「6G時代アクセラレータ」再構成可能アンテナモデル、これは一体何のブラックテクノロジーなのか？

制作：中国科学普及協会

著者: Li Rui (半導体エンジニア)

プロデューサー: 中国科学博覧会

現在、我が国の5G構築は急速に進んでいます。通信ネットワークシステムの進化を振り返ると、ブラックテクノロジーが多く関わっています。将来の通信ネットワークシステム（6Gなど）において、必須の要素となるブラックテクノロジーが、再構成可能なアンテナです。

（画像出典：参考1）

再構成可能なアンテナは、私たち全員にとってあまり馴染みのない概念かもしれません。実際、それは現代の通信の分野で非常に重要なデバイスです。この記事を読めば、再構成可能なアンテナとは何か、どこで使用できるのか、そしてこの分野における最新の開発状況はどのようなものかがわかると思います。

アンテナの世界におけるトランスフォーマー - 再構成可能なアンテナ

一番古い「ビッグブラザー」や「リトルスマート」、あるいは自宅のラジオを覚えていますか?彼らには共通点が一つあります。それは、頭にアンテナがあることです。現在私たちが使用している携帯電話は構造が非常に簡素化されており、ほとんどが長方形のブロックの形をしています。しかし、アンテナが消えたのではなく、外部から内部に変わっただけだということをご存知でしたか。携帯電話やその他の無線機器を使用する場合、無線信号を受信および送信するためのアンテナが必要です。

名前が示すように、再構成可能なアンテナには変更可能なパラメータがいくつかある必要がありますか?そうです、再構成可能なアンテナとは、動作中に必要に応じてアンテナの構造やパラメータを変更できるデバイスのことです。

内部アンテナ

（写真提供：veer）

再構成可能なアンテナは、異なる信号周波数、異なる信号方向など、独自の構成を変更することで、さまざまな無線通信ニーズに適応できます。従来の固定構造アンテナと比較して、再構成可能なアンテナは柔軟性と適応性が高く、さまざまな通信ニーズにより適切に対応できます。

一例を挙げると、再構成可能なアンテナはスイスアーミーナイフのようなもので、複数の機能と用途を備えており、通信品質の向上、干渉防止機能の強化、カバレッジの拡大など、さまざまなアプリケーションシナリオでさまざまな役割を果たすことができます。

再構成可能なアンテナを搭載したデバイスは、さまざまな環境に応じて調整されるため、信号が悪くなることは絶対にないと思われます。

再構成可能なアンテナを使用する車両ナビゲーション システムでは、車両がさまざまな都市や地域を移動するときに、再構成可能なアンテナが、現地の天候、地形、建物などの要因に応じて方向と偏波 (偏波の概念については後ほど紹介します) を動的に調整し、車両ナビゲーションの信号品質と安定性を確保できます。

カーナビゲーションシステム

（写真提供：veer）

では、このような強力な機能を実現できる再構成可能なアンテナに使用されている材料と技術は、並外れたものなのではないでしょうか?実際、これらのテクニックや素材のいくつかは、あなたにとって馴染み深いものかもしれません。

再構成可能なアンテナは、さまざまな技術と材料を使用して調整機能を実現します。以下に、一般的な再構成可能なアンテナ技術と材料をいくつか示します。

調整可能なインダクタとコンデンサ: アンテナの周波数応答と指向性は、インダクタンスまたは静電容量の値を変えることによって変更できます。

PIN ダイオードと電界効果トランジスタ (FET): これらは RF スイッチとして機能し、アンテナの電流または電圧を制御して、周波数、偏波、または方向性の調整などの特性を変更します。

液晶材料：屈折率と偏光特性を電界で制御できるため、アンテナの偏光調整が可能です。

圧電材料: 電圧を加えることで形状が変化し、アンテナの構造と特性が変化します。

人工電磁気材料（メタマテリアル）：負の屈折率やメタマテリアルなどの特殊な電磁気特性を持つ材料は、微細構造設計によって実現できます。これらの材料は再構成可能なアンテナを設計するために使用でき、超広帯域、偏光回転、電磁波集束などの従来とは異なる特性を実現できます。

これらの技術と材料を組み合わせて使用​​することで、より柔軟で制御可能な再構成可能なアンテナを実現できます。

再構成可能なアンテナの応用分野は想像を超えています

再構成可能なアンテナは非常に強力な機能を備えており、その応用分野も非常に広範囲にわたります。気づかないかもしれませんが、私たちの日常生活にはすでに再構成可能なアンテナが数多く存在しています。再構成可能なアンテナは、モバイル通信、レーダー、衛星通信などの分野で広く使用されています。

モバイル通信の分野では、再構成可能なアンテナにより、マルチバンド、ブロードバンド、マルチアンテナ システムを実現し、通信品質と容量を向上させることができます。たとえば、再構成可能なアンテナは、ネットワークの負荷と信号強度に応じてアンテナの方向を適応的に調整し、信号の受信と送信の効率を最大化できます。さらに、再構成可能なアンテナは、車両通信やスマートホームなどのシナリオで信号品質を向上させるためにも使用できます。

