WO2023032247A1

WO2023032247A1 - 無線装置、無線システム及び放熱構造

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Publication number: WO2023032247A1
Application number: PCT/JP2022/001852
Authority: WO
Inventors: 桂一元井; 俊秀桑原; 友哉金子
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2021-09-02
Filing date: 2022-01-19
Publication date: 2023-03-09
Also published as: CN117897865A; JPWO2023032247A1

Abstract

放熱性能が高く、安価に製造可能な無線装置を実現する。本開示の一形態にかかる無線装置は、無線信号の放射素子、あるいは反射素子と、放射素子、あるいは反射素子を含む発熱源の発熱を外部へ放熱する放熱部（１２０）と、を備えた無線装置である。放熱部（１２０）は、熱伝導性、および、電気伝導性を有する固体材質で構成されており、放熱板（１２２）と、放熱板（１２２）に設けられ、放熱板（１２２）に対して、放射素子、あるいは反射素子と同じ側に配置された複数の放熱フィン（１２１）と、を有する。放熱フィン（１２１）が、放熱板（１２２）上で少なくとも一方向に周期構造を成す。複数の放熱フィン（１２１）の先端部は、複数の放熱フィン（１２１）への入射波を反射する仮想反射面（１２３）を構成する。

Description

無線装置、無線システム及び放熱構造

　本開示は、無線装置、無線システム及び放熱構造に関する。

　近年、第五世代移動通信システム（５G）に代表される無線通信の大容量化、高速化といった移動通信システムの高度化が進み、ビームフォーミングなどの携帯基地局の高機能化が求められている。

　このように高機能化が求められるのに伴い、無線装置には、高い放熱性能が求められている。例えば、特許文献１には、周波数選択板（ＦＳＳ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　Ｓｕｒｆａｃｅ）を用いた放熱部を有する無線装置が開示されている。

国際公開第２０１７／０８６３７７号

　特許文献１に開示されているように、プリント基板などで構成する放熱フィン側面に周波数選択板として機能する微小な金属パターンを配列する場合、プリント基板の製造、及び、各プリント基板の実装による製造コストが高くなる、という課題がある。

　本開示は、このような問題点を解決するための無線装置、無線システム及び放熱構造を提供することを目的とする。

　本開示の一形態にかかる無線装置は、無線信号の放射素子、あるいは反射素子と、前記放射素子、あるいは前記反射素子を含む発熱源の発熱を外部へ放熱する放熱部と、を備え、
　前記放熱部は、熱伝導性、および、電気伝導性を有する固体材質で構成されており、放熱板と、前記放熱板に設けられ、前記放熱板に対して、前記放射素子、あるいは前記反射素子と同じ側に配置された複数の放熱フィンと、を有し、
　前記放熱フィンが、前記放熱板上で少なくとも一方向に周期構造を成し、
　前記複数の放熱フィンの先端部は、前記複数の放熱フィンへの入射波を反射する仮想反射面を構成する。

　本開示の一形態にかかる無線システムは、
　上述の無線装置と、
　前記無線装置の放射素子であるアンテナ素子により送受信される無線信号を処理する信号処理部と、
を備える。

　本開示の一形態にかかる放熱構造は、無線信号の放射素子、あるいは反射素子を含む発熱源の発熱を外部へ放熱する放熱構造であって、
　前記放熱構造は、熱伝導性、および、電気伝導性を有する固体材質で構成されており、放熱板と、前記放熱板に設けられ、前記放熱板に対して、前記放射素子、あるいは前記反射素子と同じ側に配置された複数の放熱フィンと、を有し、
　前記放熱フィンが、前記放熱板上で少なくとも一方向に周期構造を成し、
　前記複数の放熱フィンの先端部は、前記複数の放熱フィンへの入射波を反射する仮想反射面を構成する。

