アンテナ工事の常識を変える？3Dプリンターでアンテナを作る

近年5G技術が浸透し始め、IoTによりオフラインのものをインターネットにつなげる動きが相次いでいます。

高速通信技術には高精度なアンテナと通信技術などが必要とされる中、企業は新製品を出すためにあらゆる方向で試行錯誤がなされています。

新技術の最大の壁は、技術的な問題だけではなく、製作コストもあります。

一見便利な装置でも、意外にも従来の技術のほうが実は低コストで済むことがあり、国の制度などとにらめっこしながら、新たに手を打つタイミングを見計らっているのが、医療や各インフラ業界でもいえることです。

3Dプリンターにおいてもそれは同様に言えることで、新たな材料として話題になっているセラミックがあります。

弊社3Dプリンターではこのセラミックを使ってプリントアウトすることが可能ですが、実は使う場所によっては欠点になってしまう恐れがあります。

今回は弊社製品の事情も含め、アンテナについての業界の研究状況についてご紹介していきたいと思います。

アンテナとは

パラボラアンテナや八木アンテナと聞くと一般の方にはなじみがあると思いますが、テレビだけではなく、現代ではスマートフォンや車にも搭載されいてます。一昔前は、アンテナが露出したモデルが一般的でしたが、現在では小型でかつ内臓されているケースが多いです。

それでいて、従来のものよりも性能は格段に上がっていることが特徴で、内臓することによって、邪魔にならず、コンパクトなデザインとなっています。

一般にアンテナは電池エネルギーを電波として空間に送信したり、受信したりする役割があります。無線通信が一般化された今では、電波の送受信のためにアンテナは欠かせないものとなっているため、非常な重要な部品です。

アンテナの特性を見るにはVSWR（Voltage Standing Wave Ratio）が使われます。別名電圧定在波比といって、電圧の入射波と反射波の比を取ったものです。

アンテナの指向性（電波の放射方向と強度）を電圧利得(20log10(出力電圧/入力電圧))を調整します。利得が大きすぎると指向性が鋭くなりすぎたり、逆に小さければ電波が遠くまで飛ばなかったりするので、用途に合わせて調節できるように設計します。

アンテナの市場規模

スマートフォンの5G対応から爆発的な注目を集めたアンテナ市場ですが、世界的に見ると市場規模は2027年までに10.8%のCAGR（年平均成長率）を見せると予想されています。最先端の技術開発により、製品寿命が短くなることも謳われるなかで、設置工事やアフターサービスの需要が高まっているため、アンテナ業界の成長は大いに期待されています。

主にピックアップされているアンテナは次の通りです。

• メインアンテナ
• Bluetoothアンテナ
• Wi-Fiアンテナ
• GPSアンテナ
• NFCアンテナ

5G通信関連の市場

2030年には基地局の世界市場は127万局、RRH・RU（信号を増幅する無線送受信装置）の世界市場は4兆8983億円にも上るとして、2019年の38倍ほどに値します。５G通信対応スマートフォンの世界市場は14億台になるとして、スマートフォン全体の95.9%が5Gに適応するといわれています。

5Gにすべく、各国が急速に設備投資を行っており、市場は著しく拡大しています。これまではD-RAN基地局（Distributed Radio Access Network）と呼ばれる、携帯電話の基地局に、無線制御部と無線送受信装置の両方が備えられていることが中心的でしたが、近年では高度化させたC-RAN基地局（Centralized Radio Access Network）が増えてきています。これにより通信できる帯域が増え、かつ高速通信が実現するというわけです。C-RANは光ファイバーの敷設が最も進んでいるとされる日本や中国で導入が進むとされています。

衛生アンテナの市場

衛生アンテナの市場規模は2026年に105億米ドル(1.4兆円）に到達すると予測されており、日本の2023年度国家予算（114兆円）の約1%ほどになります。

現時点で衛生アンテナの市場規模は41億米ドルになっており、2021年度のCAGR20.6%で成長を遂げています。5Gに並んで商業や防衛産業に必要不可欠な技術となっているため、市場が拡大傾向にあります。

