EZ-BLE™モジュール配置 – KBA97095 - Community Translated (JA)

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    Translation - English: EZ-BLE™ Module Placement – KBA97095

     

    質問:

    モジュールRFの影響を最小限にするために、異なるタイプの筐体のホストボード上にEZ-BLEモジュールを配置する方法のガイドラインはありますか?

     

    回答:

    はい。方向、確度位置、偏波、金属障害物および金属面のクリアランス、非金属のクリアランス、シールド設計および組み立てのガイドラインは下記のセクションで示します。

     

    サイプレスCYBL-022001-00Bluetooth Low Energy (BLE)無線通信をサポートする、完全に認定され資格を得たモジュールです。CYBLE-022001-00はターンキーソリューションで、ボード上の水晶発振器、チップアンテナ、受動部品、およびサイプレスPRoC BLEデバイスを含みます。CYBLE-022001-00は、そのプログラマブルアーキテクチャーを介して、多くの周辺機能(ADC、タイマ、カウンター、PWM)やシリアル通信プロトコル(I2CUARTSPI)をサポートします。CYBLE-022001-00モジュールはBluetooth 4.1と互換性のあるロイヤリティ無償BLEスタックを含んでおり、小パッケージ 10 x 10 x 1.80 mm16 GPIOまでを提供します。モジュールは、様々な地域でFCCCEKCMICICEMC準拠ですでに認定済みです。エンドカスタマーは認定を再取得する必要はなく、モジュール準拠とBluetooth認証を参照して市場にすばやく導入できます。

     

    モジュールはシームレスなBLE接続を提供するためにホストプラットフォームで半田付けされます。非常に小さいサイズと様々な接続インターフェースは、モジュールを産業および民生アプリケーションに非常に適しています。

     

    1.コインと比較したCYBLE-022001-00のサイズ

    アンテナとモジュールは小型化されたバージョンのため、最適なRF性能を得るには、モジュールとアンテナ筐体の配置に特別な配慮が必要になります。このドキュメントにはホストボード上のモジュールの配置に対する詳細な要求が記載されています。このドキュメントは、EZ BLEモジュール付近の非金属の筐体と金属障害物の影響についても詳細に述べています。

     

    アンテナグランド筐体

     

    単極アンテナは、アンテナの下に接地面を必要としません。その下の接地面ではフィールドは伝搬できません。これは接地クリアランス要求と呼ばれます。しかし、ある距離をおくと、単極アンテナに接地が必要になります。この領域を定義することは、アンテナ設計問題に対してとても重要なステップになります。接地クリアランス領域はアンテナの帯域幅と効率を定義します。

     

    EZ BLEモジュールはJohansson 2450AT18B100チップアンテナを使用しています。アンテナのデータシートは図2アンテナクリアランスに示してあるように配置された場合、6.5 mm x
    6.5 mm
    の設置クリアランスを要求します。

     

    2.アンテナクリアランス

    2では、チップアンテナがボードの端に配置されています。黄色の領域にはどの層も接地がありません。ホストボードのモジュール配置は、ホストボードのトレースまたは接地レイヤーがこの領域内にないことを確認する必要があります。単極アンテナ下の接地面は放射を殺し、効率に逆影響となります。

     

    モジュールの配置

     

    モジュールはホストボード上に半田付けされ、どの層にも配線または接地されていないアンテナを、クリアランスに提供する必要があります。ここに、ホストボードに配置したモジュールの例を示します。モジュールを端に配置する事を推奨します。これにより最高のRF性能が得られ、アンテナ周りにクリアランスを必要としません。

     

    3.ホストボード内のモジュール配置

    3は「a」、「b」、「c」および「d」のように、ホストボード内にモジュールの4つの位置の例を示しています。モジュール周りの白い領域はクリアランス領域です。このアンテナは、どの方向にも4 mmのクリアランスが必要になります。ボードの端に配置する場合、PCBの接地クリアランス領域は、アンテナが外向きなので必要とされません。しかし、ホストボードの中央に配置される場合は、クリアランス領域は的確な動作のために提供されなければいけません。

     

    4つの配置すべての中で、オプション「a」が最高です。アンテナが外向きなのでクリアランス領域は必要ありません。アンテナの先端は自由な空間にさらされています。オプション「c」では、モジュールは端に配置されていますが、アンテナの先端が自由な空間にさらされておらず、基板の方に向いています。オプション「b」はPCBの面積を浪費しているだけでなく、トレースをアンテナの先端向けることができるため、配置「a」と比較してRF性能を低下させます。

     

    モジュールの向き

     

    最高のRF受信のためには、受診アンテナと送信アンテナの向きが同じ偏波になる必要があります。アンテナの偏波は放出される電磁放射における電界の方向になります。

     

    電磁放射は図4に示すように、電界と磁界が時間と空間と共に変化する波として移動します。電界と磁界の方向は各々直交します。定義により、電界の方向は極性の方向として考慮されます。