　本開示によれば、放熱性能が高く、安価に製造可能な無線装置、無線システム及び放熱構造を実現できる。

本開示における実施の形態１にかかるアンテナ装置の斜視図である。本開示における実施の形態１にかかるアンテナ装置の側面図である。一般的なマッシュルーム型ＥＢＧ構造の斜視図である。一般的なマッシュルーム型ＥＢＧ構造の鳥観図である。一般的なマッシュルーム型ＥＢＧ構造の金属パッチ面での反射波の位相の周波数特性を示す図である。本開示における実施の形態１にかかるビバルディアンテナ素子の構成図である。４分の１波長の放熱フィン群による高インピーダンス面へのインピーダンス変換の概念図である。４分の３波長の放熱フィン群による高インピーダンス面へのインピーダンス変換の概念図である。本開示における実施の形態１にかかるアレイアンテナ装置の斜視図である。本開示における実施の形態１にかかるアレイアンテナ装置の側面図である。本開示における実施の形態１にかかるアレイアンテナ装置の側面図である。本開示における実施の形態１にかかるアレイアンテナ装置の鳥観図である。本開示における実施の形態１にかかるアレイアンテナ装置による放射パターンを示す図である。本開示における実施の形態１にかかる単一アンテナ装置による放射パターンを示す図である。本開示における実施の形態１にかかる背面ヒートシンクを備えるアンテナ装置を模擬した、熱流体シミュレーションにおけるモデル図である。本開示における実施の形態１にかかるアンテナ面ヒートシンクと背面ヒートシンクとを備えるアンテナ装置を模擬した、熱流体シミュレーションにおけるモデル図である。本開示における実施の形態１にかかる背面ヒートシンクを備えるアンテナ装置を模擬した、熱流体シミュレーション結果の温度分布例を示す図である。本開示における実施の形態１にかかるアンテナ面ヒートシンクと背面ヒートシンクとを備えるアンテナ装置を模擬した、熱流体シミュレーション結果の温度分布例を示す図である。本開示における実施の形態１にかかるアンテナ装置を模擬した、熱流体シミュレーション結果の、熱源定常温度の外風速に対する依存性を示す図である。本開示における実施の形態２にかかるアンテナ装置の側面の概要図である。本開示における実施の形態２にかかる４分の１波長の高さのピン型円柱状の放熱フィンを適用したアンテナ装置の斜視図である。本開示における実施の形態２にかかる４分の３波長の高さのピン型円柱状の放熱フィンを適用したアンテナ装置の斜視図である。本開示における実施の形態２にかかるピン型円柱状の放熱フィンを適用したアンテナ装置の鳥観図である。本開示における実施の形態２にかかる４分の１波長の高さの平板形状の放熱フィンを適用したアンテナ装置の斜視図である。本開示における実施の形態２にかかる４分の３波長の高さの平板形状の放熱フィンを適用したアンテナ装置の斜視図である。本開示における実施の形態２にかかる平板形状の放熱フィンを適用したアンテナ装置の鳥観図である。本開示における実施の形態２にかかる比較例である、アンテナ放射面と同平面上に理想磁気壁を境界壁として適用したアンテナ装置の斜視図である。本開示における実施の形態２にかかる比較例である、アンテナ放射面と同平面上に理想磁気壁を境界壁として適用したアンテナ装置による放射パターンを示す図である。本開示における実施の形態２にかかる４分の１波長の高さの放熱フィンを装荷した場合の単一アンテナ装置による放射パターンを示す図である。本開示における実施の形態２にかかる４分の３波長の高さの放熱フィンを装荷した場合の単一アンテナ装置による放射パターンを示す図である。本開示における実施の形態にかかる異なる長さの放熱フィンを装荷したアンテナ装置の斜視図である。本開示における実施の形態にかかる異なる長さの放熱フィンを装荷したアンテナ装置の側面図である。本開示における実施の形態にかかるパッチアンテナ素子を適用したアンテナ装置の斜視図である。本開示における実施の形態にかかるパッチアンテナ素子を適用したアンテナ装置の鳥瞰図である。本開示における実施の形態にかかる放熱フィンの先端にパッチ素子を有するアンテナ装置の斜視図である。本開示における実施の形態にかかる放熱フィンの先端にパッチ素子を有するアンテナ装置の側面図である。本開示における実施の形態の放熱フィンの各々の、ピンの高さ、金属パッチの厚みを変化させた場合の、金属パッチ面での反射波の位相変化の周波数特性を示す図である。本開示における実施の形態にかかる反射板装置を用いた電波伝搬環境の改善の様子を示す概要図である。本開示における実施の形態にかかる分散アンテナシステムの概要図である。

　以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。なお、図面は簡略的なものであるから、この図面の記載を根拠として実施の形態の技術的範囲を狭く解釈してはならない。また、同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

　以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクション又は実施の形態に分割して説明する。ただし、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部又は全部の変形例、応用例、詳細説明、補足説明等の関係にある。

　また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む。）に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

　さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（動作ステップ等も含む）は、特に明示した場合及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではない。

　同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数等（個数、数値、量、範囲等を含む。）についても同様である。

　＜実施の形態にかかるアンテナ装置に想到するまでの検討経緯＞
　無線通信の急速な普及に伴い、無線通信に使用される周波数帯の不足から、特に第五世代（５G）移動体通信システムでは、より高い周波帯を有効的に利用するために、携帯基地局数の増大、移動体通信を担う携帯基地局の設置場所の確保が課題となっている。そのため、設置性や美観などの観点から、携帯基地局の更なる小型化、軽量化が求められる。

　小型化、軽量化を達成するうえで、無線装置を構成する各部位の消費電力、すなわち発熱源の低減や、放熱量の向上が必要である。しかしながら、発熱源の低減は、無線装置の消費電力の大きな割合を占めるパワーアンプが発熱量の削減の主要な候補であるが、広帯域特性や出力電力、線形性、等を鑑みながら大きく改善することは、今なお多くの研究開発がなされている難しい課題である。

