図1　東�B工業�j学工学院電気電子�U教�b　�K田健�k��

4Gの次世代となる5G通信サービスが�f国と�盜颪涙k�陲濃呂泙辰拭�かといって日本が��れている�lではない。実�xレベルでは2016�QくらいからNTTドコモがミリ�Sでの送�p信通信をデモしていた。NTTドコモは2Gの時に日本だけが�M�}に走ってしまいガラパゴスと言われて孤立した�Zい経�xがあるから、携帯電�Bの国際��格委�^会3GPPと歩調を合わせながら5Gサービスの商��化を進めている。

ただ、現在、先行している5Gサービスはまだサブ6GHzの周�S数帯を使ったサービスで4Gの��長といった��(sh┫)がよい。��Verizonのサービスでさえ最�j1Gbpsを提供できるかどうか、というレベルだ。10Gbpsを提供するためには周�S数はミリ�Sが最低条�Pとなる。3GPPの��格では28GHzや39GHzが��まっており、日本では28GHzの周�S数がこの4月に割り当てられた。39GHzはその次に予定されている周�S数だ。

東工�jの�K田研�|室は、ミリ�S��半導��送�p信チップの開発研�|を進めており、2019�Q2月のISSCC（International Solid-State Circuits Conference）で28GHzの送�p信機チップを発表している(参考�@料2)。このほど6月に開��されたIEEE MTT RF-IC Symposiumで39GHzのトランシーバICを発表した。次の5G�\術は28GHzが使われるだろうが、�K田教�bはその先を見越して、39GHzのICを開発した。

5G�\術は時代と共に進化していく��格なので、使��周�S数も低い周�S数から�Mしい高い周�S数へと�屬欧討い�ことになる。また、低いビットレートのサブGHz��(sh┫)式と、高いビットレートのミリ�S��(sh┫)式とは共�Tしていくという見��(sh┫)が�咾ぁ�このため、進化に�官�してミリ�S�\術は今から���Tしておく��要がある。

5Gの��長として、最�j下り20Gbps/�屬�10Gbps、レイテンシ1ms以下、携帯電�Bだけではない通信機�_（IoT）である。5Gの��長の中にIoTが含まれる。IoTは低ビットレート・低消�J電��だけではない。高�]のデータが��要なビデオ伝送もIoT応��の�kつだ。例えばドローンによる鉄塔や橋�悄�高層ビルなどの劣化�X��を撮影・検�hするサービスをKDDIが始めたが(参考�@料3)、動画伝送ではできれば高�]の5Gが望ましい。

しかしミリ�S�\術は�Mしい。データレートを�屬欧襪燭瓩砲麓��S数を�屬欧討い���要があるが、電磁�Sは周�S数を�屬欧譴��屬欧襪曚鼻�直線性が�\し、しかも到達�{�`は�]くなる。4Gまでの低い周�S数の電磁�Sなら360度����(sh┫)位で電�Sが飛んでいったため、カバー�J囲を広げる��要はなく、ほぼ半径2kmをカバーできた。そこで5Gでは、平�Cアンテナを�W(w┌ng)��して電�Sのビームの��(sh┫)向を変えられるビームフォーミング�\術を使う(図2)。元々������レーダーに使われていた�\術で、飛ばす電�Sの�S長のピッチでアレイ�Xに並べたアンテナを使い、�Qアンテナからの電�Sの位相や振幅を変えることで、電�Sの向きを揃える�\術である。

図2　ビームフォーミング�\術　�����v路により位相をずらしアンテナの向きを仮�[的に変え、電�cを合成することで到達�{�`を�Pばす　出�Z：東�B工業�j学　�K田健�k教�b

今�v開発した位相シフトシステムは、±30°の角度を変えても振幅はさほど落ちていない (図3)。すなわち、電�Sの向きを±30°変えても通信できることを実証した。この位相シフトシステムを実現できたカギは、ミリ�S��半導��チップである。このチップをミリ�S��の平�Cアンテナもチップと共にプリント�v路基��に実�△靴拭�

