グランドプレーン依存型アンテナとグランドプレーン不要アンテナの比較

施工担当者がマグネットベースのLTEアンテナをグラスファイバー製の機器キャビネットの上に取り付けたところ、テストベンチでは問題なく動作していたモデムが接続を維持しにくくなりました。故障しているものは何もありません。アンテナが自身の半分、つまりグランドプレーンを失っただけなのです。

グランドプレーンの役割

ホイップ、スタビー、マグネットマウントの各アンテナの多くの基礎となっている古典的な1/4波長モノポールは、ダイポールの半分にすぎません。欠けている半分は、その下にある導電性の面が補い、電気的な鏡として機能します。放射素子と、グランドプレーンに映るその鏡像が一体となって、完全な半波長ダイポールのように動作します。

つまり、金属面は単なる取付先ではなく、アンテナの一部です。その面の大きさや形状を変えれば、アンテナの共振周波数、インピーダンス整合、放射パターンが変わります。

必要な大きさ

目安として、モノポールには基部から全方向に少なくとも1/4波長広がるグランドプレーンが必要で、要件を決めるのは最も低い周波数での性能です。大きいほど有利ですが、約1/2波長を超えると効果は頭打ちになります。

車両のルーフであれば、どの帯域でもこの条件を容易に満たします。一方、幅60 mmのIoTゲートウェイは700 MHzでは到底及びません。セルラーのローバンドが小型設計で最も難しい部分となるのは、まさにこのためです。

グランドプレーンが小さすぎる、または存在しない場合の影響

• 共振点が（通常は高い周波数側へ）ずれるため、まず帯域の低域側からVSWRが悪化します。
• 効率が低下し、特に700～960 MHzの範囲で顕著になります。
• 放射パターンが上向きに傾き、基地局やゲートウェイが通常位置する水平方向から外れます。
• 同軸ケーブルのシールドが、アンテナの欠けた半分として働き始めます。その結果、ケーブルを動かしたり配線経路を変えたりすると性能が変化し、機器からのノイズがアンテナに伝導することもあります。

マグネットマウントアンテナについては特に触れておく必要があります。マグネットは単なる固定具ではありません。ベースが下の鋼板と容量結合し、その鋼板がグランドプレーンになります。木製の机、樹脂製の筐体、複合材のルーフの上では、同じアンテナがグランドプレーンなしで動作していることになります。

グランドプレーン不要アンテナ

グランドプレーン不要アンテナは、両方の半分をアンテナ自体に備えています。一般的な方式としては、半波長ダイポール（「ラバーダック」ハウジング内のスリーブダイポールを含む）、グラスファイバー製レドーム内のコリニアダイポールアレイ、アンテナベースに内蔵されたカウンターポイズ、PCBまたはフレキシブルPCB上の平衡型設計があります。アンテナが電気的に完結しているため、樹脂、グラスファイバー、ガラス、木材の上でも、あるいは自由空間に立つポール上でも、仕様どおりの性能を発揮します。

その代償はサイズです。同じ周波数であれば、グランドプレーン不要の設計は、金属面を借りるモノポールよりも一般に長く、または幅広になります。また、「不要」とはアンテナがグランドプレーンを必要としないという意味であり、近くの金属が影響しないという意味ではない点にもご注意ください。どのようなアンテナでも、近くに大きな金属面があれば放射パターンは変化します。

どちらを選ぶべきか

非金属面でグランドプレーン依存型アンテナを使用せざるを得ない場合は、取付位置の下に金属板または粘着式の金属箔（上の表に従ったサイズ）を敷くことで、性能の大部分を回復できます。

当社製品の例

• LE-Q8C – グランドプレーン不要、ネジ止め固定の広帯域LTEアンテナ
• LE-Q4R – グランドプレーン不要のラバーダックLTEアンテナ
• 5G-P2 / 5G-P2H – グランドプレーン不要の内蔵型PCBアンテナ、698～4000 MHz
• FPC-LE-S1 – 小型機器向け、グランドプレーン不要のフレキシブルPCB LTEアンテナ
• SM-Q2-C – グランドプレーン不要、ネジ止め固定のISM / LoRaアンテナ
• LE-Q6C – 低背の粘着テープ取付LTEアンテナ — 最良の性能を得るにはグランドプレーンが必要
• STF-LTE-004 – LTEマグネットマウントアンテナ

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