　一方で、放熱に関しては、従来から無線装置背面に設けるヒートシンクが用いられている。放熱性能を改善するため、特許第６５２０５６８号公報に開示されているようにアンテナ面と同じ側、すなわち正面にも放熱構造を設ける場合、アンテナ素子と周囲の放熱構造との電磁的結合を避けるために、アンテナ素子周囲に金属壁などの電磁防護壁を設ける必要がある。そのため、放熱部の放熱フィン配置や、アンテナ設計の自由度が低下する、また、壁を形成する追加の材料・製造工数を要する、という課題がある。

　また、特許第６３４２１３６号公報に開示されているように、冷媒供給部を設ける場合、循環装置等の外部装置が必要であり、装置が複雑化・大型化する、という課題がある。また、アンテナや誘電体などの部材だけでは放熱面積や熱伝達率が限定的であり、高い放熱効果が得られない、という課題がある。より高い効果を得るためには、アンテナを突出させるため、アンテナ構造が制約される。また構造が不安定化しやすい、という課題がある。

　また、上述の特許文献１に開示されているように、プリント基板などで構成する放熱フィン側面に周波数選択板として機能する微小な金属パターンを配列する場合、プリント基板の製造、及び、各プリント基板の実装による製造コストが高くなる、という課題がある。また、プリント基板で構成する各放熱フィンを個別に実装する場合、密に放熱フィンを配置し難く、放熱性能が低い、という課題がある。

　そこで、上述の少なくとも一つの課題を解決することが可能な、以下の実施の形態にかかる無線装置が見いだされた。

＜実施の形態１＞
　本実施の形態における無線装置の一例であるアンテナ装置について、図１、２を用いて説明する。図１、２は、それぞれ、本実施の形態におけるアンテナ装置１００の構成の斜視図、および側面図である。

　本実施の形態におけるアンテナ装置１００は、アンテナ素子１１０、アンテナ素子１１０と接続するアンテナ給電線１１１、および、アンテナ装置１００（例えば、アンテナ素子１１０を含む発熱源）から発する熱を外部環境に放熱する、熱伝導性並びに電気伝導性を有する部材で構成される、複数の放熱フィン１２１と、放熱板１２２と、を含む放熱部１２０を備える。

　ここで、熱伝導性並びに電気伝導性を有する部材として、金属や、金属メッキを施した誘電体材料、金属を内包する誘電体材料、カーボンナノチューブなどの高熱伝導性と高電気伝導性を有する有機材料と金属との複合材、などが望ましいが、それらに限られず、所望の熱伝導性と導電性を有する材料を、適宜、選択できる。

　アンテナ素子１１０は、放熱板１２２に対して複数の放熱フィン１２１と同じ側に配置されており、複数の放熱フィン１２１は、放熱板１２２上の全体、あるいは一部において、少なくとも一方向に周期構造をなす。

　また、複数の放熱フィン１２１の先端面、あるいは先端点で構成される放熱反射面（仮想反射面）１２３を備える。放熱反射面１２３は好ましくは、アンテナ素子１１０のアンテナ放射面（仮想放射面）１１２の後方（すなわち放熱板１２２の側）、あるいは同一平面に構成するのが好適である。図１、２においては、後方に配置している例を図示している。

　ここで、放熱反射面１２３の機能について、図２を用いて説明する。放熱反射面１２３への入射波２０１は、放熱反射面１２３において反射し、反射波２０２となり、アンテナ素子１１０のアンテナ放射面１１２に到達し、アンテナ素子１１０からの放射波２０３と合成し、合成波として放射される。

　この際、アンテナ特性を良好に保つため、反射波２０２と放射波２０３とは、所定周波数の電波に対して、放熱反射面１２３における反射による位相シフト量Δφと、放熱反射面１２３とアンテナ放射面１１２との間での往路伝搬による位相シフト量Δθと、の和：Δφ＋Δθ＝３６０°×ｎ（ｎ：０以上の自然数）に近い、すなわち同相で合成されること、が望ましい。

　ここで、一様な金属面（電気壁）での反射、例えば放熱部１２０が放熱フィン１２１を備えない放熱板１２２のみでの反射においては、一般に知られるように理想導体ではΔφ＝１８０°である。一方、本実施の形態における多数の放熱フィン１２１が周期的に配列したフィン群をなすことで、Δφ≠１８０°となる放熱反射面１２３を備える構造を有する。

　放熱フィン１２１のような金属体、あるいは誘電体、磁性体などの構造物が周期的に配列する、あるいは、微細構造を施すことで、特定の電磁気的機能を発現する人工媒質は、メタマテリアル、特に面構造が着目される場合には、メタサーフェースと呼称される。

　特に、周期構造的メタマテリアルにおいては、構造物中の特定周波数帯の電波伝搬が阻害される電磁的バンドギャップ（ＥＢＧ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ＢａｎｄＧａｐ）の機能を発現するものとして、金属パッチの中央に金属ロッドを備えた構造をユニットセルとするマッシュルーム型ＥＢＧ構造がある。

