つまむアンテナ ―誘電体導波路のアンテナ応用―（特集）

ミリ波通信エリア化

誘電体導波路アンテナ

NTT DOCOMO Technical Journal

5G evolution & 6G特集⑵つまむアンテナ―誘電体導波路のアンテナ応用―
ふくだ

6G-IOWN推進部

あつし

福田 敦史
おかざきひろし岡崎 浩司
かわい無線アクセス開発部

やまもとひろと山本 大斗
すずきやすのり

鈴木 恭宜

くにひろ

河合 邦浩

5G時代で利用され，また6G時代で利用が検討されている高周波数帯（ミリ波帯）の通信エリアを，簡単かつ経済的に構築または拡大する方法を提案する．提案方法では，高周波数帯用伝送媒体である誘電体導波路の一部より電波を放射させ，その周囲を通信エリア化する．誘電体導波路上の任意の場所から電波を放射できるため，場所や環境に応じたさまざまな通信エリアを迅速に構築できる．

＊2Sight）となる通信環境では，高周波数帯の電波は

1. まえがき

電波遮蔽物の影響を受けやすいため端末への受信電

第5世代移動通信システム（5G）の商用サービス力が大幅に低下し，低周波数帯の場合よりも通信エが2020年3月に開始された．5Gでは，移動通信シスリアが狭くなることが懸念される．そのため，5Gテムとしては初めて，28GHz帯という高周波数帯をおよび，28GHz帯以上の高い周波数での利用が検討

利用し た広 帯域高 速通 信が実 用化 された ［1 ］．

されている第6世代移動通信システム（6G）におい

28GHz帯の利用は今後拡大することが予想される．て，高周波数帯の無線通信における高速大容量化を

一般に高周波数帯では，伝搬距離に対する伝搬損追求する際には，基地局と端末が見通し内（LOS：＊1

失 が大きくなることが知られている［2］．加えて，Line-Of-Sight）＊3 となる通信環境を確保することが基地局と端末の間が見通し外（NLOS：Non-Line-Of-必要と考えられている［3］．

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＊1
＊2
＊3

伝搬損失：送信局から放射された電波の電力が受信点に到達するまでに減衰する量．
見通し外（NLOS）：送受信間に遮蔽物があり，反射波や回折波などでしか通信できない状態．
見通し内（LOS）：送受信間に遮蔽物がなく，直接波を使用した通信が主となる状態．

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つまむアンテナ ―誘電体導波路のアンテナ応用―

例えば，今後需要が見込まれる工場内でのIoT化

は 無 い 新 た な 使 い 方 を 提 供 す る ． LCX で は 同 軸などにおける5Gの適用は，低遅延や大容量伝送とケーブルの外部導体にあらかじめ設けられた隙間かいった観点で期待が大きい．一方で，工場内は人間ら電波が漏洩するため，一度敷設したLCXの電波や機械のような電波遮蔽物が多くNLOS環境になり漏洩場所の移動はできない．一方，提案の漏洩導波やすいばかりか，これらの電波遮蔽物が移動するこ路では漏洩場所を自由に選択できる．本稿では，提とも想定され，また，生産ラインの変更などに伴う案する漏洩導波路を具体化した「曲がるアンテナ」レイアウト変更も発生する．これらによる通信環境

および「つまむアンテナ」について概説するとともの変動に対して，迅速にかつ経済的にLOS通信環境に，漏洩導波路による動作の確認を目的として行っを提供する方法が必要となる．

た，60GHz帯動画伝送システムを用いた実証実験について解説する．

LOS通信環境を確保する方法の1つとして，基地局アンテナを分散配置するとともに，基地局アンテナから放射される電波の指向性＊4を制御することが2. 導波路のアンテナ応用挙げられる．この方法はLOS環境を確保するだけで2.1 導波路なく，周波数利用効率＊5を改善し，システム全体の通信容量を改善することも期待できる［3］．しかし，高周波数帯の信号を伝送する媒体としては，⒜導アンテナ設置場所やアンテナまでの給電経路の確保

