5.7 GHz帯無線給電で動作するミリ波帯5G中継器を実現 国内で利用可能な周波数帯での電力供給で柔軟な設置が可能に

東京工業大学 工学院 電気電子系の加藤星凪大学院生、同 科学技術創成研究院 未来産業技術研究所の白根篤史准教授、同 工学院 電気電子系の岡田健一教授は、国内で利用可能な5.7 GHzの周波数帯の無線電力伝送を利用して動作するミリ波帯^[用語1]5G^[用語2]中継器の開発に成功した。本中継器は、無線電力伝送^[用語3]の5.7 GHz帯と、ミリ波帯5G通信の28 GHz帯という二つの大きく離れた周波数帯に同時対応するICチップの開発に世界で初めて成功したことで実現した。

研究グループはこれまでに、周波数の比較的近い24 GHz帯での無線電力伝送と28 GHz帯での5G通信による中継器の実現には成功していた。しかし24 GHz帯の無線電力伝送には、国内では未認可であるほか、伝送距離が短いという問題があった。

そこで本研究では、新たに4次サブハーモニックミキサ^[用語4]を利用した整流器^[用語5]型ミキサ回路を考案し、安価で量産が可能なシリコンCMOSプロセス^[用語6]によってICを作成した。試作したICを搭載した5G中継器は、国内で利用可能な5.7GHz帯での無線電力伝送によって、最大電力変換効率^[用語7]55%で整流器1個あたり6.5 mWの直流電力を生成可能である。さらに28 GHz帯の5G通信において、±50°のビームフォーミング^[用語8]性能と、5%以下の良好なEVM^[用語9]特性を達成している。

今回開発した中継器は、これまで設置が難しかった多くの場所に設置可能なため、ミリ波帯5G通信のカバレッジを飛躍的に広げられる。また、スマートファクトリーの実現に必要な工場内無線通信や、中継器機能を持つドローンなど、さまざまな場面への応用が期待されている。

本研究成果は、6月16日～20日に米国ホノルルで開催される「2024 IEEE Symposium on VLSI Technology & Circuits」で発表される。

工場のデジタル化を進めるAIやIoT技術によって、工場内で取得されたデータに基づき最適な製造を行うスマートファクトリーの推進が、あらゆる製造業で期待されている。

スマートファクトリー実現に向けて最も重要な技術の一つがデータ取得のための無線ネットワークである。ローカル5Gと呼ばれる、敷地内において個別に免許される5Gシステムの活用が2020年より始まっており、高速かつ堅牢、そして柔軟な無線ネットワークの構築が可能となってきている。5G通信では、新たにミリ波帯を利用することで、非常に高速な無線通信を実現可能である。また工場内のセキュリティの観点からも、敷地外へと電波が漏れにくいミリ波帯通信は工場内無線通信に適している。

もう一つの重要な技術が無線給電である。工場内を動きまわる無人搬送車（AGV）や動きながら作業を行う産業用ロボットなどは、電源ケーブルの敷設が困難であり、電力供給のワイヤレス化が常に求められている。加えて、無線電力伝送を利用することで、新たに工場内に設置するセンサなどに対して、電源ケーブルの敷設やバッテリーの搭載・交換をする必要がなくなり、柔軟な設置が可能となる。

しかしミリ波帯5G通信では、これまで移動体通信で用いられていた周波数よりも十倍程度高い28 GHz帯を用いるため、電波の直進性が高く、遮蔽（しゃへい）物等により通信可能な工場内のエリアが制限されてしまうという問題がある。ローカル5Gに限らず、市街地におけるミリ波帯5Gにおいてもエリア拡大の課題を抱えており、その解決策として、これまで以上に大小さまざまな基地局や中継器をきめ細やかに設置していくことが計画されている。工場内においても、遮蔽物等で電波が遮られてしまう電波の経路に対応して、さまざまな場所に中継器を設置することで、通信不可となるエリアをほぼなくすことが可能である。

本研究グループではこれまで、ミリ波帯5G中継器を24 GHz帯の無線電力伝送で動作させることで、電源配線に制約されず、柔軟に設置できる無線給電型中継器の研究を行ってきた。無線電力伝送で利用する24 GHz帯は、28 GHz帯のミリ波5G通信の周波数に近接しているため、周波数変換用の信号として容易に利用でき、またアンテナサイズを小さくしやすいという利点があった。しかし24 GHz帯無線電力伝送は、無線電力伝送用途での国内利用がまだ認められていないため、すぐには無線給電型のミリ波中継器として実装しづらい、工場内のような遮蔽物が大きい環境では無線給電できないエリアが生じてしまう可能性がある、さらに整流器の電力変換効率が低いという課題があった。

