性が得られます。直下にしっかりしたグランドプレーンが必要で、広い面積を占有します。
- ダイポール。 平衡型で、グランドプレーンへの依存度は低い一方、2本のアームの周囲に十分なクリアランスを確保し、対称に配線する必要があります。
- ループおよびNFC。 まったく異なる設計モデルです。GHz帯のパッチアンテナのモデルを近磁界誘導ループに当てはめないでください。
上記のMIFA寸法は、Infineon’sのアンテナ設計およびRFレイアウトのガイドラインに基づいています。同ガイドラインでは、2.4 GHzのヒューマンインターフェース用途向けに、幅20 milの配線で7.2 mm x 11.1 mmのアンテナを指定しています（Infineon AN91445, 文書番号001-91445）。
PCBアンテナが電波を放射する仕組み
アンテナは、その物理的な長さが信号の波長に対して特定の割合になると電波を放射します。また、基板上でその導体の近くにあるすべてのものが、実効的な長さを変化させます。
2.45 GHzでは、自由空間波長は122.4 mmで、4分の1波長は30.6 mmです。これは教科書上の値です。しかし、この値だけでは実際のプリント配線の長さは分かりません。公式と基板との関係は、多くのガイドが示唆するほど単純ではないからです。
よく引用されるもう一つの限界値を考えてみましょう。自由空間での4分の1波長を基板の比誘電率の平方根で割ると、30.6 / √4.3 = 14.8 mmになります。どちらの値も、実際に動作するアンテナの寸法を表していません。
- √Dkは、配線アンテナの除数として適切ではありません。 マイクロストリップ線路の速度係数は、バルクの値ではなく実効比誘電率によって決まります。また、配線が FR-4 その上にある場合の実効値は、4.3ではなく3.0～3.3に近くなります。
- グランドプレーン上の4分の1波長モノポールは、基板上での長さではなく、自由空間での長さに近くなります。 グランドプレーンは鏡像面として働き、さらに端部負荷とグランドプレーンの有限なサイズによって、配線は多少短くなります。
Nordic Semiconductor’が公開している設計ガイドラインには、実際の寸法が示されています。2.4 GHzのプリント4分の1波長モノポールの長さは 約23 mmで、グランドプレーンから最低5 mmのクリアランスが必要です（Nordic Semiconductor、一般的なPCB設計ガイドライン）。これは14.8 mmでも30.6 mmでもなく、基板の計算値より55%長い値です。
実践的な教訓：波長の計算は桁の妥当性を確認する目安として使い、実際の設計はベンダーのリファレンスデザインを出発点にしてください。そして、測定しましょう。
この先のすべてに関わる物理現象がもう一つあります。アンテナは、無線機側のおよそ50オームと自由空間の377オームとの間で働く変換器です。この2点の間にあるすべての要素、つまり給電線、整合回路、基板は損失になります。近くの銅箔が些細な問題ではないのはこのためです。金属は放射体と結合し、容量性負荷となって共振周波数をずらします。
PCBアンテナのレイアウト規則：クリアランス、グランドプレーン、配置
PCBアンテナが動作するかどうかを左右するレイアウト規則は、放射体の下と周囲のすべての層に銅箔のない領域を設けることです。その大きさは、送信する電波の波長に応じて変わります。
ベンダーの資料で実際に指定されている内容を見てみましょう。想像よりも控えめな寸法です。
| 図 | 出典 | 実際の寸法 |
|---|---|---|
| 配線長：約23 mm、グランドプレーンまで最低5 mmのクリアランス | Nordic Semiconductor | 2.4 GHzにおけるアンテナ配線からグラウンドプレーン端までのクリアランス |
| 433～510 MHzから868～930 MHzに移行するため、L4を19.0 mmに短縮 | Texas Instruments SWRA730 | 43 x 25 mmのアンテナにおける、配線長と動作帯域の関係 |
| アンテナ領域を他の配線に使用することはできない | Texas Instruments SWRA730 | 定性的な禁止事項、片面レイアウト |
| RF整合回路の周囲に約70 milのキープアウト領域 | Silicon Labs AN928.2 | 整合回路のキープアウト領域、 ではない アンテナのキープアウト領域 |
シリコンメーカーもモジュールメーカーも、帯域ごとのキープアウト領域をミリメートル単位で示した表を公開していない。 各メーカーがクリアランスを示す方法は、定性的な説明、特定のアンテナ部品のフットプリント図面に基づく説明、または単一周波数でのクリアランス値のいずれかです。帯域ごとに具体的なミリメートル範囲を示した表を見たことがあるなら、それはほぼ間違いなく、メーカーの文書を出典として示していない製造関連ブログに由来します。そのような表は、出典不明の業界経験則として扱い、設計指針とはみなさないでください。
文書で明確に示されていること：
