解説WPT と 5G システムに用いられるアンテナの特徴とアレーアンテナ技術
横浜国立大学

新井 宏之 Arai Hiroyuki
工学研究院 教授
〒 240-8501 神奈川県横浜市保土ヶ谷区常盤台 79-5 ☎ 045-339-4260

いるが、本稿では対象としない。

まえがき

無線電力伝送（Wireless Power Transfer：WPT）
技術は 1970年代の石油ショックを契機として、本稿では 2022年 5月に制度化された距離 1m以上

太 陽 衛 星 発 電（Solar Power Satellite：SPS）を エの空間電力伝送と、昨年来導入が本格された 5Gシネルギー源として考えたことから注目された 1）。

ステムを主な例として、それぞれのシステムに必

これ以前にも無線によって電線を排した電力伝送要とされる電波環境の改善技術について、主にアはテスラによっても提案されている。節電技術やレーアンテナによる指向性制御技術を解説する。

代替えエネルギー源の開発などによって、SPSへ受信側での電波環境は、送信側の出力と送信アの取組みは下火になったが、20年から 30年周期ンテナの指向性によって決定される。電波環境はで、目的などを変えて注目されている。近年はモ他のシステムや、同一システム内で利用される端バイル機器の非接触充電に近接結合による電力伝末への干渉を最小化し、生体暴露の影響を極力排送が実用化されているが、より大電力かつ短時間除する必要がある。電波環境は、等価等方輻射電での充電を目指す電気自動車の充電応用も期待さ力（Effective Isotropic Radiated Power：EIRP）れている。

として電力許容値の絶対値が制限され、指向性のWPTとして本稿で取り上げるのは、主に 10m

パターンマスクとして角度特性が定められる。

程度までの距離で産業用途を目的とした応用例で

EIRPは送信電力で制限されるが、パターンマスある。現在は電力線を配置することが困難なとき

クは送信アンテナでの指向性を合成する必要があに電池を利用するが、使用頻度によって頻繁に電り、主にアレーアンテナによって実現される。パ池交換や充電が必要な用途に対してWPTの活用

ラボラアンテナなどの反射鏡アンテナにおいてが 望 ま れ て い る。 現 在 使 用 が 許 可 さ れ て い るも、指向性を制御する鏡面修正技術が用いられて
表1

WPTの周波数とアンテナ仕様
920MHz帯

2.4GHz帯

5.7GHz帯

P（W）
t1（30dBm） 15（41.8dBm） 32（45dBm）

EIRP

36dBm

65.8dBm

70dBm

62425

床高2.5m

床高4.5m

床高5m

0.14

24.7

49.7G（dBi）
i
送信アンテナ高2p（W/m），床高1mr

ビーム走査14無WPTには表 1 に示す 3周波数帯があり、WPT管理環境として無人環境下での電力伝送が主体とな

ビーコン信号 専用制御信号っている 2）。なお、920MHz帯では必要電力が制限されているため、有人エリアでの利用も認められている。これらのWPTでの電波環境の制御技術については次節で解説する。
1990年代後半から急速に普及が進んだ携帯電話においては、2020年前後から導入されたシステムを 5Gとよび、新たな注目を浴びている。移動体通特集

WPT・５G における電波環境改善技術の最前線

信は、アナログ（1G）、デジタル（2G）、有線デジ（1）タル網との統合化（3G）、そしてその発展形を 4Gと称しているが、5G世代になってからの後付けアンテナの最大放射方向（θm，φm）の距離rにおけである。2000年以降に導入が始まった世界統一る放射電界をErm、得をGi とすれば、この電界強規格のIMT-2000は広く周知された呼称であるが、度Erm で全方向に均一に放射されたときの電力とそれ以降のシステムはBeyond IMT-2000やLTEしてEIRPが定義される。

（Long Time Evolution）と呼ばれていた。さらに、（2）

2030年頃の導入を目指すシステムは6GやBeyond
5Gと称されることもある。

920MHz帯では、Gi=6dBi、EIRP=36dBmと規定さ移動体通信は伝送容量を増大させることが主なれているので 2）、式（2）より送信電力はPt=30dBm発展形態である。特に 4G以降では伝送速度と容（1W）となる。利得が 6dBiのアンテナを用いると量が飛躍的に改善され、インターネット網とのシき、最大放射方向への送信電力は 4W相当とみなームレスな接続により、スマートフォンが個人用せる。アンテナの高さは床から 2.5mを想定しての情報機器として不可欠になっている。5Gでもいるので、床から 1mでの電力密度は、pr=4/（4π高速化・大容量化に伴い、使用する電波がSub-6× 1.52）=0.14W/m2 と計算される。各周波数帯でとよばれる 4GHz帯、また、さらに高い 28GHz帯の値を表 1 に示す。のミリ波に近い周波数の利用に大きな特徴があ所望のアンテナ利得を実現するアレーアンテナる。高周波数化に伴い、アンテナが物理的に小さの最小構成を考える。ビーム走査には 2次元のアくなるので、空間での伝送損失が大きくなり高利レー配列が必要で、n×n素子アレーの指向性利得アンテナを用いて送受信間の回線を確保するた

