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2021 年度 実績報告書

極低雑音周波数生成技術に基づく次世代ミリ波集積システムの実現

研究課題

研究課題/領域番号 21J21917
配分区分補助金
研究機関東京大学

研究代表者

長田 将  東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2021-04-28 – 2024-03-31
キーワード周波数シンセサイザ / 高調波ミキサ / フィルタリング / 低ノイズ化 / 高効率 / 最適設計手法 / リング型発振器
研究実績の概要

通信やレーダーなどをはじめとする様々な分野にて不可欠である周波数シンセサイザという回路があるが、高調波ミキサというものを活用することでこの周波数シンセサイザを高性能でかつ容易な形で実現できることが申請者などによって示されている。そこで本研究ではこの高調波ミキサ技術を周波数シンセサイザに活用する構造を新たに提案すること、高調波ミキサを用いた周波数シンセサイザの詳細な解析を行うこと、そしてこの技術を用いてミリ波帯での次世代レーダーや無線通信技術を実現することを目的としている。
今年度はこの中でも特に新たな構造の提案と詳細な解析に着手した。まず構造の提案について、周波数シンセサイザ内のパーツの一つに用いられている発振器として従来のLC型の発振器の代わりにリング型発振器という物を用いることで回路全体の小面積化や電磁カップリングへの強い耐久性などを始めとする様々な利点がある。しかしその一方でリング発振器のノイズはLC型のそれに劣るためノイズ抑制のために周波数シンセサイザ全体の構造を工夫する必要がある。そこで申請者は先述の高調波ミキサを用いた周波数シンセサイザの中にさらにノイズをフィルタリングする機構を設けるなどしてリング発振器の使用と低ノイズ化を両立する方法を提案した。この原理は計算、シミュレーション、および実測により検証済みであり、現在学会に投稿中である。
また詳細な解析について、高調波ミキサを周波数シンセサイザの中で用いる際には設計を気をつけないと大きなノイズ成分が生じてしまうリスクがある。このノイズ成分がどのような仕組みで生じるのかを解析し、またこれを防ぐために高調波ミキサをどのように設計すべきかの指針をまとめた。この解析はシミュレーションと計算の一致という形で検証済みであり、現在海外論文誌に投稿中である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究課題で設定した目標の内、高調波ミキサ型の周波数シンセサイザに関する詳細な解析および最適設計手法の確立に関しては現段階で非常に順調に進展中である。基礎的な解析は既にある程度完成しており、現在成果を海外論文誌に投稿中である。また当初の研究目的で特に指定はしていないもののミリ波帯ではないより低周波帯での使用を想定した新たな高調波ミキサ型の周波数シンセサイザの構造の検討も行っており、高調波ミキサ型の周波数シンセサイザ技術というより広いテーマにおいても現段階での進捗は順調である。
一方で高調波ミキサ型の周波数シンセサイザを活用したミリ波帯システムの実現に関しては、計算やシミュレーション段階での検証は進んでおり比較的順調なものの当初予定していたようなスピード感で取り組めておらず、実回路による検証もまだできていない。この理由としては主に二つ考えられる。まず、高調波ミキサ型の周波数シンセサイザは低周波帯での性能向上にも依然として貢献できることが分かり、低周波帯での新規構造の提案に時間を費やしたためミリ波帯シンセサイザの設計が遅れてしまった。低周波帯における新規構造の提案はそれ自体に意味があるだけでなく、ミリ波帯などに拡張する際にもより使用できる手法が増えるため長い目で見ればプラスになると考えられる。もう一つの理由として高調波ミキサ技術をミリ波帯シンセサイザに適用する際、当初は想定していなかった課題が生じたことが挙げられる。ミリ波などの高い周波数帯を最大限に活かす場合は周波数の変化の幅である帯域も大きくすることが望ましいが、高調波ミキサ型の周波数シンセサイザの帯域を極めて広くする場合今まで見えていなかった現象、具体的には高調波ミキサ内で生じる位相シフトによる安定性への影響が大きく見られ、これに対応するために現象の詳細な解析と解決方法の考案が必要となった。

今後の研究の推進方策

まず高調波ミキサ型周波数シンセサイザの低周波帯での応用について、新規な構造の案が複数あるためそれらの検証および実装を今後も進めていく。現在の進捗の箇所でも述べた通り新規構造の提案を行ってそれをまず低周波帯で検証することは、それ自体に意味があるだけでなくミリ波帯に拡張する際にも使用可能な手法が増えるため長い目で見ればプラスになると考えられる。
ミリ波帯技術の実現について、現在の進捗の箇所でも述べた通り広帯域化に伴う新たな課題が生じたためそれら解決するために詳細な解析および解決策の提案を行う。課題となっている現象を引き起こしている原理については計算およびシミュレーションで検証中であり、次年度中にこれを考慮して設計した回路を実測することを目標とする。

  • 研究成果

    (2件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (1件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] A fractional‐N MASH2‐k FDC phase‐locked loop architecture enabling higher‐order quantisation noise shaping2022

    • 著者名/発表者名
      Iwashita Ryoga、Xu Zule、Osada Masaru、Iizuka Tetsuya
    • 雑誌名

      Electronics Letters

      巻: 58 ページ: 274~276

    • DOI

      10.1049/ell2.12436

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] A 3.3-GHz 4.6-mW Fractional-N Type-II Hybrid Switched-Capacitor Sampling PLL Using CDAC-Embedded Digital Integral Path with -80-dBc Reference Spur2021

    • 著者名/発表者名
      Z. Xu, M. Osada and T. Iizuka
    • 学会等名
      2021 Symposium on VLSI Circuits
    • 国際学会

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公開日: 2022-12-28   更新日: 2023-08-01  

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