本研究で開発したミリ波帯5G無線機は、28 GHz帯の5G無線通信と同時に、国内において無線電力伝送用の周波数として割り当てられている5.7 GHz帯を用いて無線電力伝送を行うことで、外部電源を不要とする。電波の届きにくいエリアに届くように設置された本無線機は、ミリ波帯5Gの無線通信信号を受信し、一度5.2 GHzの中間周波数に変換することで、配線による損失や増幅器の消費電力を抑える（図1）。この5.2 GHzの信号を再度28 GHz帯まで周波数変換し、複数のアンテナで構成されるフェーズドアレイによってビームフォーミングを行うことで、所望の方向へ無線通信を中継する。このとき、5.7 GHz帯において無線電力伝送を行い、無線通信に必要な電力を供給する。

従来の整流器型ミキサでは、基本波ミキサを用いていたため、28 GHz帯に比較的近い周波数である24 GHz帯を無線電力伝送に用いる必要があった。基本波ミキサでは、ローカル信号である24 GHzの1倍（基本波）の周波数が28 GHzから引かれて4 GHzへの周波数変換を行う。これに対して本無線機では、無線電力伝送用の周波数として5.7 GHzを採用しており、28 GHz帯の信号を、一般に損失を減らすことのできる数GHzの中間周波数に変換するために、新たに整流器型4次サブハーモニックミキサを採用した（図2）。提案する4次サブハーモニックミキサでは、ローカル信号である5.7 GHzの4倍（4次ハーモニック）の周波数が28 GHzから引かれることで5.2 GHzへの周波数変換を実現する。

また、従来の整流器型ミキサでは、整流器動作としてのRF-DC変換効率とミキサ動作としての周波数変換利得の間にトレードオフがあり、両方を同時に最大化することはできなかった。そこで本研究の整流器型サブハーモニックミキサでは、整流器とミキサの役割を担うトランジスタを分け、トランジスタサイズおよびバイアス電圧をそれぞれの動作に最適化できる構成とすることで、RF-DC変換効率と周波数変換利得を同時に最大化することを可能にした。

プロトタイプとして試作した無線機（図3）では、2チップの無線ICを搭載し、8素子のアンテナのフェーズドアレイ無線機を構成した。無線ICは、安価で量産が可能なシリコンCMOSプロセスを用いて製造し、1個のICに4個の28 GHz帯アンテナと1個の5.7 GHz帯アンテナが接続される。実測において28 GHz帯から中間周波数である5.2 GHz帯への周波数変換を確認し、各アンテナ素子における位相制御を行うことでミリ波帯5Gに必須の機能であるビームフォーミングが可能であることを確認した。また、ミリ波5G準拠の変調信号を用いて、OTA^[用語10]の無線通信測定評価を行い、受信・送信ともに5G NR MCS19^[用語11]の64QAM^[用語12]の無線通信に成功した。さらに5.7 GHz帯を用いて無線電力伝送の測定評価を行い、最大電力変換効率55%で整流器1個あたり6.5 mWの直流電力を生成できることを確認した。

本研究で開発に成功した無線給電型ミリ波5G中継器は、国内で無線給電に利用可能な5.7 GHz帯を利用しており、電源不要な中継器として早期に社会実装が期待される。本中継器を用いることで、これまでに設置できなかった多くの場所に中継器を設置することが可能となり、ミリ波帯5G通信のカバレッジを飛躍的に広げることができる。また、5.7 GHz帯の無線給電とミリ波帯5G通信を融合することで、中継器機能を持つドローンに対して無線給電を行い、あらゆる場所でつながることが可能な5Gネットワークの展開も期待される。

今後は、本研究の中継器のアンテナ素子数を増やしていくことで、無線給電によって生成できる電力の向上や、中継器としての通信距離の拡張を行っていく。一例として、ミリ波5G通信用のアンテナが256素子の中継器は、サイズが約10 cm角程度となり、中継器全体で0.4 W程度の電力を生成可能である。無線給電によるこの生成電力は、中継器を構成する増幅器や制御用のマイコンなどの消費電力を賄うのに十分な電力である。このような無線給電型5G中継器のプロトタイプの試作を進めていくことで、原理実証やフィールド実証を行っていき、早期の社会実装を目指す。