ポータブルマイクロ波インパルスレーダーの研究
Portable microwave impulse radar

率や電力密度を考慮して、超広帯域（UWB*2）に対応するマイクロ波インパルスを用いる。ポータブル化のため、UWB インパルス生成・送信回路、超高速サンプリング回路、アナログ・デジタル変換回路等を搭載した CMOS 半導体集積回路の開発およびレーダーイメージングアルゴリズムの開発を行う。本報告ではマ
ルチスタティック UWB アンテナと CMOS-LSI を搭

吉川 公麿( Takamaro Kikkawa, Ph. D.)
広島大学ナノデバイス研究所 特任教授

載したポータブルインパルスレーダーモジュールの開発について述べる。

(Professor, Research Institute for Nanodevices, Hiroshima
University)

２．研究の背景IEEE 応用物理学会

人体の悪性腫瘍組織である癌はその複素誘電率がマ受賞：応用物理学会論文賞(2000)他

イクロ波帯域において正常組織と異なることが報告さ

著書：Biomedical Engineering, Jenny Stanford Publishing

れている[1],[2]。図１に乳癌組織の複素誘電率の周波(2022)他数依存性を示す[2]。実部の誘電率、虚部の導電率とも研究専門分野：電子工学に癌組織が正常組織より高い値を示している。インピーダンスの異なる物体からの反射波を測定して物体までの距離と方向を測定するマイクロ波レーダーは癌組あらまし

織を区別して検出できる可能性があることから、医療マイクロ波帯域において、人体の悪性腫瘍組織の複用レーダー装置が欧米で開発されている[3-8]。それら

素誘電率が正常組織と異なることが報告されており、は市販のベクトルネットワークアナライザー装置等をマイクロ波レーダーで腫瘍の検出ができる可能性があ用いた病床型の大型装置である [6-8]。

る。本研究では遠隔地における癌の早期検診に対応で一方、癌患者の生存率を高めるには、早期検診によきる持ち運びが可能なポータブルマイクロ波インパルる発見が必須であり、都市部の病院だけでなく、医療スレーダー装置を開発している。これまで開発したプ体制が十分ではない地方の遠隔地や発展途上国などでロトタイプを用いて大学病院において臨床試験を実施のスクリーニングも重要である。

してきた。さらに小型化を目指してマイクロ波インパ

当研究室ではこれまで図 2 に示すような乳癌検出用ルスレーダーの半導体集積回路化に挑戦している。本

ポータブルインパルスレーダー装置を開発してきた報告では、インパルス送信・受信回路やアナログ・デ[9][10]。このプロトタイプ機を用いて倫理委員会の承ジタル変換回路を搭載した CMOS-LSI*1 および超広帯認のもとで大学病院においてパイロット臨床試験を行域ボウタイアンテナを実装したポータブルインパルス

い、感度 100%を実証している[11]．

レーダーモジュールの有効性について述べる。
３．研究の方法および結果
１．研究の目的

ポータブルマイクロ波インパルスレーダーの実現に

本研究の目的は遠隔地や発展途上国での使用が可能

必須なアンテナの小型化とシステムの半導体集積回路なポータブルで小型軽量のマイクロ波レーダー装置を化について述べる[12]。

開発し、人体の悪性腫瘍組織を非侵襲で検出するシステムを開発することである。本研究では人体の比吸収

1

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Portable microwave impulse radar

30cancer (measured)
stroma (measured)adipose (measured)
cancer (fitted)
stroma (fitted)
adipose (fitted)

Dielectric constant

807060504030
20

Conducticity [S/m]90cancer (measured)
stroma (measured)adipose (measured)

20cancer (fitted)
stroma (fitted)
adipose (fitted)

1010001

110Frequency [GHz]10Frequency [GHz]図１．乳癌組織の複素誘電率の周波数依存性(a)誘電率（実部） (b)導電率（虚部）

図２．ポータブルインパルスレーダー乳癌検出装置(a)プロトタイプ側面写真．(b)プロトタイプ底面写真．(c)システムの分解図．(d)システムのブロック図
これを満足するアンテナ構造として、小型化基板実装
３．１ 超広帯域アンテナが可能なボウタイアンテナを採用する。

