東京工業大學的岡田健一教授與日本電氣公司共同開發了用於第5代行動通信系統（5G）的毫米波段相控陣無線通信器件。5G計劃與微波頻率一起共用毫米波頻段。毫米波段用5G無線通信器件透過控制向陣列狀配置的天線所輸入輸出的高頻訊號相，來控制天線的方向圖。以前要想高精度控制方向性，需要大規模的裝置，而此次提出了緊湊型電路方案，能補償造成方向圖劣化的相及振幅的波動，並與無線通信器件成功進行了整合。
利用該電路，能以相爲0.08度的極高精度控制天線元件的訊號。無線通信設備利用低成本的硅CMOS（互補型金屬氧化物半導體）工藝製作。該技術可配備於5G使用的各種無線通信設備，可以說是一項能加速毫米波段5G普及的成果。
相關研究成果已在6月2日開始於美國波士頓舉行的國際會議RFIC（IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium 2019）上發表，並獲得了最優秀論文獎。
在此次的研究中，透過提前實施訊號初步處理，能透過採用相對低速的AD轉換器和計數器的相檢測電路，對振幅和相進行高精度檢測。由於能將此前進行相檢測所需的高精度類比量檢測轉換成CMOS電路的超高時間時解析度，然後進行數文字處理，所以利用緊湊型電路實施了内置高精度補償機構的5G用毫米波段相控陣無線通信器件。
研究小組利用最小布線半間距爲65nm的硅CMOS工藝試製了此次的相控陣無線通信器件，並在12平方mm的小面積上配備了4組相控陣無線通信器件（圖1）。與現在已開始面向5G應用的28GHz頻帶加在一起，預計今後39GHz頻帶的應用將擴大。新開發的CMOS無線收發晶片可用於39GHz頻帶，飽和輸出功率爲15.5dBm。
圖1：5G用39GHz頻帶相控陣無線通信設備
爲實施傳輸試驗，研究小組製作了配備CMOS晶片的評測基底層（圖1）。透過在電波暗室内隔膜1m的距離相對設置2個模組，並使新提出的補償電路運行，實施了資料傳輸試驗。根據試驗結果應答，補償電路的特性非常優異，相爲0.08度、振幅爲0.04dB，透過控制各天線的相振幅，能以0.1度的精度調節電波的輻射方向。另外，最大的0度方向的EIRP爲53dBm。
固定的波束成形以400MHz 256QAM的5GNR訊號實施了EVM＝-30dB。能量消耗方面，每枚晶片發送訊號時爲1.5W，接收訊號時爲0.5W。
此次開發的無線通信設備削減了相控陣使用的CMOS晶片的面積，有助於5G無線通信設備實施小型化和低成本化。今後將以用於5G通訊設備爲目標，力爭2020年前後實施實用化。另外，波束成形的關鍵——多種天線和收發器的補償技術除5G外，還可應用於各種無線通信，被認爲能有效實施通訊設備的小型化和低成本化。
（日文全文）
文：JST客觀日本編輯部
