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超小型アンテナを使用した300 GHz帯テラヘルツ無線通信に成功 ~Beyond 5G/6G時代の超高速無線通信などの実用化に向けた研究開発を加速~

 国立研究開発法人情報通信研究機構(NICT),岐阜大学,ソフトバンク株式会社は2021年1月13日,NICT・岐阜大学・ソフトバンク,ロシアNational Research Tomsk State UniversityおよびロシアTomsk Polytechnic Universityの研究グループが,Beyond 5G/6G時代を見据え,300GHz帯テラヘルツ(THz)無線で動作するスマートフォン搭載可能な超小型アンテナを使用した通信実験に成功したと発表した.本研究成果は,2021年1月10日から15日までオンラインで開催された国際会議European Microwave Week 2020(EuMW2020)で発表された(注).

 無線通信の高速化・大容量化を目指して,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開始されつつある.THz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.例えば,kiosk端末から50 cm程度離れたスマートフォンに300GHz帯無線通信でデータをダウンロードする場合,スマートフォンに搭載されているレンズと同程度のアンテナ開口面積(3mm2)以下で14dBi(全方向に均等な指向性を持った等方性アンテナに対する指向性の程度)以上のアンテナ利得が望まれる.ところが,アンテナ利得とアンテナ開口面積は比例関係にあり,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課題となっていた.

 この課題に対して本研究グループは,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(mesoscopic Die-lectric Cuboid Antenna: DCA)を開発した.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,誘電体の後ろに電磁波が発生する現象である.開発したアンテナは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)で,得られた放射パターンの3dBビーム幅(FWHM)は23°で大きな利得(約15dBi)を実現した.

 開発した超小型DCAアンテナを用いて,600mmという小区間で17.5Gbpsの通信実験に成功した.試験で用いた送受信機に特別な部品は使用せず,市販の部品のみで構成した.伝送速度の17.5Gbpsは,試験に用いた計測機器で制限された.試験では送受信機間の距離を変えながらビット誤り率(Bit error rate : BER)を計測し,伝送距離およそ600mm以下において,伝送成功の目安となる誤り訂正限界(FEC limit: Forward Error Correction limit)以下のビットエラー率(BER < 3.8×10-3)を確認した.

 本成果により無線信号の波長と同サイズの小型アンテナが実現し,THz無線で動作する小型集積回路への実装が可能となった.今後,Beyond 5G/6G時代の超高速無線通信の実用化に貢献すると期待される.

(注)Kazuki Yamada, Yuto Samura, Oleg Vladilenovich Minin, Atsushi Kanno, Norihiko Sekine, Junichi Nakajima, Igor Vladilenovich Minin, and Shintaro Hisatake, "Short-range Wireless Transmitter Using Mesoscopic Dielectric Cuboid Antenna in 300-GHz Band", European Microwave Week 2020(EuMW2020)