| 研究課題/領域番号 |
18H03781
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| 研究機関 | 広島大学 |
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研究代表者 |
藤島 実 広島大学, 先端物質科学研究科, 教授 (60251352)
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| 研究分担者 |
吉田 毅 広島大学, 先端物質科学研究科, 准教授 (30397989)
天川 修平 広島大学, 先端物質科学研究科, 准教授 (40431994)
LEE SANGYEOP 広島大学, 先端物質科学研究科, 助教 (50811733)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | テラヘルツ / CMOS / トランシーバ / 高速通信 / 無線通信 / 300GHz帯 / コスタスループ |
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| 研究実績の概要 |
送信スペクトラムを考慮したテラヘルツ送信機を集積回路にて試作した．300GHz帯で無線通信に利用可能な周波数がWRC-19において252GHzから296GHzと結論付けられたため、当初計画通り270GHz中心、±17.28GHzの周波数帯で設計は進めている．送信回路に含まれている増幅回路のアナログバンドパス特性にて所望の性能を実現できるため、当初想定していた送信スペクトラム調整用の有限インパルス応答(FIR)フィルタを省略した．次に、テラヘルツ受信機用コスタスループの機能シミュレーションに基づき前年度までに設計、試作した270GHz帯受信回路の測定、評価を実施した．受信器に用いられる増幅回路には、伝送線路を利用したトランスの設計を改良することで，従来型よりも広帯域動作を可能とした．これを使って負性容量で寄生容量をキャンセルする増幅回路を試作した．また，ノイズに関係する回路不変量の一つである雑音測度に着目し，増幅器とミキサーのノイズ性能の理論限界とそれを実現する方法について考察を進めた．理論限界を実現するには，雑音測度とは違うパラメータを最小化する必要があるという見通しを得た．また，非接触インターフェースの回路モデル化に着手した．変調方式に16QAMを用いると、周波数利用効率は向上するものの電力効率が劣る．そのため、長距離通信を視野に入れた実用化が困難となるため、変調方式はQPSKにターゲットを絞った．デュアルポラライゼーションなどと用いたMIMOを利用することにより、限られた周波数では、データレートを向上（＝周波数利用効率の向上）させることとした．コスタスループを用いたアナログベースバンド回路はQPSKにターゲットを絞っている．これらの集積回路を評価するために、電磁界シミュレーションを用い設計された実装用ボードに集積回路を実装し、性能を評価した．そのうえで、無線通信実験を行い、CMOS集積回路を用いテラヘルツ帯で通信ができることを実証した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
当初計画の通り、300GHz帯を利用したCMOS送信回路と受信回路の設計を完了し、評価を進めることができた．WRC-19において通信に利用可能とされた周波数帯は当初計画していた周波数帯を包含していたために、設計を修正する必要はなかった．変調方式と消費電力の関係の検討を進めた結果、300GHz帯で長距離通信を目指すにはQPSKがふさわしいことが判明した．このため、受信機に用いるコスタスループを用いたアナログベースバンド回路はQPSKの復調に最適化されている．このことは受信機の消費電力の抑制に寄与している．また、当初必要と考えられていた有限インパルス応答フィルタは、送信機に搭載された増幅器のバンドパス特性で代用できるために不要であることが判明した．これは、消費電力とチップ面積の抑制に寄与している．テラヘルツCMOS受信機ではミキサファースト構成が用いられている．このミキサとそれに続く中間周波数帯増幅回路の特性を同時に考慮した評価方法を考案し、受信器全体を最適化した．テラヘルツ送受信回路において伝送線路の占める面積は大きいが、スローウェーブ伝送線路を用いることにより、伝送線路の占める面積をおよそ20%削減することができた．このように、全体として光通信速度を有する無線通信(Wi-FOS)の実現に向け順調に計画を進めることができている．
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| 今後の研究の推進方策 |
これまで、計画通りに研究を進めることができていることから、最終年度も当初の計画通りに研究を進める予定である．回路性能の向上を目指し、送信機では最終段ミキサに接続される中間周波数帯増幅回路の高効率化をトランジスタの非線形特性を考慮し進める．送信機の最終段ミキサには、これまで用いられてきたダブラー型ミキサ以外の回路の可能性や周波数割り付け方法についての検討を進める．また、局部発信回路の高性能化を実現するために、電力増幅器に用いられるロードプル解析を応用した帰還回路の設計方法を検討する．ローノイズ回路設計について，より具体的な設計論に落とし込めるように検討を続ける．また，CMOSチップ試作による実証も目指す．非接触インターフェースの電磁界解析と回路モデル化も行う．これらの検討結果を統合し、これまでに実現した送受信機回路のさらなる高性能化を実現し、Wi-FOSへの道筋を明らかにする．
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