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ナノテク情報

デバイス・応用

5G向けミリ波フェーズドアレイ無線機を開発 ~安価な集積回路を用いて高精度指向性制御を実現~

 東京工業大学および日本電気株式会社(NEC)は2019年6月3日,同大学の岡田健一教授らと,NECが共同で,第5世代移動通信システム(5G)に向けたミリ波帯フェーズドアレイ無線機において,アンテナの指向性パターンを制御するためのアレー状に配置したアンテナへの入出力高周波信号の位相制御の位相及び振幅のばらつきを補償できるコンパクトな回路を提案し,CMOS(相補型金属酸化膜半導体)プロセスを用いて無線機と共に集積化することに成功したことを発表した.この研究成果は,米国ボストンで開催の国際会議RFIC(米国電気電子学会・無線周波数集積回路シンポジウム)2019で発表し(注),最優秀論文賞を受賞した.なお,この研究は総務省戦略的情報通信研究開発推進事業(SCOPE)の委託を受けて実施した.

 第5世代移動通信システム(5G)の運用が開始されつつある.従来の携帯電話では,3GHz以下の比較的低い周波数が用いられており,5Gでも初期にはおもに3GHzから6GHzの低い周波数を用いたサービスが展開される.しかし,他の無線システムなどの存在により,帯域幅が限られ,通信速度も限界があり,従来の10倍以上高い周波数帯であるミリ波を用いる無線通信技術の導入が期待されている.特に,北米などでは39GHzミリ波帯の利用により,従来の100倍以上速い毎秒10ギガビット(10Gb/s)のデータ伝送速度の実現が目標とされている.ミリ波通信は,アンテナ素子を小さくできる利点があるが,伝搬損失が従来の10倍以上大きいことが問題となる.そこで複数のアンテナ素子に位相差をつけた信号を送り,合成された放射電波の指向性を高めるビームフォーミングを行うフェーズドアレイ無線機が必要になる.

 フェーズドアレイ無線機ではアンテナごとにトランシーバーが接続されており,信号の位相および振幅を制御することで,ビームフォーミングを行い,高い指向性による高速通信や通信距離の増大,さらには,不要な干渉の低減による端末収容キャパシティの増大が可能になる.しかしながら,それぞれのアンテナ素子からの出力信号の位相や振幅の特性のわずかなばらつきの発生がビームフォーミングの効果を著しく低減させてしまう.信号の振幅および位相のばらつきの高精度の補償には高速高分解能のAD(アナログ・デジタル)変換器が必要とされるが,ミリ波帯でのその実現は困難である.

 今回の研究では,あらかじめ前信号処理を加えることで,比較的低速度のAD変換器とカウンターによる位相検出回路により,高精度な振幅・位相の検出を可能とした.即ち,位相検出をデジタル的に処理することが可能となったため,CMOS技術で高精度な補償機構内蔵の5G向けミリ波帯フェーズドアレイ無線機を実現した.このフェーズドアレイ無線機を最小配線半ピッチ65nmのシリコンCMOSプロセスで試作し,12mm2の小面積に4系統のフェーズドアレイ無線機を搭載した.このチップは39GHz帯で使用でき,飽和出力電力は15.5dBmであった.このCMOSチップを搭載した評価基板を用いたモジュール2台による伝送実験を行い,補償回路の実力は位相で0.08度,振幅で0.04dBの誤差と極めて優れた特性を得た.今後,5G向け通信機器での利用をターゲットとして2020年頃の実用化を目指すとしている.

(注)Y. Wang, R. Wu, J. Pang, D. You, A. A. Fadila, R. Saengchan, X. Fu, D. Matsumoto, T. Nakamura, R. Kubozoe, M. Kawabuchi, B. Liu, H. Zhang, J. Qiu, H. Liu, W. Deng, N, Oshima, K. Motoi, S. Hori, K. Kunihiro, T. Kaneko, A. Shirane, and K. Okada, "A 39 GHz 64-Element Phased-Array CMOS Transceiver with Built-in Calibration for Large-Array 5G NR", IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposi-um, Special Session: 5G Millimeter-Wave Beamforming Systems, RTu2E  4 June 2019