アンテナから誘電率コントラストの異なる対象物で乳癌組織は皮膚表面から深さ約 0.5~10 cm の位置にある悪性腫瘍組織にマイクロ波を照射し、散乱した信あるため、モノスタティック測定では微弱な受信信号号を受信し、遅れ時間と方位を測定する。アンテナかが送信信号の干渉を受ける。これを避けるためマルチら腫瘍組織までの距離は cm オーダーであるから電波タティック方式を採用する。図 3 に最適化設計した超の往復時間は ns オーダーである。したがって、測定用広帯域ボウタイアンテナと周波数帯域を示す[12]。-10

インパルスのパルス幅は約 0.1~0.3 ns に設計し、アンdB 帯域は 2.5 - 3.4 GHz および 4.0 - 9.6 GHz であテナに求められる周波数帯域は約 3~10 GHz とする。

り、-9 dB 帯域は 2.5 - 9.8 GHz である。

2TELECOM FRONTIER No.120 2023 SUMMER

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Portable microwave impulse radar

30 mm
06.5 mm-2Amplitude (dB)-420 mm-6-8-10-12-14-16-18-20

Antenna

Mini-SMPConnector

123456891011Frequency (GHz)
Cu(a)

(b)
CS-3396

図３ 超広帯域アンテナと周波数帯域 (a)ボウタイアンテナ平面図
Cu

7Via

(b)周波数帯域

1.26 mm

0.2 mm
送受信用のボウタイアンテナは360°回転すること
HL972

３．２ インパルスレーダーモジュールで対象物探索エリアをカバーする。受信信号はデジタ

図 4 に開発した超広帯域インパルスレーダー装置用ル処理し、コンピュータ上で往復飛行時間（Time ofCMOS シングルチップインパルスレーダー半導体集積Flight）と方向を計算することで、共焦点画像アルゴ

回路ブロック図を示す。

リズムによりイメージを再構築する。

図４ 超広帯域インパルスレーダーCMOS 半導体集積回路のブロック図

3TELECOM FRONTIER No.120 2023 SUMMER

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Portable microwave impulse radarUWBP

100 m2.22 mm

100 m100 m1000 m

UWBN

2.12 mm

Core (HL972)
=3.4
tan=0.004

152 m100 m

Ni/Cu
Cu
CMOS
LSIPrepreg
=3.4
tan=0.004

Ag

Cu
Cu
Cu

Core (HL972)
=3.4tan=0.004

Cu

Prepreg
=3.4tan=0.004

Cu--Core (CS-3665D)
= 4.4tan=0.021

Cu
Cu(a)
図５(b)

インパルスレーダーCMOS 半導体集積回路 (a)CMOS-LSI チップ写真 (b)CMOS 実装基板断面構造

CMOS-LSI は入力インパルス信号帯域 5.9 GHz (2.3た信号はコンピュータでオフライン処理し、共焦点画- 8.2 GHz)の超広帯域要求を満足するために、低損失像アルゴリズムでイメージングを行う。

基板（/tanδ = 3.4/0.004 と /tanδ = 4.4/0.021 の積

Lap Top Computer層）上にボンディングワイヤで実装する。超広帯域 5.9

Data

GHz の信号を通すには寄生インダクタンスが 0.5 nH

USB to SPL/I2C
RATOC Systems
REX-USB61以下、寄生容量が 60 fF 以下である必要があるから、

Data

ボンディングワイヤ長を水平距離 250 m 以下となる
ように CMOS チップは基板に埋込んで実装している。
図 5 にインパルスレーダーCMOS-LSI チップ写真

