オンチップ低消費電力注入同期型アクティブセルを用いた150GHzアレーアンテナ

Research Project

Project/Area Number	21K04171
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
Research Institution	Shizuoka Institute of Science and Technology
Principal Investigator	本良瑞樹静岡理工科大学, 理工学部, 准教授 (40736906)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000) Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywords	短ミリ波 / 低消費電力 / アクティブアレーアンテナ / 発振器 / 注入同期 / アクティブアンテナ / 注入同期型アクティブセル / 小型
Outline of Research at the Start	高速で安定した無線通信の実現に必要方向に電波ビームを向けるアレーアンテナシステムは現在必須の技術となっている．150GHz帯は電波法における免許不要の制限が緩く大きな空中線電力が利用できる．また，同じ素子数のアレーアンテナが例えば60GHz帯の1/6以下の面積で実現できる．一方で，周波数の向上に伴いローカル信号周波数も増加するため，ユニット間の同期およびローカル信号分配パスの損失が問題となる．本研究では，ローカルより十分に低い周波数による注入同期を用いたアクティブアンテナユニットを提案する．これにより，短ミリ波帯でのアレーアンテナが実現でき小型で高速通信が可能な無線機につながる．
Outline of Annual Research Achievements	研究目的である，150GHz帯におけるアクティブアンテナユニットを実現し，これをアレー化することでアンテナアレーとしての動作を検証するための検討を行った．これを実現するには，(1)低消費電力な発振器，(2)小型なアクティブアンテナ，(3)外部からの同期が可能なアクティブアンテナユニットが必要になる．本研究では，課題(1)の解決を研究項目①とし，課題(2), (3)の解決をそれぞれ研究項目②－１，②－２としている．研究項目①を達成するため，150GHz帯での発振器を設計，試作評価した．シミュレーションにおいて電源電圧0.6Vで消費電力1mWであった．本発振器を米国Global Foundaryの45nm SOI-CMOSを用いて試作を行い，消費電力1.3mWで動作することを確認した．研究項目②－２については，発振器の差動出力端子間に並列にスイッチを挿入し注入同期を行う回路を設計試作し，入力信号に応じて位相がロックされることを確認した．提案スイッチにより消費電力が増加することが無いことを確認しており，提案回路による低消費電力化のための低電圧動作の位相同期発振器が実現できることを確認した．また，IC上で複数のアンテナ付き発振器を動作させ，また，提案回路により外部信号と同期動作させることにより，電波の放射方向が制御できることを確認した．全ての発振器が同期している場合はIC鉛直方向に，発振器の位相をずらすことで鉛直方向からずれた方向に電波が出ることが確認できた．提案システムにより，アンテナ直下に発振器があるアクティブアンテナユニットを実現し，各ユニットは高周波のLO信号ではなく，低周波信号を用いた注入同期により位相制御が可能になると考えられる．

Report

(3 results)