【速報】ソフトバンクらが「6G」次世代通信に向けた超小型アンテナの開発に成功 「テラヘルツ」無線通信とはなにか

5Gサービスが本格的に始まりつつある中、研究者の世界では早くも5Gの先の通信技術「Beyond 5G」や「6G」(第6世代移動通信システム)への挑戦が始まっている。

ソフトバンク、国立大学法人東海国立大学機構 岐阜大学、国立研究開発法人情報通信研究機構、National Research Tomsk State UniversityおよびTomsk Polytechnic Universityの研究グループは、Beyond 5G/6G時代を見据え、300GHz帯テラヘルツ無線で動作する超小型アンテナの開発に成功したことを発表した。

超小型アンテナは無線信号波長と同サイズを実現。これにより、テラヘルツ無線で動作する集積回路への実装を可能にし、Beyond 5G/6G時代の超高速無線通信などの実用化に貢献することが期待される。今後は、テラヘルツ無線伝送システムに超小型アンテナを適用して、無線送受信機の実現可能性が調査される。

「6G」ではこの「テラヘルツ」がキーワードの一つになりそうだ。


デバイスへの実装には小型で利得の高いアンテナの開発が必要不可欠

近年、無線通信の高速化・大容量化の要求によって、100Gbps以上の伝送速度を実現するBeyond 5G/6G技術に関する研究開発が世界的に開始されつつある。テラヘルツ無線は5Gで利用されるミリ波帯と比べて、より広い周波数帯域が利用可能なため、超高速無線システムの候補として期待されている。

一方で、テラヘルツ無線の周波数は伝搬損失が大きく、実用化するには利得の高いアンテナの開発が必須となる(利得が高ければ、より指向性が強い電波を放射することが可能)。
アンテナの寸法を大きくすることで利得は向上するが、スマートフォンなどへの実装を考えると、小型で利得の高いアンテナの開発が必要不可欠であり、サイズと利得の両立が課題とされていた。


利得を約15dBiに保ったまま、無線信号波長と同程度のサイズを開発

研究グループは無線信号波長(約1mm)と同程度の大きさの直方体型誘電材料を使用することで発生するフォトニックジェット効果に着目して、小型アンテナの開発に応用。開発したアンテナは利得を約15dBi(シミュレーション値)と大きく保ったまま、無線信号波長と同程度の1.36mm×1.36mm×1.72mmというサイズ(開口面積:1.8mm²)を実現した。

フォトニックジェット効果とは
波長オーダーの誘電体構造に電磁波を照射することで、誘電体の後ろに発生する現象のこと。透過発生したフォトニックジェットを測定して、アンテナ本体の性能を明らかにした。

アンテナの開発に加えて、現在開発が進められているテラヘルツ無線に対応するトランシーバーの出力パワーと受信感度の性能が向上することで、テラヘルツ無線通信技術の実用可能性が広がる。今後は、テラヘルツ無線伝送システムに超小型アンテナを適用して、無線送受信機の実現可能性が調査される。

超小型アンテナの名称
今回の研究成果は、2020年6月1日から30日までオンラインで開催される国際会議「EuCAP2020」において次の名称で採択された。
「“High-gain and Low-profile Dielectric Cuboid Antenna at J-band,” Y. Samura, K. Yamada, O. V. Minin, A. Kanno, N. Sekine, J. Nakajima, I. V. Minin, and S. Hisatake」(Jバンドにおける高利得小型誘電体キューブアンテナ)


「テラヘルツ波」とは

ところで「テラヘルツ波」とは何か?
テラヘルツ波は300GHz(ギガヘルツ)から3THz(テラヘルツ)の周波数帯域のことを指す。医療や産業で多く用いられるX線とは異なり、テラヘルツ波は電離作用を持たないため、物質を破壊せず生物学的に安全性が高いといわれている。電波と光(光波)の中間領域にあたるテラヘルツ波は、電波の透過性と光の直進性を併せ持つのが大きな特徴。電波と光の中間にあるテラヘルツ波は、電波としては周波数が高すぎ、また光としては周波数が低すぎるため、従来の技術ではテラヘルツ波の発生や検出が困難。また、テラヘルツ波は波長によって大気中の伝搬特性が大きく異なるなど利用環境による電波伝搬に未解明な部分が多く、扱いが難しい。

これらの理由からテラヘルツ波が利用されていなかった。

4Gではスマートフォンでの高速通信、5GではさらにIoTデバイスなど産業用途にも拡大するなどと、情報通信の形態が大きく進化する中で、さらに多くの周波数が必要になっている。現在広い周波数帯域が未使用のまま残っているテラヘルツ波は、今後の超高速通信における救世主として期待が高まっている。

より詳細なテラヘルツの内容についてはソフトバンクニュースが伝えている。

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山田 航也
山田 航也

横浜出身の1998年生まれ。現在はロボットスタートでアルバイトをしながらプログラムを学んでいる。好きなロボットは、AnkiやCOZMO、Sotaなどのコミュニケーションロボット。

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