現在はカスタマイズされた衛生アンテナの必要性に迫られているため、それが市場成長の架け橋となっています。

しかしながら高い開発費と維持費が市場成長を妨げることが懸念されているため、この点を打開することが課題となっています。

フラットパネルアンテナの市場規模予測

通称デザインアンテナと呼ばれるフラットパネルアンテナは、その名通り、デザイン性に特化したコンパクトなアンテナのことです。カラーバリエーションも４色ほどあるため、壁の色にあわせて目立たないデザインを実現することが出来ます。

UHFアンテナ同様に地上波デジタルの受信ができ、外壁や屋内に設置することが可能です。

そんなフラットパネル案ネタですが、2031年には55億米ドルの市場規模に達することが報じられています。

世界的に見てフラットパネルアンテナの売り上げは、2022年から2031年までCAGR28.1%で成長するとされています。

ひとつの方向からの電波を送受信するという機能を持っているため、広い範囲に信号を届けることが出来る特徴があります。

主に軍事用や民間機のレーダーに使われていて、現在では海上衛星通信のための研究がおこなわれています。

アンテナの研究をしている日系企業

上記の表のように、日経アンテナ業界の売り上げのみを見ると、非公開を覗き54%が1億円を超えています。中でも23％が100億を突破しています。

世界的に見てもアンテナ業界は5Gの普及やIoT技術との紐づけなどが考えられるため、今後は世界にけん引される形としても、市場拡大の観点から売り上げは伸びるものと推測されます。

これらの企業のデータベースについては以下を参照してみてください。

イプロスアンテナ業界

アンテナを作るむずかしさ、従来の費用

2020年時点でAppleが独自アンテナを開発していることで話題になりました。iPhone12以降に搭載されているアンテナですが、これはAppleがQualcommアンテナのサイズが大きいことを理由に採用することを拒んでいたことが開発に臨んだ背景です。しかしながら小型のアンテナの例である5Gアンテナ（高周波数を取り扱うアンテナ）は開発難易度が非常に高いと発表されています。

2010年のAppleアンテナは不具合が発生し、電波が途切れる問題がありました。こうした問題から長らくAppleはアンテナ開発で壁を前にしていたのですが、intelモデム事業の買収から打開策を練っていました。

大型のアンテナに至っての工事費用は一般的には安くないとは言われていますが、これが不適切な工事になってしまっては後々問題になりかねません。

しかしながら消費者は、それでもできる限り、安く良質な業界に依頼したいと考えるようです。

450名にアンテナ工事の費用の調査を行った結果によると、相場は3.5万円～4.5万円が大多数のようです。

アンテナの工事費用の詳細は以下の通りです。

交換が不要の場合は、修理をする方が安く済む関係で、修理を選択する方が多いです。アンテナは故障したとしても直る事例が多いため、安く電波受信を回復できます。

アンテナ工事の費用に幅が出るのは、お客様の希望形態により工事内容を合わせることや、電波状況、使う材料などの関係から変化します。

工事費用が高くなるケースとしては、決済方法が豊富な業界などもあります。

逆に価格は引く来ても対応している工事の種類が少ないケースもあります。

後者は工事のために用意する項目が少ない分、コストカットで来ているケースです。

業界としては工事の難易度や、使う材料によって費用が異なるので、それと利益分を考えて価格設定をします。

工事の難易度はおそらくほぼ変わることはない難しさであると考えられるため、ここら辺は市場価値に付随するとすると、あとは材料で工夫する必要が出てきます。

実際のアンテナ工事の様子は、以下の動画のようになります。

動画のように、現場で直接作業員が丁寧に工事を行います。

３Dプリンターでアンテナの研究をしている企業

企業として3Dプリンターを使ってアンテナの研究を行っている企業の例として、以下の２社があります。

• 三菱電機
• BMF

三菱電機は2022年時点で、太陽光と紫外線硬化樹脂（FDM）を利用して、打ち上げた後に、宇宙空間上で人工衛星用アンテナを製造する技術を開発しています。

３Dプリンターと真空中でもある程度の粘土がある樹脂を独自に開発して、サポート材が不要な、曲線上の3D造形を可能にしました。いわゆる、3Dプリンターで作っている途中の、アンテナを支える支柱を作るというわけですね。