FPGA Board

FPGA Board

Xilinx Artix-7
XC7A35TFGG484C-2

Xilinx Artix-7
XC7A35TFGG484C-2
Dataと実装基板断面図を示す。受信回路は微弱な入力信号

Base Board(TX Module)を超広帯域低雑音アンプで増幅し、102.4 G サンプル/

Base Board(RX Module)秒の高速トラック・ホールド(T/H)回路および 8 bit 逐Data

次比較型アナログ・デジタル変換回路(SAR - ADC*3)でCMOS-LSI
RF Board

CMOS-LSI
RF Board

デジタル化する。サンプリングクロックは 8 段差動電(+)

(+)

(-)

(-)

圧制御発振回路で 1.6GHz 矩形波を生成し、等価時間サンプリング技術で約 10ps のサンプリングタイミン
Dipole Antenna

グを実現している。
図 6 にこれらを実装したバイスタティックインパル
スレーダーモジュールのブロック図を示す[12]。受信

Target

信号は 256 回測定し、それを平均化することでランダム雑音を除いてから信号処理する。CMOS-LSI の受信

図６

信号制御は FPGA*4 でシリアル・パラレル変換や ADC

バイスタティックインパルスレーダー
モジュールブロック図

後のデジタル信号平均化処理を行う。デジタル化され4TELECOM FRONTIER No.120 2023 SUMMER

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コード 0.98 で生成した図 7(a)のインパルス信号を３．３ 測定結果送受信ボウタイアンテナ通過後に市販サンプリングオ

図 7 に CMOS-LSI で生成したタイムドメインのイシロスコープ(Agilent 86100C+86112A)と開発したンパルス測定波形と高速フーリエ変換スペクトルの結CMOS-LSI で測定した波形を比較し、図８(a)(b)にそ果を示す。ガウシアンモノサイクルパルス生成回路にれぞれ示す。CMOS-LSI のデジタル処理による波形再おいて、100 MHz の矩形波クロックの立ち上がりと立現性は高性能サンプリングオシロスコープとほぼ同等下りの位相を調整してインパルスを論理合成する。位であることを示している。インパルス波形に双方とも

相は 4 bit と 3 bit の遅延回路を組み合わせ、インパル振動が現れているのはボウタイアンテナ帯域を約 10ス 幅 を 27=128 コ ー ド でデ ジ タ ル 制御 す る 。 図中GHz 以下の UWB に制限していることによるもので068/098 はデジタルコードを表す。コード 068 ではパある（図３）。インパルス信号の飛行時間と方位をピー

ルス幅 192 ps、中心周波数 5.2 GHz、-3 dB 帯域 5.9

ク検知によって測定する場合にはこの振動は無視できGHz (2.3 - 8.2 GHz)の波形が生成できる。コード 098

る。

ではパルス幅 286 ps、中心周波数 3.5 GHz、-3 dB 帯域 4.2 GHz (1.7 - 5.9 GHz) の波形が生成できる。

0.30.1325
mVpp

Mag [mV][a.u.]
Amplitude

0.2
Voltage[V]
Voltage [V]5068
meas_068
meas_098
098

280
mVpp

0.0-0.14

meas_098098

3.5 GHz35.2 GHz

2-3dB（0.5x）-3dB BW-10dB BW
11.1

0.9286 ps-0.3-10dB（0.316x）

8.2

2.31192 ps-0.2

meas_068
068

0
4.6

4.8

5.0
5.2t [ns]Time [ns]5.4

5.60(a)51015Frequency[GHz]
Freq. [GHz]20(b)図７ CMOS-LSI で生成したインパルスの測定波形(a)タイムドメインインパルス波形 (b)周波数ドメイン高速フーリエ変換スペクトル

5TELECOM FRONTIER No.120 2023 SUMMER

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Voltage [mV]2025086100C86112A
Δt= 7.41 ps

15101.0 ns
1目盛り

5Averaging ： 256

Sliding ClockΔt= 9.77 ps

200

ADC出力コード（dec）

Averaging ： 256

ADC Output Code [dec]

251ns

150

100977ps
1目盛り

500.977ps

002345[ns]Timet [ns]

