逆Fアンテナ

逆F アンテナは、主にUHFおよびマイクロ波周波数での無線通信で使用されるアンテナの一種です。このアンテナは、グランド プレーンと平行に走り、片端が接地されたモノポール アンテナで構成されています。アンテナは、接地端から離れた中間点から給電されます。この設計には、単純なモノポールに比べて 2 つの利点があります。アンテナが短くコンパクトなため、モバイル デバイスのケース内に収めることができます。また、設計者が給電回路にインピーダンスを整合できるため、外部の整合コンポーネントを必要とせずに、効率的に電力を放射できます。

逆 F アンテナは、1950 年代に曲げワイヤ アンテナとして初めて考案されました。しかし、最も広く使用されているのは、省スペースの特性から、モバイル ワイヤレス デバイスで平面逆 F アンテナ( PIFA ) としてです。PIFA は、マイクロストリップ形式を使用して印刷できます。この広く使用されている技術により、印刷されたRFコンポーネントを、他のコンポーネントをマウントするのと同じプリント回路基板の一部として製造できます。

PIFA はパッチ アンテナのバリエーションです。このアンテナやその他の逆 F アンテナのバリエーションは数多く存在し、広帯域またはマルチバンド アンテナを実装します。その手法には、結合共振器やスロットの追加などがあります。

逆 F アンテナは、広く使用されている 1/4 波長モノポール アンテナの進化形です。このアンテナは、導電性のグランド プレーンの上に垂直に取り付けられた導電性ロッドで構成され、そのベースで給電されます。ワイヤ F 型アンテナは 1940 年代に発明されました。 ^[1]このアンテナでは、給電部はベースではなくアンテナの長さに沿った中間点に接続され、アンテナのベースはグランド プレーンに接続されます。これを行う利点は、アンテナの入力インピーダンスが給電点から接地端までの距離に依存することです。給電点とグランド プレーンの間のアンテナ部分は、基本的に短絡スタブとして動作します。したがって、設計者は、アンテナ要素に沿って給電点の位置を設定することにより、アンテナを給電線のインピーダンスに一致させることができます。

逆Lアンテナは、グランドプレーンと平行になるように曲げられたモノポールアンテナです。モノポールよりもコンパクトで長さが短いという利点がありますが、インピーダンスが非常に低いという欠点があります。ベース給電の場合、通常数オームですが、ベース給電モノポールのインピーダンスは36.5 Ωです。^[2]逆Fアンテナは、これら2つのアンテナの利点を組み合わせたもので、逆Lのコンパクトさと、F型のように給電回路のインピーダンス（プリント回路では50 Ωであることが多い）に合わせる機能を備えています。^[3]${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}\lambda }$${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}\lambda }$

逆Fアンテナは、1958年にハーバード大学のロノルド・W・P・キング率いるグループによって初めて提案されました。^{[4]キングのアンテナはワイヤー状で、ミサイルの}遠隔測定に使用することを目的としていました。^[5]

平面逆 F アンテナ (PIFA) は、マイクロストリップに実装された無線回路に使用されます。マイクロストリップ形式は、現代のRFエレクトロニクスに最適な形式です。フィルターなどの必要な分散要素RF コンポーネントを実装するのに使用できると同時に、プリント回路基板と同じ大量生産方法が使用されるため経済的です。

プリント逆 F アンテナは、古典的な逆 F 形状で、通常はアンテナの下からグランド プレーンが取り除かれた回路基板の片側に実装できます。ただし、別の方法として、修正パッチ アンテナ、つまり短絡パッチ アンテナがあります。この方法では、パッチの 1 つのエッジ、または中間ポイントが、グランド プレーンに通じるグランド ピンまたはビアで接地されます。これは逆 F と同じ原理で動作します。横から見ると F 形状が見えます。ただし、アンテナ要素が水平面で非常に広いだけです。^[6] 短絡パッチ アンテナは、放射領域が大きいため、細線タイプよりも帯域幅が広くなります。 ^[7] 細線タイプと同様に、短絡パッチ アンテナは、回路の他の部分と同じプリント回路基板上にプリントできます。ただし、通常は専用の基板上に、またはメイン基板に固定された誘電体上にプリントされます。これは、アンテナを吊り下げて効果的に空気誘電体内に配置できるようにし、通常よりもグランドプレーンからの距離を長くするため、または使用される誘電体がRF性能に適した材料になるようにするためです。^[8]

