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テラヘルツ帯でのフェーズドアレイ無線機を実現【東京工業大学、NTT】

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次世代無線通信システムの実用化へ大きな一歩

 東京工業大学 工学院 電気電子系の岡田健一教授らとNTTの研究グループは2月5日、テラヘルツ帯で通信が可能なアクティブフェーズドアレイ無線機を世界で初めてCMOS集積回路により実現したと発表した。今回の成果により、5Gの次の世代の無線通信システムでの利用が期待されているテラヘルツ帯の実用化が大きく進展した。

 このテラヘルツ無線機は、安価で量産が可能なシリコンCMOSプロセスで製造したICで構成され、サブハーモニック型の双方向ミキサにより同じ回路を送信にも受信にも切り替えて利用することができる。液晶ポリマー基板上の銅箔にアンテナパターンを形成し、薄化したCMOS ICを実装したものを4層積層することでフェーズドアレイアンテナを構成した。
 実験の結果、テラヘルツ帯での無線通信が可能であり、電波の放射方向を制御回路から操作できることを確認したという。
 研究成果の詳細は、2021年2月13日(米国太平洋時間)からオンライン開催される国際会議ISSCC 2021「International Solid-State Circuits Conference 2021(国際固体素子回路会議)」で発表される予定だ。

開発の背景

 国内外で5Gのサービスが開始され、史上初めてミリ波帯を用いる大規模商用サービスの利用が広がりを見せている。ミリ波帯無線通信の更なる高度化が必要とされる一方で、早くも5Gの先を見据えた無線通信に関する研究が活発に行われている。より高速・大容量な無線通信を実現するために、5Gにおけるミリ波帯よりもさらに10倍以上高い周波数帯であるテラヘルツ帯の利用が期待されている。テラヘルツ帯を用いることで大幅な通信速度の向上が期待できる。
 ミリ波帯やテラヘルツ帯に共通する課題として、通信距離の確保が難しいことが挙げられる。通信に用いる搬送波周波数が高くなるほど、単一のアンテナによる通信可能な距離は周波数に反比例して短くなるためだ。そのため、5Gでは、アンテナと送受信機を多数アレイ状に並べたアクティブフェーズドアレイ技術が用いられており、数百メートル以上の通信距離を確保している。アンテナ数を増やすほどに通信距離を比例して伸ばすことが可能だ。
 さらに高い周波数帯であるテラヘルツ帯では、よりフェーズドアレイ化への要求が強いが、周波数に比例して高密度にアンテナと送受信機を並べる必要があり、これまでテラヘルツ帯でのアクティブフェーズドアレイ技術による通信機は実現されていなかった。代替として、高利得な指向性アンテナが用いられてきたが、特定方向としか通信ができず、用途が限定されたものであった。このような背景から、テラヘルツ帯無線通信の実用化のために、フェーズドアレイの実現が強く求められていた。

従来技術と課題

 フェーズドアレイでは、アンテナを半波長ピッチでアレイ状に配置する。5Gで用いる28GHz帯であれば5.4mm程度となり、一般に、プリント基板上にアンテナを縦横に配置する構成のものが用いられる。フェーズドアレイにはアクティブ型とパッシブ型がある。通信距離を伸ばすために、個々のアンテナにそれぞれ送受信機が接続されているアクティブ型のフェーズドアレイが用いられている。
 300GHz帯ではアンテナピッチが0.5mmとなるため、非常に高密度な配置が要求される。CMOSチップ上にアンテナを内蔵するものもあるが、シリコン基板による損失が大きく、配線層が薄すぎるため、十分なアンテナ利得を確保できない。プリント基板上に高密度に配置されたアンテナに、同一ピッチで送受信機を配置する必要がある。

研究成果

 同研究では、アンテナの配置方法の工夫と、新たに考案したCMOSフェーズドアレイICによる高密度化により、テラヘルツ帯でのフェーズドアレイ無線機を実現した(図1、2)。

図1:テラヘルツフェーズドアレイ無線機のチップ写真


図2:テラヘルツフェーズドアレイ無線機の回路構成

 従来のテラヘルツ帯無線機では、送信機単体、受信機単体や、それらを単一CMOSチップ上に集積したものがあるが、面積が大きくなるのが問題であった。同研究成果では、双方向回路を用いることで、同じ回路を送信にも受信にも切り替えて利用することができる。従来のテラヘルツ帯のミキサ回路では、ダイオード型や逓倍器型のものが用いられており、送受信で別々のミキサ回路を用意する必要があった。同研究成果では、サブハーモニック型のミキサにより、双方向動作を実現した。

 フェーズドアレイでは、送受信する信号の位相制御が必要である。同研究成果では、テラヘルツ帯でも広帯域動作が可能なLO移相方式を用いた。搬送波となる局部発振器(LO)の信号の位相を変化させるLO移相器を用いる。LO移相器を4逓倍器に前置することで、線形な移相特性を実現した。双方向増幅器を分布型とすることで広帯域化に成功し、送受信機全体として38GHzの非常に広い変調帯域を実現した。また、2系統ある信号経路(図中IF1とIF2)のそれぞれにLO移相器を設けることにより、送信時にはアウトフェージング構成、受信時にはハートレー構成とすることができる(図2)。アウトフェージング構成にすることで、理論値と比較して平均送信電力を約5dB向上することができた。

 特殊な製造技術を利用せず、安価で量産を可能とするために、現状の5Gと同じくプリント基板上にテラヘルツ帯フェーズドアレイを構成する方法を考案した(図3)。

図3:液晶ポリマー基板上に作成した積層型フェーズドアレイアンテナ

 液晶ポリマー基板上の銅箔にアンテナパターンを形成し、薄化したCMOS ICを実装したものを4層積層することでフェーズドアレイアンテナを構成した。各アンテナ素子はビバルディ型とした。
 開発品のテラヘルツフェーズドアレイICは65nmのシリコンCMOSプロセスで試作し、1.70mm×2.45mmの小面積にフェーズドアレイ送受信機を搭載した。ICに搭載した制御回路から移相器を操作し、アンテナ放射パターンを測定したところ、位相の設定値にあわせてビームステアリングができていることを確認できた(図3)。消費電力は送信時・受信時ともに0.75Wである。次に変調波による評価を行った。QPSKから16QAMの変調方式に対応可能であり、242-280GHzの変調帯域を有する。送信機の最大変調速度は52Gbpsであったという(16QAM時)。

今後の展開

 今回の研究成果により、テラヘルツ帯でもアクティブフェーズドアレイの利用が可能となった。アレイ数を増やすことにより通信距離を比例して伸ばすことができるので、テラヘルツ帯の無線通信で問題となっていた通信距離の問題が解決できる。これまでのテラヘルツ帯無線通信では指向性アンテナが用いられてきたが、今後はミリ波帯同様にアクティブフェーズドアレイによるものが主流になっていくと考えられる。
 研究グループは「今回は1次元アレイによる実証であったが、プリント基板上にアンテナパターンを並べて配置し、それをさらに積層することで2次元アレイの実現も可能であり、今後はより高密度なフェーズドアレイを実証し、テラヘルツ帯無線通信の実用化に向けて研究開発を推進する」との考えを示している。

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