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PRESS RELEASE （技術）

2013年10月17日
富士通株式会社
株式会社富士通研究所

ミリ波（240GHz）帯大容量ギガビット無線通信機に向けた高感度受信IC技術を開発

従来比10倍の高感度化に成功し、スマートフォンなどで大容量データ受信が視野に

本技術の詳細は、10月13日（日曜日）から米国・モントレーで開催の国際会議「CSICS 2013（Compound Semiconductor IC Symposium）」にて発表します。

開発の背景

近年、スマートフォンなどの携帯端末が爆発的に普及し、従来の音声通話に加えてWebの閲覧や音楽のダウンロードなど、データを通信する機会が増えています。今後は、動画や映画などの大容量データ通信へとシフトしていくことが予想され、それらを一瞬でダウンロードできる端末の需要が高まってくると考えられます。そのためには、より広い周波数を利用した大容量の無線通信機が必要です。ミリ波帯を用いた無線通信機は、既存の携帯端末が使用する周波数に比べて100倍以上の広い周波数範囲が利用できるため、通信速度も100倍に高めることが可能と期待されています。

しかし、ミリ波帯、特に240GHzといった極めて高い周波数になると、空間を伝搬する電波が大きく減衰します。微弱な信号を受信してデータ通信するためにも感度の高い受信器（アンテナ、増幅器、検波器で構成）が必要です。中でも、増幅器の増幅率は受信感度の改善に効果的であるため、高い増幅率を持つ増幅器の実現が待たれています。

課題

増幅器の増幅率を高めるためには、一般に、複数の増幅器を多段に接続しますが、段数が増える分、チップ寸法は長大になります。240GHz帯になると、信号の波長は1mm以下と極めて短くなり、その長さは増幅器のチップ寸法よりも短くなります（図1）が、このとき、従来の携帯端末（2GHz帯を使用）では考慮する必要のなかった技術課題が生じます。増幅器のチップ表面に形成されたグラウンド面（注3）に増幅器の出力信号の一部が漏れ込み、この漏れ込み信号は、増幅器の入力端子へと戻り、再び増幅器へと入力されます（図2）。再入力された信号は、増幅器によって増幅され、さらに大きな漏れ込み信号となって入力端子に再び戻され発振現象が生じ、正常に受信できなくなります。そのため、ミリ波で高い増幅率を達成するには、増幅率を損なうことなく発振を抑制する技術が必要になります。

開発した技術

今回、富士通研究所が開発したインジウムリン高電子移動度トランジスタ（InP HEMT）（注4）技術をベースに、増幅器の発振現象を抑制しつつ増幅率を高める増幅器の多段化技術と、増幅器の出力信号を効率よく次段へ伝達するインピーダンス整合技術を開発することで、従来に比べて受信ICの感度を約10倍改善しました。開発した技術の特長は以下の通りです。

1. 増幅器の発振現象を抑制しつつ増幅率を高める増幅器の多段化技術

   増幅器の漏れ込み信号は、特定の場所で振幅が大きくなる振幅最大点と、全く振動しない振幅ゼロ点が存在します。増幅器の入力端子の位置が漏れ込み信号の振幅最大点と一致すると、より大きな漏れ込み信号が増幅器へ入力され発振が生じます（図3上）。一方、入力端子が振幅ゼロ点の位置にあれば、漏れ込み信号が全く振動しておらず、増幅器が漏れ込み信号を増幅することはありません。そのため、増幅器の入力端子と出力端子の位置を漏れ込み信号の振幅ゼロ点に一致させます（図3下）。このように設計された増幅器を多段に接続していくことで、発振を起こすことなく増幅率を高めることができます。

2. 増幅器の出力信号を効率よく次段へ伝達するインピーダンス整合技術（U字型長さ調整器）

   増幅器の出力信号を効率よく次段の増幅器へと伝達するためには、増幅器同士を接続する線路のインピーダンス整合をとる必要があり、そのためには一定の線路長が必要です。しかし、増幅器の入出力端子を振幅ゼロ点の位置に合わせ込んだ場合、増幅器の寸法が限定され、それに伴い線路長も特定の長さに限定されるためインピーダンスの整合が困難でした。今回、U字型線路を導入し、Uの字の縦と横の長さを調整することで増幅器の寸法が限定されてもインピーダンス整合をとれるようにしました。

効果

本技術により、従来に比べて受信ICの感度を約10倍改善できるため、小型アンテナをスマートフォンなどの携帯端末に搭載して利用することが可能になります。その場合、従来に比べ比較的指向性（注5）の広いアンテナが利用できるため、送信機に対して端末の角度を厳密に合わせる必要がなく（図4）、利用者の使い勝手が向上します。

今後

今回開発した受信ICを実装するためのアンテナ一体型小型パッケージの開発を進め、2015年頃までに伝送実験を行い、2020年頃の実用化を目指します。

商標について

記載されている製品名などの固有名詞は、各社の商標または登録商標です。

注釈

注1 株式会社富士通研究所：

代表取締役社長 富田達夫、本社 神奈川県川崎市。

注2 ミリ波：

周波数が30GHzから300GHzの電波。

注3 グラウンド面：

増幅器にかかわらず、あらゆる電子回路において、基準電圧となる0 Vを与える電気的な基準面。

注4 インジウムリン高電子移動度トランジスタ（InP HEMT）：

HEMT（High Electron Mobility Transistor）は、1979年に富士通研究所の三村高志博士（現、富士通研究所フェロー）が発明した、高速・低雑音性にすぐれたトランジスタ。基板にインジウムリン（InP）を用いることで、従来のガリウムヒ素系より高速で低雑音を実現できる。 高速通信のほか、イメージセンサーなどへの応用も期待されている。

注5 指向性：

アンテナから放射される電波が空間で広がってゆく程度を指す。指向性が高いほど、電波は空間で広がらず、直線状に伝搬してゆく。

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