2023 Fiscal Year Annual Research Report
Sub-terahertz band wireless system (Wi-FOS) for long-distance transmission at fibre-optic speed
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22H00217
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
藤島 実 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 教授 (60251352)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 毅 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 准教授 (30397989)
天川 修平 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 教授 (40431994)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | テラヘルツ / 無線通信 / フェーズドアレイ / ビーム制御 / CMOS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
第6世代通信（6G）において、超高速、低遅延、広いカバレッジ（カバー範囲）を実現するための無線通信（Wi-FOS：Wireless with Fiber-Optic Speed）の研究を進めている。100Gb/s以上のデータレートを実現するための高い受信電力を得るためには、アンテナから放射されるビームを集束させる必要がある。そこで2023年度は、ビーム操作が可能なCMOS RXモジュールを実装基板上に並列配置した1次元ビーム制御回路を設計・試作した。CMOS RXモジュールは、機械的な垂直ビーム操作のための電動平面円筒レンズと組み合わされ、ハイブリッド2次元ビーム制御システムを形成している。
一方、電子方式は、機械方式に比べ、ビーム操作速度を大幅に向上させることができる。しかし、300GHzの大気中の波長は1mmであるため、サイドローブを発生させずにフェーズドアレイを実現するためには、アンテナ間のピッチを波長の半分である500μmにする必要がある。このような小面積のアレイ上に送信機や受信機を配置するために、局部発振(LO）信号と変調された中間周波数(IF）信号を水平方向と垂直方向に配置し、その交点にミキサーを配置することで300GHzのRF信号を生成するグリッドアレイ方式を提案した。グリッドアレイ方式は、垂直方向と水平方向のLO信号とIF信号の位相を制御することにより、垂直方向と水平方向のビームを制御することができる。
また、プロービング測定とクロストークを考慮したミリ波アプリケーション用のオンチップ差動伝送路のディエンベッディング方法についても研究した。理論的な検討から始め、マイクロ波回路シミュレータで生成した擬似測定データを用いて概念の妥当性を検証した。その結果、基本的に意図した通りのディエンベディングが実現できることを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
1次元4素子フェーズドアレイCMOS受信器モジュールを試作し、252-285GHz、25.8Gb/s、QPSK変調、水平走査範囲28度で動作することを実験的に実証した。垂直走査範囲は、機械的垂直ビーム・ステアリング用の電動平面シリンドリカルレンズを使用することにより、20度を達成した。これらの成果は、アジア集積回路国際会議（A-SSCC 2023）で発表された。これにより、2次元ビーム操作とビーム集束が可能なサブテラヘルツ帯CMOS受信モジュールの動作が確認された。
また、難しいとされていた300GHz帯において、半波長ピッチ（500μm）の正方形フェーズドアレイ素子ブロックを格子状に配置することで解決の糸口を見出した。このグリッドアレイフェーズドアレイの送受信回路を40nm CMOSプロセスで設計し、300GHz帯においても2次元フェーズドアレイが実現可能であることを示した。
また、4ポートSパラメータプロービング測定のためのディエンベッディング法については、クロストークを適切に考慮するための基本的な考え方を明らかにし、シミュレータで生成したデータを用いて検証することができた。
したがって、研究は順調に進んでいると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
長距離通信を実現するためにフェーズドアレイを大型化すると、発熱が問題になる。そこで、フェーズドアレイを構成する回路の低消費電力化を推進する。同時に、500μmグリッドに送信機と受信機をともに内蔵しトランシーバーを構築するため、回路のさらなる微細化を進める。これにより、電力効率の向上とともに、フェーズドアレイ素子数の増加による等価等方放射電力（EIRP）の向上が促進される。また、送受信システムの素子回路の性能向上により、サブテラヘルツ帯無線通信の性能向上を図る。
要素技術では、上記の差動伝送線路のディエンベッド法を実測データに適用し、その有用性を検証する。また、サブテラヘルツ帯無線通信における電波伝搬特性の重要性に鑑み、自由空間Sパラメータ測定の基礎を学ぶ。サブTHz帯の測定には周波数拡張器が必要であり、自由空間での測定は容易ではないため、まずは原理実証として数十ギガヘルツの周波数での測定を行う。
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