Exelonix

スマートなモノのインターネット（IoT）デバイスを設計し、最適な信号性能とバッテリー寿命の延長を備えたコンパクトな製品を提供する場合、適切なアンテナの選択と配置は、設計の初期段階で考慮すべき重要な事項です。無線 IoT デバイスとソフトウェア・サービスを B2B のお客様に提供するドイツの Exelonix 社は、新しい車両追跡デバイスの最初の設計を繰り返していましたが、現場試験で無線周波数（RF）部品が正しく機能していないことにすぐに気づきました。最初の設計では、データシートやアプリケーション ノートで優れた性能を示していた低価格の既製アンテナを採用しました。しかし、このデバイスの現場試験を行ったところ、セルラーでの効率はわずか 7% で、全地球航法衛星システム（GNSS）アンテナの性能も低く、伝送性能は弱いという結果になりました。また、低ノイズ アンプ（LNA）やソフトウェアによる回避策でこれらの低効率を補うことは、最初のアンテナ選択と配置の物理的限界に対処できないことも明らかでした。そこで Exelonix は、TE Connectivity（TE）に根本原因の評価とカスタム アンテナ ソリューションの開発を依頼しました。

TE は、データシートの値、サイズ、適用コストによって選択された 3 つのオンボード アンテナ（セルラー、GNSS、Bluetooth）を使用する Exelonix の初期設計を詳細に分析しました。チームが発見したのは、RF 性能に悪影響を及ぼす不十分なグランド プレーンサイズに関連する、IoT デバイスの典型的な問題でした。データシートでは、50% 以上の低帯域性能と 70% 以上の高帯域性能を実現するために、130 mm × 60 mm のグランド プレーンが必要でした。しかし、プロジェクトの要件では、63mm × 33mm のグランド プレーンサイズが指定されており、その結果、低帯域での効率は 10% 未満、高帯域での効率は 40%未満となりました。   

「データシートにはしばしば理想的な性能結果が記載されていますが、実際の現場では、アンテナは他の部品や材料に囲まれています。実際のグランド プレーンのサイズは、基準グランド プレーンよりもはるかに小さいことがよくあります。Exelonix のデバイスは、損失性の高い材料によって熱に変換されるのではなく、空中に放射されるエネルギーの効率を高めるために、かなり大きなグランド プレーンを必要としていました」と、TE のシニア RF アンテナ プロダクトマネージャー Christian Koehler はコメントしています。

分析が完了した後、TE のエンジニアリング チームはプロトタイプの設計プロセスを開始し、まず既存のアンテナ（図 1）を修正するか、同レベルのコスト効率と製造の簡素化を実現できる、より優れた性能を持つ標準アンテナを特定しようと試みました。その結果、不十分な GNSS 性能と低帯域での弱いセルラー性能が示されました。

そこでチームは、スマートフォン業界のベスト プラクティスを取り入れながら、3 次元を利用して帯域幅と効率を向上させることに重点を置き、カスタム アンテナのコンセプト（図 2）にシフトしました。プロトタイピングの第 2 段階として、チームはレーザー直接構造化（LDS）技術を用いて「L」字型のアンテナ ブロックを開発しました。このブロックはセルラー アンテナとGNSS アンテナを内蔵し、最悪のケースでも 20% 以上の効率で優れた性能を発揮しましたが、Bluetooth 技術と互換性のあるアンテナの統合が欠けていました。

このコンセプトに基づいて、チームは、セルラー、GNSS、およびBluetooth デバイスと互換性のあるアンテナを組み込んだ「U」字型の LDS アンテナブロック（図 3）を開発しました。これにより、グランド プレーンとの距離をさらに確保し、アンテナ間の分離を強化して結合や信号干渉を最小化することで、性能が大幅に向上しました。

「2 つ目のコンセプトには満足していましたが、実際のユース ケースに持ち込み、ボード上の距離、位置、高さを評価する必要がありました。プリント基板の下にはバッテリーがあり、アンテナの効率や帯域幅に影響を与える可能性があったため、バッテリーとボードの間隔を広げる必要がありました。さらに、追跡装置の下には金属製のシャーシがありました。チームは次に、シャーシを使用例として取り上げ、ボード上のさまざまな位置にトラッキング デバイスを配置しました（図 4）。また、デバイスとグランド プレーン間の高さも変えてみました。RF のパフォーマンスへの影響には驚かされました。P2 と H1 は最も困難なユース ケースだったので、アンテナを適切に設計するためのベンチマークとしました。」

集中的なユース ケース試験プロセスの後、最終的に選ばれたデザインは、セルラー アンテナ、Bluetooth デバイスと互換性のあるアンテナ、GNSS アンテナを最大地上面距離で組み込んだ U 字型ブロック アンテナでした。セルラー アンテナ（図 5）は、TE の MetaSpan アンテナ技術で作られており、より小さなフォーム ファクタを提供し、隣接する RF 部品や他のアンテナとの結合を防ぐのに役立ちます。Bluetooth 技術や GNSS 機能との互換性を考慮し、平面反転 F アンテナ（PIFA）を採用。

この設計は、Exelonix の厳しい要件を満たしているだけでなく、大量生産に適した簡単な組み立てと高い再現性を実現しています。ブロックの底にあるフックは プリント基板に簡単に直接クリップでき、アンテナ端のフィードはボード表面にはんだ付けされたスプリング クリップに接続されます。 

TEと Exelonix の共同努力により、最終的なアンテナ設計は、90 x 58 x 15 mm の IoT フォーム ファクタを達成し、効率は認証限界の 20% 超を上回る 30% 超を達成しました。弱い GNSS の性能は、繰り返し追跡シナリオで 99.9% まで向上し、バッテリー容量で送信できるメッセージ数は 10 倍近く増加しました。

「アンテナだけでなく、関連するコネクタ、センサ、基板レベルのシールドなど、市場投入までの時間とエンドユーザーの満足度において、常に期待を上回るよう努力しています。これこそが、お客様が TE に期待できることです」と Koehler は説明します。