　図３Ａ、ＢにはそのようなＥＢＧ構造例を図示している。マッシュルーム型ＥＢＧ構造においては、構造中での電波伝搬が阻止されることに加え、金属パッチ群で構成する反射面が、実効的な磁気壁（以下では、高い表面インピーダンスを有する高インピーダンス平面と同義として使用する。）として振る舞う。

　磁気壁での反射においては、理想導体での電気壁面での反射による位相シフトΔφ＝１８０°である一方、理想磁気壁面での反射において位相シフトΔφ＝０°となる。図３Ｃには、マッシュルームＥＢＧ構造に対して、金属パッチ群からの電磁波の反射による位相変化の周波数特性の計算例を示す。

　実質的に、図３Ｃに示すように、－９０°～＋９０°の位相変化する周波数領域を周波数バンドギャップ（ＢＧ）帯域として慣習的にみなされる。本実施の形態においては、多数の放熱フィン１２１が周期的に配列したフィン群がＥＢＧ構造として機能するように、形状を定め、また放熱フィン１２１の先端面を通る平面で構成する放熱反射面１２３での反射位相シフトが、所定周波数帯においてΔφ＝０°に近くなるように形状を定めた。

　以下、本実施の形態におけるアンテナ装置１００について、アンテナ素子１１０及び放熱部１２０の具体的な構造事例を示し、図４、図５Ａ、Ｂ及び図６Ａ～Ｄを用いて説明する。図４は本実施の形態におけるアンテナ素子の構成図、図５Ａ、Ｂは放熱フィン１２１による高インピーダンス面へのインピーダンス変換の定性的な概念図、図６Ａ～Ｄはそれぞれ、本実施の形態におけるアレイアンテナ装置の斜視図（Ａ）、側面図（Ｂ、Ｃ）、鳥観図（Ｄ）である。

　図４のアンテナ素子１１０は、誘電体基板上に指数関数形状で金属パターン１１３ａ、１１３ｂをそれぞれ施した広帯域特性に優れるビバルディアンテナ素子の事例を示した。金属パターン１１３ｂには、アンテナ給電線１１１を接続する。

　また、図５Ａ、Ｂに示すように、放熱板１２２の上部に設けた放熱フィン１２１により、特に、放熱フィン１２１の高さを所定周波数の波長λの（１＋２Ｎ）／４（ここでＮは０以上の整数）とした場合、インピーダンス変換により放熱フィン群で構成する放熱反射面１２３において、非常に高い表面インピーダンスを有する高インピーダンス面を備える。但し、放熱フィン１２１の高さは、所定周波数の波長λの（Ｎ／２＋Ａ×１／４）（ここでＡは０．５～１．５程度の任意定数）であればよい。

　このとき、電磁波の反射による位相変化も図３Ｃと同等の特性が付随し、マッシュルーム型ＥＢＧと同等にＥＢＧ構造として機能し得る。ここで、放熱フィン１２１の形状としては、簡便にピン型の円柱、あるいは多角柱、平板形状などが例として挙げられ、それらに限られず、所望の形状を適宜選択でき、また長さや形状の異なる組み合わせなどを複合的に用いることもできる。

　図６Ａに示すように、本実施の形態におけるアンテナ装置１００は、アンテナ素子１１０を図４に示したビバルディアンテナ素子により構成し、３×３のアレイアンテナをなす。また、放熱フィン１２１及び放熱板１２２で構成する放熱部１２０は、放熱フィン１２１の断面が円柱、あるいは角形などのピン型形状をなし、放熱フィン１２１上で周期構造をなすように配列する。

　ピン型の放熱フィン１２１は、図６Ｂにおいてはフィン高さ２０ｍｍ（３．７ＧＨｚにおいて波長λの４分の１長）、図６Ｃにおいてはフィン高さ３３ｍｍ（３．７ＧＨｚにおいて波長λの約４分の１．５長）に各々設定した。

　また、アンテナ素子１１０の動作周波数帯は３～４．５ＧＨｚ程度に設計し、アンテナ高さは、図６Ｃにおいてはフィン高さと同様に３３ｍｍとし、アンテナ素子１１０配置領域の包絡空間を有効に用いて効率的に、放熱フィン１２１を配置した。

　また、本開示におけるアンテナ素子１１０は放熱板１２２上に垂直に取り付けるため、図６Ｄに示す鳥観図から明らかに、放熱フィン１２１を密に配置するうえで好適である。

　本実施の形態における図６Ａ～Ｄに示したアンテナ装置１００の放射パターンを図７Ａに示す。ここで、破線は比較用の放熱フィン１２１を排した放熱板１２２のみ、すなわち一様な金属面の反射板のみを備える場合での放射パターン、各実線は、それぞれ図６Ｂ、Ｃに示したフィン高さの放熱フィン１２１群を備えた場合の、放射パターンの結果をそれぞれ示す。

