特集

低損失フッ素樹脂基板を用いた車載ミリ波アンテナ
Millimeter-Wave Automotive Antenna Using Low-Loss Fluororesin Substrate
＊

三木祐太郎

桑山一郎

Yutaro Miki

福永貴徳

Takanori Fukunaga

山岸傑

Suguru Yamagishi

Ichiro Kuwayama

完全自動運転の実現に向けて、車両や歩行者などを検知する装置として、車載ミリ波レーダの役割が今後ますます重要になる。車載ミリ波レーダでは一般的にプリント基板を用いたアンテナが採用されるが、ミリ波信号は伝送損失が大きいため、プリント基板には低損失性能が要求される。当社ではフッ素樹脂を用いた低損失プリント基板を開発しており、ミリ波伝送特性について評価を行った結果、良好な低損失性を示すことを確認した。また本基板を用いたミリ波帯アンテナの設計・試作評価の結果、既存のミリ波向けプリント基板を用いた場合と比較し、アンテナ面積を約40% 小型化できることを確認した。

In order to realize autonomous driving, the millimeter-wave automotive radar will become more and more important. This
radar basically uses print circuit boards (PCBs), and therefore PCBs are required to have low-loss characteristics because
transmission loss is very high in the millimeter-wave. We have been developing low-loss PCBs made of fluororesin. In thisstudy, we evaluated our fluororesin substrate and confirmed favorable transmission characteristics. Using the substrate, wealso prototyped an array antenna for millimeter-wave automotive radar and successfully downsized the surface area of theantenna by approximately 40% compared to the conventional ones in the market.
キーワード：アンテナ、ミリ波レーダ、フッ素樹脂基板

1.

緒

言

当社では、ミリ波向けの低損失フッ素樹脂プリント基板

近年、ミリ波 IC デバイスの低価格化が進んだことを背景材料を開発しており、本稿ではミリ波帯の伝送特性評価しに、衝突防止や車間距離制御のための76GHz 帯車載ミリた結果、車載ミリ波レーダを想定したアンテナを設計し、波レーダの普及が急速に進んでいる。現状の衝突防止や車試作評価した結果の2点について報告する。

間距離制御の目的に留まらず、今後の自動運転技術の進展に伴い、あらゆる方向の車両や歩行者の検知が必要となる
ため、車両1台に搭載されるミリ波レーダの数は増加する（図1）。ミリ波レーダはカメラや LiDAR※1のような他のセ2.

ミリ波向けプリント基板材料

2－1

車載ミリ波レーダのアンテナ

ンサ装置に比べ、悪天候や夜間等の視界が悪い状況でも対レーダ装置は自らが発した電波がターゲットによって反象物を検知できる特徴がある。また76GHz 帯ミリ波レーダ

射され、その電波を受信することによりターゲットを検知は車載に限らず、インフラ側においても車両検知用レーダするため、電波を送受信するアンテナが必要である。車載、ミリ波レーダ

ミリ波レーダのアンテナには、コストや設計自由度の観点としての利用の検討が報告されており（1）、（2）は車載・インフラ双方で重要な役割を担う。

から、プリント基板を用いたマイクロストリップアンテナ（Micro Strip Antenna, MSA）が採用されることが多い（3）～（5）。しかし MSA を用いる場合、ミリ波帯では、送受信回路とアンテナの間を接続するマイクロストリップ線路（Micro Strip Line, MSL）等の伝送線路で発生する損失が大きく、この損失によるアンテナ利得低下がレーダの遠距離長距離用中距離用性能の劣化要因になる。レーダ検知距離の向上、つまりアンテナ利得を高めるためには、アンテナの面積を大きくすれば良いが、一方で前述したように車両へ搭載されるレー近距離／超近距離用ダ装置の数は今後増加するとみられており、搭載性の向上が望まれている。そのためレーダ装置の小型化が必要で

図1 ミリ波レーダ配置イメージ98

低損失フッ素樹脂基板を用いた車載ミリ波アンテナある。

レーダ装置の大きさはアンテナ面積に比例しており、ア処理なしでの銅箔貼付けを実現したことから、表面粗さがンテナ面積の小型化は装置の小型化に貢献する。低損失な非常に小さい点である。市場流通している既存のプリントプリント基板をアンテナに使用することで、高いアンテナ基板は銅箔と誘電体との境界面の凹凸が数 µm あるのに対利得とアンテナ小型化の両立が実現できる。