これによって、ロケットのフェアリング（空気抵抗を減らす部品）のサイズや、人工衛星のサイズに関わらず、数十センチ単位の小型衛星でも、開口の大きなアンテナを実現できるようになっています。これは利得を高くし、高帯域幅を実現するために、開口を大きくしています。

結果、人工衛星の重量を減らし、コストカットできるとされています。

詳細は三菱電機公式サイトで

BMF（Boston Micro Fabrication）は、小型化のニーズに応えることにフォーカスしており、樹脂の他に、RFセラミック材料を3Dプリンターで使えることを生かして、それらをアンテナ技術に活用することにしました。

家電、自動車、IoTなどの電子部品、モジュールの技術開発を行うSunway Communicationという中国本社の企業と連帯して、専門的な研究を行っています。

米国BMFのCEOは、「Sunway Communicationは高い価値の通信製品に対して、貴重な経験をもたらすだろう」と語っています。

両社の違いとしては、アンテナそのものを出力するか否かです。

BMFの場合はアンテナそのものを3Dプリンターで出力する方式であり、難解な形を製作でき、強度があるアンテナを作るとが出来ます。しかしがならセラミックを使うことから、デメリットもあります。その点に関しては次にお話します。

アンテナに使える材料

一般的なアンテナはアルミニウムが使われるため、3Dプリンターと比較すると安価に工事が完了することは材料の値段を見るとよくわかります。

アルミニウムと比較してセラミックのほうが高くつきますが、それでもセラミックが注目される場合があります。

それは以下のようなセラミックの特性からです。

• 見た目をきれいにできる
• 劣化しにくい
• 人体に害がない
• 耐熱性がある

また、セラミックは金属や有機材料以上に硬いため（イオン結合と共有結合の２面製を持つため）、加工が難しいですが、それがBMF3Dプリンターで加工できるとなると、非常に便利ですよね。

欠点として金属より衝撃に弱く脆いという欠点がありますが、これに対する補助的側面があれば有効活用できそうです。

しかし、セラミックが注目されつつも、なかなか導入が憚られる理由が価格の問題です。

具体的にセラミックはどのくらいの値段がするのかというと、アンテナに使うセラミック丸棒だと1万円～5万円ほどします。（直径5mm、長さ300mm）

セラミック値段参考

アルミニウムは312.43 円/kg（2023年4月確定市場価格）なので、非常にセラミックが高いことが分かります。

その関係から、アンテナの施工にはアルミニウムを使うことは、費用面では妥当と言えます。

ただし耐熱性の部分に着目するとセラミックのほうが強い関係から、熱を直に受けやすい宇宙工学技術に関しては、セラミックが力を発揮する場合が出てきそうです。

樹脂やセラミックでアンテナを作ることが出来るのか？

樹脂自体ではアンテナそのものを作ることはできませんが、三菱電機の技術開発のように、アンテナを造形するための支柱としての役割に使うことは可能です。三菱電機ではFDMですが、より小型のものを造形するとなると同じ樹脂を使うのであれば、光造形のほうが精密な部品が製作可能であるため、作りたい部品の規模に合わせるとよいと考えられます。

セラミックはアンテナそのものの造形を目指している点で、非金属で初のアンテナになりそうです。

しかしながら、宇宙業界はできる限り工費を節約したいところがありますので、セラミックの研究は進んでも、利用となると母材の関係で課題が多いです。

造形技術だけ見るとBMF3Dプリンターは唯一セラミック材料に対応した精密機械であり、マイクロスケールまでのプリントができ、その所要日数は1日程度以内ということで、非常に優れています。また造形後の表面も滑らかです。

弊社３Dプリンターでのアンテナ造形事例

バーミンガム大学のYi Wang教授は、アンテナ(パッシブ・マルチビームアンテナ）を作るための新しい方法を探していたところ、BMF製の3Dプリンターに出会いました。

