1

0.5mmの超薄型で周囲の金属の有無に関わらず動作する小型アンテナ

⾦沢⼯業⼤学 工学部 電気電子工学科教授 牧野 滋

令和元年８⽉２０⽇

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研究背景

近年，スマートフォン，タブレットに代表される通信技術の普及⇒IoT(Internet of Things)のさらなる発展が期待

ウェアラブルデバイス(メガネや時計に通信機器を設けたもの)

ＩｏＴ搭載機器(家電製品に通信機器を設けたもの)

• 小型• 薄型• 金属の影響を受けない(設置場所が限定されない)

搭載されるアンテナに求められる条件は

3

従来の問題点と解決法（１／２）

従来技術金属の有無に関わらず動作する小型・薄型アンテナＭＡＣＫＥＹ

従来技術の問題点

実用化には，さらなる小型化，薄型化が必要（昨年度の発表に対する企業からのご要望）

MACKEY : Meta-surface inspired Antenna Chip developed by KIT EOE LaboratorY

4

従来の問題点と解決法（２／２）解決法

１．給電用ダイポールをＡＭＣ基板内部に配置する構造により薄型化

t

h

th

金属板

グリッド

ダイポール

２．短絡板による小型化

３．誘電体基板材料の見直しによる低コスト化，薄型化

グリッド

ダイポール

短絡板

高価なフッ素樹脂基板 安価なガラスエポキシ基板

0.5mm厚の超薄型アンテナを実現

5

給電ダイポールをＡＭＣ基板内部に配置した新構造

6

従来型との比較

従来のMACKEY 新型MACKEY

L [mm] 55.5 L’ [mm] 63.5

W [mm] 30 W’ [mm] 30

ℓ [mm] 27.0 ℓ’ [mm] 24.0

t [mm] 3.12 t’ [mm] 3.12

h [mm] 0.74 h’ [mm] 1.56

厚さ４ｍｍ 厚さ３．２ｍｍ

7

-300

-200

-100

0

100

200

300

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3

R+jX[Ω]

Frequency[GHz]

旧型_X

旧型_R

新型_X

新型_R

-300

-200

-100

0

100

200

300

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3

R+jX[Ω]

Frequency[GHz]

旧型_X

旧型_R

新型_X

新型_R

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3

VS

WR

Frequency[GHz]

旧型

新型

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3

VS

WR

Frequency[GHz]

旧型

新型

インピーダンス(On metal)

インピーダンス(In free space)

VSWR(On metal)

VSWR(In free space)

薄型化と同時に広帯域化を実現

8

-30-20-10

01020

-30-20-10

01020

-30-20-10

01020

-30-20-10

01020

XY plane XZ plane

Infr

eesp

ace

On

met

al

X

X

X

X

Z

Z

Y

Y

従来型 新型

In freespace

6.5 dBi 6.4 dBi

On metal 8.2 dBi 8.5 dBi

X

Z

Y

従来型

新型

放射パターン，利得の差異は少ない

9

Unit[mm]

Copper FR4 prepreg

Feeding point Side view

(1)(2)

h=0.1

0.3t=0

.46

0.0

6

(3)

61.0

0.4

6

(1) Grid plate

s=0.5g=30.25 g=30.25

(2) Antenna plate

W=

30

ℓ=14

L= 61.0

(3) metal plate

L= 61.0

Feeding point

超薄型アンテナの設計例と通信モジュールの実装⽅法

１．直接給電

通信モジュール

10

Unit[mm]

Copper FR4 prepreg

Feeding point Side view

(1)(2)

h=0.1

0.3t=0

.46

0.0

6

(3)

61.0

0.4

6

(1) Grid plate

s=0.5g=30.25 g=30.25

(2) Antenna plate

W=

30

ℓ=14

L= 61.0

(3) metal plate

L= 61.0

Feeding point

薄型アンテナの設計例と通信モジュールの実装⽅法

２．背面給電

通信モジュール

11

自由空間 金属上

比帯域幅[%] 3.27 2.84

2.43～2.5帯域幅[GHz](VSWR=3以下)

2.41～2.49

12

X

Y

Z

X

XY

Z

in_free_space

on_metal

正面方向の利得 in_free_space on_metal利得[dBi] 2.68 2.71

13

Unit[mm]

Copper FR4 prepreg

Feeding point

Side view

(1)(2)

h=0.1

0.3t=0

.46

0.0

6

(3)

(2) Antenna plate

W=

30

ℓ=15.55

L=61.7

(1) Grid plate

s=0.5g=30.6 g=30.6

Feeding point

61.7

0.4

6

(3) metal plate

L=61.7

薄型アンテナの設計例と通信モジュールの実装⽅法

３．上面給電

通信モジュール

通信モジュール

14

自由空間 金属上

比帯域幅[%] 3.27 2.84

2.43～2.5帯域幅[GHz](VSWR=3以下)

