JP2021005789A - 導波管構造体 - Google Patents
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Abstract
【課題】本開示は、ミリ波帯を利用する通信端末において、ミリ波モジュール及びアンテナの開口部の配置の自由度を上げることを目的とする。【解決手段】本開示は、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波を伝送し外部へと放射する導波部31と、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2の配置位置と導波部31との間に配置され、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波のミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2への反射を軽減する整合部32と、を備えることを特徴とする導波管構造体3である。【選択図】図3
Description
本開示は、ミリ波帯を利用するスマートフォンに内蔵されるアンテナに関する。
マイクロ波帯を利用するスマートフォンに内蔵されるアンテナが、特許文献1等に開示されている。アンテナは、スマートフォンのケースの端部付近に配置される。電磁波は、スマートフォンのケースを透過する。スマートフォンのケースの厚さ及び形状は、樹脂等のケースの比誘電率及びスマートフォンの使用周波数帯に合わせて最適化される。
ミリ波帯を利用するスマートフォンに内蔵されるアンテナが、第5世代移動通信システム(5G)及びタッチレスゲート(“TransferJet X”(IEEE802.15.3e)の応用例)等に要求されている。ここで、アンテナは、ミリ波モジュールの表面上に形成され、ミリ波モジュールと一体化される。よって、ミリ波モジュール及びアンテナは、配置の自由度を制約される。つまり、ミリ波モジュールが、スマートフォンの基板の任意位置に配置されるとともに、アンテナが、スマートフォンのケースの端部付近に配置されるという、特許文献1等の回路配置は、採用され得ない。
そこで、前記課題を解決するために、本開示は、ミリ波帯を利用する通信端末において、ミリ波モジュール及びアンテナの開口部の配置の自由度を上げることを目的とする。
前記課題を解決するために、ミリ波モジュールと一体化されたアンテナが、スマートフォンの基板の任意位置に配置されるとともに、導波管構造体の開口部が、スマートフォンのケースの端部付近に配置されるように、アンテナと開口部との間に導波管構造体を配置することとした。ここで、導波管の基本モードの電磁波が、開口部から放射される一方で、導波管の高次モードの電磁波が、開口部から放射されないように、開口部のサイズは、小さいサイズに制約される。そこで、アンテナから出力された電磁波が、アンテナへと反射されないように、アンテナと開口部との間に整合部を配置することにより、アンテナと開口部との間のサイズ差を吸収することとした。
具体的には、本開示は、アンテナから出力された電磁波を伝送し外部へと放射する導波部と、前記アンテナの配置位置と前記導波部との間に配置され、前記アンテナから出力された電磁波の前記アンテナへの反射を軽減する整合部と、を備えることを特徴とする導波管構造体である。
この構成によれば、ミリ波モジュール及びアンテナの開口部の配置の自由度を上げることができ、アンテナから出力された電磁波のアンテナへの反射を軽減することができる。
また、本開示は、前記整合部は、前記導波部の側から前記アンテナの配置位置の側へと、ホーン形状に広がることを特徴とする導波管構造体である。
この構成によれば、整合部を容易にかつ低コストに製造することができる。
また、本開示は、前記整合部と前記導波部との間に配置され、前記アンテナから出力された電磁波の偏波面を回転させる偏波面回転部、をさらに備えることを特徴とする導波管構造体である。
この構成によれば、ミリ波モジュールと一体化されたアンテナの配置方法に制約があるときであっても、アンテナから出力される電磁波の偏波面を回転させることにより、開口部の長辺方向及び短辺方向を所望の辺方向に配向することができ、アンテナから出力される電磁波のビーム幅を様々な方向で所望のビーム幅に制御することができる。
また、本開示は、前記導波部、前記整合部及び前記偏波面回転部は、矩形断面を有し、前記偏波面回転部は、ツイスト形状を有することを特徴とする導波管構造体である。
この構成によれば、偏波面回転部を容易にかつ低コストに製造することができる。
また、本開示は、前記導波部及び前記整合部は、これらの管壁の内部を誘電体で満たされていることを特徴とする導波管構造体である。
この構成によれば、導波管構造体を小さいサイズに製造することができる。
このように、本開示は、ミリ波帯を利用する通信端末において、ミリ波モジュール及びアンテナの開口部の配置の自由度を上げることができる。
添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。
(本開示のスマートフォンの概要)
本開示のスマートフォン内の構造を図1に示す。スマートフォン外筐体Bの内部に配置されたスマートフォンの基板S上には、ミリ波モジュール1、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2及び導波管構造体3が配置される。
本開示のスマートフォン内の構造を図1に示す。スマートフォン外筐体Bの内部に配置されたスマートフォンの基板S上には、ミリ波モジュール1、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2及び導波管構造体3が配置される。
ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2が、スマートフォンの基板Sの任意位置に配置されるとともに、導波管構造体3の開口部が、スマートフォン外筐体Bの端部付近に配置されるように、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2と開口部との間に導波管構造体3を配置する。
ここで、導波管の基本モードの電磁波が、開口部から放射される一方で、導波管の高次モードの電磁波が、開口部から放射されないように、開口部のサイズは、小さいサイズに制約される。そこで、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波が、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2へと反射されないように、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2と開口部との間に整合部32(図3、5で後述)を配置することにより、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2と開口部との間のサイズ差を吸収する。なお、導波管構造体3は、スマートフォンのケースの内部に配置されるため、大きいサイズに製造することができない。そこで、開口部は、導波管の切り離し開口として形成されており、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力される電磁波のビーム幅を制御するための更なる外部のホーンを形成されていない。
図1〜8では、スマートフォンのX軸方向を、スマートフォンの操作面内の短辺方向、かつ、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2の延伸方向とする。スマートフォンのY軸方向を、スマートフォンの操作面内の長辺方向、かつ、導波管構造体3の延伸方向、かつ、開口部の正面方向とする。スマートフォンのZ軸方向を、スマートフォンの操作面に垂直な方向とする。
本開示のタッチレスゲート(“TransferJet X”(IEEE802.15.3e)の応用例)の用途を図2に示す。タッチレスゲートGは、各レーンを通過する人間から見て、左右側に配置される。ゲートアンテナAは、各レーンを通過する人間から見て、天井側に配置される。複数のレーンは、左右方向に並列される。
図2の左欄では、各レーンを通過する人間は、スマートフォンPを歩きながら操作する。開口部の正面方向は、タッチレスゲートGの進行方向に向く。そこで、各レーンのゲートアンテナAが、各レーンを通過する人間を長時間にわたり検出するためには、スマートフォンPから出力される電磁波のビーム幅は、スマートフォンPのYZ平面内において、スマートフォンPのY軸方向を中心として、広いことが望ましい。一方で、各レーンのゲートアンテナAが、隣接レーンを通過する人間をスピルオーバーで検出しないためには、スマートフォンPから出力される電磁波のビーム幅は、スマートフォンPのXY平面内において、スマートフォンPのY軸方向を中心として、狭いことが望ましい。
図2の右欄では、各レーンを通過する人間は、スマートフォンPをポケット内に格納する。開口部の正面方向は、タッチレスゲートGの天井方向に向く。とはいえ、各レーンのゲートアンテナAが、各レーンを通過する人間を長時間にわたり検出するためには、スマートフォンPから出力される電磁波のビーム幅は、スマートフォンPのYZ平面内において、スマートフォンPのY軸方向を中心として、広いことが望ましい。一方で、各レーンのゲートアンテナAが、隣接レーンを通過する人間をスピルオーバーで検出しないためには、スマートフォンPから出力される電磁波のビーム幅は、スマートフォンPのXY平面内において、スマートフォンPのY軸方向を中心として、狭いことが望ましい。
(第1実施形態の導波管構造体)
第1実施形態の導波管構造体を図3に示す。第1実施形態の導波管構造体3は、図1に示した導波管構造体3と同様に、導波部31及び整合部32を備える。導波部31は、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波を伝送し外部へと放射する。整合部32は、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2の配置位置と導波部31との間に配置され、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波のミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2への反射を軽減する。
第1実施形態の導波管構造体を図3に示す。第1実施形態の導波管構造体3は、図1に示した導波管構造体3と同様に、導波部31及び整合部32を備える。導波部31は、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波を伝送し外部へと放射する。整合部32は、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2の配置位置と導波部31との間に配置され、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波のミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2への反射を軽減する。