し、当社が開発中のプリント基板は凹凸が1µm 未満となっ2－2ており、良好な平滑性を示している（図2）。これによりミ伝送損失と表面粗さの関係

プリント基板は、図2に示すように誘電体（絶縁体）の両側に銅箔等の導体を貼り付けた構造をもつ。

リ波帯における低損失伝送を実現し、かつ、銅箔の密着度を示すピール強度はプリント基板として要求される特性をプリント基板の伝送損失は、誘電体損と導体損が複合し満たしている。

たものである（表1）。誘電体損は誘電体で生じる電界によって発生する損失で、比誘電率（εr ）や誘電正接（tanδ）
といった誘電体がもつ材料定数に依存する（6）。一方、導体損は導体を流れる電流に起因して発生する損失で、導電率3.

ミリ波伝送特性の評価

開発中のフッ素樹脂基板と市販の既存品基板の伝送特性に依存し、周波数の平方根に比例して増大する。これに加評価を行い、開発品の低損失性能の確認を行った。

え、表皮効果※2により高周波信号は導体のごく表面に電流3－1

特性評価用基板が集中することから、表面粗さ（導体表面の凹凸）が大き本基板の伝送特性評価を行うため、MSL 基板を製作しいと伝送損失が増大する。この表面粗さに起因する損失も（図3、表2）、伝送特性を測定した。また、比較対象とし導体損の一部とみなして考える。て、車載ミリ波レーダに一般的に使用されている、液晶ポリマー（Liquid Chrystal Polymer, LCP）系基板材料とフッ素樹脂系基板材料の既存品についても同様に MSL 基板を

表1

伝送損失の発生する要因と依存するパラメータ示す。

誘電体損

導体損

要因

線路体積中の電界により生じる線路表面上に流れる電流により生じる依存する
パラメータ

誘電率（εr ）
誘電正接（tanδ）

導電率
銅箔の表面粗さ↓
フッ素樹脂を採用… 優れた誘電特性を持つ（低εr、低tanδ)製作し、測定を行った。使用した基板材料について表3に↓ミリ波帯での影響が大きい

MSL（50Ω）

ミリ波帯のように波長が非常に短い周波数帯の場合、表皮効果の影響が非常に大きく、表面粗さの影響による損失が無視できなくなる。一般に、プリント基板では銅箔と誘電体との密着度を高めるために銅箔の接着面を粗くする処

図3

伝送特性評価用 MSL 基板（当社フッ素樹脂基板）

理（粗化処理）を行っているが、粗化処理は表面粗さを増大させることから、伝送損失の増加要因となる。
2－3

低損失フッ素樹脂基板

表2

当社では現在、誘電体損の小さいフッ素樹脂を用いた低損失プリント基板を開発している。本基板の特徴は、粗化

他社既存品

項目

75～85

MSL線路長［mm］

50, 100

表3銅箔

約110um値

測定周波数範囲［GHz］

開発品

境界面
誘電体

評価条件

使用した基板材料

既存品A

既存品B

開発品

材料

LCP

フッ素樹脂

フッ素樹脂

誘電体厚さ［µm］

100127113

銅箔厚さ［µm］（※）

273327（※）スルーホール時の銅めっき15µmを含む厚さ

銅箔

図2

プリント基板の断面写真

2019 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 194 号

99

3－2

評価結果

4－1

アンテナ素子単体の設計

MSL 線路長2種の実測結果から、100mm あたりの伝送アレーアンテナを形成するアンテナ素子単体の形式には、損失を算出した（図4）。他に、アンテナ設計に用いる材料一般的な半波長パッチアンテナを採用した（図5）。まず、定数を表4にまとめる。電磁界シミュレーション時に伝送パッチアンテナ1素子を設計し、シミュレーションにより損失に表面粗さを反映する指標として実効導電率を用い、両基板での特性を比較した。必要となる材料定数は表4の銅箔の導電率に対する係数とした。

値を用いた。
設計したパッチアンテナ単体（図5）のシミュレーション結果を表5に示す。比較結果では、開発品の方が1dB 高いアンテナ利得を得られた。この要因としては、基板の低0損失効果に加え、既存品に対してεr が低いためにアンテナ素子外形が大きくなり、ビーム幅が狭くなっていることが伝送損失 [dB/100mm]-2挙げられる。