- 放射素子の下には、どの層にも銅箔、プレーン、配線を配置しない。 Nordicは、チップのパッドからアンテナ給電点までのRF経路の下に、途切れのないグラウンドを設けることを必須とし、さらに整合回路の下にある内層をキープアウト領域とするよう求めています。Texas Instrumentsは、アンテナの下の領域を他の配線に使用できないとしています。
- クリアランスは波長に応じて変わる。 これは物理法則から直接導かれます。433 MHzの1/4波長は自由空間で約173 mmですが、2.45 GHzでは30.6 mmです。そのため、サブGHzアンテナに必要な基板面積は数倍になり、配線完了後に判明することが最も多い制約です。
- 基板の端に配置するか、基板から張り出すアンテナ。これにより、放射素子の少なくとも片側に十分な空間を確保できます。
- キープアウト領域には金属を配置しない。 取り付け金具、バッテリー接点、シールドケース、コネクターのシェルは、いずれも放射エネルギーを反射してアンテナに戻します。
- 調整を始める前に機構レイアウトを確定する。 調整後に筐体、バッテリー、取り付けボスを移動すると、調整結果は無効になります。
アンテナの下の銅箔が離調を引き起こす理由
放射素子の下や近くにある銅箔は、すべて電磁的に結合します。この結合によって寄生容量が加わり、アンテナに負荷がかかるため、インピーダンス整合が損なわれるとともに共振周波数が低下します。これがその仕組みであり、このルールが目安ではなく絶対条件である理由です。最上層では無害に見えるグラウンドプレーンも、第3層ではコンデンサーの電極になります。
特に注意すべきなのは、内層の銅箔領域が、レイアウト設計者が作業することの多い外層の表示では見えないことです。対策として、作業中の層だけでなく、すべての層でキープアウト領域を確認してください。
PCBアンテナの材料と積層構成
基板材料の誘電率がアンテナの物理的なサイズを決め、誘電正接が熱として失われる電力の量を決めます。 FR-4 は2.4 GHzで十分に使用できます。
選択を左右する数値は2つあり、それぞれ異なる役割を持ちます。 Dkはサイズを決める：誘電率が高いほど、同じ周波数に対するアンテナは短くなります。 Dfは損失を決める：損失正接が高いほど、送信電力が放射信号ではなく誘電体内の熱に変換されます。
| 材料 | プロセスDk | 設計Dk | 10 GHzでのDf | 注記 |
|---|---|---|---|---|
| Isola 370HR（FR-4） | 2 GHzで4.04 | 該当なし、積層構成による | 2 GHzで0.0210 | 積層構成による。下記参照 |
| Rogers RO4350B | 3.48 ± 0.05 | 3.66 | 0.0037 | RF回路 |
| Rogers RO4003C | 3.38 ± 0.05 | 3.55 | 0.0027 | 中帯域RF |
| Rogers RT/duroid 5880 | 2.20 ± 0.02 | 2.20 | 0.0009 | Low-permittivity PTFE |
| Rogers RO3003 | 3.00 ± 0.04 | 3.1629 | 0.0010 | PTFE |
All Rogers values are specified at 10 GHz with 2.5 GHz in parentheses, and each is a typical process value with a stated tolerance (Rogers RO4350B, RO4003C, RT/duroid 5880). The Isola figures come from Isola’s 370HR product page, revision E, dated June 2024, which publishes a construction-dependent sweep: Dk runs 4.24 at 100 MHz, 4.17 at 1 GHz, 4.04 at 2 GHz and 3.92 at 5 GHz and 10 GHz, with Df running 0.0150 to 0.0250 across the same range (Isola 370HR).
Two things in that table deserve emphasis.
There is no universal FR-4 Dk. Isola’s own published data spans roughly 3.54 to 4.44 purely on construction, varying with glass style and resin content. Any sentence of the form “FR-4 has Dk 4.3” is defensible only as a rule of thumb, never as a specification. Specify the actual grade.