波管，⒝同軸ケーブル，そして⒞導波路が用いられが難しい場合には適用し難く，分散するアンテナのることが多い（写真1）．
⒜導波管は，誘電体＊7または空気の周囲を導体で増加に伴う設置コスト増も課題となる．
本稿で提案するLOS通信環境確保に向けた方法は，囲んだ断面形状をもち，衛星地球局などで利用高周波数帯用の伝送媒体として使用されている誘電されている．導波管は，断面形状によって対応体導波路（以下，導波路）の一部から電波を漏洩さ周波数帯が決まり，それより高い周波数の電波せ，これにより放射された電波で周囲を通信エリアを伝送できるが，対応周波数帯が低いものはそ化することである．電波を漏洩する導波路を漏洩導の断面が太く，また容易に曲げることはできな波路と呼ぶ．この漏洩導波路は，地下街やトンネルいため取回しの際に制約が生じる場合がある．などの通信エリア化のために利用されている漏洩同⒝同軸ケーブルは，中心導体と外部導体が同心円＊6軸ケーブル（LCX：Leaky-Coaxial-Cable） と同類状に配置された断面形状をもち，直流から高周であり，高周波数帯で損失が大きいLCXの高周波波数帯まで多く利用されている．両導体間には数対応版といえる．また，漏洩導波路ではLCXに誘電体が充填されているものが一般的である．

⒜導波管⒝同軸ケーブル

写真1＊4＊5＊6⒞導波路

高周波数帯の信号を伝送する媒体の例

指向性：空間中に放射された電波の方向と強度を示す指標．
周波数利用効率：単位時間，単位周波数当りで伝送できる情報ビット数．
漏洩同軸ケーブル（LCX）：外導体上に設けられた隙間から電波を漏洩する仕組みを有する同軸ケーブル．

＊7

誘電体：直流電流が流れない絶縁体．プラスチックなどが含まれる．

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つまむアンテナ ―誘電体導波路のアンテナ応用―

外部導体により電波漏洩が少なく，また細めのドコモは，高周波数帯でLOS通信環境を確保する

ケーブルは，ある程度の柔軟性があることが特手段として，導波路の高周波数帯での低損失伝送特長となるが，高周波数帯での損失が導波管より性を利用し，端末周辺で電波を放射させることで，も高いため，主としてマイクロ波以下の周波数無線伝送距離を最小化しNLOS通信環境をなるべく帯で利用される．外部導体に隙間を設けたもの生じさせない構成の検討を行っている．これまで導はLCXと呼ばれ，隙間から電波が放射される波路からの電波の放射原理，すなわち導波路のアンことで地下街やトンネルなどの電波不感地帯のテナ応用に関しては，導波路を屈曲させ，屈曲部よ通信エリア化がなされている．

り電波を放射させる曲がるアンテナと，導波路を別の誘電体で挟むことでそこから電波を放射させるつ⒞導波路は，棒状の誘電体の周囲を，異なる誘電＊8率 を有する誘電体で囲んだ構造であり，内側まむアンテナを提案している．以下，両アンテナにの誘電体の誘電率を周囲よりも高くすることで，ついて解説する．

主に内側誘電体に高周波数帯電波を閉じ込めて2.2 曲がるアンテナ伝送する．なお，本稿で用いた導波路は，内側誘電体を比誘電率＊92.1のポリテトラフルオ

導波路の屈曲部では電波が外部に放射される現象ロエチレン（PTFE：Poly Tetra Fluoro Eth-が起こり，その分の電力損失が生じる．しかし，導＊10ylene） ，外側誘電体を比誘電率がほぼ1.00の波路本来の利用目的は伝送媒体として電波をできる空気としている．電波は誘電体中を伝搬する際だけ低損失で遠くに届けることにある．よって，こに損失を受け，その損失は一般に周波数が高くれまで導波路は極力曲げないように利用されてきた．