導波部31及び整合部32は、矩形断面を有する。整合部32は、導波部31の側からミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2の配置位置の側へと、ホーン形状に広がる。ここで、整合部32は、スマートフォンのX軸方向に延伸するミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2と開口部との間のサイズ差を吸収するために、スマートフォンのX軸方向に広がる。そして、ホーン形状は、例えば、フレヤ形状を含むことができる。導波部31及び整合部32は、これらの管壁の内部を誘電体Dで満たされている。ここで、誘電体Dは、例えば、テフロン等の樹脂である。そして、導波部31及び整合部32は、例えば、これらの形状に誘電体Dを成形した後に、誘電体Dの表面(導波部31及び整合部32の開口に対応する箇所を除く。)に金属メッキを配置することにより、製造することができる。
ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2の延伸方向は、スマートフォンのX軸方向を向く。すると、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波の電界方向は、スマートフォンのX軸方向を向く。そして、導波部31は、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波の偏波面を維持する。すると、開口部での電界方向は、スマートフォンのX軸方向を向く。よって、開口部の短辺方向(電界面)は、スマートフォンのX軸方向を向く必要がある。一方で、開口部の長辺方向(磁界面)は、スマートフォンのZ軸方向を向く必要がある。
すると、開口部から出力される電磁波のビーム幅は、スマートフォンのXY平面内において、スマートフォンのY軸方向を中心として広くなる。よって、各レーンのゲートアンテナAは、隣接レーンを通過する人間をスピルオーバーで検出しやすくなる。一方で、開口部から出力される電磁波のビーム幅は、スマートフォンのYZ平面内において、スマートフォンのY軸方向を中心として狭くなる。よって、各レーンのゲートアンテナAは、各レーンを通過する人間を長時間にわたり検出することができない。
第1実施形態のアンテナ指向性を図4に示す。図4のシミュレーション結果では、金属製のスマートフォンのケースを仮想的に適用することにより、開口部以外から電磁波が放射されない。
図4では、開口部から出力される電磁波のビーム幅は、スマートフォンのXY平面内において、スマートフォンのY軸方向を中心として、157°である。一方で、開口部から出力される電磁波のビーム幅は、スマートフォンのYZ平面内において、スマートフォンのY軸方向を中心として、68°である。
このように、ミリ波モジュール1及びミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2の開口部の配置の自由度を上げることができ、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波のミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2への反射を軽減することができる。そして、整合部32が導波部31の側からミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2の配置位置の側へとホーン形状に広がることにより、整合部32を容易にかつ低コストに製造することができる。さらに、導波部31及び整合部32がこれらの管壁の内部を誘電体Dで満たされていることにより、導波管構造体3を小さいサイズに製造することができる。
(第2実施形態の導波管構造体)
第2実施形態の導波管構造体を図5に示す。第2実施形態の導波管構造体3は、図1に示した導波管構造体3と異なり、導波部31、整合部32及び偏波面回転部33を備える。導波部31は、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波を伝送し外部へと放射する。整合部32は、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2の配置位置と導波部31との間に配置され、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波のミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2への反射を軽減する。偏波面回転部33は、整合部32と導波部31との間に配置され、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波の偏波面を回転させる。
第2実施形態の導波管構造体を図5に示す。第2実施形態の導波管構造体3は、図1に示した導波管構造体3と異なり、導波部31、整合部32及び偏波面回転部33を備える。導波部31は、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波を伝送し外部へと放射する。整合部32は、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2の配置位置と導波部31との間に配置され、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波のミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2への反射を軽減する。偏波面回転部33は、整合部32と導波部31との間に配置され、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波の偏波面を回転させる。