　放熱フィン１２１を備えた場合においても、一様な金属面の反射板のみを備える場合でのアンテナ特性とほぼ同等の特性を得られた。なお、本実施の形態では、複数のアンテナ素子１１０を備えるアレイアンテナを図６Ａ～Ｄで明示したが、アンテナ素子１１０単体でもよく、図７Ｂに示す単アンテナ素子での放射パターンのシミュレーション結果のように、アレイアンテナの場合と同傾向の結果を得られる。

　以上、本実施の形態におけるアンテナ装置１００の電磁気的な特性を開示したが、以下では熱的特性を説明する。図８Ａ、Ｂは、それぞれ、熱流体シミュレーションにおける、従来の背面での背面側放熱部１４０（背面側放熱フィン１４１、背面側放熱板１４２）のみを備えるアンテナ装置を模擬したモデル図、および本実施の形態におけるアンテナ面側の放熱部１２０（放熱フィン１２１、放熱板１２２）と、背面側放熱部１４０と、を備えるアンテナ装置を模擬したモデル図である。

　ここで、図８Ａでの背面側放熱フィン１４１のフィン高さ６０ｍｍ、図８Ｂでの背面側放熱フィン１４１のフィン高さ３５ｍｍ、アンテナ面側の放熱フィン１２１のフィン高さ２０ｍｍ、また各放熱板１２２の板厚はすべて５ｍｍとし、図８Ａ、Ｂの各モデルでの包絡体積を一定とした。

　放熱部材としてはアルミニウムを想定し、放熱部１２０、背面側放熱部１４０の中央部には一定の発熱量を有する熱源１３０を配置した。なお、シミュレーションの簡素化のため、アンテナ素子１１０等は排している。ここで、図８Ｂでは、図を簡略化するために、熱源１３０を省略している。

　図９Ａ、Ｂは、それぞれ、従来の背面での背面側放熱部１４０のみを備えるアンテナ装置を模擬したモデル、本実施の形態におけるアンテナ面側の放熱部１２０と、背面側放熱部１４０と、を備えるアンテナ装置を模擬したモデルでの、外風が各放熱部に対し横方向に１ｍ／ｓとした熱流体シミュレーション結果の定常温度分布をそれぞれ示す。

　熱源１３０の定常温度が、背面のみに放熱部を備えた場合の５４℃に対し、アンテナ面側にも放熱部１２０を備えた場合では、４０℃と、放熱効果が向上していることがわかる。図１０には、図８Ａ、Ｂの各モデルでの、熱源定常温度の外風速度に対する依存性の熱流体シミュレーション結果を示す。

　ここで、図１０において、●は背面のみに放熱部を備えた場合の熱流体シミュレーション結果を示し、■はアンテナ面にも放熱部を備えた場合の熱流体シミュレーション結果を示す。本実施の形態により、外風ありの場合に加え、無風（自然対流）時においても熱源の定常温度を効率的に低下させることが確認できる。

　すなわち、以上のように本実施の形態においては、複数の放熱フィン１２１の先端で放熱反射面１２３を形成するように当該放熱フィン１２１を配列した簡単な構成であるため、アンテナ特性を維持しつ、放熱性能の高いアンテナ装置１００を安価に製造することができる。そして、小型な放熱部１２０を用いても放熱性能が高いため、アンテナ装置１００を小型化できる。

　＜実施の形態２＞
　本実施の形態におけるアンテナ装置について、図１１、１２Ａ～Ｃ、１３Ａ～Ｃを用いて説明する。図１１は、本実施の形態におけるアンテナ装置１００の断面の概要図である。図１２Ａ～Ｃ、１３Ａ～Ｃは、本実施の形態におけるアンテナ装置１００における放熱フィン１２１に、それぞれピン型円柱状、平板形状を適用したアンテナ装置の事例を示す。図１２Ａ、Ｂ、図１３Ａ、Ｂは各アンテナ装置１００の斜視図、図１２Ｃ、１３Ｃはアンテナ装置１００の鳥観図を各々示す。

　ここで、アンテナ素子１１０の例として、円板パッチの一次放射器を内包する平面型のクロススロットアンテナを適用し、図１２Ａ、１３Ａで示すアンテナ装置１００では、放熱フィン１２１のフィン高さ２０ｍｍ（所定周波数において波長λの４分の１長）のものを適用した。また、図１２Ｂ、１３Ｂで示すアンテナ装置１００では、放熱フィン１２１のフィン高さ６０ｍｍ（所定周波数において波長λの４分の３長）のものを適用した。

　図１４Ａには、図１２Ａ～Ｃ、１３Ａ～Ｃで示すアンテナ装置１００での特性比較として、反射面として、ＥＢＧ面として理想的な反射特性を示すアンテナ装置１００の斜視図を示す。具体的には、放熱フィン１２１として、放熱板をアンテナ面方向に延長したブロック形状を適用し、放熱反射面をアンテナ放射面と同平面に設け、放熱反射面に対し、境界壁３０１に、仮想的に一様な理想磁気壁条件を課した、アンテナ装置である。