なるほど増加するが，同軸ケーブルでの損失増

一方，図1に示すように屈曲時の放射現象をアンテ加よりは小さいため，高周波数帯の伝送媒体とナとして積極的に利用したものが曲がるアンテナでして利用されている．

ある［4］．導波路は曲げやすい素材で製造できるこ

伝送路として利用

アンテナとして利用
電波
曲げる

電波

伸ばす
電波

曲げる

5G基地局
（中継局）

5Gエリア

図1

導波路先端
（アンテナ）

曲げる

5Gエリア

曲がるアンテナによる通信エリア化＊8＊9

誘電率：誘電体の分極のしやすさを示す指標．
比誘電率：真空の誘電率を1とした場合の，物質の誘電率の比を表す指標．
＊10 ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）：フッ素原子と炭素原子で構成されるフッ素樹脂．

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つまむアンテナ ―誘電体導波路のアンテナ応用―とから，図1に示すように放射したい場所で導波路ことから，いつでも電波の放射を停止し，通信エリを屈曲させることで，導波路に沿った任意の場所でアを解除することができる．なお，つまむアンテナ

電波を放射し，通信エリア化を行うことができる．の放射箇所からは電波を受信することもできる．加また，屈曲を解除し，まっすぐにすれば放射現象はえて，つまむアンテナは導波路上に別誘電体を取り生じないことから，いつでも電波の放射を停止し，付けるだけでよく，設置性に優れている．

通信エリアを解除することもできる．なお，曲がる
アンテナの屈曲部構成には一定の導波路長が必要で3. 導波路アンテナの実証実験あることから，長さに余裕をもった導波路敷設が必要となる．また繰返しの曲げ，伸ばしによる導波路

つまむアンテナによる電波の放射現象を確認するの特性劣化などに注意する必要がある．

目的で，実証実験を行った．実証実験には市販のSHARP社製無線HDMI（High-Definition Multimedia

2.3 つまむアンテナ

Interface）送受信ユニット（VR-WH1）を用いた．

導波路に別の誘電体（以下，別誘電体）を付加す

主な無線仕様を表1に示す．本ユニットは，60GHzることで，導波路中を伝搬する電波の一部を別誘電帯を使用するWireless HD規格の無線送受信ユニッ体に誘導できる．そして，図2に示すように，別誘ト で 構 成 さ れ る ． 送 信 機 は 60GHz 帯 の 広 帯 域 幅

電体から電波が放射される現象をアンテナに応用し（1.76GHz）を使用し，入力されたHDMI信号を電波たものがつまむアンテナである．つまむアンテナも，に変換して送信し，受信機は受信電波からHDMI信曲がるアンテナと同様につまむ場所を自由に選ぶこ号を生成する．今回の実験では，送信機から一度空とができるため，図2に示すように導波路に沿った間に放射された電波を導波路に入力し，つまむアン任意の場所で電波を放射し，通信エリア化を行う．

テナから放射し，受信する構成とした．

また，つまみをはなすことで，放射現象が生じない伝送路として利用

電波アンテナとして利用
つまむ

電波 別誘電体

はなす
電波

つまむ
5G基地局
（中継局）

5Gエリア

図2

導波路先端
（アンテナ）

つまむ

5Gエリア

つまむアンテナによる通信エリア化

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つまむアンテナ ―誘電体導波路のアンテナ応用―

3.1 つまむアンテナを用いた動画伝送実験

真2⒝から，洗濯ばさみで導波路をつまむことで，実験系ブロック図を図3に示す．PCにて動画を再別誘電体が導波路に取り付けられ，別誘電体から電生し，HDMI信号を出力する．出力されたHDMI信波が放射されるようになり，受信機に放射された電号は分配され，1つは送信モニタに，もう1つは送信波が受信されたことで，接続する受信モニタに送信機に入力される．送信モニタではPCで再生されたモニタと同じ映像が確認できる．写真2⒜のように動画が確認できる．また，送信機ではHDMI信号を洗濯ばさみでつままなければ，電波の放射はされず，60GHz帯の電波に変換し，導波路に入力する．つま電波の受信もされないので，受信モニタには何も表むアンテナから放射された電波は受信機に入力され，示されないことも確認できる．

