5Gアンテナは全く新しい世界です。アマチュア無線装置と巨大な双極子を使ったお父さんのガレージ実験とは全く異なります。

最近行われたモレックスの5G「5Gの現状」調査によって、成功する5G展開は複雑で入り組んでおり、多くの可動部品が関与していることが明らかになりました。ほとんど話題にならない重要な要素の1つがモバイルアンテナです。

5Gのアンテナ設計という困難な課題を完全に理解するには、マストインフラとデバイス内のアンテナ設計の両方の観点から、全体像を見る必要があります。トップダウン方式では、業界は現在、波長と周波数の妥協案であるNSA（ノンスタンドアロン）NR（ニューラジオ）を進めており、6GHz未満の周波数で3Gと4Gを引き続きサポートしています。しかし、5G通信の長期的な目標は、6GHz未満と約24GHz～100GHzの周波数スペクトルを組み合わせて使用することです。無線設計者にとっての根本的な難題は、周波数が上がると波長が短くなるということです。このため、特にアンテナ設計が課題となります。

5Gについては、特に比較的高い周波数のミリ波（mmWave）の分野で、未知の部分があります。昔の地上波通信では、数百メートルからせいぜい1キロメートルという短い距離しか通信できなかったため、このような通信は見送られていました。天候や濡れた木々でさえ、パフォーマンスに文字通り水を差すかもしれません。5Gの宣伝文句が多くのユーザーの頭を悩ませるのは、この時です。

5Gの導入には、明らかにトレードオフが伴います。ミリ波の高周波数帯では、データのスループットは上がりますが、信号の伝播は障害に弱くなります。これが、技術者が直面する現象であるマルチパス (通信が途切れる)、パスロス (電力の減衰)、パケットロス (ネットワークの転送経路の途上で喪失) と言われるものです。そのため、多様な基地局および小型基地局 (フェムト、マクロ、ナノ、およびピコセル) の導入、新設が急務となります。

これら基地局と小型基地局に欠かせないコアコンポーネントは、アンテナアレイ、すなわち送受信の両方を担う複数のアンテナです。この技術はイニシャルを取ってMIMO (Multiple Input, Multiple Output) と呼ばれています。技術そのものは新しいものではありません。

MIMOは基本的には、信号が建物に侵入してドアや窓、エレベーターシャフト等から出ようとしたときに反射が発生し、その過程で信号が途切れるマルチパスに対応する技術です。MIMOはこの混乱した信号を複数のアンテナを介してまとめ、ひとまとまりのデータとして転送します。大まかに言って、これがいわゆる”Massive MIMO”です。モレックスでは、これまでに蓄積したノウハウと数十年にわたるアンテナ設計の知見を活用しながら、この分野の研究に特に力を入れて進めています。sub-6GHz通信での4 x 4 MIMOの活用、そしてミリ波5G での2 x 2 MIMOの活用を期待できます。

5Gの導入にはトレードオフが伴うことは明らかです。ミリ波の周波数が高くなると、データスループットは向上しますが、シグナル用伝播は脆弱になります。マルチパス（通信の途切れ）、パスロス、パケットロスなど、エンジニアが遭遇する現象です。その結果、フェムト、マクロ、ナノ、ピコセルを含むさまざまな新しい基地局やスモールセルが急務となっています。

このような基地局やセルに不可欠なコアコンポーネントは、受信と送信の両方に対応するアンテナアレイ、つまり複数のアンテナとなります。このテクノロジーは、MIMO（多入力、多出力）という奇妙な頭文字で知られています。このテクノロジーは新しいものではありません。

MIMOはマルチパスに対応するもので、通常、シグナルが建物に入り、ドアや窓、エレベーターシャフトなどを通り抜けようとする際に、シグナルの反射が生じます。MIMOは、コヒーレントなデータ伝送を維持するために複数のアンテナを使用することで、この混乱を組み合わせます。大規模な場合、これはいわゆる「巨大MIMO」です。これは、アンテナ設計に何十年も携わって得たノウハウと専門知識をすべて備えたモレックスをはじめ、現在も集中的に研究されている分野です。サブ6GHz帯の通信では4×4 MIMOが、ミリ波5Gでは2×2 MIMOが使われると予想されます。

