市販半導体を用いてデータ電力同時伝送可能なミリ波帯フェーズドアレイ無線機の開発に成功 電源が不要な中継機として5G通信エリアの拡大に貢献

東京工業大学 工学院 電気電子系の井出倫滉大学院生、科学技術創成研究院 未来産業技術研究所の白根篤史准教授と工学院 電気電子系の岡田健一教授は、市販の個別半導体^[用語1]を用いてデータ電力同時伝送^[用語2]が可能なミリ波帯^[用語3]フェーズドアレイ^[用語4]無線機を開発した。

ミリ波帯5G^[用語5]通信では障害物による遮蔽（しゃへい）効果が大きいため、中継機のきめ細かな設置が求められる。しかし従来のミリ波帯無線機は、無線電力伝送^[用語6]による生成電力が小さいため、電源が不要な中継機として用いる場合、増幅器やデジタル制御部に利用可能な電力量が制限され、中継距離の長距離化が困難であった。

本研究では、電力変換効率^[用語7]が高いGaAsダイオード^[用語8]に注目し、通信に必要なミキサ^[用語9]や移相器^[用語10]といった回路要素も個別半導体で構成することで、無線電力伝送時の生成電力量の改善と5G通信時のビームステアリング^[用語11]機能を同時に実現した。

開発した無線機は、無線電力伝送による給電のみで動作し、同時にビームステアリングによって5G信号の送信および受信が可能である。256素子という大規模な素子数により、無線電力伝送による従来よりも大きな電力生成と、5Gによる高速通信の両立を実現している。

試作した256素子のフェーズドアレイ無線機は、従来のカスタム設計したICではなく、市販の個別半導体を6層構成のプリント基板に実装することで実現しており、24 GHz帯無線電力伝送と28 GHz帯5G準拠の無線通信に同時に成功した。本無線機は電源の有無に依存しない中継機を構成できるため、あらゆる場所に柔軟に設置でき、ミリ波帯5Gの通信エリアの拡大に貢献する。

研究成果の詳細は、2024年6月16日（現地時間）から米国ワシントンD.C.で開催される国際会議「2024 IEEE MTT-S International Microwave Symposium <IMS>」で発表する。

ミリ波帯5G通信は従来の4G通信よりも高速で、低遅延かつ大規模接続可能な通信を提供する。10 Gbpsを超える高速通信により、インターネット接続、動画視聴や配信といった生活で身近なサービスが快適に利用できるようになる。さらに、1ミリ秒程度の低遅延通信が可能なため、自動運転や遠隔医療操作に活用できるほか、同時接続台数が10倍以上になるため、農業や工業、建設業といった場面でのIoT^[用語12]普及につながり、生産性の向上に貢献する。これらの大規模なデータトラフィックを支えるために、日本国内では5Gに従来のサブ6 GHz帯^[用語13]に加えて、ミリ波帯として28 GHz帯が割り当てられている。

ミリ波帯利用は周波数の逼迫（ひっぱく）を軽減し、飛躍的な通信速度の向上を実現できる一方で、電波の直進性が強く、障害物による遮蔽効果を強く受ける。そのため、従来よりも通信エリアが限られており、入り組んだ屋内や路地裏といった場所では通信が困難になる。サブ6 GHz帯を利用する場合では、数十メートル間隔での基地局や中継機の設置がなされてきたが、ミリ波帯5Gでは、さらに密度が高く、細やかな設置が求められる。

しかし基地局や中継機の設置には課題が多い。基地局は導入費や運用費が高く、設置場所は光ファイバーや電源線が敷設されているビル屋上や鉄塔屋上に限られるため、大規模な設置には不向きである。一方、一般的なミリ波帯中継機は少なくとも数ワットから数十ワット程度の電力を消費するため、バッテリーで駆動するのは困難で、電源線の確保と電源供給設備の設置が必要となる。基地局1基の周りに数十から数百個の中継機を展開する必要があるため、設置場所の制約は大規模展開を困難にするほか、導入コストや運用コストの増大も懸念される。

このような背景のもと、本研究グループでは無線電力伝送技術を用いた「電源が不要なミリ波帯中継機」を開発してきた。この中継機は、無線給電用として24 GHz帯を、通信用として28 GHz帯を利用し、データと電力の同時伝送に対応している。受信された24 GHz帯信号は整流器によって直流電力に変換され、無線機の駆動電力として利用されため、外部の有線電源が不要となる。しかし、これまで開発してきたデータ電力同時伝送可能な無線機は、無線電力伝送時の電力変換効率が低く、利用可能な駆動電力量が小さいという技術的課題を抱えていた。生成電力を向上させることができれば、増幅器の利得や駆動数が増加し、中継距離の延長が可能になるため、本研究では電力変換効率の改善と生成電力量の改善を試みた。

