窓ガラスへの設置による無線サービスエリアの拡大に期待

　NTTは3月27日、無線環境に設置することで電波伝搬を制御する、世界最薄の液晶層を有する透過型メタサーフェスデバイスを実現し、透過電波の方向や集光位置の可変制御を実証したと発表した。

　本デバイスはNTT独自のメタサーフェス構造を採用しており、マイクロ波からサブテラヘルツ波帯までの幅広い周波数帯において、液晶ディスプレイと同等の液晶厚み（3.5µm）での製造が可能だ。これにより、メタサーフェスデバイスの大面積化が容易になるとともに、将来的には薄膜化の利点である応答速度の高速化を活かし、移動する端末を追従するように電波を制御することも可能となる。本デバイスを窓ガラス等に設置することにより、6Gの無線サービスエリアを低コスト・低消費電力で形成することが期待される。
　本研究成果は、3月9日に英国科学誌 Communications Engineeringに掲載された。

背景
　6Gにおける多様なユースケースを支える超高速無線通信の実現に向け、広帯域を利用可能なFR3帯（7GHz～24GHz）やサブテラヘルツ帯（100GHz～300GHz）の電波利用が議論されている。一般的に、周波数が高くなるほど電波の伝搬は光に近い振る舞いとなり、回り込みが弱く、遮蔽物の影響を受けやすくなる。特に屋外-屋内間は伝搬経路が窓等に限られるため、電波の届かない不感地帯が形成されやすいという問題がある。そこで、薄型の面状デバイスであるメタサーフェスデバイスを用い、大面積の面で電波を必要な場所に誘導するRIS技術への期待が高まっており、例えばメタサーフェスデバイスを窓ガラスに設置することにより、屋内の電波環境を改善できることが実証されている。このメタサーフェスデバイスを透過する電波の方向などを可変制御できるようになれば、移動する端末を追従するように電波を制御することも可能となる。メタサーフェスデバイスを動的に制御する方法として、メタサーフェス構造と半導体材料を組み合わせる方式や、機械的な機構を取り入れる方式など、様々な手法が検討されている。中でも液晶を用いた方式は、ディスプレイ用途で大面積製造技術が成熟している点で有望だ。しかし、これまでの液晶メタサーフェス構造は波長に応じて必要な液晶厚みが変わるため、光と比べて波長の長い電波帯においてはディスプレイと比較して非常に厚い液晶層が必要となり、大面積での製造が困難になる課題がある。さらに液晶は厚膜化に伴い応答速度が低下する性質があるため、デバイスの動作速度も制約される。
　NTTは、基地局から電波が直接届かない場所に対して、空間に設置した大面積メタサーフェスデバイスにより移動端末を追従するように電波を可変制御する技術の確立に向け、液晶方式による新たな透過型メタサーフェスデバイスの研究開発に取り組んできた。本成果では、FR3帯やサブテラヘルツ帯の周波数の高い電波帯（以後、電波帯と呼ぶ）においても薄い液晶層を実現するNTT独自の液晶メタサーフェス構造を実現し、透過型メタサーフェスの波長に対する液晶層の厚さとしては、従来の1/10以下となる世界最薄の液晶層を達成した（図1）。

技術のポイント
　電波帯で世界最薄の液晶層を実現したNTTのメタサーフェスデバイス（図2a）には以下の技術的特徴がある。

【液晶厚みを周波数設計から切り離す共振器セル構造】
　これまでの液晶メタサーフェスは、2層の共振器で液晶層を挟む構造となっているため、液晶層を薄くした際に磁気的な共振の閉じ込め効果によって共振特性が劣化する課題があった。そこで、液晶分子の配向変化による透過電波の制御を最大化するため、電気的な共振を用いることで、液晶層に局所電界が集中する新たな共振器構造を創出した（図2b）。これにより、液晶厚みを周波数と独立して設計することができ、FR3帯からサブテラヘルツ帯までの各周波数帯で世界最薄の液晶層を実現できる。

【複数導電材料による配線一体型回転対称構造】
　制御配線を含めたメタサーフェス構造を、これまでのように1種類の導電材料で構成すると、共振器構造と高周波との結合を二次元に張り巡らされた制御配線が邪魔してしまうという課題があった。そこで、本成果ではメタサーフェス構造を導電率の異なる2種類の導電材料で構成した。これにより、二次元の制御配線を用いた場合でも高周波信号が共振器構造のみと結合し、透過電波の二次元制御が可能となる。さらに、高周波数信号に対して配線を含めて回転対称構造とできるため、移動無線で用いられる垂直・水平の両直線偏波への対応を実現した。

研究の成果
　これらの技術的ポイントを採用した世界最薄の液晶層（3.5µm）を有する透過型液晶メタサーフェスをサブテラヘルツ帯（115GHz）で試作した（図3）。

　試作デバイスに対してサブテラヘルツ帯（115GHz）の電波を入射し、目的とする伝搬に応じた制御信号を入力して透過波の信号強度を評価した結果、透過波の方向および集光位置の可変制御を設計通りに実現できることを確認した（図4）。また本構造は波長の1/8以下にすることを実現しており、これにより、従来のアレーアンテナでは難しい複雑なビーム形状を形成することも可能だ。今回はサブテラヘルツ帯で試作したが、本成果は液晶厚みを周波数設計から切り離した構造であり、例えばFR3帯である10GHz帯においても同様に3.5µm厚の液晶層で液晶メタサーフェスを設計・製造可能だ。将来的には図4の利用イメージに示すように、可視光に対して透明に作製することが可能な本液晶メタサーフェスデバイスを、市中の景観に影響を与えずに窓ガラス等に設置し、電波を自在に制御することが期待される。

今後の展開
　本技術は、屋外-屋内間の伝搬を可変制御することで、遮蔽物の影響を受けやすいエリア等へ電波を届けることにより、基地局等の追加設置に比べ、低コスト・低消費電力で6G無線エリアの形成が期待される。NTTは「今後はNTTグループ内外の連携を一層加速し、実環境・実システムを通した応用検討を進めるとともに、本成果のさらなる高機能化・高性能化およびユースケース拡大をめざす」との方針を示している。