　本実施の形態における、図１２Ａ～Ｃ、１３Ａ～Ｃに示すアンテナ装置１００の放射パターンを図１５Ａ、Ｂにそれぞれ示す。ここで、図１５Ａでは、上段にフィン高さ２０ｍｍの場合のピン型のアンテナ特性を示し、下段に平板形状のアンテナ特性を示す。また、図１５Ｂでは、上段にフィン高さ６０ｍｍの場合のピン型のアンテナ特性を示し、下段に平板形状のアンテナ特性を示す。図１４Ｂに示した、理想的な条件での場合と比べ、やや指向性が高まっているが、高いアンテナ利得を維持し、アンテナ特性の劣化が避けられている。

　なお、本実施の形態では単アンテナ素子の場合を示したが、複数のアンテナ素子を用いたアレイアンテナ装置に拡張してもよい。

　＜その他の実施の形態＞
　上記実施の形態では同一のフィン長の放熱フィンを適用したが、異なるフィン長の組み合わせも適宜利用できる。例えば、図１６Ａ（斜視図）、図１６Ｂ（側面図）には異なる放熱フィン長を有する複数の放熱フィン種を適用したビバルディアンテナ装置を示す。

　ビバルディアンテナ装置に対して、アンテナ給電線１１１近くのアンテナ素子１１０下部のグランド板の面積をある程度設けることがアンテナ特性の面で有利なため、アンテナ素子１１０下部に導体の土台を設け、アンテナ素子１１０近傍の放熱フィン１２１ｂのみに短いフィンを適用する。

　図１６Ａ、Ｂにおいては、土台上に１列の短い放熱フィン１２１ｂを適用した例を示している。加えて、それ以外の導体の土台より低い周囲には放熱面積を向上させるため、３分の４波長のような高い放熱フィン１２１ａを適用している。以上のように、適用するアンテナ素子の特性や、放熱のための空気の流れの最適化などを鑑みて、適宜、複合的に用いることもできる。

　なお、上記実施の形態１や２では、アンテナ素子１１０として、基板面上に垂直に備えたビバルディアンテナや、平面型クロススロットアンテナを形態の事例として挙げたが、その他、ホーンアンテナや、図１７Ａ（斜視図）、図１７Ｂ（鳥観図）に示すようなパッチアンテナ素子を用いることもできる。また、それらに限られず、所望のアンテナ素子を適宜選択でき、異なる組み合わせなどを複合的に用いることもできる。

　また、上記実施の形態１や２では、放熱フィンとして、ピン型や平板形状を例として示したが、図１８Ａ（斜視図）、１８Ｂ（側面図）に示すように、放熱フィン本体の先端に金属パッチを装荷した形態も、放熱フィン１２１の一形態として包含できる。

　この場合、パッチ部分が周囲のパッチ群との寄生容量を発する素子として機能し、先端の金属パッチの厚みや、周囲の金属パッチとの距離（金属パッチの広さ、ピン間隔）などの形状を調整することで、周囲の放熱フィン間との寄生容量成分を変化させることができ、電気特性を調整した放熱フィンを実現できる。

　これにより、柱部分（放熱フィン本体）の高さを所定周波数に対し４分の１や４分の３波長などの限定された高さに限られず、短縮することもできる。図１８Ｃには、放熱フィン１２１の各々の、ピンの高さ、金属パッチの厚みを変化させた場合の、金属パッチ面での反射波の位相変化の周波数特性を示す。

　ここで、図１８Ｃにおいて、実線は放熱フィン本体の高さ３ｍｍで金属パッチの厚さ０．５ｍｍの場合の周波数特性を示し、破線は放熱フィン本体の高さ２０ｍｍで金属パッチの厚さ０．５ｍｍの場合の周波数特性を示し、二点鎖線は放熱フィン本体の高さ２０ｍｍで金属パッチの厚さ２ｍｍの場合の周波数特性を示す。

　従来のマッシュルーム型ＥＢＧとみなせる放熱フィン本体の高さが３ｍｍと低い場合に比べ、放熱フィン本体の高さを２０ｍｍと延ばした場合には、反射位相が－９０°～＋９０°の範囲のＥＢＧ帯域が低周波側に移り、金属パッチ厚を厚くし、寄生容量を増した場合には、さらに低くなっており、金属パッチの形状調整により電気特性を調整できている。

　特にピン型の放熱フィン１２１単体では、２０ｍｍが波長の４分の１長に相当する３．７ＧＨｚより大幅に低下し、放熱フィン本体の先端に金属パッチを備える放熱フィンを適用することで、１ＧＨｚ近傍でのＥＢＧ帯を利用することができ、放熱フィン長を必要に応じ短縮できるため、小型なアンテナ装置を実現できる。