Process Dk and design Dk are different numbers, and mixing them up is the most common sourcing error in this topic. RO4350B is 3.48 process and 3.66 design. The 5% gap comes from copper surface roughness and foil treatment in a finished board, and it will visibly move a simulated antenna. Use the design value for simulation and the process value, with its tolerance, for manufacturing. Cite which one you used.
The honest threshold for material choice: FR-4 works at 2.4 GHz. Above roughly 5 GHz, dielectric loss starts costing real range and a low-loss laminate becomes worth specifying. An RF laminate does not rescue a bad layout.
How solder mask shifts your resonant frequency
Solder mask raises the effective dielectric constant around the trace and pulls resonance down. The measured figure is larger than the rule of thumb usually quoted.
A peer-reviewed measurement on a 433 MHz modified inverted-F antenna on 1.6 mm FR-4 found that removing the solder mask layers, with all other parameters unchanged, shifted resonant frequency from 433 MHz to 448 MHz, a 3.5% increase, and improved peak realised gain by 1.2 dB, from -13.8 to -12.6 dBi (Buckley et al., Electronics Letters, Vol. 50 No. 8, 2014).
The 1-2% figure that circulates widely comes from fabrication blogs rather than measurement, and it is roughly half the published value. For a narrowband application, a 3.5% shift is the difference between in-band and out. The fix is a solder mask opening over the radiator in the Gerber when the band is tight enough to need it.
Impedance Matching and Tuning a PCB Antenna
Tuning a PCB antenna means transforming its impedance to 50 ohms at the radio output, and the same in reverse on receive, so that power crosses into the antenna instead of reflecting back.
The acceptance number is return loss of 10 dB or better across the entire band. In practical terms, 10 dB is a power ratio of ten, so one tenth of incident power is reflected and 90% is delivered. Infineon’s antenna design guidelines tabulate the relationship directly: S11 of -10 dB corresponds to 10% reflected and 90% radiated, while -20 dB gives 1% reflected and -3 dB gives 50% reflected (Infineon AN91445).
The practical procedure:
- Measure S11 with a vector network analyser across the full band of interest.
- Read the resonant frequency and the complex impedance at band centre.
- Add or change matching components until return loss clears 10 dB across the whole band, not just at centre.
Two things that are easy to get wrong. First, most module reference designs ship a two or three component matching network with specific part values; those values are starting points, not constants, and they change with your stackup and your ground plane geometry. Second, both directions matter: tune looking into the antenna from the chip, and looking into the radio from the antenna.
Be careful not to invert the return loss relationship. A 10 dB return loss means 90% delivered. Confusing it with 90% reflected would be about 0.46 dB, which is a badly broken antenna, not a working one.
Manufacturability: What Fabrication Tolerances Do to Your Antenna
The fabrication process is allowed to miss your nominal dimensions within a published tolerance. An antenna is the one part of the board where those misses show up as RF performance rather than as a slightly different trace.
The strongest sourced figure here is the laminate dielectric constant tolerance, because Rogers publishes it as a headline datasheet specification rather than as a statistical claim:
| 材料 | Process Dk tolerance | Relative tolerance | Approx. frequency effect |
|---|---|---|---|
| Rogers RO4350B | ± 0.05 | ± 1.4% | ± 0.7% |
| Rogers RT/duroid 5880 | ± 0.02 | ± 0.9% | ± 0.5% |
| Rogers RO3003 | ± 0.04 | ± 1.3% | ± 0.7% |
The relative tolerances and the frequency effects are derived, not stated by the vendor. The derivation is straightforward: relative Dk tolerance is the absolute band divided by nominal, and resonant frequency scales as 1/√Dk, so a ±1.4% Dk band gives roughly ±0.7% resonant frequency shift.
What else moves the antenna, and in which direction:
- Etch undercut shortens the trace and pulls resonant frequency up. The direction is textbook physics. No primary source quantifies the magnitude, because it is process-dependent. Do not fill in a number here.