導波部31、整合部32及び偏波面回転部33は、矩形断面を有する。整合部32は、導波部31の側からミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2の配置位置の側へと、ホーン形状に広がる。ここで、整合部32は、スマートフォンのX軸方向に延伸するミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2と開口部との間のサイズ差を吸収するために、スマートフォンのX軸方向に広がる。そして、ホーン形状は、例えば、フレヤ形状を含むことができる。導波部31、整合部32及び偏波面回転部33は、これらの管壁の内部を誘電体Dで満たされている。ここで、誘電体Dは、例えば、テフロン等の樹脂である。そして、導波部31、整合部32及び偏波面回転部33は、例えば、これらの形状に誘電体Dを成形した後に、誘電体Dの表面(導波部31、整合部32及び偏波面回転部33の開口に対応する箇所を除く。)に金属メッキを配置することにより、製造することができる。偏波面回転部33は、滑らかなツイスト形状を有し、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波の偏波面を90°回転させる。
ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2の延伸方向は、スマートフォンのX軸方向を向く。すると、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波の電界方向は、スマートフォンのX軸方向を向く。そして、偏波面回転部33は、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波の偏波面を90°回転させる。すると、開口部での電界方向は、スマートフォンのZ軸方向を向く。よって、開口部の短辺方向(電界面)は、スマートフォンのZ軸方向を向く必要がある。一方で、開口部の長辺方向(磁界面)は、スマートフォンのX軸方向を向く必要がある。
すると、開口部から出力される電磁波のビーム幅は、スマートフォンのXY平面内において、スマートフォンのY軸方向を中心として狭くなる。よって、各レーンのゲートアンテナAは、隣接レーンを通過する人間をスピルオーバーで検出しにくくなる。一方で、開口部から出力される電磁波のビーム幅は、スマートフォンのYZ平面内において、スマートフォンのY軸方向を中心として広くなる。よって、各レーンのゲートアンテナAは、各レーンを通過する人間を長時間にわたり検出することができる。
第2実施形態のアンテナ指向性を図6に示す。図6のシミュレーション結果では、金属製のスマートフォンのケースを仮想的に適用することにより、開口部以外から電磁波が放射されない。
図6では、開口部から出力される電磁波のビーム幅は、スマートフォンのXY平面内において、スマートフォンのY軸方向を中心として、107°である。一方で、開口部から出力される電磁波のビーム幅は、スマートフォンのYZ平面内において、スマートフォンのY軸方向を中心として、129°である。
このように、ミリ波モジュール1及びミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2の開口部の配置の自由度を上げることができ、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波のミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2への反射を軽減することができる。そして、整合部32が導波部31の側からミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2の配置位置の側へとホーン形状に広がることにより、整合部32を容易にかつ低コストに製造することができる。さらに、導波部31、整合部32及び偏波面回転部33がこれらの管壁の内部を誘電体Dで満たされていることにより、導波管構造体3を小さいサイズに製造することができる。そして、ミリ波モジュール1と一体化されたミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2の配置方法に制約があるときであっても、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力される電磁波の偏波面を回転させることにより、開口部の長辺方向及び短辺方向を所望の辺方向に配向することができ、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力される電磁波のビーム幅を様々な方向で所望のビーム幅に制御することができる。さらに、偏波面回転部33が矩形断面及びツイスト形状を有することにより、偏波面回転部33を容易にかつ低コストに製造することができる。
(従来技術と第2実施形態との比較)
従来技術のアンテナ指向性を図7に示す。図7のシミュレーション結果では、樹脂製のスマートフォンのケースを製品同様に適用することにより、開口部がないものの、樹脂製のスマートフォンのケースから電磁波が放射され得る。
従来技術のアンテナ指向性を図7に示す。図7のシミュレーション結果では、樹脂製のスマートフォンのケースを製品同様に適用することにより、開口部がないものの、樹脂製のスマートフォンのケースから電磁波が放射され得る。