PIFAという用語は、多くの著者（例えばSánchez-Hernández ^[9]）によって、アンテナ素子が広く、その下にグランドプレーンがある短絡パッチアンテナを指すために使用されています。図のAとBのように、グランドプレーンが片側にある細い線状の逆Fアンテナは、平面形式であっても単にIFAと呼ばれます。著者は、このタイプのIFAを印刷逆Fアンテナと呼びながらも、 PIFAを短絡パッチタイプにのみ使用することもあります（例えばHallとWang。 ^[10]）

短絡パッチアンテナの一般的な構成は、短絡ピンをできるだけ片方の角に近づけ、給電ピンを短絡ピンに比較的近づけることです。この構成では、共振周波数はおおよそ次の式で表されます。

${\displaystyle f_{0}={\frac {c}{4(w+b){\sqrt {\varepsilon }}_{\mathrm {r} }}}}$

どこ

f _{0 は}共振周波数である

w、b はパッチの幅と幅である。

cは光の速度です

ε _{r は}基板の誘電率です。

この式は、アンテナがデバイスの筐体などの近くの誘電体の影響を受けない場合にのみ成立します。^[11]

他に遭遇する可能性のあるバリエーションは、蛇行逆Fアンテナ（MIFA）です。アンテナを必要な長さまで延長するための基板スペースが不十分な場合、アンテナを蛇行させて高さを低くし、設計された電気長を維持することができます。^{[12]これは、}ラバーダッキーアンテナ に見られるアンテナの螺旋状と比較できます。^[13]

逆Fアンテナは帯域幅が狭い。アンテナを長くすることで、放射抵抗が増し、より広い帯域幅を実現できる。別の解決策は、2つのアンテナを近接して配置することである。これは、結合共振器の帯域幅が、どちらかの共振器単独の帯域幅よりも広いためである。マルチバンドアンテナを製造する技術のほとんどは、帯域幅を広げるのにも効果的である。^[14]

マルチバンドアンテナの必要性は、周波数帯域が異なることが多い国やネットワーク間を移動する必要があるモバイルデバイスで発生します。おそらく最も概念的に単純な設計は、1997年に初めて報告された^[16]もので、 2つのPIFAパッチアンテナを互いに重ね合わせるものです。もう1つの手法は、パッチに1つ以上のスパーラインを挿入することです。これにより、結合共振器が帯域を広げる効果があります。他の手法では、複数のモードが生成されることに依存しており、これによりよりコンパクトな設計が可能になります。この例としては、インターデジタルフィルタに似たパターンであるCスロットパターンや、図のCとDでそれぞれ示されている密に蛇行したパターンがあります。^[17]

逆Fアンテナは、スペースが限られている小型の携帯型無線機器で広く使用されています。これには、GSM、Bluetooth、Wi-Fiなどの無線伝送を使用する携帯電話やタブレットコンピュータが含まれます。^[18] 平面逆Fアンテナは、携帯電話の設計で最も頻繁に使用される内蔵アンテナです。^[19]

これらのアンテナは、車両テレマティクスにも使用されます。自動車メーカーは、スタイルと空気力学的理由から、車両の輪郭に沿ったアンテナを使用することを好みます。マルチバンドPIFAは、携帯電話、衛星ナビゲーション、カーラジオのアンテナフィードを組み合わせるために使用できます。^[20]

これらのアンテナは、インターレンジインストルメンテーショングループ規格をサポートするものを含む軍事試験場での遠隔測定アプリケーションに使用されています。^[21]

R字型のデュアルバンドPIFAは軍用車両での使用が提案されている。カバーされる帯域は225MHzと450MHzである。これらの周波数は携帯電話のGSM帯域である900MHzと1.8GHzと同じ比率であるため、寸法を縮小すればこの設計をこの用途にも使用できる。^[22]

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