高精度指向性の5G向けミリ波帯フェーズドアレイ無線機を開発――安価で量産可能なシリコンCMOS集積回路を用いる 東工大とNEC

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5G向け39GHz帯フェーズドアレイ無線機

東京工業大学は2019年6月3日、NECと共同で、高精度指向性制御が可能な第5世代移動通信システム(5G)向けのミリ波帯フェーズドアレイ無線機を開発したと発表した。

5Gなどで使用されるミリ波の通信は、波長が短いためにアンテナ素子を小型化できるメリットがある反面、伝搬損失が大きく、従来の10倍以上にもなるという問題がある。これを解決するためには、複数のアンテナ素子を調和して動作させることで電波の指向性を高め、さらに放射方向を電気的に制御して指向性を高める「ビームフォーミング技術」に対応したフェーズドアレイ無線機が必要になる。しかしその実用化のためには、各アンテナ素子から出力される信号の位相や振幅強度のばらつきを低く抑える必要があり、それを低コストで実現できる技術が待ち望まれていた。

今回の研究では、あらかじめ前信号処理を行うことで、従来実装が困難だった超高速/高分解能のAD変換器を使わずに、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って、高精度なミリ波の振幅、位相の検出を可能にした。

これにより、これまで位相検出に必要だった高精度アナログ量の検出を、CMOS回路の高い分解能に変換した上でデジタル的に処理できるようになり、小型の回路を用いた高精度な補償機構内蔵の5G向けミリ波フェーズドアレイ無線機が実現できた。このフェーズドアレイ無線機を、最小配線半ピッチ65nm(ナノメートル)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。

また、伝送実験のためにCMOSチップを搭載した評価基板を作成。電波暗室内で、1mの距離を隔てて2台のモジュールを対向させ、提案した補償回路を動作させてデータ伝送実験を実施した。その結果、補償回路によって位相0.08度、振幅0.04dBの優れた特性を示した。さらに各アンテナの位相振幅を制御することで、電波の放射方向を0.1度の精度で調整できることも確認した。

東工大によると、今回開発したフェーズドアレイ無線機は、フェーズドアレイに使用されるCMOSチップの省面積化を促し、5G無線機の小型化や低コスト化を牽引するという。今後は、5G向け通信機器での利用を想定して、2020年頃の実用化を目指すとしている。

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