　また、上記実施の形態では、アンテナ素子１１０を備えるアンテナ装置について開示したが、アンテナ素子を備えず、自発的か、反射による受動的な電波放射かに関わらず、例えば、電波伝搬環境を改善することを目的に建造物に敷設される反射板装置など、電波の放射部、あるいは、受動部を含む発熱源を有する無線装置に適用することができる。

　図１９には、建造物４０３に備えた反射板装置４０１において、基地局４００からの電波を反射板装置４０１において、反射し、ユーザーの端末４０２に送信する、反射板装置４０１を用いた電波伝搬の環境改善を意図した、各種無線装置の配置の概念図を示す。

　ここで、反射板装置４０１においては、メタサーフェースのような反射角度などの反射波の特性を制御するなどの、電波の反射特性の制御機能を備えるものが適用できる。反射板装置４０１の放熱反射面に対しても、アンテナ装置１００と同様に、本実施の形態の放熱部１２０を適用できる。本実施の形態により、アクティブ素子の発熱などを有する反射板装置４０１にも、本実施の形態で開示の放熱部１２０を適用でき、反射板装置を小型化できる。

　その他の実施の形態として、図２０に示すように各アンテナ装置１００を多様（例えば、離散的）に配置し、通信品質を向上する分散アンテナシステム（無線システム）などにも上記で開示した放熱部１２０を適用することもできる。具体的には、図２０では、高周波信号の生成や変復調機能を含む制御ユニット（信号処理部）４０４から、同軸ケーブル４０５にて、放熱部１２０を備える各アンテナ装置１００に高周波信号を分散して送受信する分散アンテナシステム構成の概要図である。本実施の形態により、アンテナ装置１００にも放熱部１２０を適用でき、分散アンテナシステムの各アンテナ装置１００を小型化できる。

　なお、本開示は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
　上記実施の形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
　＜付記１＞
　無線信号の放射素子、あるいは反射素子と、前記放射素子、あるいは前記反射素子を含む発熱源の発熱を外部へ放熱する放熱部と、を備えた無線装置であって、
　前記放熱部は、熱伝導性、および、電気伝導性を有する固体材質で構成されており、放熱板と、前記放熱板に設けられ、前記放熱板に対して、前記放射素子、あるいは前記反射素子と同じ側に配置された複数の放熱フィンと、を有し、
　前記放熱フィンが、前記放熱板上で少なくとも一方向に周期構造を成し、
　前記複数の放熱フィンの先端部は、前記複数の放熱フィンへの入射波を反射する仮想反射面を構成する、無線装置。

　＜付記２＞
　前記放熱フィンの間隔は、前記放熱フィンの高さに比して小さい、付記１に記載の無線装置。

　＜付記３＞
　前記仮想反射面は、所定周波数の電波伝搬を阻止すると共に、前記所定周波数の磁気壁として機能する、付記１又は２に記載の無線装置。

　＜付記４＞
　前記仮想反射面は、所定周波数の電波に対して、反射による位相シフト量が１８０度とは異なり、前記放射素子、あるいは前記反射素子からの放射波の位相と、前記仮想反射面からの反射波の位相と、が前記放射素子、あるいは前記反射素子の放射面において同相となる位置に配置されている、付記１乃至３のいずれか１項に記載の無線装置。

　＜付記５＞
　前記放熱フィンが棒状である、付記１乃至４のいずれか１項に記載の無線装置。

　＜付記６＞
　前記放熱フィンが板状である、付記１乃至４のいずれか１項に記載の無線装置。

　＜付記７＞
　前記放熱フィンの長さは、λ×（Ｎ／２＋Ａ×１／４)（但し、λは所定周波数の波長、Ｎは０以上の整数、Ａは任意定数）である、付記１乃至６のいずれか１項に記載の無線装置。

　＜付記８＞
　前記放熱フィンが、
　前記放熱板から突出した棒状の放熱フィン本体と、
　前記放熱フィン本体の先端部に設けられた平面状のパッチと、
を備え、
　前記放熱フィン本体の長さが、λ×（Ｎ／２＋１／４)（但し、λは所定周波数の波長、Ｎは０以上の整数）より短く、
　前記仮想反射面が、複数の前記パッチで構成されている、付記１乃至４のいずれか１項に記載の無線装置。

　＜付記９＞
　複数の前記反射素子が周期配列をなし、
　前記反射素子により前記仮想反射面の一部を構成し、
　前記仮想反射面での反射波の反射角度が、周期配列する前記反射素子の構造と配列とにより制御される、付記１乃至８のいずれか１項に記載の無線装置。

　＜付記１０＞
　付記１乃至８のいずれか１項に記載の無線装置と、
　前記無線装置の放射素子であるアンテナ素子により送受信される無線信号を処理する信号処理部と、
を備える、無線システム。

