第 204 号・2024 年 1 月

住友電工テクニカルレビュー

特集

5G ミリ波通信向け
メタマテリアル技術を用いた車載アンテナ
Automotive Antenna Using Metamaterial Technology Suitable for
5G mmWave Communication
＊

三木祐太郎

榊原久二男

Yutaro Miki

山岸傑

桑山

Suguru Yamagishi

一郎

Ichiro Kuwayama

Kunio Sakakibara

自動運転の実現に向けて、高速・大容量や低遅延といった特徴を持つ5G の活用が期待されている。センシング情報など大量のデータ通信を行うためには、5G において数百 MHz の帯域幅を確保できるミリ波帯の利用が望ましい。ミリ波帯での5G アンテナは、送受信する電波の方向を制御するビームフォーミングに対応するため、複数のパッチアンテナ素子からなるアレーアンテナを用いる。
しかしながら、このアレーアンテナを自動車のルーフ上に搭載する場合、放射特性が乱れてしまうという課題がある。本稿では、Electromagnetic Band Gap（EBG：電磁バンドギャップ）、Artificial Magnetic Conductor（AMC：人工磁気導体）といったメタマテリアル技術の応用によりこれらの課題を解決した、5G ミリ波通信に適したアンテナについて報告する。

This paper reports on the development of an antenna suitable for 5G millimeter wave (mmWave) communication,
incorporating metamaterial technologies such as Electromagnetic Band Gap (EBG) and Artificial Magnetic Conductor(AMC). The goal is to achieve automated driving by utilizing 5G, which offers high-speed, large-capacity, and low latencyfeatures. To enable efficient data communication, particularly for sensing information, the use of mmWave band with abandwidth of several hundred MHz is required. However, the use of an array antenna consisting of multiple patch antenna
elements on the roof of a vehicle poses challenges in terms of radiation characteristics. This study aims to address thesechallenges through the development of an antenna suitable for 5G mmWave communication.
キーワード：5G、車載アンテナ、ミリ波、メタマテリアル

1.

緒言

2.

5G ミリ波での車載アンテナ

自動運転の実現に向け、官民の協力により種々の技術開

5G ミリ波では、基地局・端末のどちらのアンテナにも発が進められている。自動運転での適切な走行制御のためビームフォーミング技術が用いられる。これはアンテナがには、自車内でセンシングしたデータだけでなく、他車・放射する電波を任意の方向に集中させる技術で、波長が短路側機器・サーバ等から様々なデータを取得する必要があ

く距離減衰が大きいミリ波帯でも電波をより遠い距離までる 。その通信には、相手方との直接通信や携帯電話網を用飛ばすことが可能となる。また、放射する電波を特定の方いることが考えられるが、通信方式の要件として、高速・向に集中するため、他の通信への干渉を防ぐことができる。

（1）

大容量であることや低遅延であることが求められる。

ビームフォーミングには、複数のアンテナ素子からなるア

第5世代移動通信（5G）は、日本国内において2020年レーアンテナが用いられる。アレーアンテナの各素子を励3月に商用サービスが開始された（2）。5G では、超高速／多振する振幅・位相を適切に制御して合成することにより、数同時接続・低遅延・高信頼の3つの特徴を持つ。5G で使電波の放射方向を変化させる。

用する周波数帯は、6GHz 以下の周波数帯と、ミリ波（準また、MIMO（Multi Input Multi Output）に対応するミリ波も含む）の二つの周波数帯に大別される。国内でのことも必要である。MIMO とは送受信の双方で複数のアン

5G ミリ波に使用される28GHz 帯では、各通信キャリアにテナ系統を用いて通信することで、時間あたりのデータ通信400MHz もの周波数幅が割り当てられており 、高速・大量を増やし、通信速度を向上させる技術である。5G ミリ波

容量通信に最適であることから、先述した自動運転での各では、アンテナから放射される電波の電界の向き（偏波）

種データ通信にも5G ミリ波の活用が期待される。に直交する2偏波を用いる偏波 MIMO 方式が使用される。

（3）㈱オートネットワーク技術研究所では、5G ミリ波通信に5G ミリ波に用いる28GHz 帯でのアレーアンテナには、適した車載アンテナ技術の開発を進めてきた。本稿では、量産の容易さ、コスト等の観点から、プリント基板上に構成5G ミリ波アンテナを自動車に搭載する際に発生する課題、されるパッチアンテナが一般的に用いられる。本稿で検討及びメタマテリアル※1技術の応用により課題を解決したア