図3　ビームフォーミングにより平�Cアンテナで±30°に電�Sを振ることができることを�K田研が実証　出�Z：東�B工業�j学　�K田健�k教�b

ここでは、64個のアンテナ素子と16個のトランシーバICを使った(図4)。1チップには4個のトランシーバ（送�p信）�v路を集積しているため、このシステムは64個のトランシーバを�eっている。�Qアンテナに�Qトランシーバが�官�する。電�Sを誘導するためのダミーアンテナもプリント基���屬棒澆韻討い襦�

図4　4個のトランシーバ�v路を集積したRFチップを16個並べ、64個のアンテナに接��　出�Z：東�B工業�j学　�K田健�k教�b

この39GHz RF半導��チップは、65nmのTSMCプロセスで作られている。�v路的には、これまで試作した28GHzのチップよりも高周�S性�Δ�求められる。送信�v路では��来、局所発振�_1個からIF（中間周�S）信��(gu┤)を混合した後、パワーアンプを4つに分けて出��しアンテナにつなげていた(図5)。しかし、4つのパワーアンプ間で�W(w┌ng)�uがばらつくという問��があった。

図5　��来の位相アレイ(左)と今�vの位相アレイ(��)との違い　出�Z：東�B工業�j学　�K田健�k教�b

そこで、局発を4個設け、それぞれIF信��(gu┤)を�pけ�Dり混合する、という��(sh┫)式に変えた。高周�S信��(gu┤)に変換されパワーアンプで�\幅される。それぞれのパワーアンプの�W(w┌ng)�uや出��パワーを合わせておくと、バラツキはぐっと小さくなった。位相シフトの分解�Δ���来5〜6°のバラツキが0.05°と小さい。このチップを世�c中のマイクロ�Sエンジニアが集うIEEE MTT Radio Frequency Integrated Circuits Symposiumで�K田研�|室の学�擇�発表した。この発表�b文は、「Student Paper Finalist」と�}ばれる学�斃ソ��b文の最終��(li│n)考にも��(li│n)ばれた。

5Gの本命ミリ�S通信のエンジニアは実は日本にはほとんどいない。かつては富士通や��菱電機、東��、パナソニックにはいたが、Wi-Gigというミリ�SWiFiが商��化に成功しなかったため、エンジニアがいなくなった。�j学でも�K田研�|室しかいなくなったため、今�vNECから共同開発の�mがかかったという。NECはかつて通信機�_で�k世を風靡したが、NTTの�c営化と共に弱くなっていった。しかし、最�Zは4G携帯通信も�}�Xけ、5Gには�T欲を見せるようになった。NECは、「5G. A Future Beyond Imagination」という�Y語を掲げ、AI、IoTと共に5G�\術を使った新サービスの創出を�`�Yとしている。Software-Defined Network�\術を工場ネットワークなどの�噞��にも�t開しようとしている。

ミリ�Sと言っても、厳密には30GHz以�屬離潺��S周�S数の�S長は10mmであるため、半導��パッケージやプリント�v路基��とほぼ同じような�∨，砲覆蝓⊂�型化に向く。ICパッケージに1/2�S長のアンテナを構成できるようになり、AiP（Antenna in Package）�\術が�R�`されている。

参考�@料
1. Wang, Y., et al., “A 39GHz 64-Element Phased-Array CMOS Transceiver with Built-in Calibration for Large-Array 5G NR,” 2019 IEEE MTT Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, 講演番��(gu┤)RTu2E-2, June 2019
2. Pang, J., et al., “A 28GHz CMOS Phased-Array Beamformer Utilizing Neutralized Bi-Directional Technique Supporting Dual-Polarized MIMO for 5G NR,” in IEEE ISSCC, Feb. 2019, pp. 344–346
3. KDDI、ハード・ソフト・サービスをパッケージにしたドローンビジネスを�t開 (2019/03/07)