67200

8400
600
ポイント
Sampling Point

800

C:¥user_data¥maeda¥design¥HIU_BCDS¥mae¥資料¥20200410_02_TX_gmp_dipole_ant_sh_lo_by_oscillo.xlsx、ｼｰﾄ名: gr_sh_256_10m_12dbatt

(a)

(b)

図 8 ボウタイアンテナを通過したインパルスの測定波形(a)市販のサンプリングオシロスコープによる測定波形(b) CMOS-LSI による測定波形

開発したポータブルマイクロ波インパルスレーダー

像が再構成され、マイクロ波の空間波長より短い約 10モジュールを用いて、乳房を模擬したゴム板に埋設さmm の解像度が実現できることが分かる。本検討によれた 10 mm 角の２個のターゲットを 10 mm 離してりシングルチップ CMOS-LSI とバイスタティックボ配置したファントムのレーダー共焦点画像を図９に示

ウタイアンテナを搭載した腫瘍組織検出用ポータブル

す。(a)は横断面断層図、(b)は冠状面断層図、 (c)は 3

マイクロ波インパルスレーダーの有効性が実証された。

次元透過図を示す。ターゲットが埋設された位置に画(a)

(c)

(b)

図 9 10 mm 間隔で配置した 2 個の 10 mm 角ファントムのレーダー共焦点画像(a)横断面断層図(b)冠状面断層図

6(c)3 次元透過図

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４．将来展望本検討では超広帯域バイスタティックボウタイアン

おわりにテナを送受信センサーとする CMOS-LSI を実装した

本研究では人体の悪性腫瘍組織検出のためのポータマイクロ波インパルスレーダーモジュールの有効性をブルマイクロ波インパルスレーダー実用化を目指して、実証した。今後の課題は、人体内部からの微弱信号を超広帯域バイスタティックボウタイアンテナおよび抽出して高精度、高感度を実現するため、CMOS-LSI

CMOS-LSI を実装したマイクロ波インパルスレーダの雑音低減や回路方式の検討によるダイナミックレンーモジュールを開発し、その有効性を実証した。

ジの拡大が必要となる。さらに、ハードウェア開発に加えて、腫瘍が無い場合のクラッターやアーチファクトによる雑音信号を抑制するため、高速・高精度イメージングアルゴリズムの開発も必要となる。
[5] X. Li et al., “An overview of ultrawideband

用語解説*1 Complementary Metal Oxide Semiconductor

microwave imaging via space-time beamforming

Large Scale Integrated Circuits

for early-stage breast cancer detection,” IEEE

*2 Ultra-Wide-Band

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surgeries,” Applied Physics Letters, vol. 104, pp.

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hand-held impulse-radar detector: Performancefor breast cancer detection: Localization of tumors

evaluation and pilot clinical study,” Scientificin three dimensions,” IEEE Trans. Biomed. Eng.,

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vol. 49, no. 8, pp. 812-822, 2002.

[10] H. Song et al., "A Two-Stage Rotational Surface[4] P. M. Meaney et al., “A clinical prototype for

Clutter Suppression Method for Microwave Breast

active microwave imaging of the breast,” IEEEImaging

Trans. Microw. Theory Tech. vol. 48, no. 11, pp.

Detector," IEEE Trans. Instrumentation and1841-1853, 2000.

Measurement Vol. 69, Issue 12, pp. 9586 - 9598,
7with

Multistatic

Impulse-Radar

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Portable microwave impulse radar

2020.
[11]S.

この研究は、令和元年度ＳＣＡＴ研究助成の対象としSasadaetal.,“Portableimpulse-て採用され、令和２～４年度に実施されたものです。

radardetector for breast cancer: a pilot study,” J.
Med. Imaging, vol. 5, no. 2, pp. 025502-1-5, 2018.
[12]

T.

Kikkawa,etal.,"CMOS

Gaussian

MonocyclePulse Transceiver for Radar-Based
Microwave Imaging," IEEE Trans. BiomedicalCircuits and Systems, 14, 6, 1333 - 1345, 2020.

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