受信機にてHDMI信号に変換される．受信機より出

写真2⒝の洗濯ばさみでつまんだ後に，放射部と力されたHDMI信号を受信モニタに入力することで，受信部の間に電波遮蔽板を置いた場合の送信モニタ，受信映像を確認できる．なお，つまむアンテナの別受信モニタの様子を写真3に示す．電波遮蔽板によ誘電体を市販の洗濯ばさみの先端に取り付けた．

り放射部と受信部の間がNLOS環境となり，電波が洗濯ばさみでつまむ前の送信モニタ，受信モニタ受信されず，写真3⒜のように受信モニタには何もの様子を写真2⒜に，洗濯ばさみでつまんだ後の送表示されない．このような場合でも，つまむアンテ

信モニタ，受信モニタの様子を写真2⒝に示す．写

ナでは，導波路上の別の任意の箇所をつまむことで

表1

無線HDMI送受信ユニットの主な無線仕様

準拠規格

Wireless HD 1.1

伝送方式

HRP/LRP

中心周波数60.48GHz（Ch2）62.64GHz（Ch3）

バンド幅1.76GHz

HRP：High Rate PHYLRP：Low Rate PHY

HDMI

送信モニタ
つまむアンテナ
終端器

PC

分配器

送信機
HDMI
受信機
図3

受信モニタ

実証実験系ブロック図

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つまむアンテナ ―誘電体導波路のアンテナ応用―

受信モニタ

受信モニタ

送信モニタ

送信映像再生送信映像非再生NTT DOCOMO Technical Journal

送信モニタ⒜別誘電体取外し時（つまむ前）

写真2

受信モニタ

⒝別誘電体取付け時（つまんだ後）

つまむアンテナからの電波放射による映像伝送実験

送信モニタ

受信モニタ

送信モニタ
電波遮蔽板

電波遮蔽板

送信映像非再生つまむアンテナ

放射部

つまむアンテナ

つまむアンテナ

送信映像再生放射部1つまむアンテナ⒜遮蔽板設置時（放射部1カ所）

写真3

放射部1

放射部2⒝遮蔽板設置時（放射部2カ所）

つまむアンテナによる電波遮蔽物回避の様子

電波を放射でき，また複数箇所をつまむことができおける通信エリア化検証を行っていく予定である．

る．写真3⒝に示すように，導波路上で放射部と受文信部の間がLOS環境となる場所をつまむことで電波が受信され，受信モニタと送信モニタとで同じ映像が確認できるようになる．また，電波遮蔽物が動い

献［1］ 古城，ほか：“5G商用サービス概要，” 本誌，Vol.28，
No.1，pp.6-10，Apr. 2020.
［2］ 今井，ほか：“5Gのための電波伝搬，” 本誌，Vol.23，た場合でも，つまむ場所を変えることで簡単にLOS

No.4，pp.40-48，Jan. 2016.
［3］ NTTドコモ：“ホワイトペーパー：5Gの高度化と6G，”環境を構築できる．

第3版，Feb. 2021.
https://www.nttdocomo.co.jp/corporate/technology/

4. あとがきwhitepaper̲6g/index.html［4］ K. Kawai, T. Takada, A. Fukuda, H. Okazaki and S.

本稿では，高周波数帯用の伝送媒体である導波路

Narahashi：“A new area formation approach for mil-について述べ，これをアンテナに応用し，フレキシ

limeter wave communication systems employing a die-

ブルな通信エリア化が可能な曲がるアンテナおよびlectric waveguide,” Proc. of the 45th European Microwave Conference, pp.1088-1090, Sep.2015.

つまむアンテナについて解説した．今後は実環境に

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