300GHz帯でのビームフォーミングと高速データ伝送に成功

東京工業大学 工学院 電気電子系の岡田健一教授（電気電子コース 主担当）らと日本電信電話株式会社（以下「NTT」）は、2030年代の6Gに向けて300 GHz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300 GHz帯高速無線データ伝送に世界で初めて成功しました。本技術により、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ります。

本技術の詳細は2023年6月11日からアメリカ、サンディエゴで開催された国際会議IMS2023（2023 IEEE MTT-S International Microwave Symposium）で発表されました。

1. 図1.（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

第6世代移動通信システム（6G）では300 GHz帯の電波を活用した高速無線通信が期待されています。300 GHz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ます。そ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が検討されています。ビームフォーミング技術は、28 GHz帯や39 GHz帯の電波を使用する5G無線システムにおいてCMOS-IC^[用語1]によって実現されてきました。一方で300 GHz帯において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^[用語2]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ます。しかしながら、化合物IC内やCMOS-IC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、 300 GHz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されていません。

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NTT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^[用語3]）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を開発しました。さらに前記CMOS-ICとInP-ICと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^[用語4]を実現しました。本送信モジュールは36度の指向性制御範囲と通信距離50 cmにて最大30 Gbpsのデータレートを達成し、300 GHz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ました（図1右）。

本成果では以下の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ました。

300 GHz帯で高い出力電力を実現可能なパワーアンプ回路^[用語5]を設計し、NTT独自のInP HBT技術で製造しました。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りました。本回路により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ます（図2）。

従来、300 GHz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^[用語6]に実装し接続することが一般的ですが、導波管を通過する際に生じる損失が問題となっていました。本成果では、両者を同一基板上にフリップチップ実装^[用語7]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ました。それによって接続損失を低減し、高出力化を実現しています（図3）。

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です。本成果は1次元のビームフォーミングの実証でしたが、今後は2次元アレイ化による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みます。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します。

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