世界初！NTTと東工大が300GHz帯でのビームフォーミングと高速データ伝送に成功　国際会議 IMS2023にて発表

2023年6月13日 By ロボスタ編集部

第6世代移動通信システム(6G)では 300GHz帯の電波を活用した高速無線通信が期待されている。

300GHz帯の電波は広い帯域を利用できるメリットがある一方、空間を伝搬する際の電波損失が大きいという課題があり、この課題を克服するために従来では受信端末が存在する方向に向けて電波のエネルギーを集中させて放射するビームフォーミング技術の検討されている。

同技術は、28GHz帯や39GHz帯の電波を使用する5G無線システムにおいて CMOS-IC(Complementary Metal Oxide Semiconductor-Integrated Circuit)によって実現されてきた一方で、300GHz帯ではCMOS-ICのみでは出力電力が不足するため、高出力なIII-V族の化合物ICとの組み合わせによってビームフォーミング技術を実現することが世界中で期待されているものの、化合物IC内やCMOSICとの接続部で発生する大きな損失が高出力化を阻害するため、300GHz帯でビームフォーミングによる高速無線データ伝送はまだ実現していない。

このような中、日本電信電話株式会社(NTT)と、国立大学法人東京工業大学(東工大)工学院電気電子系の岡田健一教授らは、2030年代の6Gに向けて300GHz帯のフェーズドアレイ送信モジュールを開発し、ビームフォーミングを用いた300GHz帯高速無線データ伝送に世界で初めて成功したことを2023年6月13日に発表した。

左：フェーズドアレイ無線機によるビームフォーミングのイメージ図、右：従来報告されているビームフォーミング可能な無線機と今回成果の比較

同技術により、移動する受信端末に向かって超大容量データを瞬時に転送できるようになる。なお、詳細は同月11日から16日まで開催されているアメリカ、サンディエゴの国際会議 IMS2023(2023 IEEE MTT-S International Microwave Symposium)で発表する。

画像：IMS2023公式サイト内より

同研究の成果

今回、東工大では周波数変換回路や制御回路等を搭載した高集積なCMOS-ICを作製し、NTTでは独自のインジウム・リン系ヘテロ結合バイポーラトランジスタ(InP HBT)技術で高出力なパワーアンプ回路とアンテナを一体集積した InP-IC を開発した。さらにCMOS-ICとInP-ICを同一プリント基板上に小型実装した4素子フェーズドアレイ送信モジュールを実現した。同送信モジュールは 36度の指向性制御範囲と通信距離50cmにて最大 30Gbpsのデータレートを達成し、300GHz帯において、ビームフォーミングを用いた高速無線データ伝送に世界で初めて成功した。

同技術のポイント

同成果では以下の２つの高出力化技術により、ビームフォーミングと高速無線データ伝送を可能にした。

300GHz帯高出力パワーアンプ回路の設計

300GHz帯で高い出力電力を実現可能なパワーアンプ回路(入力された高周波信号を必要な電力にまで増幅し、アンテナに供給するための増幅回路)を設計し、NTT独自のInP HBT技術で製造。パワーアンプ回路では複数の増幅素子から出力される電力を独自の低損失合波器を用いて束ねることによって高出力化を図った。同回路によりCMOS-ICから出力される信号を増幅し同一チップ上に形成されたアンテナから受信端末に向けて電波を放射することにより、高速データ伝送に必要な大きな電力を受信端末に送り届けることができる。

高周波帯低損失実装技術

従来、300GHz帯で異なる種類のIC同士を接続するためには、それぞれのICを導波管モジュールに実装し接続することが一般的だが、導波管を通過する際に生じる損失が問題となっていた。同成果では、両者を同一基板上にフリップチップ実装し、数十µmの微小な金属バンプを介して接続する工夫を施したことにより、接続損失を低減し、高出力化を実現している。

300GHz 帯フェーズドアレイ送信機の３次元分解図およびチップ写真

▼用語について

CMOS-IC	Complementary Metal Oxide Semiconductor-Integrated Circuit：相補型金属酸化膜半導体で作成される集積回路。デジタル制御など大規模な機能を実現する場合に用いられる。大容量の送受信では信号量が多いためこのタイプの回路が多く用いられる。微細化により高速化が進でいるが、高速性や高出力性の面では化合物半導体の方がすぐれている。
III-V 族の化合物IC	周期表の13族に属する元素(ガリウム Ga、インジウム In など)と 15族に属する元素(窒素 N、リン P、ヒ素 As など)による化合物からなる半導体で作られる IC。電子の走行速度が高いため、高周波を扱う素子として研究開発が進められている。なお、これらの元素は 1990 年改訂以前の周期表では、それぞれⅢ属、Ⅴ族であったため、現在もその名で呼ばれる。
InP HBT	III-V 族半導体のリン化インジウムを用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタ。高速性と耐圧に優れるトランジスタ。
素子フェーズドアレイ送信モジュール	4個の送信素子を並列に配置した送信モジュール。それぞれの送信素子から出力される電波の位相や強度を制御することでビームフォーミングが可能になる。
パワーアンプ回路	入力された高周波信号を必要な電力にまで増幅し、アンテナに供給するための増幅回路。
導波管モジュール	高周波信号を伝搬させるための金属製の管（導波管）を備えた金属製のモジュール。
フリップチップ実装	IC 同士や IC と基板を接続するために金属バンプを介して実装する工法。

今後の展開

今回の成果は6Gのアプリケーションとして期待されているKIOSKモデルやFemtocell等の近距離移動体通信への展開が期待される技術だ。同成果は1次元のビームフォーミングの実証だったが、今後は2次元アレイ化よる2次元ビームフォーミングの実証やアレイ数を増やすことによる通信距離の拡張等に取り組む予定だ。また利用用途に応じた受信モジュールの開発にも取り組み、従来よりも10倍以上の伝送容量を有する無線通信の実用化をめざすとしている。

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関連サイト
日本電信電話株式会社
国立大学法人東京工業大学