JP2021005789A - 導波管構造体 - Google Patents

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。

特開２０１８−１２５７３４号公報

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。

本開示のスマートフォン内の構造を示す図である。 本開示のタッチレスゲートの用途を示す図である。 第１実施形態の導波管構造体を示す図である。 第１実施形態のアンテナ指向性を示す図である。 第２実施形態の導波管構造体を示す図である。 第２実施形態のアンテナ指向性を示す図である。 従来技術のアンテナ指向性を示す図である。 第２実施形態のアンテナ指向性を示す図である。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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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