ワイヤレス方式でますます多くのデバイスがインターネットに接続されるにつれ、電子エンジニアは、既存機器の限られたスペースに無線送信機を組み込む方法や、ますます小型化するデバイスをどのように設計・製造するかといった多くの課題に直面しています。さらに彼らは、人間工学に適合し、使いやすく、環境との調和も図られた IoT（モノのインターネット）製品に対する顧客の要求に応えようと努めています。
IoT製品を検討する際、サイズに対する期待は最も重要な要素の一つであり、そのほかに無線特性や価格も一般的に考慮されます。理想的には、エンジニアは小型で、優れたRF（無線周波数）性能を持ち、かつ低価格なIoTコンポーネントを好みます。しかし、IoTコンポーネントが上記の利点すべてを兼ね備えていることは稀であるため、ソリューションプロバイダーはさまざまな課題に直面せざるを得ません。
幸いなことに、エレクトロニクス産業は常に全く新しいシリコンプロセス技術に依存しているため、近年ではシリコンチップのサイズがますます小さくなってきています。MCU（マイクロプログラム制御装置）とRFフロントエンドをSoC（システム・オン・チップ）構造に統合することで、IoT実装におけるスペースの問題はうまく解決されました。しかし、SoC への発展傾向は、RF送信機の物理構造、すなわちアンテナに関する問題を解決してはいません。通常、アンテナ設計は顧客に任せるか、アンテナを内蔵した使いやすいアンテナモジュールを選択するよう助言しています。小型のIoTデバイスを設計する際、アンテナ用スペースは直面せざるを得ないもう一つの課題です。スペース設計には、高効率で信頼性の高いワイヤレス接続性能が求められます。
21歳としてst世紀の初頭にIoTが本格的に台頭し始めた頃、この業界はM2M（マシン・ツー・マシン）と見なされていた。IoTの相互接続に寄与する主なコンポーネントには、GPRSモデム、Bluetoothシリアルケーブル、Sub-G無線などが含まれる。すべての設計は、接続を実現するための中核となる2つのコンポーネント、すなわちMCUとワイヤレスモデムを活用している。基本的なIoT機能を実装するのに十分な最小スペースは、あらゆる寸法で50mmであり、これはすべてのデバイスのサイズがちょうど携帯電話程度であることを意味する。
シリコン産業が一貫して、MCU と RF 機能を 1 つのチップ上に統合する技術へと進んでいく中で、開発者たちはより多くの機会を手にし始めています。現在では、IoT デバイスのあらゆる機能を同一の IC/SoC 内で実現できるようになりました。ワイヤレス MCU は明確な利点を備えているため、IoT コンポーネントシステムはワイヤレス MCU へと移行し始めています。その結果、エンジニアは 1 種類のコンポーネントだけで IoT デバイスを設計でき、省スペース化を図ることが可能になります。さらに、コンポーネント自体の低コストにより、全体のコスト削減も実現できます。現代の IoT デバイスの構成が選択可能な状態にある中で、サイズ面での優位性から、SoC ベースのシステムは今後より一層普及していくでしょう。
それにもかかわらず、SoC への開発動向は、すなわちアンテナという物理構造の問題を解決できていない。
アンテナは、サイズと効率の両方を考慮しなければならないため、多次元にわたる複雑さに直面せざるを得ないことは認めなければならない。BOM（部品表）のコストが比較的低いことから、IoT設計ではアンテナをPCBパターンで設計することが一般的である。しかし、PCBアンテナには顕著なサイズ要件があり、通常25mm×15mmの範囲内であるため、IoT製品の体積が大きくなってしまう。これらのアンテナはモジュールに適用される際にもう一つの欠点を持っており、それはシールド材の影響でデチューニングに非常に敏感であるという点であり、最適な動作状態を実現するためには、最終製品の組み立て工程で特別な配慮が必要となる。SoC設計においては、通常の設計の一部として、アンテナのチューニングはある程度の専門知識に依存して行われる。このような設計においては、PCBアンテナと他のアンテナとの間に違いはない。
アンテナメーカーは、設計作業を簡素化するために、長年にわたり「チップアンテナ」を提供してきました。さらに、この種のアンテナはサイズの面で利点を備えています。このカテゴリのアンテナは、主に次の方法で提供されています。
a. アンテナがGNDと非結合この種のアンテナは、比較的大きなサイズのクリアランス領域を必要とします。この種のアンテナの代表的な例としては、ユニポールアンテナやフリップFアンテナが挙げられます。
b. GND と接続されたアンテナこの種類のアンテナは、比較的小さなクリアランス範囲を提供するだけでよいか、あるいはまったくアンテナを必要としません。
両方のタイプのアンテナは、クリアランス範囲またはグラウンドプレーン、およびPCBサイズに関するスペース要件を備えています。IoT設計においてRFコンポーネントが要求するスペースには、必要なクリアランス範囲も含める必要があります。ここにはいかなる部品や配線も配置してはならないため、設計者がIoT機器のサイズを見積もる際には、PCBサイズとクリアランス範囲がアンテナと両立するよう注意しなければなりません。さらに、アンテナとシールドエッジの間には一定のスペースを確保する必要があります。
IoTデバイスがボタン電池サイズになるように設計されると、アンテナ効率は確実に損なわれます。サイズを小さくしようとすればするほど、RF性能を達成するための効率はその分低下します。全ての寸法が10mm未満のデバイスの性能は、2.4GHzの周波数において初めて実現可能になります。例えば、10メートル以上のBluetooth接続を携帯電話ユーザーに提供することができ、多くの人々に受け入れられています。
しかし、全ての方向のサイズが20mmに近づくと、RFの効率は劇的に向上します。40mmに近づくと、接地調整が施された多数のアンテナの高効率は最高値に達します。
その結果、Bluetooth 4.2 プロトコルに従うと、同等のデバイス間の通信距離は 60mm から 400mm の範囲である必要があります。15.4 プロトコル（例えば Zigbee）が適用されると、見通し距離内での最大通信距離は 500 メートル以上に達することができます。したがって、ほとんどのチップアンテナは PCB グラウンドプレーンをアンテナ構成の一部と見なしているため、設計者はアプリケーションや目標サイズの違いに基づいて、PCB サイズとアンテナの性能および効率のバランスを取る必要があります。さらに、アンテナ／モジュールの位置も設計段階で重要な役割を果たすため、設計者はモジュールの最適なグラウンドを実現するためにクリアランス範囲を考慮する必要があります。
