テラヘルツ帯でのフェーズドアレイ無線機を実現 次世代無線通信システムの実用化へ大きな一歩

要点

• 200 GHz以上の周波数帯で動作するCMOSフェーズドアレイ^[用語1]無線機を世界で初めて実現、通信に成功
• 新たに考案した双方向無線機によりアンテナ共有および高集積化を達成
• スマートフォン等のモバイル機器に搭載可能

概要

東京工業大学 工学院 電気電子系の岡田健一教授らと日本電信電話株式会社の研究グループは、テラヘルツ帯^[用語2]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。テラヘルツ帯は5Gに続く次世代の無線通信システムでの利用が期待されており、今回の成果により実用化を大きく進展させることができた。

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^[用語3]で製造したICで構成され、サブハーモニック型^[用語4]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^[用語5]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。

研究成果の詳細は、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）」で発表する。

背景

国内外で5G^[用語6]のサービスが開始され、史上初めてミリ波^[用語7]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である。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である。

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28 GHz帯であれば5.4 mm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。

300 GHz帯ではアンテナピッチが0.5 mm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

本研究では、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）。

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。本研究成果では、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^[用語8]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。本研究成果では、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。本研究成果では、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^[用語9]を用いる。LO移相器を4逓倍器^[用語10]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38 GHzの非常に広い変調帯域^[用語11]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^[用語12]、受信時にはハートレー構成^[用語13]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）。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^[用語14]とした。

本開発品のテラヘルツフェーズドアレイICは65 nmのシリコンCMOSプロセスで試作し、1.70 mm×2.45 mm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^[用語15]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^[用語16]から16QAM^[用語17]の変調方式に対応可能であり、242-280 GHzの変調帯域を有する。送信機の最大変調速度は52 Gb/sであった（16QAM時）。

今後の展開

本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。

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。

発表予定

この成果は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「2021 IEEE International Solid-State Circuits Conference: 2021年米国電気電子学会 国際固体素子回路会議」における講演セッション「Session 22 - Terahertz for Communication and Sensing」において、「A 300GHz-Band Phased-Array Transceiver Using Bi-Directional Outphasing and Hartley Architecture in 65nm CMOS（65 nm CMOSによる双方向型アウトフェージング・ハートレー方式による300 GHz帯フェーズドアレイ無線機）」の講演タイトルで、現地時間2月17日午前8時38分から発表される。

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