300GHz帯でビームフォーミングに成功、6G見据え：高出力パワーアンプ回路を開発

NTTと東工大は、ビームフォーミングを用いた300GHz帯高速無線データ伝送に成功したと発表した。移動する受信端末に向かって超大容量データを瞬時に転送できるようになるといい、第6世代移動通信（6G）への活用が期待される。

[浅井涼，EE Times Japan]

300GHz帯での電波損失の克服を目指すビームフォーミング技術

　NTTと東京工業大学（東工大）工学院電気電子系の岡田健一教授らは2023年6月13日、ビームフォーミングを用いた300GHz帯高速無線データ伝送に「世界で初めて」（NTTと東工大）成功したと発表した。高出力パワーアンプとアンテナを一体化したInP（インジウムリン系）-ICを搭載した送信モジュールを用いた。移動する受信端末に向かって超大容量データを瞬時に転送できるようになるといい、第6世代移動通信（6G）への活用が期待される。

左＝ビームフォーミングのイメージ図、右＝従来報告されているビームフォーミング可能な無線機と今回成果（赤字）の比較［クリックで拡大］出所：NTT

　現在の第5世代移動通信（5G）では、ミリ波帯として28GHz帯と39GHz帯の電波が使用されているが、2030年代の商用化が目指される6Gには300GHz帯の電波を活用した高速無線通信が期待されている。

　300GHz帯の電波には広い帯域を利用できるというメリットがある一方、空間を伝搬する際の電波損失が大きいという課題がある。その課題の克服のため、受信端末が存在する方向に向けて電波のエネルギーを集中させて放射するビームフォーミング技術が検討されてきた。5GではCMOS-ICがビームフォーミングを実現させたものの、300GHz帯においてはCMOS-ICのみでは出力電力が不足してしまう。そこで、6Gでは高出力なガリウム（Ga）やインジウム（In）といったIII-V族の化合物ICと組み合わせることが期待されている。しかし、化合物IC内やCMOS-ICとの接続部で発生する大きな損失が高出力化を阻害するため、これまで300GHz帯でビームフォーミングによる高速無線データ伝送は実現していなかった。

今回開発された300GHz帯フェーズドアレイ送信機［クリックで拡大］出所：NTT

300GHz帯高出力パワーアンプ回路と高周波帯低損失実装技術が成果に貢献

　今回の研究で、東工大は周波数変換回路や制御回路等を搭載した高集積なCMOS-ICを作成した。NTTは独自のインジウムリン系ヘテロ結合バイポーラトランジスタ（InP HBT）技術によって、高出力なパワーアンプ回路とアンテナを一体集積したInP-ICを開発。CMOS-ICとInP-ICを同一プリント基板上に小型実装した4素子フェーズドアレイ送信モジュールを実現した。

　今回、このモジュールを用いた実験において、最大30Gbpsのデータレートを達成（指向性制御範囲は36度、通信距離は50cm）し、300GHz帯におけるビームフォーミングを用いた高速無線データ伝送に「世界で初めて」（NTTと東工大）成功した。

　この成果には以下の2つの高出力化技術が鍵となったという。1つ目は300GHz帯高出力パワーアンプ回路の設計だ。NTT独自のInP HBT技術によって、複数の増幅素子から出力される電力を低損失合波器で束ね、高出力化を実現。同回路がCMOS-ICから出力される信号を増幅し、同一チップ上に形成されたアンテナから受信端末に向けて電波を放射することで、高速データ伝送に必要な大きな電力を受信端末に送り届けることができるという。

　2つ目は高周波帯低損失実装技術だ。従来、300GHz帯で異なる種類のIC同士を接続するためには、それぞれのICを導波管モジュールに実装し接続することが一般的だが、導波管を通過する際に生じる損失が問題となっていた。今回、異なる種類のICチップ同士を同一基板上にフリップチップ実装し、微小な金属バンプを介して接続することで接続損失を低減し、高出力化を実現したという。

300GHz帯フェーズドアレイ送信機の分解図とチップ写真［クリックで拡大］出所：NTT

　今回の成果は6Gのアプリケーションとして期待される「KIOSK」モデルや「Femtocell」といった近距離移動体通信への展開が期待される。NTTは「今後は2次元アレイ化よる2次元ビームフォーミングの実証や、アレイ数を増やすことによる通信距離の拡張に取り組む。利用用途に応じた受信モジュールの開発にも取り組み、従来よりも10倍以上の伝送容量を有する無線通信の実用化を目指す」としている。