得Ga は、素子アンテナの利得をge、アンテナ全体めに、指向性（ビーム）走査によって電波環境を改の放射効率をηとして式（3）で与えられる。

善することが必須となっている。ビーム走査アン（3）テ ナ はMIMO（Multiple Input Multiple Output）
アンテナともよばれ、5Gおよび今後の移動体通ここで定義する放射効率は給電回路やアンテナで信の不可欠な技術となっている。の損失などに依存するものとし、アレー開口面の本稿ではWPTと 5Gシステムに用いられるアン振幅分布の非一様性による開口効率は含めない。

テナの特徴をまず説明し、両者に共通して用いら素子アンテナにマイクロストリップアンテナを考れるアレーアンテナによる指向性合成について解

えると利得はge=6dBiと仮定でき、η=0.5と見積説する。

もると損失分の補償に 3dB必要で、式（3）よりア

WPT での電力伝送とアンテナシステムレーアンテナの素子数はn=12ときGa＝24.6dBiが得られる。
アレーアンテナでは受電素子の位置を検出しWPTでは許可された周波数ごとにアンテナ利て、その方向に送電用ビームを向ける必要がある。

得とEIRPが定められている。無線機器からの全このビーム走査はフェーズドアレーアンテナによ放射電力をTRP（Total Radiated Power）とし、最って実現でき、主ビームの向きを走査するだけで大放射方向での電力を規定するEIRPを送信時のあれば、素子アンテナの位相を調整すればよい。

特性として評価する。被測定アンテナが球面座標他のシステムとの干渉を正確に制御するなど、対系の原点にあり、原点から距離rの観測点での放人環境下での用途では、特定方向の電力レベルを射電界強度の波高値をEr と表すと、半径rの球面調整する必要があり、その場合には素子アンテナを通過するTRPは空間での損失を無視すれば送の位相に加えて振幅を調整する必要がある。

信電力Ptと表して次式で求められる。

2023年冬号（Vol.71 No.1）

15スポットセル
マイクロセルマクロセル

マルチビームセル

図1

5Gシステムの基地局アンテナ構成
dxdy

Dy

表25Gシステム用アンテナ

4.65±0.15GHz（100MHz）
サブキャリ間隔
60kHz
アンテナ素子数
8×4×2（dual pol.）アンテナ素子間隔0.52λ×0.61λ
アンテナ利得
20.4dBi
出力電力
25dBm
EIRP
45.4dBm
消費電力
280W（w/ DPD）48V DC
大きさ
287×350×83mm3
重さ
7kg
（a）
Sub-6帯でのアンテナ仕様
周波数帯域

周波数帯域
27.5-29.5GHz（800MHz）
アンテナ素子数
16×16×2（dual pol.）アンテナ素子間隔−
アンテナ利得
28dBi
出力電力
25dBm
ビーム走査角
H: ±12º，V: ±45º
大きさ120×240×28mm3（b）
ミリ波帯でのアンテナ仕様

平方向に 8素子、垂直方向に 4素子の 32素子で構Dx

図2平面アレーアンテナの構成成され、1素子を± 45°の直交偏波で共用して 8×4× 2のアレー構成を実現している。基地局高が数10m程度と低いため、垂直面内でのビーム走査は大きく取れず、主に水平方向にビームを走査す5G システムでのアンテナ構成ることで利用者の追尾を行う。カバーエリアは
a=100 ～ 200mとされているが、指向性の広がる

5Gシステムは図 1 に示すように、半径aが 1 ～幅Dから式（4）で求められるアンテナ指向性の半10km程度のマクロセルに、複数のカバーエリア様子を理解するために波長で規格化したアレーの値幅θw によって示す。の小さなセルを重畳させて構成する。マイクロセルでは 100m < a < 1km、スポットセルではa <（4）100mとして駅のホームのような利用者が集中すアレーアンテナでビームを正面方向から角度θにる場所に対応させている。以上の構成は従来の走査すると、この方向から見る開口幅がcosθで4Gと呼ばれるセルラーシステムに導入済みであ減少するのでビーム幅が角度によって変化する。

るが、5Gで新たに導入されたものがマルチビー

このビーム幅の変化を示したものが図 3 である。

ムアンテナである。MIMO、または、マッシブ

なお、この図面は正面方向でのビーム走査のイメ

MIMOと称されるが、エリア内を複数のビームージを図示したものである。図 4 には 28GHz帯で分割してカバーし、利用者が移動するときにカアンテナを想定したときのビーム幅を示していバーエリアを動かして対応させる方式によって伝る。アレー開口が大きくなることでビーム幅が狭送容量を増加させている。

くなることが分かる。Sub-6帯では基地局から

このアンテナ構成は前節で示したフェーズドア

100m離れるとかなりビームが広がり、28GHz帯

レーアンテナと同様な構成をとり、5Gで新たにのようにアレー素子数を増加させないとビームが割り当てられたSub-6（3.7/4.5GHz）帯とミリ波帯絞れないことが理解できる。のアンテナ構成例を表 2 に示す 3）、4）。アンテナは
図 2 に示すような平面アレーで、Sub-6帯では水16