したパッチアレーアンテナの構成を図1に示す。水平方向にンテナついて述べる。

ビームフォーミングするため、水平方向に4素子・垂直方向に1素子を配列する構成としている。パッチアンテナ素子は5Gミリ波通信向けメタマテリアル技術を用いた車載アンテナ

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四角形状で、偏波 MIMO に対応するために各素子に水平偏

図3にパッチアンテナ素子の構成の一例を示す。誘電体波（H 偏波）と垂直偏波（V 偏波）の各入力を備えている。

プリント基板上に放射素子とグラウンド（GND）を対向さ

図2に自動車への5G ミリ波アンテナの搭載イメージを示せた構造となる。パッチアンテナが動作する周波数帯域はす。ミリ波は遮蔽物による電波の減衰の影響が非常に大き誘電体が厚い方が広くなるため、2,500MHz 幅での動作にい特徴があり、なるべくアンテナの周囲に遮蔽物がない設必要な誘電体の厚さを選んでいるが、パッチアンテナは誘置環境が望ましいため、アンテナの搭載箇所はルーフ上を電体が厚くなるにつれて表面波モードが大きくなる性質が想定している（図2（a））
。通信相手となる基地局は通常ビある。表面波モードは GND 表面を伝搬する成分で、GND

ル上などの高所に設置されるため、ルーフ上のアレーアンの端部に到達すると、空間に放射される不要放射となる。

テナは斜め上方向きに配置する。本検討ではルーフとアン

この表面波モード由来の不要放射が、放射素子から前方へテナのなす角を60°としている。±45°方向にビームフォーの放射成分と合成され、アンテナの指向性を乱れさせる要ミングする4素子アレーアンテナを90°間隔で面 A ～面 D ま因となる。

で4方向に配置することで、水平360°方向全てをカバーすることができる（図2（b））。

GNDGND
(a)

(b)

図3
図1

パッチアンテナ構成の一例

4素子パッチアレーアンテナ検討モデル

表面波モードは放射素子の偏波方向へ強く伝搬する性質

5Gがあるため、H 偏波入力は水平方向、V 偏波入力は垂直方向

Aへの指向性に対する影響が大きい。本検討での構成（図1）

605G

DB

では水平方向にビームフォーミングするため、H 偏波の水平面指向性乱れが特に問題となる。検討モデルによるシミュレーション結果として、H 偏波入力の No.3素子を単一C
(a)

図2(b)

自動車上のアレーアンテナ搭載・配置イメージ励振させた場合のアレーアンテナ基板上の表面波モードの分布を図4（a）に、各素子を単一励振した場合の指向性を図4（b）に示す。表面波が図の左右方向に伝搬しており（図4（a））、指向性でのリップル状の凹凸（乱れ）が発生している（図4（b））
。アレーアンテナとしての指向性は各パッチ素子の指向性を合成したものとなるため、高い利得を得るためには各素子の指向性が均一であることが望まし

自動車のルーフ上に5G ミリ波アンテナを設置する場合、いが、表面波モードの影響で素子ごとに指向性が異なって以下に述べる2つの課題が発生する。それぞれの課題につしまっており、アレー合成による利得増加の効果が十分にいて、発生のメカニズムと解決手法を示す。

得られない（4）。

EBG を用いた表面波モードによる指向性乱れの抑制 [ 課題1]

(GND

5G ミリ波において、日本国内の各通信キャリアあたりの)1050mm(dBi)3.

50-5No.1

割り当て周波数幅は400MHz だが、全体の帯域幅は27GHz～29.5GHz の2,500MHz となる。アンテナの設計は全て(a)のキャリアで共通化させることが望ましく、そのためアンテナを2,500MHz 全帯域で動作させる必要がある。

2(No.3図43-104)

No1-45-30

No2-15No3015(deg)No43045(b)4素子パッチアレーアンテナ H 偏波入力励振時シミュレーション結果（28GHz）
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GND 上の表面波モードを抑制する手法には、EBG の応用

リ波の周波数帯27GHz ～29.5GHz をカバーしている。

がある。図5に EBG の模式図を示す。導体パッチと金属ビ

この EBG を4素子パッチアレーアンテナに装荷し、シミュアからなるマッシュルーム型素子を一定間隔で周期的に配レーションを行った。H 偏波入力の No.3素子を単一励振列することで、回路的には直列にキャパシタンス（導体間させた際のアレーアンテナ基板上の表面波モードの分布をギャップ）、並列にインダクタンス（金属ビア）を装荷する