レーダー システムでは、再構成可能なアンテナにより、レーダー システムの解像度、検出範囲、耐干渉性能を向上させることができます。たとえば、再構成可能なアンテナは、偏波や指向性を調整することでマルチパス干渉や反射を低減し、レーダー信号の明瞭度と安定性を向上させることができます。

衛星通信の分野では、再構成可能なアンテナにより、衛星アンテナの周波数範囲と電力効率を向上させることができます。たとえば、再構成可能なアンテナは、衛星信号の送信中に方向と偏波を動的に調整して、さまざまなユーザーやさまざまな送信要件に適応できるため、衛星通信の効率と信頼性が向上します。

アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計の巨大アンテナ

(画像出典: Wikipedia)

アンテナについて話すときは、アンテナの偏波について話さなければなりません。

再構成可能なアンテナのアプリケーションを紹介したとき、私たちが繰り返し言及した言葉がありました。それは「偏波」です。多くの友人が疑問に思うかもしれませんが、アンテナの偏波とは正確には何ですか?

アンテナの偏波とは、空間を伝播する際の電磁波の振動方向を指します。具体的には、水平偏波、垂直偏波、傾斜偏波に分けられます。電磁波がその伝播方向に対して垂直な平面内で振動する場合、それは水平偏波と呼ばれます。電磁波が伝播方向に沿って直線的に振動する場合、垂直偏波と呼ばれます。電磁波が伝播方向に対して垂直でも伝播方向でもない平面内で振動する場合、それは斜め偏波と呼ばれます。

偏光の概念は、次の鮮明な例を使って理解することもできます。

端にボールが付いたロープを手に持っているところを想像してください。無線通信において、私たちが使用するアンテナと電磁波の関係は、ロープとボールの関係に似ています。アンテナの振動方向が偏波方向となります。

手で紐を左右に振ると、ボールも左右に揺れます。この時点で、ボールが左右方向に振動している様子が想像できます。これが水平偏波です。ボールを前後方向に振動させると、垂直偏光になります。ボールが前後方向だけでなく左右方向にも振動する場合、これは傾斜偏光です。

したがって、適切な偏波のアンテナを選択すると、無線信号の受信と送信が改善され、通信効果が向上します。

（写真提供：veer）

アンテナの偏波方向はアンテナが向いている方向とまったく同じではありませんが、この 2 つの概念は関連していることに注意することが重要です。

アンテナの動作中、アンテナが送信または受信する電磁波の振動方向がアンテナの偏波方向であり、アンテナが向いている方向が放射方向または受信方向です。

例えば、アンテナの偏波方向が垂直偏波の場合、アンテナが送信または受信する電磁波の振動方向はアンテナの方向に対して垂直になります。このアンテナが東を向いている場合、東方向からの電磁波を送信または受信します。

したがって、アンテナの偏波方向と指向方向は、関連しているが異なる 2 つの物理量であり、どちらもアンテナの動作において重要な概念です。通信要件を満たすには、実際の状況に応じて適切なアンテナの偏波方向と指向方向を選択する必要があります。

巨大な道路ベースのレーダーと移動式レーダー車両

(画像出典: Wikipedia)

新しい再構成可能なアンテナの何が新しいのでしょうか?

現在の再構成可能なアンテナ設計の多くには、高温または低温環境では適切に動作しない、電力制限がある、定期的なメンテナンスが必要であるなどの欠点があります。これらの問題に対処するため、ペンシルベニア州立大学の研究者は、電磁石とコンプライアントメカニズムを組み合わせて、再構成可能なパッチアンテナの概念実証を提案しました。

研究チームは、市販の電磁気シミュレーション ソフトウェアを使用して、円形アイリス パッチ アンテナのプロトタイプを描画および設計しました。その後、3D プリント技術を使用してこれを実現し、無響室で疲労破壊、周波数、放射パターンの忠実度など、さまざまな材料とアンテナのパラメータをテストしました。

この再構成可能なアンテナは円形の虹彩パッチのような形をしており、人間の手よりもわずかに大きいだけです。その設計目標は、特定の周波数の適用を実証することであり、さまざまな周波数に応じて調整できます。高周波アプリケーションの場合、この技術は集積回路レベルまで縮小できますが、低周波アプリケーションの場合はサイズを大きくすることができます。

研究者らは、この成果は、電磁気学の分野における新しい設計パラダイムとして柔軟なメカニズムを使用するものであり、人々に刺激的な応用をもたらす設計分野のまったく新しい分野となる可能性があると述べた。

結論

実際、再構成可能なアンテナの概念は 1960 年代に提案されました。再構成可能なアンテナの特性により、研究プロセス中に、送信側と受信側での複雑な信号形成と処理プロセスを考慮する必要がありません。しかし同時に、構造設計に対する要件も大幅に増加しました。

3D プリントと柔軟な構造を組み合わせたこの新しい成果は、再構成可能なアンテナの研究に新たなインスピレーションを与えることは間違いありません。科学者たちの研究が続けば、6G 時代がすぐに到来すると信じています。

編集者：郭 雅新