2.41～2.49

15

X

Y

Z

in_free_space

on_metal

X

YX

Z

正面方向の利得 in_free_space on_metal利得[dBi] 2.63 2.65

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⾦属

誘電体

1枚目背面図

1枚目上面図 2枚目上面図

Lb=39.35

W=

30

2枚目背面図

Lb=39.35

W=

30

Side view

t=0.8

h=0.1

0.0

6

10 29.35

39.35

W=

30 ℓ=1.7

L=39.35

0.9

6

29.35

39.35

g=27.6

L=29.35

L=39.35

短絡板を用いて小型化したＭＡＣＫＥＹ

Feeding point

17

自由空間 金属上帯域幅[GHz](VSWR=3以下)

2.41～2.5 2.46～2.54

比帯域幅[%] 3.67 3.20

-300

-200

-100

0

100

200

300

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3

R+jX[Ω]

Frequency[GHz]R_in_free_space X_in_free_space R_on_metal X_on_metal

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3

VS

WR

Frequency[GHz]

in_free_space on_metal

18

-20

-10

0

10

-20

-10

0

10

X

Y

Z

X

XY

Z

Theta_in_free_space

Theta_on_metal

正面方向の利得

in_free_space on_metal

利得[dBi] 1.41 1.86

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新技術の特徴・従来技術との比較

自由空間においても金属上においても動作可能

小型かつ超薄型（0.5mm以下）

アンテナ内部，アンテナ表面，アンテナ裏面（金属面）の３か所で給電できるため，あらゆるモノに実装可能

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想定される用途

ＩｏＴ用アンテナ

携帯端末用アンテナ

車載用アンテナ

その他，周囲の金属の影響を受ける環境で用いられるアンテナ

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実用化に向けた課題

現在，WiFi用アンテナモデルを開発済み，イノベーションジャパン（ＪＳＴ主催）でのデモを予定している．

日時：8月29日（木） 10：00～17：308月30日（金） 10：00～17：00

場所：東京ビッグサイト

現在は解析によりアンテナの性能を評価したところであり，試作により評価する予定である．

アンテナ単体については設計法を確立しているが，通信チップとの接続法／実装法，電源線や信号線によるアンテナ特性への影響について検討する必要がある．

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イノベーションジャパンでのデモの内容

従来の小型・薄型アンテナ

•小型・薄型が可能

•金属上に搭載できない

MACKEY測定図ダイポールアンテナ測定図

ダイポールアンテナ

MACKEY

VSWR特性

ダイポールアンテナ(波形が乱れている)

MACKEY(波形が乱れない)

MACKEY

•小型・薄型が可能

•金属の有無に関わらず

搭載できる

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企業への期待

ＭＡＣＫＥＹの基本特許は本学が所有するが，ＭＡＣＫＥＹの製品への実装を考えている企業とは，共同研究により個別の課題を解決，周辺特許の共同出願により，同業他社との差別化に貢献できるものと考えている．

ＭＡＣＫＥＹと通信用チップとを一体化した汎用的な通信モジュールを事業とする企業とは，共同研究により製品化までをサポートできるものと考えている．

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本技術に関する知的財産権 発明の名称：磁気壁基板および磁気壁基板を用いたアンテナシステム

出願番号：特願2009-199528，特許第5398426号出願人：三菱電機（株），金沢工業大学発明者：後藤 準，西野 有，別段 信一，牧野 滋内容：キャパシタンスグリッドを用いたＡＭＣ基板とその応用

発明の名称：アンテナおよびそれを用いた通信装置出願番号：特願2015-022551，特許第6452477号出願人：金沢工業大学発明者：牧野 滋，野口 啓介内容：ＭＡＣＫＥＹの基本特許

発明の名称：アンテナおよび通信装置出願番号：特願2018-076866出願人：金沢工業大学発明者：牧野 滋内容：短絡板により小型化したＭＡＣＫＥＹ

発明の名称：アンテナおよび通信装置出願番号：特願2019-122691出願人：金沢工業大学発明者：牧野 滋内容：ＡＭＣ内部で給電することにより薄型化したＭＡＣＫＥＹ

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産学連携の経緯

２００７年～現在総合電機メーカーＡ社：衛星搭載アンテナ

２０１２年～現在家電メーカーＢ社：家電製品へのＭＡＣＫＥＹの適用

２０１４年～現在車載機器メーカーＣ社：車載用通信装置へのＭＡＣＫＥＹの適用

２０１７年～現在半導体製造装置メーカーＤ社：半導体製造装置へのＭＡＣＫＥＹの適用

２０１８年～家電メーカーＥ社：家電製品へのＭＡＣＫＥＹの適用

２０１９年～車載機器メーカーＦ社：レドームへの周波数選択鏡面の適用

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⾦沢⼯業⼤学産学連携局 産学連携東京分室

新川 実、高田 理尋

ＴＥＬ ０３－５７７７ － １９６４ＦＡＸ ０３－５７７７ － １９６５

e-mail iuctky@mlist.kanazawa-it.ac.jp

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