アンテナは、BLEタグの実効到達距離、消費電力、位置安定性を決定する最も重要な要素です。40 mm未満のフォームファクタでは、グランドプレーンの1 mm、各誘電体境界、各ハウジング材料の選択が放射パターンに直接影響します。本記事では、測定データを用いてこれらのトレードオフを定量化し、次世代コンパクト資産追跡タグに取り組むエンジニア向けの設計ガイドラインを提供します。
小型タグ向けアンテナトポロジーの選択
40 mm未満のBLEタグ設計では3種類のアンテナが主流です。それぞれ帯域幅、効率、PCB面積のトレードオフが異なります：
| 種類 | 一般的なサイズ | ピーク効率 | 帯域幅 (S11 < -10 dB) | グランドプレーン要件 |
|---|---|---|---|---|
| メンダー逆F (MIFA) | 18 × 5 mm | 45-60% | 80-120 MHz | ≥ 20 mm |
| PIFA (平面逆F) | 10 × 10 mm | 35-50% | 60-90 MHz | ≥ 15 mm |
| セラミックチップ (例: Johanson 2450AT18A100) | 3.2 × 1.6 mm | 20-35% | 150-250 MHz | 最小 (自己共振) |
コインセルタグ（CR2032/CR2450）では、MIFAが効率対面積比で最も優れています。超コンパクトキーフォームファクタでは、セラミックチップアンテナがレイアウト複雑性を排除しますが、効率で15-20ポイント低下します。PIFAは中間に位置し、金属面上にタグを配置する場合に推奨されます—ショートピンが自然な帰路を提供し、ディチューニングを軽減します。
グランドプレーンとクリアランス面積の予算
直径30 mmの円形タグでは、利用可能なPCB面積は約707 mm²です。SoC（nRF52832 QFN: 48 mm²）、コインセルホルダー（約180 mm²）、センサーIC（約20 mm²）、受動部品（約40 mm²）のスペースを確保後、アンテナ+グランドプレーン予算は約420 mm²です。この制約から以下のグランドプレーンルールが導かれます：
- 最小グランド長: MIFAで20 mm（2.45 GHzでλ/6）; これを下回ると5 mm減少ごとに効率が約3 dB低下
- アンテナ上方クリアランス: 全レイヤーで銅なしゾーン5 mm以上; 誘電体のみ（FR4 εr ≈ 4.4）
- 電池からのキープアウト: CR2032は20 mmの金属円盤を形成—3 mm以上の横方向クリアランスを維持しないとアンテナパターンが電池側に15-25°傾く
- バイアステッチング: グランドプレーン外周に1.5 mmピッチでバイアスを配置し、エッジ放射を抑制してパターン対称性を向上
インピーダンスマッチングネットワーク設計
BLE SoCは部品ごとに異なる複素出力インピーダンスを持ちます。nRF52832データシートではZout = (16.5 + j14.5) Ω @ 2.44 GHz; CC2640R2Fでは(30 + j15) Ωと規定されています。どちらもアンテナの50 Ω入力への変換にマッチングネットワークが必要です。
Pi回路（C1–L–C2）が量産調整において最も柔軟性があります：
- C1 (SoC側): 0.5–2.2 pF、NP0/C0G誘電体（±0.1 pF許容差）
- L (直列): 1.5–4.7 nH、巻線（Q > 25 @ 2.4 GHz）
- C2 (アンテナ側): 0.3–1.5 pF、NP0/C0G
実用ヒント: 最終BOMで2部品のみ使用する場合でも3つのフットプリントをレイアウトしてください。これにより基板改版なしに量産中の再調整が可能になります。MIFAアンテナの場合、給電点での測定入力インピーダンスは通常20–35 Ω（j10–j25リアクタンス）の範囲であり、Pi回路は標準E12値でこの全範囲をカバーします。
ハウジング材料が共振周波数に与える影響
タグのプラスチックハウジングは誘電体オーバーレイとして機能し、アンテナの共振周波数を低下させます。シフト量は材料の誘電率、壁厚、放射素子への近接度に依存します：
| ハウジング材料 | εr (2.4 GHz) | 壁厚 (mm) | 周波数シフト (MHz) | 効率損失 (dB) |
|---|---|---|---|---|
| ABS | 2.7–3.0 | 1.5 | -40 ～ -60 | 0.5–1.0 |
| PC | 2.9–3.2 | 1.5 | -50 ～ -80 | 0.8–1.5 |
| PC/ABS ブレンド | 2.8–3.1 | 1.5 | -45 ～ -70 | 0.6–1.2 |
