Fenrir's BLog

sparkfunから購入したGPSチップアンテナの基板をおこしたものの、うまく衛星を捉えることができない、という記事を書きましたが、Takeyasuさんという方がご助力を買ってでてくださり、問題のチップアンテナの特性解析を行ってくださいました。今回の記事はその結果報告です。

解析対象に用いたのは、これまでに作成した基板の中で、素のままアンテナ基板、マッチングキャパシタ付き基板の計2種です。

素のままのリターンロス特性

マッチング回路付のリターンロス特性

素のままのスミスチャート

共振周波数がGPSの1.575GHzからずれていることが確認できます。実はsparkfunで売っているチップアンテナは150111という型番で、データシートをみると共振周波数が1.575GHzよりも低いことがわかります。
加えてこちらで設計した基板では、アンテナの真下に材質がFR4(誘電率およそ4.7)の基板が存在するため、アンテナに作用する誘電率が、アンテナ自身の誘電体の誘電率(4.7よりも低い)よりも大きくなってしまい、短縮率の増加、逆に言えば共振周波数がより低い方へずれてしまったのではないか、というコメントをTakeyasuさんより戴きました。このことを裏付ける証拠として、チップアンテナを基板から一度はずし、垂直に立てた状態(つまりアンテナ周囲は誘電率1の空気)で計測した共振周波数は凡そ1.5GHzであったとのコメントも戴いております。
なお、作成した基板の参考にしたデータシートにある性能評価用の回路では、アンテナの裏にFR4が存在いますが、共振周波数は1.575GHzにきています。このことについては、おそらく共振周波数が1.575GHzよりも高い特性をもつ152111という型番のアンテナの評価結果であろう、ということも教えていただきました。

この結果と考察、ならびにこれまでの検討を踏まえて、以下の点を改善し再挑戦する予定です。

• アンテナの裏にくる基板をなくす。つまり穴をあける。
• あるいは実はアンテナはヘリカルアンテナで裏面からパターンが見えるので、いくつかの螺旋をショートさせてアンテナの電気長を短縮する。
• 信号線の周囲のGNDが余分。マイクロストリップというかコプレナ的になっている。
• 型番150111のアンテナではデータシートにあるマッチング回路(おそらく型番152111用)は性能を低下させているので、必要ない。
• 型番152111のアンテナを購入できないか探してみる。

最後にTakeyasuさんに改めて謝辞を表したいと思います。

※その後、アドバイスに従い、基板を作り直してみましたが…