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マイクロストリップパッチアンテナ電卓

伝送線路モデルを使用して長方形のマイクロストリップパッチアンテナの寸法 (幅、長さ) を計算します。FR4 や Rogers などの一般的な基板の実効誘電率、エッジフィードインピーダンス、および公称ゲインを出力します。

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公式

W = \frac{c}{2f}\sqrt{\frac{2}{\varepsilon_r+1}}, \quad L = \frac{c}{2f\sqrt{\varepsilon_{r,\text{eff}}}} - 2\Delta L

参考: Balanis, "Antenna Theory: Analysis and Design", 4th ed., Chapter 14

W — Patch width (m)
L — Patch length (m)
εr — Substrate relative permittivity
εr_eff — Effective relative permittivity
ΔL — End-effect fringing extension (m)
c — Speed of light (299 792 458 m/s) (m/s)
f — Operating frequency (Hz)

仕組み

マイクロストリップパッチアンテナは、プリント基板上に製造された平面の薄型放射構造です。基本的な設計では、誘電体基板上に金属パッチを作り、その下にグランドプレーンを置きます。アンテナの性能は、基板の誘電率 (δr)、パッチの寸法、給電メカニズムに大きく依存します。幅 (W) と長さ (L) の計算は、基板の電気的特性を考慮した電磁波伝搬原理から導き出されます。パッチは効果的に共振空洞として機能し、パッチエッジの不連続部から放射が発生します。実効誘電率 (eReff) などの重要なパラメータによって電気波長が変化するため、自由空間に比べて誘電体媒体を通る波の伝播が遅くなります。

計算例

Δr = 4.3 で基板の高さ h = 1.6 mm の FR-4 基板を使用する 2.4 GHz WiFi アプリケーション用のマイクロストリップパッチアンテナ設計を考えてみましょう。まず、自由空間波長 λ = 3×10^8/(2.4×10^9) = 0.125 m を計算します。幅の式を使用して、W = 0.125/(2 * sqrt (2/(4.3 + 1))) ≈0.0592 m または 59.2 mm実効誘電率を計算すると eReff ≈3.74 が得られます。次に長さを計算すると、L = 0.125/(2 * sqrt (3.74)) -2* 補正項が得られ、パッチ長は約 48.3 mm になります。

実践的なヒント

  • ✓より一貫したアンテナ性能を得るには、高精度の基板材料を使用してください
  • ✓インピーダンスと放射パターンの正確な測定には、ベクトル・ネットワーク・アナライザの使用を検討してください
  • ✓放射効率向上のためのグランドプレーン拡張機能の実装

よくある間違い

  • ✗基板の高さと誘電率がアンテナ性能に与える影響を無視する
  • ✗自由空間波長が修正係数なしでパッチの寸法に直接変換されると仮定すると
  • ✗給電ネットワークが放射線特性に与える影響を無視

よくある質問

帯域幅は、主に基板の厚さ、誘電率、およびパッチ形状の影響を受けます。一般に、基板が厚く、誘電率が低いほど、帯域幅は広くなります。
はい、公式は普遍的です。特定の周波数、基板の特性、高さを入力するだけで、パッチの寸法を計算できます。
計算は良い出発点ですが、実際の実装では常に測定とシミュレーションによる経験的検証が必要です。
一般的な給電技術には、マイクロストリップラインフィード、同軸プローブフィード、およびアパーチャカップリングがあり、それぞれインピーダンスマッチングと放射特性に独自の利点があります。
アレイ構成で複数のパッチ要素を使用し、基板の特性を最適化し、正確な給電ネットワークを実装することで、ゲインを高めることができます。

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