電波は本来、水に投げ込んだ石の波紋のように伝播するものです。アンテナを石に例えると、電波の波は、石が投げ入れられた際に生じる水面の波形のように円形に広がっていきます。

しかしながら、ミリ波である5Gにおいては周波数がさらに高くなることによってRF伝播の指向性が強化されることもあり、「5Gの現状」調査の回答者4分の1以上が、ミリ波の伝播の問題によって課題が生じている (26%) ことを指摘しています。これをふまえると、このほぼ”Line-of-Sight”(無線通信における送信機と受信機の間を結ぶ直線距離) 伝播の性質を持つミリ波から可能最大限のメリットを得ようとすれば、アンテナ設計の重要性が極めて大きくなります。MIMOを実際に、非常に高度なアンテナ設計に取り入れると、マルチパスを緩和するだけでなく、“massive MIMO”の手法を使って「ビームフォーミング」や「ビームステアリング」を行い、このミリ波の指向性をユーザーにとっての利点に変えることもできると考えられるのです。

勿論、通信も人間も建物も密集する「密集した都会」の環境で5G基地局が邪魔になることはないとしても、5Gアンテナは比較的小さいものであるべきです。幸い、そのようになる可能性は高いです。

5G対応の民生用モバイルデバイスに関して言えば、現行のsub-6GHzに加えてミリ波の周波数帯が加わることで、より複雑性が増しRFフロントエンドは混雑していきます。そうなると、アンテナを含む追加のアクティブおよびパッシブコンポーネントには、単なる小型化ではなくミニチュア化が必要となり、他の複数の無線コンポーネントとの間に干渉やクロストークを発生させることなく共存させる必要も出てきます。5Gの消費者が今後もスマートフォンには薄型かつ高い接続信頼性を希望し続けるならば、R&Dの課題は膨大に、さらにその達成は何年も先のことになるでしょう。

既にモレックスは、RF Flex to Boardコンポーネントおよび3Dアンテナ等、RFフロントエンドのコンポーネントのミニチュア化の革新技術で、半導体設計者、スマートフォンOEM、メーカー、キャリア、R&Dラボとの積極的に協力を進めています。

「5Gの現状」調査でわかったことは、5Gの展開の成功までの道のりは複雑かつ入り組んだものになり、多数の不確定要素も関係するということでした。基板に使用するハンダの銀にさえ反射してアンテナになりえるという話も、エンジニアの立場からは驚くことではありません。高周波帯の5G/ミリ波において重要な問題は、デバイスプラスアンテナの共振の性能だけに限られるものではなく、アンテナのカバーも問題になります。

カバーが金属、ガラス、あるいはセラミックであっても電気的には薄くはなく、このことがアンテナの放射効率に顕著な影響を及ぼします。また、ユーザーの使い勝手から見たアンテナの搭載場所も、ミリ波の伝播および受信には大きく影響します。

言うまでもなく、R&Dエンジニアはこれに対する策を考えています。カバー素材の慎重な設計およびアンテナシステムとの統合で、モバイルデバイスのアンテナの放射パターンを最適化することが可能です。さらに、開口やインピーダンスチューニングといったアンテナのチューニング技術も、広い帯域幅でシグナルゲインを向上し、バッテリー寿命を改善します。

5Gおよび追加のセルラー周波数帯においては、キャリアアグリゲーション (CA) がより高次になる可能性があるため、アンテナチューニングシステムはより多くのチューナー状態をサポートし、チューナーあたりの周波数帯も広範になる必要があります。