- 誘電体厚のばらつき トレースが受ける実効誘電率を変化させ、共振周波数と給電線路のインピーダンスの両方を変動させます。
- 銅厚のばらつき トレース幅が変化し、その結果、特性インピーダンスも変わります。
- ロット間のDkのばらつき 上で導出したとおり、共振周波数を低下させます。
特にエッチング公差について言えば、広く引用されている“±0.0005 inch”という数値は、普遍的な標準値ではありません。一般的な標準サブトラクティブ工法では、絶対値ではなくパーセンテージで公差を示すことがほとんどです。また、この規模の絶対値は、プレミアムなファインライン工法やレーザー加工に該当します。同様に、IPC-4101が特定のDk公差を義務付けているという主張も、有料の規格を言い換えた製造業者のブログに由来するもので、規格そのものに記載されているわけではありません。実際の数値は基板メーカーに確認してください。
重要なのは、その結果です。 設計時に確保した帯域幅が、こうしたばらつきを吸収する余裕になります。 上記のソルダーマスクに関する研究で示された433 MHzアンテナのリターンロス帯域幅は、4.5 MHz、つまり中心周波数の約1%でした。このような設計では、Dkが±0.7%変動するだけで、ほとんど余裕がありません。一方、Infineonの設計例のような広帯域2.4 GHz設計では、S11が2.33～2.56 GHzの範囲で-10 dBを下回り、帯域幅は約200 MHz、中心周波数の約8%に達するため、同じばらつきがあっても影響を受けません。
これは周波数の異なる2種類のアンテナなので、同等の測定結果ではなく、比率として比較してください。要点は、一方の設計では中心周波数の約1%分、もう一方では約8%分の帯域幅がばらつきを吸収する余裕として確保されているということです。この差を決めるのは周波数ではなく、設計の帯域幅です。
次の3点を実施してください。制御インピーダンスを指定すること、「FR-4」とだけ記載せずラミネートのグレードを明記すること、そして設計を確定する前に、エッチング公差と誘電体公差の実際の値を基板メーカーに確認することです。
PCBアンテナの試験と測定
ベクトル・ネットワーク・アナライザを使ってベンチで15分測定すれば、アンテナが機能しているかどうかがわかります。問題の大半は、1回のリターンロス掃引で明らかになります。
試験には2つの段階があり、それぞれ異なる問いに答えます。
| 段階 | 測定器 | 測定項目 | 対象者 |
|---|---|---|---|
| ベンチ測定 | ベクトル・ネットワーク・アナライザ | S11、リターンロス、共振周波数、概算効率 | ほぼすべての人 |
| 電波暗室測定 | 電波暗室 | 放射パターン、利得、TRP、TIS、EIRP | 携帯通信機器および認証対象製品 |
ここでは第1段階を重点的に取り上げます。これは、ほとんどの読者が実際に実施できる測定だからです。合格基準は明確です。全帯域にわたってリターンロスが10 dB以上であること、そして共振周波数が対象帯域の中心にあることです。共振ピークが帯域の中心ではなく端にある場合、中心周波数では合格していても、設計には十分な余裕がありません。
第2段階では、アンテナの整合状態ではなく、空間への放射特性を評価します。総放射電力は送信時に帯域全体へ放射される総電力を測定し、全方向性感度は帯域全体にわたる平均受信感度を測定します。これらは携帯通信機器の認証制度で評価される項目であり、技術面だけでなく商業面でも重要です。
どちらの段階にも共通するルールがあります。 最終構成で測定すること。 アンテナは最終的な基板積層構成と最終筐体に取り付けた状態で測定する必要があります。それ以外の構成での測定結果には意味がないからです。基板単体での測定結果は、最終製品の結果とは言えません。これも、調整を始める前に機構設計を確定しておく必要がある理由です。
RF測定に合格しても、最終検査に合格したことにはなりません。基板を組み立てた後、製品の出荷可否を決める実装品質基準は別途確認する必要があります。詳しくは、以下のガイドをご覧ください。 IPC-A-610の受け入れ基準.