| TPU (オーバーモールド) | 3.0–4.0 | 2.0 | -80 ～ -150 | 1.5–3.0 |
| エポキシ樹脂注入 | 3.5–4.5 | 全面封止 | -120 ～ -200 | 2.5–4.5 |
設計ルール: 裸基板アンテナを60–100 MHz高く（中心2.50–2.54 GHz）チューニングし、ハウジングが2.44 GHzに戻すようにします。この「プリディチューニング」アプローチは量産で標準的です—各ハウジングロットの誘電率を（平行板治具を使用して）測定し、C1/C2を適宜調整します。IP67防塵防水タグでは、-120 ～ -200 MHzのシフトにより、積極的なプリディチューニングと広帯域トポロジー（セラミックチップまたはグランドトランケーション付きメンダーモノポール）が必要です。
人体と取り付け面の影響
BLEタグが損失性誘電体（人体組織、段ボール、液体容器）の上または近くに取り付けられると、ディチューニングと吸収の両方が発生します：
- 身体装着（ランヤード/バッジ）: 効率6–10 dB低下、パターンが半球状（体から離れる方向）に。解決策: アンテナを外向きPCB端に配置、タグと皮膚の間に3 mm発泡スペーサーを使用
- 金属棚上: 直接接着するとアンテナが短絡; 効率15 dB以上低下。解決策: 5 mm発泡スペーサーまたはPIFAとグランドプレーンアイソレーションを使用
- 段ボール箱上: εr ≈ 1.5–2.0; ディチューニングは最小だが高湿度では吸湿により1–2 dB効率低下
- 液体近接（飲料倉庫）: 水のεr ≈ 78 @ 2.4 GHzで深刻なディチューニング（200 MHz以上シフト）と10 mm以内で10 dB以上の吸収
放射パターン最適化
開放倉庫での資産追跡では、水平面内の無指向性パターンがゲートウェイ検出確率を最大化します。30 mmタグでは、MIFAはPCBの広面側に最も強く放射し、PCB縁方向に4–6 dBのヌルがあります。パターン均一性を改善する2つの技術：
- コーナー配置: アンテナを長方形PCB（例: 35 × 25 mm）の一隅に配置。トランケートされたグランドプレーンがより均一なH面パターン（360°で3 dB以内の変動）を作成
- グランドプレーンスロット: アンテナ給電点から5 mmの位置に2 mm幅のL字スロットをグランドプレーンに設け、グランド電流を分散させてヌルを2–3 dB軽減
コーナーMIFA搭載35 × 25 mm nRF52832タグの自由空間測定データ：
| 角度 (°) | 1 mでのRSSI (dBm) | 角度 (°) | 1 mでのRSSI (dBm) |
|---|---|---|---|
| 0 | -42 | 180 | -43 |
| 45 | -44 | 225 | -45 |
| 90 | -47 | 270 | -46 |
| 135 | -45 | 315 | -44 |
最大変動: 5 dB、これは感度限界で約30%の到達距離不確実性に相当—RSSIベースの近接検出では許容範囲ですが、距離推定アプリケーションでは補正が必要です。
量産調整と検証
PCBエッチング許容差（±10%）、部品値ばらつき、ハウジングロット差によりアンテナ性能は個体差があります。量産ライン調整ワークフロー：
- VNAスイープ裸基板: 2.40–2.50 GHzでS11を測定。中心周波数と-10 dB帯域幅を記録
- マッチング部品調整: 中心周波数 > 2.48 GHzの場合、C2をE12ステップ1段増加。2.42 GHz未満の場合、C2を減少
- ハウジング組み立て: ハウジング越しにS11を再測定。中心周波数が2.42–2.46 GHzであることを確認
- 到達距離テスト: 1 m、5 m、10 mで4方向のRSSIを測定。ゴールデンユニット基準値と比較
- サンプリング率: 初回ロットは100%検査; 中心周波数のCpk > 1.33達成後AQL 1.0（1%サンプリング）に移行
設計チェックリスト
- ☐ グランドプレーン予算とフォームファクタに基づきアンテナタイプを選択
- ☐ グランドプレーン≥ 20 mm（MIFA）または≥ 15 mm（PIFA）の最大寸法
- ☐ アンテナ周囲全レイヤーでクリアランスゾーン≥ 5 mm銅なし
- ☐ Pi回路フットプリント3部品分を配置（再調整用）
- ☐ プリディチューニング目標: 裸基板中心2.50–2.54 GHz
- ☐ 電池キープアウト≥ 3 mmをアンテナ素子から
- ☐ グランド外周に1.5 mmピッチでバイアステッチングリング
- ☐ 各ロットのハウジング誘電率を測定; マッチングネットワークを調整
- ☐ 人体/金属影響を緩和（スペーサー、PIFA、パターン最適化）
- ☐ 量産VNAおよび到達距離テスト手順を文書化