図7では、樹脂製のスマートフォンのケースから電磁波が放射され得るとともに、樹脂製のスマートフォンのケースは角の位置では他の位置より厚いため、樹脂製のスマートフォンのケースから出力される電磁波の指向性は、特定方向ではその近傍方向より落ち込むと考えられる。実際に、シミュレーション結果では、スマートフォンのXY、YZ平面内において、樹脂製のスマートフォンのケースから出力される電磁波の指向性は、特定方向ではその近傍方向より落ち込んでいる。
第2実施形態のアンテナ指向性を図8に示す。図8のシミュレーション結果では、樹脂製のスマートフォンのケースを製品同様に適用することにより、開口部があるものの、樹脂製のスマートフォンのケースから電磁波が放射され得る。
図8では、樹脂製のスマートフォンのケースから電磁波が放射され得るものの、主に開口部から電磁波が放射されると考えられるため、開口部から出力される電磁波の指向性は、特定方向ではその近傍方向より落ち込まないと考えられる。実際に、シミュレーション結果では、スマートフォンのXY、YZ平面内において、開口部から出力される電磁波の指向性は、特定方向ではその近傍方向より落ち込んでいない。
(変形例の導波管構造体)
第1、2実施形態では、整合部32は、導波部31の側からミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2の配置位置の側へと、ホーン形状に広がる。第1、2実施形態の変形例として、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波のミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2への反射を軽減することができるならば、整合部32の形状はどのような形状であってもよい。
第1、2実施形態では、整合部32は、導波部31の側からミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2の配置位置の側へと、ホーン形状に広がる。第1、2実施形態の変形例として、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波のミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2への反射を軽減することができるならば、整合部32の形状はどのような形状であってもよい。
第2実施形態では、導波部31、整合部32及び偏波面回転部33は、矩形断面を有し、偏波面回転部33は、滑らかなツイスト形状を有する。第2実施形態の第1変形例として、導波部31、整合部32及び偏波面回転部33は、矩形断面を有し、偏波面回転部33は、ステップツイスト形状を有してもよい。第2実施形態の第2変形例として、ミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2から出力された電磁波の偏波面を回転させることができるならば、偏波面回転部33の形状はどのような形状であってもよい。
第2実施形態では、各レーンを通過する人間が、スマートフォンを歩きながら操作するときと、スマートフォンをポケット内に格納するときと、を想定している。そこで、スマートフォンから出力される電磁波のビーム幅が、スマートフォンのYZ/XY平面内において、スマートフォンのY軸方向を中心として、広く/狭くなるように、1本のミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2に対して1個の開口部をスマートフォンのY軸方向に向けている。
第2実施形態の変形例では、各レーンを通過する人間が、スマートフォンをかばん内に様々な方向に格納するときを想定してもよい。そこで、スマートフォンから出力される電磁波のビーム幅が、スマートフォンの様々な方向で無指向性になるように、1本のミリ波モジュール1上に一体化されたアンテナ2に対して複数の開口部をスマートフォンの様々な方向に向けてもよい。
本開示の導波管構造体は、ミリ波帯を利用する通信端末において、ミリ波モジュール及びアンテナの開口部の配置の自由度を上げることができる。
B:スマートフォン外筐体
S:基板
G:タッチレスゲート
A:ゲートアンテナ
P:スマートフォン
D:誘電体
1:ミリ波モジュール
2:アンテナ
3:導波管構造体
31:導波部
32:整合部
33:偏波面回転部
S:基板
G:タッチレスゲート
A:ゲートアンテナ
P:スマートフォン
D:誘電体
1:ミリ波モジュール
2:アンテナ
3:導波管構造体
31:導波部
32:整合部
33:偏波面回転部
Claims (5)
- アンテナから出力された電磁波を伝送し外部へと放射する導波部と、
前記アンテナの配置位置と前記導波部との間に配置され、前記アンテナから出力された電磁波の前記アンテナへの反射を軽減する整合部と、
を備えることを特徴とする導波管構造体。 - 前記整合部は、前記導波部の側から前記アンテナの配置位置の側へと、ホーン形状に広がることを特徴とする、請求項1に記載の導波管構造体。
- 前記整合部と前記導波部との間に配置され、前記アンテナから出力された電磁波の偏波面を回転させる偏波面回転部、
をさらに備えることを特徴とする、請求項1又は2に記載の導波管構造体。 - 前記導波部、前記整合部及び前記偏波面回転部は、矩形断面を有し、前記偏波面回転部は、ツイスト形状を有することを特徴とする、請求項3に記載の導波管構造体。
- 前記導波部及び前記整合部は、これらの管壁の内部を誘電体で満たされていることを特徴とする、請求項1から4のいずれかに記載の導波管構造体。
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