無線モジュール用アンテナの選定

アンテナとは、実質的には空間に露出した導体です。アンテナに入力された電気エネルギーは、その周波数の電磁波として自由空間に放射され、無線機器と遠隔の通信相手とを結びます。アンテナは、RF送信モジュールおよび受信モジュールにとって最も重要な部品の一つです。性能の良いアンテナは、無線モジュールの伝送距離と信号強度を大きく向上させます。そのため、無線モジュールに適したアンテナを選ぶことが非常に重要です。

開発する無線アプリケーションに最適なアンテナを選ぶ際には、いくつかの重要な要素があります。

無線モジュールにはそれぞれ、433MHz、700MHz、868MHz、1900MHz、2100MHz、3500MHz、5200MHzなどの固有の動作周波数があり、アンテナにも動作帯域があります。アンテナの周波数帯は、無線モジュールの帯域に適合していなければなりません。適合していない場合、無線モジュール全体の送信効率や受信効率は大きく低下します。周波数帯のずれはアンテナの放射範囲を狭め、その結果、伝送距離が短くなります。Santa Feは、Sierra Wireless、Mediatek、Telit、Huawei、Gemalto、uBlox、ZTEの各モジュールに適合する、5G、LTE、ISM、Wi-Fi帯域向けのアンテナをフルラインアップで提供しています。

放射効率は、アンテナがRF信号をどれだけ効率よく送受信できるかを表す重要なパラメータであり、信号源から受け取る全入力電力に対する、アンテナが放射する全電力の比として定義されます。放射効率の高いアンテナは、入力電力を効率よく自由空間に放射します。放射効率が低い場合、入力電力の大部分は、アンテナ内部の金属導体損失、誘電体損失、磁性損失などの内部損失によって消費されます。放射効率100パーセントとは、反射されなかった電力のすべてが自由空間に放射されることを意味します。

放射パターンは放射の指向特性、すなわちどの方向に強く放射し、どの方向に弱く放射するかを示します。この情報は、実際の設置現場でアンテナの向きを適切に決めるのに役立ちます。ワイヤアンテナはRF性能に最も優れ、一般に他のアンテナと比べて良好なアンテナ効率と高品質な指向性を発揮します。指向性アンテナは、通信事業者のセルラー基地局やローカルネットワークの信号増幅器の多くで広く採用されています。

利得値はアンテナの非常に重要なパラメータです。単位はdBiで、利得値は正の値をとります。利得値が高いほど、利得の効果も高くなります。

VSWRは、定在波の振幅（電圧の最大値）と谷の電圧（最小値）との比であり、定在波係数、定在波比とも呼ばれます。主にアンテナの整合状態を表すために用いられます。VSWRが1の場合、給電線とアンテナのインピーダンスが完全に整合していることを意味し、最も理想的な状態です。VSWRが1より大きい場合、電波の一部が反射されて熱となり、給電線が発熱することを意味します。現在では、電波暗室でアンテナの効率を測定することが、より手軽かつ低コストになっています。単純なVSWRの比較よりも、アンテナ効率のほうが重要な指標となっています。

用途ごとに固有の使用環境や設置上の制約があるため、使用するアンテナもそれに応じて異なります。環境が過酷で干渉源が多い場合、無線機器の性能は悪影響を受けます。そのような環境には、ロッドアンテナ、吸盤アンテナ、八木アンテナなどの高利得の外付けアンテナを推奨します。高利得アンテナは耐干渉性を高めることができます。外付けアンテナを使用できない場合は、PCB（FR4）またはフレキシブルPCB（FPC）の内蔵アンテナが適した選択肢となります。アンテナの位置が「開けて」いるほど、信号伝送は良好になり、より長い伝送距離が期待できます。アンテナの周囲は開放し、金属、建物、その他の干渉源から十分に離す、すなわち「キープアウト」を確保してください。