京セラのアンテナの性能は金属面でも低下しない

- May 09, 2019-

京セラは、金属や水面などでも送受信性能が低下しない小型アンテナを開発しました。

アンテナ「Amcenna」は、2018年10月16日から19日まで千葉県千葉市の幕張メッセで開催されたCeatec Japan 2018に展示されました。

展示されているアンテナは2.4GHz帯の電磁波をターゲットにしていましたが、Amcennaはさまざまな周波数に対応できます。 また、特定の偏波に対して大きなアンテナゲインがあります。 それで、適切な角度で、困難であったアンテナ装置を密接に配置することは可能になります。

アンテナはさまざまな場所に設置でき、幅広いアンテナ密度で設置できるという事実を利用して、あらゆる種類のIoT機器、MIMO(multi-input、multi-output)機器、ヘルスケア機器などに適用する予定です。 。

「右利き」のメタマテリアルを使用


アンテナとしてのAmcennaのアンテナ要素は「メタマテリアル」を使って作られているので、アンテナとしての性能は金属などでさえ低下しない、と京セラは言った。 メタマテリアルとは、周期的に「単位セル」を配置することで実効誘電率(ε ')と透磁率(μ')を変えた人工材料(一種のLC回路)です。

メタマテリアルといえば、自然界には存在せず、ε 'とμ'の値が両方とも負である「左手系メタマテリアル」は有名です。 しかし、Amcennaのメタマテリアルのε 'とμ'の値は両方とも正(右手系)です。


今回メタマテリアルを使用することで実現される特性は、電磁波に対する反射特性が「磁性」であるということです。 このようなメタ材料は「人工磁気導体(AMC)」と呼ばれる。 Amcennaという名前は、「AMC」と「antenna」を組み合わせて作成された単語です。

反射率特性が磁気の場合、反射時に電磁波の位相は反転しません。 一般に、金属表面から電磁波が反射すると、透過波はほとんどなく、金属表面の電界強度はほぼゼロとなり、反射時の波の位相が反転する。 いわゆる「固定端での反射」です。

この場合、入射波が反射波をほぼ相殺するため、金属表面近傍の電磁波の強度は急激に低下する。 これが、一般的に使用されるアンテナの性能が金属表面で劇的に低下する理由です。

一方、AMCでは、電磁波の反射は「自由端」型であり、反射波の位相が反転しないことを意味しています。 その結果、入射波が反射波を相殺することはなく、アンテナの性能は低下しません。

ヒントとして3倍ミラーを使用することで解決されたサイズの問題


実際、このようなAMCは長い間知られており、少なくとも2005年にはそれらについての論文が書かれています。それらを商品化する。

多数の単位セルを周期的に配置する必要があるため、アンテナのサイズが大きくなる。 例えば、京セラが過去に開発したAMCを基板としたアンテナは、8×8cm、厚さは3.8mmです。 13×13の単位格子を格子状に並べて作られています。

今回は、「三倍ミラー」をヒントにしてこの問題を解決したという。 立体ミラーをある角度に設定して横から見ると、人の顔が無限に映っているように見えます。

同様に、入射電磁波について、2×2単位セルの境界を改良することによって、多くの単位セルが境界の外側でさえも広がっているように見える。 その結果、2×2の単位セルで十分になり、アンテナ面積を1/60に減らすことができました。

厳密に言えば、Amcennaの小さいサイズを実現することを可能にした原理は、3倍ミラーのそれとは異なります。 3倍ミラーの場合、光は実際にはミラーから何度も反射されるので、多くの顔があるように見える。

一方、アムセナの場合、電磁波はアンテナで繰り返し反射されない。 京セラは、「AMCの境界に周期的な境界条件をつける」ことで、多数の単位格子を並べる効果と同様の効果を実現したと語った。


AMCはアンテナ素子として機能


京セラは、以前のAMCを使用して試作したアンテナにもう1つの改良を加えました。 具体的には、同社は新しいAMC自体をアンテナ素子として使用しました。 以前のAMCは主に金属の影響をブロックするために使用されていました。

しかし今回は、アンテナエレメント(一種の誘電体アンテナ)として機能するように、形状を含めて新しいAMCのデザインを改良しました。 その結果、厚さは3.8mmから1.9mmに半分になりました。

このように開発されたAmcennaは、非金属の表面に既存のアンテナと同等の特性を持っています。 一方、既存のアンテナの特性は金属表面では劇的に低下するが、Amcennaの特性はほとんど低下しない、と同社は述べた。


偏波に対する高選択性により実現された高密度配置

Amcennaの利点は、金属面などに配置できることだけでなく、複数のアンテナ要素を互いに隣接して配置しても、相互に大きな影響を与えないことです。 したがって、アンテナ素子を多く使用するMIMO機器に適用すると、アンテナの占有面積を小さくすることができます。

これはAmcennaが特定の直線偏波に対して高い選択性を持つためです。 その結果、2台のAmcennaが互いに隣接して配置されていて、一方の向きが他方の向きと90°異なる場合、それらは互いにほとんど影響を及ぼしません。

アムセナの製造コストについては、「一般的な基板設計技術やプロセスを用いて製造することができるため、コストを増加させる要因はほとんどない」と述べた。