     

    4 電磁波

    4では垂直偏波を示しています。多くのPCBアンテナおよびチップアンテナにおいて、PCBのアンテナの面が偏波を決定します。アンテナが水平面にある場合、アンテナからの偏波は水平です。図52つの異なる偏波を持つアンテナの、2つの方向を示します。

     

    5.アンテナ偏波の影響

    5では、水平偏波が受信アンテナの信号強度を高めています。これは、TXの送信アンテナがXY面にあり、かつ水平偏波を持っているためです。エンドカスタマーは受信側でユースケースの向きに配慮してモジュールの向きを決める必要があります。

     

     

     

    放射パターン

     

    モジュールからの送信電力は、特別な面の角度位置と同様にモジュールの向きで変わります。モジュールの放射パターンは3つの軸の周りのモジュールを回転させてプロットされ、受信アンテナは2つの異なる偏波で保持されます。

     

    モジュールは15度の角度ステップで回転されます。図6に、すべての可能な方向と偏波に対するアンテナの放射フィールドを示します。水平偏波は地球の面に平行に考慮されます。垂直偏波は地球の面に対して垂直です。従って、地球の表面に対して平行な面の電界は水平分極と考えられます。

     

    6、図7および図8の影の領域は最小放射の領域です。これらの領域は、RXおよびTXの位置が事前に分かっている場合は避けて下さい。水平偏波は垂直偏波と比較すると角度位置に敏感であることに注意して下さい。

     

    6.放射フィールド—1

    7.放射フィールド—2

    8.放射フィールド—3

    3つの回転プロットの組み合わせで、フィールド強度を示す3次元フィールドを構成しました。双極子軸に沿った想定により、放射は最小でした。更に、最小放射を示す非軸の位置に特定の領域があります。垂直偏波は、受信アンテナの水平偏波のような角度変化は多く示しませんでした。

     

    図93D放射フィールド

    筐体へのアンテナ性能

     

    民生製品で使用されるアンテナは、PCB RF接地サイズ、製品のプラスチックケース、および金属筐体に敏感です。

     

    アンテナニアフィールドおよびファーフィールド

     

    全てのアンテナの周辺にはニアフィールドとファーフィールドの2つの領域があります。ニアフィールドは放射フィールドがまだ形成されていない領域です。電界と磁界フィールドはお互いに直行していません。この領域はアンテナに非常に近いです。ニアフィールド領域にはリアクティブニアフィールド領域および放射ニアフィールド領域の2つの領域があります。ファーフィールド領域への移行は、放射ニアフィールド領域で発生します。

     

    放射フィールドはフラウンホーファー領域への移行後に形成されます。この領域では、フィールドの相対角度の変化は距離に依存しません。これは、ファーフィールド領域においてアンテナからの距離で角度放射フィールドをプロットした場合、それらの形状は同じままである事を意味します。距離でのみ、フィールド強度は低下します。しかし、放射パターンの形状は角度変化の点では同じ事を維持します。この領域はファーフィールド領域と呼ばれます。ファーフィールドの物体は放射パターンに大きく影響を及ぼしません。しかし、ニアフィールドの障害物は完璧に放射パターンを変化させる可能性があります。金属の場合、影響はより顕著になります。図10はダイポールアンテナの領域を示しています。

     

    10.ニアおよびファーフィールド

    2.4-GHzチップアンテナに基づくモジュールでは、ニアフィールドは4 mmまで広がります。

     

    非金属筐体の効果

     

    プラスチック筐体はアンテナの共振周波数を変化させ、離調させます。アンテナは、L(インダクタンス)またはC(キャパシタンス)のどちらかが増えた時、共振周波数が低下するLC発振器としてモデル化できます。より大きなRF接地面やプラスチックはキャパシタンス効果を増加させ、共振周波数を低減させます。筐体効果についてはアプリケーションノートAN91445を参照して下さい。

     

    11はプラスチック筐体内のモジュールアンテナを示しています。クリアランスは約2mmの低さにすることが可能です。しかし、これはアンテナの調整に影響し、アンテナの調整によって対応可能です。アンテナの影響を最小にするため、5mmのクリアランス調整を推奨します。

     

    プラスチック筐体の内側のモジュール配置に関しては、モジュールを配置した後に調整を確認する事を推奨します。顕著に離調する場合は、サイプレスに連絡して下さい。

     

    11.プラスチック筐体

    金属物体の影響

     

    アンテナは、近くの金属物体の存在に対して敏感です。金属物体は電界を短絡させ、放射フィールドを変化させます。金属物体または金属スロットのある障害物のサイズに依存して、電磁波は異なる回析パターンを通るか、金属物体によって完全にシールドされます。

     