PCBアンテナ、チップアンテナ、外付けアンテナの比較
トレースアンテナ、チップアンテナ、外付けアンテナの選択は、基板面積、開発スケジュール上のリスク、通信距離のバランスを取ることです。正解は、3つのうち何を最も犠牲にできないかによって異なります。
| 選択肢 | フットプリント | 相対コスト | 相対効率 | 組み込み作業の負担 | 故障モード |
|---|---|---|---|---|---|
| 配線アンテナ | 基板上の占有面積が最大 | 最低 | 単位面積あたりの性能が最良 | 高：レイアウトの厳密な管理と調整が必要 | キープアウト領域が適切でないと、異常に気付かないまま性能が低下する |
| チップアンテナ | 小 | 低 | やや低い | 低：調整は最小限 | こちらもキープアウト領域が適切でないと機能しない |
| 外部アンテナ／FPCアンテナ | 全体の占有体積が最大 | 最高 | 通信距離が最長 | 中：コネクタとケーブルが必要 | コネクタ部分で故障する |
判断基準：
- 基板上に十分なスペースがあり、調整作業に見合う数量があるか？ 基板パターンアンテナを選びましょう。最も低コストで性能も良好です。調整にかかる手間は初回のみです。
- 基板が小さい、またはスケジュールが厳しいか？ チップアンテナを選びましょう。数セントの追加で調整のリスクを大幅に減らせます。ただし、キープアウト領域の管理は引き続き必要です。
- 筐体が金属製、または必要な通信距離が長いか？ 外付けアンテナを選び、コネクタとケーブルを受け入れましょう。金属筐体の内部から電波を放射するよい方法はありません。
この表の中央の列に注目してください。チップアンテナはキープアウトルールを回避する手段ではありません。独自形状の調整を避けるためのものです。銅箔を配置すべきでない場所に配置すれば、基板パターンアンテナと同じように性能が損なわれます。
PCBアンテナでよくある問題とその解決方法
PCBアンテナの問題は、主に5つの症状に分類されます。それぞれに最も可能性の高い原因が1つあり、1時間以内に確認できます。
| 症状 | 最も可能性の高い原因 | 確認方法 | 対処方法 |
|---|---|---|---|
| 測定した共振周波数が低い | 放射素子の下または横に銅箔がある | 最上層だけでなく、すべての層のキープアウト領域を確認する | すべての層でキープアウト領域を確保し、再測定する |
| 測定した共振周波数が高い | エッチングされた配線が短い、または基準設計で想定されたものより小さい | 製造された寸法をガーバーデータと比較する | 配線長を修正するか、ベンダーの基準設計と照合する |
| リターンロスは良好だが、通信距離が短い | 整合しているが、効率が低い | キープアウト領域内に金属がないか確認する。基板材料のDfが周波数に適しているか確認する | 金属を取り除き、損失正接が適切か確認する |
| ベンチでは動作するが、筐体に入れると動作しない | 筐体またはめっきによって放射素子が離調している | 筐体を閉じた状態で測定する | 筐体材料の誘電特性を評価し、アンテナの位置を移動する |
| 個体ごとに動作が異なる | 製造ばらつきによって設計マージンが失われている | 複数の基板でS11を比較する | 帯域幅を広げるか、許容差の仕様を厳しくする |
最初の行が圧倒的によくある問題で、その確認は最も見落とされがちです。配線時に、確認していなかった層へグランド面を追加すると、まさにこの症状が発生します。
4行目には補足が必要です。これが、調整前に機構設計を確定しておくべき理由です。調整後の筐体変更は小さな変化ではなく、アンテナを帯域外へ完全に離調させることがあります。
よくある質問
PCBアンテナとは何ですか？
PCBアンテナとは、プリント基板に直接エッチングされた銅箔の配線またはパターンで、無線周波数の電磁波を送受信します。基板自体が放射構造の一部となるため、基板レイアウトは配線形状と同じくらいアンテナの性能を左右します。
外付けアンテナは内蔵アンテナより優れていますか？
通信距離の面では優れていますが、コスト、サイズ、信頼性の面ではそうとは限りません。外付けアンテナは自由空間に電波を放射し、通常はより長い通信距離を実現しますが、コネクタ、ケーブル、組み立て工程、故障箇所が増えます。内蔵PCBアンテナは安価で損傷しにくい一方、通信距離が短くなり、動作には保護された基板スペースが必要です。
PCBアンテナにはどれくらいの基板スペースが必要ですか？
必要なスペースはほぼ周波数だけで決まり、クリアランス要件は波長に応じて変わります。Nordicの2.4 GHz基準設計では、約23 mmの配線とグランド面までの5 mmのクリアランスを使用しています。一方、433 MHzの1/4波長は自由空間で約173 mmなので、サブGHzアンテナには数倍の面積が必要です。
PCBアンテナの下にグランド面を配置できますか？
いいえ。放射素子の下に銅箔があると結合が生じ、寄生容量が増えて離調します。グランド面はキープアウト境界の外側に配置し、アンテナの下には配置しないでください。Nordicは、RF給電経路の下にはソリッドグランドを要求する一方、整合回路の下には別途キープアウト領域を要求しています。