-4

開発品
既存品A

-6

既存品B

-8-10757779818385

Freq. [GHz]

図4

評価用 MSL 基板の損失曲線

表4
材料

材料定数

既存品A

既存品B

開発品

LCP

フッ素樹脂

フッ素樹脂

εr3.043.202.20tanδ@10GHz（※）

0.0020.0010.0008

伝送損失［dB/100mm］＠77GHz
実効導電率
（銅比）

7.35
0.127.440.050

3.160.50

図5

パッチアンテナ単体シミュレーションモデル

表5

パッチアンテナ単体のシミュレーション結果

素子外形［mm］

既存品A

開発品

1.06×1.12

1.32×1.32

アンテナ利得［dBi］

7.38.3

ビーム幅［deg］（45°偏波、水平・垂直）

3dB幅：546dB幅：106

3dB幅：566dB幅：98

アンテナ利得、指向性半値角は77GHzでの値（※）既存品A・Bはカタログ値、開発品は実測値

表4は76GHz 帯レーダの上限周波数77GHz における評価

4－2

アレーアンテナの設計結果を示すものである。既存品 A・B に対して開発品は約アレーアンテナの設計にあたり、既存の車載ミリ波レー4dB/100mm 低損失であるという結果が得られた。開発品

ダの構成から要求される性能を推定し、送信アンテナ目標の、銅箔の平滑性による伝送損失低減の効果を確認するこ仕様を設定した（表6）。この仕様に基づいて、2つの基板とができた。

材料によるアレーアンテナを設計した。

4.

アンテナ設計・試作評価

表6

前章において、開発中のフッ素樹脂基板が良好な低損失アレーアンテナ設計仕様

項目

性能偏波45°偏波

設計帯域［GHz］

76GHz～77GHz

利得［dBi］（アンテナ＋入力部）

20以上

らに、設計したアンテナを試作し、実機による特性評価をビーム幅［deg］

水平面：20以上
垂直面：4以上実施した。その際、LCP 基板（第3章、既存品 A 基板）でF/S比［dB］※417以上性を持つことを確認したが、この低損失性がアンテナの小型化にどの程度寄与するのかを検証するため、車載ミリ波レーダ用途を想定した MSA によるアレーアンテナ の設計※3を行い、電磁界シミュレーション上で特性を確認した。さも同様のアンテナ試作を行い、比較評価を実施した。

100

低損失フッ素樹脂基板を用いた車載ミリ波アンテナ

第3章での伝送性能評価結果及び前節のアンテナ素子単表8体解析結果から、各基板材料による目標性能を満たす素子構成を検討した。その結果、既存品 A を用いたアンテ
ナは4×16素子、開発品を用いたアンテナは3×16素子とアンテナ占有面積の比較

既存品A

開発品

面積比

アレー全体（破線）約865mm2約485mm2△44％

素子部（実線）

約500mm2約340mm2△32％なった。
アレーアンテナが形成する指向性により得られる利得（指向性利得）のシミュレーション結果と、アレーアンテナのMSL 長と基板の伝送損失（表4）から求めた MSL 部で発生両アンテナの試作評価結果として、利得とビーム幅、する損失、およびアンテナ利得のシミュレーション結果のF/S 比について表9、指向性を図7に示す。アンテナ面積は3項目を比較した（表7）。素子数が少ない開発品によるア開発品の方が大幅に小さいにも関わらず、基板の低損失性ンテナの方が指向性利得は小さいが、MSL 部の損失も小さ能によりアンテナ利得やビーム幅は両者で同等の結果が得いため、全体の利得としては同等となる。

られたことを確認した。

表7アレーアンテナシミュレーション比較結果（77GHz）

表9

アレーアンテナ試作評価結果

既存品A

開発品

目標値

既存品A

開発品

指向性利得［dBi］

24.4

22.8

利得［dBi］

20以上

22.022.3

MSL損失［dB］

3.61.3アンテナ利得［dBi］

21.621.8

ビーム幅［deg］

水平：20以上
垂直：4以上

21.8
4.0

22.3
5.5

F/S比
［dB］

17dB以上2017.5

試作したアンテナの写真を図6に示す。今回設計したアレーアンテナは、入力部から2分配され、目標仕様に設定水平面指向性：77GHzしたサイドローブ特性を満たすように各列への電力分配がした結果を表8に示す。既存品 A を用いたアレーアンテナに対し開発品を用いたアレーアンテナの方が、分配部も含めた全体の面積での比較で約40％、アンテナ開口に相当する素子部の面積での比較で約30％小さい結果となった。