    ニアフィールドの金属物体は、放射パターンで重大な影響を与える可能性があります。アンテナとモジュールの厚みは2mmで、ニアフィールドはアンテナから4mmまで広がります。その結果、障害物はRF性能の問題を回避するためにPCB面から少なくとも6mm離さなければいけません。実際には、モジュールPCB面から任意の金属筐体までの8mm のギャップをサイプレスは推奨します。

     

    アプリケーションにおいて、金属をアンテナの近くに配置する下記のルールに従う必要があります。下記に示す領域に金属物体は配置しないでください。この領域はニアフィールド領域で、アンテナにおける金属物体の影響が予測できません。

     

     

    12.小さい金属障害物からのクリアランス

    大きな金属面上の配置の推奨

     

    金属のその他の影響はイメージアンテナの構成です。この場合の最善の実行は、最小の影響にするためにアンテナに対して金属の向きを直行に向ける事です。面の長さまたは幅がモジュールのサイズに近づくと、アンテナの近くの大きな金属と考慮されます。2つの配置オプションのうち、オプション(a)は避けて下さい。

     

    近くを走っているアンテナに平行した大きな金属物体を置かない事を推奨します。これは、イメージアンテナは逆極性の大部分であるという抜本的な効果になります。アンテナによって発生する干渉は、殆ど破壊的になります。

     

    モジュール面に並行して走っている大きな金属物体を回避する事が不可能な場合、少なくとも30 mmの距離「h」を維持して下さい。これで、イメージアンテナによる干渉が完全に破壊されることがない事が確認できます。放射は30-mm限界以下で指向性が強くなり、効果は8 mm以下「h」で顕著に落ちます。およそ2 mm 「h」では、放射効率は20%以下になります。

     

    金属表面に磁気コーティングが付いている工業設計では、これは考慮に入れる必要があります。

     

    13.大きな金属面からのクリアランス

     

    金属筐体のスロットの推奨

     

    しばしば、モジュールは工業設計による要求で金属筐体の中に配置されます。その場合、スロットまたは開口部を配置する最良の場所は、放射パターンを見つけて、最大の放射近くにスロットを配置する事です。スロットが影の近くに配置されている場合は、影の領域から放射が来る事は難しいので効果はありません。

     

    14.金属筐体の中のスロット位置

    金属スロットのサイズはできる限り大きくして下さい。スロットが限界の場合、アンテナは、ビーム幅がスロット位置で覆われるように配置する必要があります。

     

    金属筐体の中のID-固有のモジュール配置

     

    OEMが金属筐体を設計する多くの方法があるため、スロットの位置やモジュールの配置を決める事は推奨できません。図15は、上と下の両方にモジュールと平行して走る金属ベースのある工業設計(ID)に配置されたモジュールを示しています。正確に配置されない場合、放射に対して有害になることがあります。正しいクリアランスは矢印に示す方向に維持する必要があります。

     

    スロットの位置を決める最良の方法は、放射パターンを測定し、その特定IDの最良位置を決めることです。サイプレスは放射パターンを決めるためにチップを連続送信モードでプログラムするファームウェアを提供可能です。

     

    15.モジュールおよび金属MaseでのID

    シールド上の推奨

     

    シールドの主な機能は、放射の漏れを止めることと、チップに影響する放射を防止することです。モジュールはシールドなしで事前コンプライアンス試験をパスしています。シールドが提供されるのはFCCモジュラー要求のみです。

     

    シールドを保持するか、またはこれを取り去るかはお客様次第です。シールドの存在はわずかに放射パターンと調整を変更します。アプリケーションノードの中で記載される全体の放射パターンは、シールドされていないモジュールになります。

     

    筐体および接地面のガイドライン

     

    • アンテナの端、またはアンテナの長さの近くに部品、取り付けネジ、または接地面がない事を確認して下さい。
    • バッテリケーブル、マイクケーブルまたはトレースはアンテナと同じ側になるPCBのアンテナトレースと交差させないで下さい。
    • アンテナは完全に金属筐体で覆わないで下さい。製品に金属ケース、またはシールドがある場合、ケースはアンテナを覆わないで下さい。アンテナのニアフィールに金属は置けません。
    • プラスチック筐体の塗装は、最高性能のためにアンテナ近くは非金属であることを確認して下さい。
    • アンテナの向きは、放射が期待方向で最大になるように、最終製品の向きと並ぶようにして下さい。受信アンテナの偏波および受信アンテナの位置は、放射が最大になるような方向でモジュールの向きを考慮して下さい。
    • アンテナの下に直接接地しないで下さい。

     

    アンテナ調整

     

    サイプレスは、FCCとコンプライアンス検証の別のラウンドが必要になるため、個人によるアンテナモジュールのアンテナ調整を推奨しません。個人のリスクでアンテナの変更およびネットワークのマッチングを行って下さい。このような変更後は規制に準拠する事を確認して下さい。

     

    2409 閲覧 カテゴリ: MCU & PSoC: PSoC 4 BLE

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