図8（a）に、各素子を単一励振した場合の指向性を図8（b）

ことと等価になり、電波が伝搬しない帯域（バンドギャッに示す。想定通り表面波モードが抑制されており、指向性プ）を有する構造となる 。

も各素子において均一になっている。

(GND

2No.1(a)GND
GND

マッシュルーム型 EBG の模式図、等価回路図

1050mm50-5(C)
(L)

図5)

(dBi)

（5）

図834-10No1-45-30No2No3015-15No43045(deg)(No.3(b))

EBG 装荷時の4素子パッチアレーアンテナ H 偏波入力励振時シミュレーション結果（28GHz）

図6に今回採用したマッシュルーム型 EBG の構造図と寸試作評価結果については第5節（図15（a））にて後述す法を示す。導体パッチは、パッチアンテナの放射素子周囲るが、シミュレーションと同様に、表面波モード由来の指に高密度に配置ができる正六角形状を採用している。設計

向性乱れの発生と、EBG 装荷による指向性乱れの抑制が確

は導体パッチの大きさと導体間ギャップ、ビア径等のパラ認できている。
パッチアンテナ単一素子指向性の改善による、アレーアメータを適切に設定することにより行った。
設計した EBG のシミュレーション結果となる、バンンテナの合成利得向上の効果について述べる（6）。図4およドギャップ特性を表す分散ダイヤグラムを図7に示す。

び図8のシミュレーション結果を用いて、ビームフォーミ

Mode1と Mode2で固有周波数が存在しない周波数範囲ング時のアレーアンテナ合成指向性を計算した。No.1-4各がバンドギャップとなる。本シミュレーション結果では、素子の励振位相を調整し、合成指向性のピーク角を－40°

25.5GHz ～35GHz がバンドギャップとなっており、5G ミ～ +40°の範囲で20°ごとにシフトした水平面指向性を図9に示す。（a）EBG ありの方が（b）EBG なしに対してピー

0.20(dBi)

150.301.65

1050-5-10[-15mm]-40°-45-30-20°

-150°

020°

1540°

3045(deg)

図6正六角形マッシュルーム型 EBG(a)EBG
1525.5GHz

605(dBi)(GHz)

107035GHz

05040-5Mode2-1030-1520100

図7-40°-45-30-20°

-150°

020°

1540°

3045(deg)Mode1(b) EBG

図9設計した EBG のバンドギャップ特性（分散ダイヤグラム）

4素子アレーアンテナ合成水平面指向性（H 偏波入力、28GHz）
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ク角0°の条件で利得が約3dB 高いのをはじめ、EBG 装荷

AMC は、EBG と同様にマッシュルーム型素子を周期配により、いずれのピーク角条件でも利得が向上する効果を列した構造となる。第3節、図6の EBG の設計条件と同じ確認した。

寸法を用いた、AMC の特性を表す反射位相 - 入射角特性のシミュレーション結果を図12に示す。導体板では全ての入4.

射角において反射位相が180°となるが、AMC を装荷する

AMC を用いたルーフの反射によるヌルの発生の抑制 [ 課題2]

ことで反射位相が0°～ +90°に変化している。

車両のルーフ上にアンテナを設置する場合のもう一つの(deg)

課題に垂直偏波の垂直面指向性ヌル（落ち込み）の発生がある（7）。
第2節図2（a）で述べたように、導体板であるルーフに対180900して60°の角度をなすようにパッチアンテナ単一素子を配AMC-90AMC-180置した場合のシミュレーションを行った。シミュレーショ

030ンモデルを図10（a）に、V 偏波入力の垂直面（図の zx 面）指向性を図10（b）に示す。67°付近で鋭いヌルが発生して

図1260(deg)90

設計した AMC の反射位相 - 入射角特性（28GHz）おり、基地局がこのヌルの方向にある場合に通信ができなくなるという課題がある。

GND(0()

この AMC を、ルーフに対応する導体板に配置し、シミュ(レーションを行った。AMC 装荷後の垂直面指向性を図13)に示す。AMC 装荷前と比較すると、67°付近に発生して60)いたヌルが解消できており、この角度方向でも通信が可能
90(a)図10(b)(z-x)

導体板上にパッチアンテナを設置した場合の垂直面指向性（V 偏波入力、28GHz）となる。また、シミュレーションにおいて AMC 有無での垂直面方向の電界強度分布を比較した結果を図14に示す。
（a）AMC なしの条件では、パッチアンテナからの直接波と導体板からの反射波との干渉によるヌル領域が存在するが、（b）AMC 装荷の条件では、AMC により反射波の位相が変化することで干渉がなくなりヌルが解消され、この角度範囲でも通信が可能となる。