利得 [dBi]設計されている。それぞれのアンテナが占める面積を比較

2520151050-5-10-15

既存品A開発品-90 -75 -60 -45 -30 -15015 30 45 60 75 90

角度 [deg]

約15mm（a）アレーアンテナ試作評価結果（水平面指向性）

約10mm

利得 [dBi]

約45mm

約55mm

垂直面指向性：77GHz
2520151050-5-10-15

既存品A
開発品

-90 -75 -60 -45 -30 -15015 30 45 60 75 90

角度 [deg]（b）アレーアンテナ試作評価結果（垂直面指向性）

既存品A（4×16素子）
図6

開発品(3×16素子)

図7

アレーアンテナ試作評価結果（指向性図）

アレーアンテナ試作基板写真

2019 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 194 号     101

5.

結言

現在開発しているミリ波向け低損失フッ素樹脂基板の伝送特性を評価し、既存品との比較では77GHz において約4dB/100mm 損失が低減されており、当社基板の特徴である銅箔の平滑性により、低損失化を実現したことを確認した。
また、車載ミリ波レーダでの使用を想定したアレーアンテナの設計の一例を示した。既存品と当社開発品の各基板を用いたアレーアンテナの試作評価を実施した結果、既存品の基板と同等の性能を持ちながら、基板の低損失効果によってアンテナ面積換算で約40％の小型化が可能であることを確認した。
本基板の実用化に向けた今後の課題として、基板の温度特性の評価、及び線膨張係数の評価が必要となっており、

参考文献（1） 神 保郁充、稲葉敬之、小河昇平、「2周波 ICW 方式レーダの安全運転支援システムへの適用検討」、2013 信学総大、B-2-23（Mar. 2013）（2） 福 永貴徳、高野豊久、山岸傑、「車両検知レーダーを想定した76GHz帯パッチアンテナに関する一検討」、2017 信学総大、B-1-110（Mar.
2017）（3） 上里良英、吉竹弘晃、生野雅義、藤本正彦、山脇俊樹、「小型・高性能なミリ波帯アンテナ」、富士通テン技報 Vol.28 No.2、pp.19-25（Dec.
2010）（4） 樫野祐一、宇野博之、佐藤潤二、「ミリ波帯高利得ループアレーアンテナの開発」、信学技報、AP2014-199（Feb. 2015）（5） 榊原久二男、中澤大輝、菊間信良、「ミリ波マイクロストリップコムライ
ンアンテナの給電線路垂直面ビームチルト設計によるマルチビーム切替え電子走査アンテナ」、信学技報、AP2015-30（May 2015）（6） H. Shimizu,“Electrical Property Evaluation Technology andLatest Low Transmission Loss Materials for High Speed
Application,”第19回プリント配線板 EXPO, PWB-5, pp.77-103, 東京（Jan. 2018）

引き続き開発を進める。

執用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

筆者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

三 木 祐 太 郎＊ ：自動車新領域研究開発センター

LiDAR

Light Detection and Ranging の略。赤外線レーザを用いて対象物の測距を行う装置。
※2

表皮効果

福永

貴徳

：自動車新領域研究開発センター

山岸傑：自動車新領域研究開発センター
グループ長

桑山一郎

：自動車新領域研究開発センター部長

高周波信号が導体を伝送する際、導体表面付近に電流密度が集中する現象。
※3アレーアンテナ

電波放射特性の制御や、アンテナ利得を高めるために、複数のアンテナ素子を組み合わせたアンテナ。
※4

F/S 比

アンテナの指向性において、メインローブ（主放射方向）とサイドローブ（服放射方向）のレベル比。レーダアンテ
ナでは、F/S 比が高いほど誤検知を小さくできる。

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＊主執筆者

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低損失フッ素樹脂基板を用いた車載ミリ波アンテナ