ソルダーマスクはPCBアンテナの性能に影響しますか？
はい。ソルダーマスクは実効比誘電率を高め、共振周波数を低下させます。査読付きの測定研究では、433 MHzでマスクを除去すると共振周波数が433 MHzから448 MHzへ移動し、3.5%上昇しました。また、ピーク利得は1.2 dB向上しました。狭帯域設計では、放射素子の上にソルダーマスク開口を設けてください。
PCBアンテナはどのように調整しますか？
ベクトルネットワークアナライザで全帯域にわたってS11を測定し、共振周波数と帯域中央でのインピーダンスを確認します。その後、整合回路を調整し、全帯域でリターンロスが10 dBを超えるようにします。基準設計の部品値は出発点であり、基板スタックアップに応じて変わります。
PCBアンテナの設計は難しいですか？
理論は高度ですが、実際に起きる不具合は少数かつ具体的で、そのほとんどは数学ではなくレイアウトの問題です。すべての層でキープアウト領域を確保し、積層材のグレードを明記し、筐体を閉じる前に測定すれば、リスクの大部分を減らせます。
PCBアンテナには特殊な基板材料が必要ですか？
2.4 GHzでは、標準的なFR-4で十分な性能が得られるため、問題にはなりません。およそ5 GHzを超えると誘電損失によって通信距離が短くなり始め、低損失ラミネートを指定する価値が出てきます。RF用ラミネートを指定しても不適切なレイアウトは補えません。また、指定の基準にできる万能なFR-4の比誘電率はありません。
まず確認すること
ほかの作業に着手する前に、基板がクリアランス規則を満たしているか確認してください。作図中の層だけでなく、全ての層について、放射素子の下と周囲に銅箔がないことを確認し、機構設計中に金属部品がクリアランス境界内に入り込んでいないことも確かめてください。
次に、単に“FR-4”と記すのではなく、ラミネートのグレードを明記し、筐体を閉じる前にS11を測定してください。この3つの手順をこの順番で行えば、多くの問題を発見できます。
スタックアップとアートワークのリリースがすでに済んでいる場合は、製造に進む前にアンテナ領域、ラミネート仕様、制御インピーダンス要件を確認できます。
参考資料
- Rogers Corporation、 RO4350Bラミネート, RO4003Cラミネート, RT/duroid 5880ラミネート工程用および設計用の比誘電率とその許容差、ならびに10 GHz（2.5 GHz）で規定された誘電正接。2026-10-20閲覧。
- Isola Group、 370HRラミネートおよびプリプレグ改訂E、2024年6月。構成に応じた誘電率と誘電正接について、100 MHzから10 GHzまでを対象とし、IPC-TM-650の試験方法を引用。2026-10-20閲覧。
- Nordic Semiconductor、 一般的なPCB設計ガイドライン約23 mmのプリント型1/4波長モノポール長、グランドプレーンまでの最小クリアランス5 mm、RF経路の下に連続したグランドを設ける要件、および整合回路の下に内層のキープアウト領域を設ける要件について。2026-10-20閲覧。
- Infineon Technologies、 AN91445 アンテナ設計およびRFレイアウトガイドライン文書番号001-91445。リターンロスと反射電力の表、十分な性能とみなすしきい値10 dB、トレース幅20 milのMIFA寸法7.2 x 11.1 mm、および広帯域2.4 GHzの設計例について。2026-10-20閲覧。
- J. Buckley、D. Gaetano、K. G. McCarthy、L. Loizou、B. O’Flynn、C. O’Mathuna、「ワイヤレススマートシステム用途向け小型433 MHzアンテナ」、 Electronics Letters第50巻、第8号、572-574ページ、2014年4月10日、 DOI 10.1049/el.2013.4312はんだマスクによって共振周波数が433 MHzから448 MHzに変化した測定結果、利得が1.2 dB変化したこと、およびリターンロス帯域幅が4.5 MHzであることについて。
- Texas Instruments、 SWRA730 433～930 MHzおよび2.4 GHz対応のBOM調整式PCBアンテナ2022年2月。アンテナ寸法43 x 25 mm、L4トレース長19.0 mm、およびアンテナの下に配線してはならないという要件について。
- Silicon Labs、 AN928.2 EFR32 Series 2 レイアウト設計ガイド改訂1.5。整合回路のキープアウト寸法が約70 milおよび37 milであることについて。これらは整合回路網に適用されるものであり、アンテナ放射素子には適用されない点に注意してください。
- 47 CFR Part 15。米国における無免許送信機の運用を規定するFCC規則で、902～928 MHzおよび2.4～2.5 GHzのISM帯域を対象とします。
- ETSI EN 300 328。欧州の2.4 GHz ISM帯域における広帯域伝送システムを対象とします。