5G展開における他の多くの要素と同様に、アンテナ技術の進展も改革的にではなく現実的に徐々に進むものになるはずです。このあたりが、長年にわたり世界の多くの地域と業界領域における実用的な知見を持つモレックスの、製品およびRFシステム製造に関する専門知識が活かせる場面であり、5Gを運用面でも現実的なものにし、各メーカーによる薄型スマートフォンの消費者への提供に大きく貢献できるものであると考えています。

従来、電波は水に石を落としたように伝搬します。アンテナを石に例えると、通常、電波は波紋のように円形に広がります。

しかし、ミリ波5Gの場合、周波数が高いため、同軸伝搬に高度な指向性が生じ、「5Gの現状」調査の回答者の4分の1以上が、ミリ波伝搬の問題が課題になっていると述べています（26%）。このことを念頭に置くと、アンテナ設計は、可能な限りこの「視線」に近い伝搬の恩恵を受けることがすべて重要になります。MIMOは実際に、本当に賢いアンテナ設計に適用された場合、マルチパスを軽減できるだけでなく、「ビーム形成」と「ビームステアリング」のために「巨大MIMO」テクノロジーを使用でき、指向性をユーザーの利点に変えられます。

もちろん、5G基地局が「密集した都市」環境（「密集した」とは通信だけでなく人や建物も含む）に拡散して目障りにならないためには、5Gアンテナは比較的小型であるべきです。幸いなことに、その可能性は高いでしょう。

5G対応のコンスーマ向けモバイル機器に関しては、現在の6GHz未満に加えて、ミリ波周波数帯が同軸フロントエンドにさらなる複雑さと混雑をもたらしつつあります。そのため、アンテナを含む追加的な能動および受動コンポーネントは、小型であるだけでなく、さらに小型化され、干渉やクロストークなしに他の複数の無線機と共存できるものでなければなりません。5Gの消費者が好む洗練された携帯電話のプロファイルを、信頼性の高い接続性と組み合わせて享受し続けるには、ここでの研究開発の課題は非常に大きく、今後何年も続くでしょう。

モレックスの同軸フレックス対基板用コネクターや3Dアンテナなど、同軸フロントエンドのコンポーネントを小型化するための積極的で革新的テクノロジーについて、半導体設計者、スマートフォンOEMS、メーカー、通信事業者、研究開発ラボがすでに協力しています。

「5Gの現状」調査では、成功する5G展開は複雑で入り組んでおり、多くの可動部品が関与していることが明らかになりました。基板のはんだの一片でさえ、高周波では反響するアンテナになるのですから、これはエンジニアにとって驚くべきことではありません。より高い5G/ミリ波周波数では、重要な問題はデバイス＋アンテナの共振パフォーマンスだけに限定されず、アンテナの被覆も重要です。

金属であれ、ガラスであれ、プラスチックであれ、あるいはセラミックであれ、被覆は電気的に薄くないので、アンテナの放射パフォーマンスに大きな影響を与えます。また、ユーザーの手に対するアンテナの配置は、ミリ波の送受信に大きな影響を与えます。

それでも、研究開発エンジニアには選択肢があります。被覆材を慎重に設計・統合することで、モバイル機器のアンテナの放射パターンを最適化できます。さらに、開口部やインピーダンスチューニングなどのアンテナチューニング技術は、より広い帯域幅での信号利得を向上させ、バッテリー寿命を改善します。

アンテナチューニングシステムは、5Gのキャリアアグリゲーション（CA）の高次化やセルラー帯域の増加の可能性があるため、より多くのチューナー状態とチューナー状態ごとの広い周波数帯域幅をサポートできなければなりません。

5Gの展開における多くの要素と同様に、アンテナテクノロジーの進歩も革命的なものではなく、現実的で漸進的なものでなければなりません。モレックスは、さまざまな地域や業種にわたる長年の実践的な専門知識を活かして、製品や同軸システムの製造に関する専門知識を活用し、5Gの運用を現実のものとし、メーカーが消費者の期待に応える洗練された携帯電話を提供できるようにしています。