　＜付記１１＞
　複数の前記アンテナを備え、
　前記アンテナは、信号伝送ケーブルにより前記信号処理部に接続され、離散的に配置されている、付記１０に記載の無線システム。

　＜付記１２＞
　無線信号の放射素子、あるいは反射素子を含む発熱源の発熱を外部へ放熱する放熱構造であって、
　前記放熱構造は、熱伝導性、および、電気伝導性を有する固体材質で構成されており、放熱板と、前記放熱板に設けられ、前記放熱板に対して、前記放射素子、あるいは前記反射素子と同じ側に配置された複数の放熱フィンと、を有し、
　前記放熱フィンが、前記放熱板上で少なくとも一方向に周期構造を成し、
　前記複数の放熱フィンの先端部は、前記複数の放熱フィンへの入射波を反射する仮想反射面を構成する、放熱構造。

　以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

　この出願は、２０２１年９月２日に出願された日本出願特願２０２１－１４３０５８を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００　アンテナ装置
１１０　アンテナ素子
１１１　アンテナ給電線
１１２　アンテナ放射面
１１３ａ、１１３ｂ　金属パターン
１２０　放熱部
１２１、１２１ａ、１２１ｂ　放熱フィン
１２２　放熱板
１２３　放熱反射面
１３０　熱源
１４０　背面側放熱部
１４１　背面側放熱フィン
１４２　背面側放熱板
２０１　入射波
２０２　反射波
２０３　放射波
３０１　境界壁
４００　基地局
４０１　反射板装置
４０２　端末
４０３　建造物
４０４　制御ユニット
４０５　同軸ケーブル

Claims

　無線信号の放射素子、あるいは反射素子と、前記放射素子、あるいは前記反射素子を含む発熱源の発熱を外部へ放熱する放熱手段と、を備え、
　前記放熱手段は、熱伝導性、および、電気伝導性を有する固体材質で構成されており、放熱板と、前記放熱板に設けられ、前記放熱板に対して、前記放射素子、あるいは前記反射素子と同じ側に配置された複数の放熱フィンと、を有し、
　前記放熱フィンが、前記放熱板上で少なくとも一方向に周期構造を成し、
　前記複数の放熱フィンの先端部は、前記複数の放熱フィンへの入射波を反射する仮想反射面を構成する、無線装置。
　前記放熱フィンの間隔は、前記放熱フィンの高さに比して小さい、請求項１に記載の無線装置。
　前記仮想反射面は、所定周波数の電波伝搬を阻止すると共に、前記所定周波数の磁気壁として機能する、請求項１又は２に記載の無線装置。
　前記仮想反射面は、所定周波数の電波に対して、反射による位相シフト量が１８０度とは異なり、前記放射素子、あるいは前記反射素子からの放射波の位相と、前記仮想反射面からの反射波の位相と、が前記放射素子、あるいは前記反射素子の放射面において同相となる位置に配置されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の無線装置。
　前記放熱フィンが棒状である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の無線装置。
　前記放熱フィンが板状である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の無線装置。
　前記放熱フィンの長さは、λ×（Ｎ／２＋Ａ×１／４)（但し、λは所定周波数の波長、Ｎは０以上の整数、Ａは任意定数）である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の無線装置。
　前記放熱フィンが、
　前記放熱板から突出した棒状の放熱フィン本体と、
　前記放熱フィン本体の先端部に設けられた平面状のパッチと、
を備え、
　前記放熱フィン本体の長さが、λ×（Ｎ／２＋１／４)（但し、λは所定周波数の波長、Ｎは０以上の整数）より短く、
　前記仮想反射面が、複数の前記パッチで構成されている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の無線装置。
　複数の前記反射素子が周期配列をなし、
　前記反射素子により前記仮想反射面の一部を構成し、
　前記仮想反射面での反射波の反射角度が、周期配列する前記反射素子の構造と配列とにより制御される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の無線装置。
　請求項１乃至８のいずれか１項に記載の無線装置と、
　前記無線装置の放射素子であるアンテナ素子により送受信される無線信号を処理する信号処理手段と、
を備える、無線システム。
　複数の前記アンテナ素子を備え、
　前記アンテナ素子は、信号伝送ケーブルにより前記信号処理手段に接続され、離散的に配置されている、請求項１０に記載の無線システム。
　無線信号の放射素子、あるいは反射素子を含む発熱源の発熱を外部へ放熱する放熱構造であって、
　前記放熱構造は、熱伝導性、および、電気伝導性を有する固体材質で構成されており、放熱板と、前記放熱板に設けられ、前記放熱板に対して、前記放射素子、あるいは前記反射素子と同じ側に配置された複数の放熱フィンと、を有し、
　前記放熱フィンが、前記放熱板上で少なくとも一方向に周期構造を成し、
　前記複数の放熱フィンの先端部は、前記複数の放熱フィンへの入射波を反射する仮想反射面を構成する、放熱構造。