今回はアンテナに含まれる9本の給電用導波路アレイの導波管をmicroArch S140を使って３Dプリントすることにしました。

寸法は14mm×14mm×1.6mmで公差は±5μmと、直径13.51mmの1円玉に近い大きさになっています。

これにより、複雑な製造方法から解放され、爪の高さを変えることに成功し、設計の自由度を拡大させました。

プリントされたものは樹脂で不導体のため、導電性を持たせるために金属メッキでの加工が施されました。このような、3Dプリントに金属メッキを施すことは、導電性の部品を作るうえで費用対効果が高い手法です。

このアンテナを使って、電波の放射パターンと反射係数を測定したところ、355GHz帯での表面波金属ルーンベルグレンズマルチビームアンテナの実証に成功しました。

Yi Wang教授はこの実験を経て、以下のように語っています。

「ミクロンの精度、高い造形寸法を持つ高精度のマイクロスケール3Dプリンタは、従来の小型用マシニング技術では難関で、非常に複雑なミリ波や、APHW導波路デバイスなどを革新的な方法で製造する強力な手段となっていくでしょう」

バーミンガム大学 Yi Wang教授

このアンテナは、従来のアンテナよりも高速通信を可能とし、製品製造の低コスト化、柔軟性の増大を図ることを実現しました。

アンテナは不滅の技術

令和元年に総務省から発表された資料によれば、移動通信分野による5G技術は、超高速通信、超低遅延、多数同時接続を実現しており、その用途は様々です。

電波が届く地点での高速動画ダウンロード、再生や、ロボットの遠隔操作、センサーの操作など、あらゆる点で私たちの生活を支えるものと紐づいています。

それには必ず電波を送受信するためのアンテナが必要です。

形式は小型になったり内臓になったりと、変化はあるとは思いますが、アンテナそのものがなくなることはありません。

2019年時点で、東京電力パワーグリッド株式会社やKDDIなどの大手キャリアが、電力インフラの最大限の利用により、通信技術利用のための設備設置、共用に合意しています。

また、宇宙上と地球上の通信を実現するためにもアンテナは最大限活用され、GPSなど、衛生の発する電波を制御し続けることでしょう。

アンテナ技術の今後

1886年にヘルツによってアンテナの技術が確立されて以来、わずか30年後にアンテナが開発されています。

アンテナは必要とされるアプリケーションが存在して初めて必要とされる技術ではありますが、現在その技術がなしでは世界は回らないほど、現代社会はインターネットにつながった世界になっています。

横浜国立大学大学院によれば、未来のアンテナは無線を用いたアプリケーションに依存するため、将来を想定して作られた次世代アプリケーションの実現、登場によって、必然的に必要とされる流れとのこと。

順序としては、コンテンツやアプリケーションが出来て、それを送受信することのできるアンテナを用意するという後発的なものとなっています。

つまり必要に迫られてから作るということですね。

アンテナは次第に小さくなることが想定され、そのためには当然、微細な加工技術が必要になってきます。単に周波数に合わせてアンテナを小さくするのではなく、波長に合わせて大きくすることもあるとは思われますが、従来よりは確実に小さなアンテナにはなるでしょう。

また通信分野の文献で最も発表数が多いものはアンテナだと言われているほど、情報があふれている分野でもあるので、今後の技術革新には期待が高まっています。

まとめ

ここまでアンテナの基礎から、未来について語ってきました。

アンテナの技術は日々新しいものが研究され、100年ほどという短い歴史の中で大きな進化を遂げてきました。私たちの生活を大きく支える通信分野は、切っても切り離せない技術であり、それが3Dプリンターの登場により、また新たな製造方法が考えられている一方で、材料、材質、コスト、技術的な側面でそれぞれ課題が出てきますが、それらがそれらを１つずつ解決していくことで、私たちの生活はより豊かに、便利になることは間違えありません。

しかしながら、3Dプリンターの利用で価格の課題、造形品質の課題が全くないわけではありません。そのため今後の材料の費用をみて検討する必要もありそうです。

ぜひ時代の流れに沿って、新しい技術を生み出すときは、求められているアプリケーションに目を向けて、それを補助する側面で解決策を考案してみてください。