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電気工学において、グランドプレーンは導電性の表面であり、通常は電気接地に接続されます。
この用語は、電気工学の別々の分野では 2 つの異なる意味を持ちます。
- アンテナ理論では、グランドプレーンは地球のように波長に比べて大きい導電面であり、送信機のグランド線に接続され、電波の反射面として機能します。
無線アンテナ理論
電気通信において、グランドプレーンは、他のアンテナ素子からの電波を反射するためにアンテナの一部として機能し、平坦またはほぼ平坦な水平導体面です。モノポールアンテナでは、グランドプレーンはアンテナ給電線の片側（通常は同軸ケーブルのシールド導体）に接続され、もう片側はモノポール素子自体に接続されます。[1]グランドプレーンの形状とサイズは、利得などの放射特性を決定する上で重要な役割を果たします。
グランドプレーンとして機能するには、導電面は少なくとも波長の4分の1である必要があります （ 1 /4 λ )の電波の半径です。放送アンテナに使用されるマスト ラジエーターなどの低周波アンテナでは、地球自体 (または塩性湿地や海洋などの水域) がグランド プレーンとして使用されます。VHFまたはUHF範囲の高周波アンテナの場合、グランド プレーンはより小さくなり、金属ディスク、スクリーン、ワイヤがグランド プレーンとして使用されます。VHF およびUHFの上位では、自動車または航空機の金属スキンが、そこから突き出たホイップアンテナのグランド プレーンとして機能します。マイクロストリップ アンテナおよびプリントモノポール アンテナでは、プリント回路基板の反対側の銅箔領域がグランド プレーンとして機能します。グランド プレーンは連続面である必要はありません。グランド プレーン アンテナスタイルのホイップ アンテナでは、「プレーン」は複数のワイヤで構成されます 1 /4 λ長の1/4波長ホイップアンテナの基部から放射される。
アンテナ素子からの電波がグランドプレーンで反射すると、グランドプレーンの反対側にあるアンテナの鏡像から電波が来るように見えます。モノポール アンテナでは、モノポールの放射パターンと仮想の「イメージ アンテナ」により、2 つの素子からなる中央給電型ダイポール アンテナのように見えます。そのため、理想的なグランドプレーン上に設置されたモノポールは、ダイポール アンテナと同じ放射パターンを持ちます。送信機または受信機からの給電線は、モノポール素子の下端とグランドプレーンの間に接続されます。グランドプレーンは導電性が良好でなければなりません。グランドプレーンの抵抗はアンテナと直列になっており、送信機からの電力を消費する役割を果たします。
プリント基板
プリント回路基板(PCB)上のグランドプレーンは、回路のグランドポイント (通常は電源の 1 つの端子)に接続された銅箔の大きな領域または層です。これは、さまざまなコンポーネントからの 電流の戻り経路として機能します。
グランド プレーンは、多くの場合、可能な限り大きく作られ、回路トレースが占めていない PCB の領域の大部分をカバーします。多層 PCB では、多くの場合、ボード全体をカバーする別の層になります。これにより、回路レイアウトが容易になり、設計者は追加のトレースを配線せずに任意のコンポーネントを接地できます。接地が必要なコンポーネントのリードは、ボードの穴を通って別の層のグランド プレーンに直接配線されます。銅の面積が大きいため、多くのコンポーネントからの大きな戻り電流も大きな電圧降下なしに伝導し、すべてのコンポーネントの接地接続が同じ基準電位になります。
デジタルおよび無線周波数PCB で大きなグランド プレーンを使用する主な理由は、グランド ループを介した電気ノイズと干渉を減らし、隣接する回路トレース間のクロストークを防ぐためです。デジタル回路の状態が切り替わると、大きな電流パルスがアクティブ デバイス (トランジスタまたは集積回路) からグランド回路を通って流れます。電源トレースとグランド トレースのインピーダンスがかなり大きい場合、それらの間の電圧降下によってノイズ電圧パルスが発生し、回路の他の部分に悪影響を与える可能性があります (グランド バウンス)。グランド プレーンの大きな導電領域は回路トレースよりもインピーダンスがはるかに低いため、電流パルスによる悪影響は少なくなります。
さらに、プリント回路トレースの下のグランドプレーンは、隣接するトレース間のクロストークを低減できます。 2 つのトレースが平行に走る場合、一方のトレースの電気信号が、もう一方のトレースをリンクする磁力線による電磁誘導によって、もう一方のトレースに結合することがあります。これをクロストークと呼びます。 グランドプレーン層が下に存在する場合、トレースと伝送線路を形成します。 反対方向の戻り電流は、トレースの真下のグランドプレーンを流れます。 これにより、電磁場のほとんどがトレースの近くの領域に制限され、結果としてクロストークが低減されます。
電源プレーンは、アクティブ デバイスに DC 電力を分配するために、多層回路基板のグランド プレーンに加えてよく使用されます。2 つの向かい合った銅の領域によって、電源を介して 1 つの回路から別の回路にノイズが結合するのを防ぐ大きな平行板デカップリング コンデンサが作成されます。
グランドプレーンは、分割されてから細いトレースで接続されることがあります。これにより、ボードのアナログとデジタルのセクション、またはアンプの入力と出力を分離できます。細いトレースはインピーダンスが十分に低いため、2 つの側を同じ電位に非常に近づけながら、一方の側のグランド電流がもう一方の側に結合してグランド ループが発生するのを防ぎます。
参照
参考文献
- ^ 「COMT 事前コース学習ガイド」(PDF) 。 2021年7月4日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2022年7月8日閲覧。
- グランドプレーン アンテナ モデル FA-2 ( PRACTICAL ANTENNA DESIGN第 2 版、フィリピン 著作権、1990、1994、Elpidio C. Latorilla 著)
- John Whitmore、sci.electronics > グランドプレーンを備えた PCB とは何ですか? 1992 年 8 月 11 日。
- アマチュア用 1/4 波長グランドプレーン アンテナ計算機。Computer Support Group, Inc.、2006 年。
- グランドプレーンとは何か? Criterion Cellular、2006 年。
この記事には、連邦規格 1037Cのパブリック ドメイン マテリアルが組み込まれています。一般調達局。2022 年 1 月 22 日にオリジナルからアーカイブされました。( MIL-STD-188 をサポート)。