本研究で開発したミリ波帯フェーズドアレイ無線機の特長は、GaAsダイオードを含む個別半導体のみで構成されている点である。これまで開発してきた無線機は、カスタムICをCMOSプロセス^[用語14]で製造して実装しており、無線電力伝送時の電力変換効率が低いという課題があったが、GaAsダイオードを用いることで改善している。また、256素子という従来よりも大規模なアレイ数にすることで、生成電力量が大幅に向上した。利用可能な電力量が増加することで、より高利得な増幅器を採用できるため、中継距離の長距離化が可能となる。

本無線機は、無線通信として28 GHz帯5G信号の送受信に対応し、同時にISM帯^[用語15]である24 GHz帯を使った無線電力伝送により給電を受ける。中継機としての使用例は、ビル等の遮蔽により通信が困難な屋外エリア（図1 (a)）や、壁による遮蔽により通信が困難な屋内エリア（図1 (b)）での中継が挙げられる。前者は、受信した無線通信信号を再度ユーザーに向けて送信し、障害物を迂回する中継方法であり、後者は遮蔽効果を持つ壁に対して損失を抑えながら無線通信信号を透過させる中継方法である。両者とも、受信した28 GHz帯5G信号をいったん4 GHz帯の中間周波数に変換することで、壁内を低損失で信号伝送したり、電力効率の良い増幅器で信号増幅したりする。この時、中継機で利用可能な電力が大きければ、より増幅率の大きい増幅器を採用したり、増幅器の数を増やして増幅率を向上させたりして、中継距離を延長することが可能となる。

本無線機では、より高い電力変換効率と無線通信の両立を達成することを目的として、GaAsダイオードを用いたミキサ動作可能な整流器を考案した（図2）。一般的なダイオード整流器は、受信した高周波信号を直流電力に高効率で変換する回路である。それに対して今回提案した整流器は、同時にミキサ動作にも対応しており、受信した28 GHz帯無線通信信号を4 GHz帯の中間周波数にダウンコンバートするだけでなく、逆にアップコンバートして送信することも可能である。さらに、中間周波数で動作する180°の移相器を実装することで、ビームステアリングも可能とした。この移相器も個別半導体で構成されており、2つのバランICとDPDTスイッチICからなる。移相器内では、シングルエンドの信号をバランにより0°と180°の差動信号に変換した後、スイッチで互いに入れ替えてから、再びシングルエンドの信号に変換する。スイッチで入れ替えの有無を選択することで180°移相器として機能する。

プロトタイプとして試作した無線機（図3）には、整流器と移相器がそれぞれ256個ずつ実装されており、縦16個、横16個の256素子のフェーズドアレイアンテナを構成している。スイッチを制御するデジタルIC等も含めて、全て市販の個別半導体で構成されている。大規模なアレイ構成により、無線電力伝送時に生成電力の向上が望めるほか、通信時には180°移相器のみでもビームステアリングが可能となり、より幅が細いビームを形成できる。アンテナを用いたOTA（Over The Air）^[用語16]の測定評価を行ったところ、無線電力伝送時は1素子で50%の電力変換効率を達成し、256素子全てを用いた場合は1W以上の電力を出力可能であることが確認された。また、5G信号を用いた通信能力の評価では、送信および受信ともに64QAM^[用語17]の変調信号を用いた無線通信に成功した。

本研究では、市販の半導体ICだけを用いて、無線給電で動作する5G無線機を作ることに成功している。従来のような専用半導体ICの開発が不要となり、電源不要な5G無線機をより容易に実現でき、早期の社会実装が可能となる。本無線機は、ミリ波帯通信エリアを飛躍的に拡大させられるだけでなく、使われているデータと電力の同時伝送技術をさらに展開していくことで、バッテリーレスで大規模配備が容易なIoT向け無線端末の実現にも貢献すると期待される。

今後は、本研究で開発した256素子のフェーズドアレイ無線機を、数メートル角の大規模なアレイアンテナへと拡大すれば、無線電力伝送による生成電力量が増大し、無線通信速度や距離のさらなる向上が可能となる。本無線機は、無線通信の送信および受信ともにパッシブ動作であるため、そのように大規模化しても消費電力が大きく増大することはなく、生成される電力のほとんどを増幅器や制御回路群へまわすことができる。中継機の設置場所や中継距離に応じてアレイサイズを変えることで、電源線の有無にとらわれず、柔軟に中継機を配備できる。