本条件における垂直面指向性ヌル発生の原理について
図11に示す。垂直面指向性は、パッチアンテナ放射素子かAMC(50mm 50mm

らの直接波と導体板であるルーフからの反射波との合成とな)0る。両者が同程度の振幅、かつ逆位相となる場合は電波の打()

AMC

ち消し合いにより、垂直面指向性にヌルができてしまう。
このヌル発生の対策として、反射面に AMC を配置する

z構成を採用した。導体板で反射する電波は、入射する電波

yxに対し位相が180°変化するが、反射面に AMC を装荷すると、反射波の位相を変化させることができる。この AMCの特徴に着目し、ヌルの抑制を試みた。

(

図11(a)

図13

図14AMC(z-x)

90

AMC 装荷後の導体板上にパッチアンテナを設置した場合の垂直面指向性（V 偏波入力、28GHz）(a) AMC)

指向性ヌル発生の原理(b)(b) AMCAMC 装荷有無の電界強度分布（V 偏波入力、28GHz）
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5.

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アンテナ試作評価結果

6.

結言

シミュレーション結果を基に、パッチアレーアンテナの5G ミリ波通信向けのアレーアンテナを自動車ルーフ上周囲に EBG、ルーフを模擬した導体板に AMC を装荷したに搭載する際に発生する2つの課題について、その発生メアンテナの試作を行った。写真1に試作アンテナ、写真2にカニズムの解説と、メタマテリアル技術の応用による課題

指向性測定風景を示す。また、図15に4素子のうち No.3の解決について述べた。表面波モードによる水平面指向性素子を単一励振した場合の指向性測定結果を示す。比較のの乱れ、ルーフからの反射による垂直面指向性のヌル発生ため、EBG と AMC を装荷しないアンテナも試作し測定をに対し、EBG や AMC といった技術の応用により解決し、行った。

車載条件に適する性能を持つアンテナを開発した。本技術

水平面指向性（図15（a））では、第3節で述べた水平面指向性乱れの抑制の効果、および垂直面指向性（図15（b））の活用により、自動運転社会の早期実現に寄与することを期待する。

では、第4節で述べたヌル発生の抑制の効果が試作実機でも確認でき、EBG および AMC のアンテナへの装荷の効果を試作実機でも実証できた。
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

メタマテリアル

波長よりも小さい構造を周期的に配列することで、自然界に存在し得ない機能（負の誘電率を持つ等）を生じるように設計された、人工的な機能材料。

AMC

EBG

参 考 文 献写真1

EBG および AMC を装荷した試作アンテナ

写真2

試作アンテナ指向性測定風景（垂直面）

(dB)

0EBG

00dB-5-10dB-10EBG-15-20-45-30(a)図15)
AMC-20dB-150153045

AMC(deg)(H(（1）	K. Sakaguchi, et al.,“Towards mmWave V2X in 5G andBeyond to Support Automated Driving,”IEICE Transactions onCommunication, vol. E104–B, no.6（June 2021）（2）	第5世代モバイル推進フォーラム ミリ波普及推進アドホック、「5GMF
白書「ミリ波普及による5G の高度化 第2.0版」」（March 2023）（3）	総務省、「第5世代移動通信システム（5G）の導入のための特定基地局の開設計画の認定（概要）」（April 2019）（4）	山岸傑、「ミリ波帯プリント基板アンテナに関する検討」、信学技報、
AP2022-20（June 2022）（5）	D. Sievenpiper, L Zhang, R. F. Jimenez Broas, N. G. Alexopolous,and E. Yablonovitch,“High-Impedance Electromagnetics Surface
with a Forbidden Frequency Band, ”IEEE Transactions on
Microwave Theory and Techniques, Vol. 47, No. 11, pp.20592074（November 1999）（6）	三木祐太郎、山岸傑、桑山一郎、榊原久二男、「EBG を用いたパッチアレーアンテナの指向性改善」、信学総大、BS-1-1（March 2021）（7）	三木祐太郎、山岸傑、桑山一郎、榊原久二男、「AMC を用いたミリ波帯アンテナの垂直面指向性改善」、信学総大、B-1-133（March 2022）

No.3)

(V(b)

No.390)

試作アンテナ指向性測定結果（28GHz）

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執 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＊ ：㈱オートネットワーク技術研究所
主査

山岸

傑 ：㈱オートネットワーク技術研究所部長

桑山一 郎 ：㈱オートネットワーク技術研究所主幹

榊 原 久 二 男 ：名古屋工業大学
博士（工学）

教授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ーーーー＊主執筆者

5Gミリ波通信向けメタマテリアル技術を用いた車載アンテナ

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