研究紹介

丸文研究奨励賞 受賞者

超広帯域リコンフィギュラブル
無線集積回路技術の研究
あらゆる無線通信を単一ICで実現

岡田 健一
東京工業大学大学院 理工学研究科准教授

研究の背景

無線LANとして2.4GHz帯および5GHz研究では完全チューナブル化によるリコ帯が利用されている。また、海外に目を向ンフィギュラブル無線回路を実現した。従シリコンCMOSプロセスの発展により、けると800MHz、900MHz、1800MHz、来のマルチバンド化のアプローチでは、例多くのGHz帯無線回路がCMOS集積回

1900MHz、2200MHz、2600MHzとえば1.8GHz〜1.9GHzのHigh Bandと路として製造されている。CMOS集積回

多様な周波数帯域が用いられ、また無線

800MHz〜900MHzのLow Bandに分路は低コスト化が容易であり、デジタル処回路としてはこれらすべての周波数帯域担し、４組または２組の回路を単一IC中に理部と無線回路部との混載化により、さで利用できるものが望まれている。従来的実装する方法によるマルチバンド化が行らなる高機能化と生産コストの削減が可な無線回路では、無線帯域幅が200〜われていたが、本研究では単一回路をリ能である。2 0 1 0 年には1 4 . 2 兆 円の規300MHz程度であり、これらの周波数帯コンフィギュラブルに動作させ、800MHz模となる移動体通信市場において、このすべてをカバーするのは不可能である。そ〜6GHzでの無線通信を可能とする。具C M O S 回 路 技 術がさらなる飛 躍を牽引のため、現状の無線端末ではそれぞれの体的成果として、15MHz〜7GHzの発すると言っても過言ではない。また、移動周波数帯域および通信方式ごとに別々振出力を可能とするマルチバンド電圧制体通信技術の次なる大きな課題は、リコの無線ICを搭載する方法を採っている。

御発振器（VCO: Voltage ControlledOscillator）、800MHz〜1.5GHz受信

ンフィギュラブル化（Reconﬁgurable）
で複数の無線方式への対応にあたり、単ある。無線通信はその発展により、多様なに複数のICを搭載する方法では、実装面

周波数帯域が用いられるようになっている積および部品コストの増加は免れない。

マルチ バンド V C Oとしては 、従 来 、が、新規無線端末における後方互換性のつまり、現状の無線ICが抱える課題は、MEMS可変インダクタを用いたものが提確保が、無線回路の設計を困難とする重CMOSによる無線回路の実現およびそまた、CMOSだけによ案されており【 1-2 】、大な要因となっている。国内の携帯電話のマルチバンド化である。CMOS化と複るものとして0.98〜6.6GHzを実現するを例にとると、800MHz帯、1.5GHz帯、数ICの統合により、革新的な低コスト化ものが報告されている【3】。本研究では、更1.7GHz帯、2GHz帯が利用されており、が可能である。

なる高性能化を目指し、多分周注入同期回路を実現した。

周波数分周器を用いた15MHz-7GHz

研究の成果

図1 15MHz〜7GHzマルチバンド電圧制御発振器電圧制御発振器を実現した（図1）。文献
3のVCOでは、1.96GHz〜3.3GHzの従来は、個別の周波数帯・無線方式に発振周波数範囲を持つVCOを信号源と対してそれぞれ別々の回路で対応するマして用い、その出力を2、3/2、3/4、1/2

ルチバンド化方式が検討されてきたが、本倍に逓倍することで、0.98-6.6GHzの周

図2 0.8GHz〜1.5GHzマルチバンド受信回路

波数可変範囲を実現する。
ミキサ回路や周波数分周回路を用いるため、消費電力とスプリアスの面で課題がある。本研究における方式では、それらの問題を解決するため、VCOを倍の周波数で発振させ【4】、なおかつ、多分周器を用いることでスプリアスの問題を解決した。大幅な低消費電力化と小面積化を実現した。本分野で非常に一般的な位相雑音の指標と周波数可変範囲の指標において、世界最高の性能を達成した。
受 信 回 路 は 低 雑 音 増 幅 器（ L N A :図3 80GHz電圧制御発振器まとめしている。今後は産業界との連携を一層VCO等により構成）を用いて実現される。

あらゆる無 線 通 信を単 一 I Cで実 現すて、研究を推進していく所存である。また、本研究では、受信回路のリコンフィギュラるリコンフィギュラブル無線集積回路技

本 研 究の推 進にあたり、東 京 工 業 大 学

ブル化において、従来の複数回路を単に術について研究を行った。提案方式によ益一哉教授および松澤昭教授のご支援

Low Noise Ampliﬁer）、周波数混合器（Mixer）、局所発振器（Local Oscillator:

強 化し、実 製 品レベルでの実 現に向け組み合わせる方式ではなくリコンフィギュラる無線回路を、実際にCMOSプロセスにおよびご助言を受けた。CMOSチップ試

ブル化によるマルチバンド無線回路を実より実装し、実測により有効性を示した。

作においては、東京大学大規模集積シス現した（図2）。800MHz〜1.5GHzでの動15MHz〜7GHz発振を可能とするマルテム設計教育研究センター（VDEC）の作が可能である。アクティブノイズキャンセ

チバンドVCOと、800MHz〜1.5GHz受協力があったことに、この場を借りて感謝リング技術により、妨害波の除去が可能な信回路を実現した。特に提案マルチバンの気持ちを述べたい。

初めてのリコンフィギュラブル受信回路でドVCOは現状で世界最高の性能を達成あり、特に自機送信出力による性能劣化を回避することが可能である。

ミリ波への展開
低マイクロ波帯（6GHz以下の周波数
図5 60GHz電力増幅器帯域）を中心とする携帯電話や無線LANは爆発的な発展を遂げているが、一方で周波数帯域の逼迫は切実な問題となって図4 60GHz低雑音増幅器いる。マルチメディア化によるコンテンツの大容量化に対応するため超高速無線通信が必要とされているが、その有効な実現技術としてミリ波帯を用いる無線通信が注目を集めている。逼迫する低マイクロ波帯ではなく、60GHz帯で利用可能な7GHz帯域を用い、CMOSによる超高速無線通信を実現しようという試みである。
本研究の展開として、ミリ波帯までも含めたリコンフィギュラブル化に取り組んでいる。これまでの成果として、CMOS電圧制御発振器により80GHz発振を実現してい【5】。
また、60GHz帯低雑音増幅る（図3）器（図4）および電力増幅器（図5）についRe f e r e n c e s（参考文献）【1】Kenichi Okada, Hirotaka Sugawara, Hiroyuki Ito, Kazuhisa Itoi, Masakazu Sato, Hiroshi Abe, Tatsuya Ito, andKazuya Masu, "On-Chip High-Q Variable Inductor Using Wafer-Level Chip-Scale Package Technology," IEEE
Transactions on Electron Devices, Vol. 53, No. 9, pp. 2401-2406, Sep. 2006.
【2】Yusaku Ito, Yoshiaki Yoshihara, Hirotaka Sugawara, Kenichi Okada, and Kazuya Masu, "A 1.3-2.8 GHz Wide Range CMOS
LC-VCO Using Variable Inductor," IEEE Asian Solid-State Circuits Conference（A-SSCC）, pp.265-268, Nov. 2005.
【3】Yusaku Ito, Hirotaka Sugawara, Kenichi Okada, and Kazuya Masu, "A 0.98 to 6.6GHz Tunable Wideband
VCO in a 180nm CMOS Technology for Reconﬁgurable Radio Transceiver," IEEE Asian Solid-State CircuitsConference（A-SSCC）, pp. 359-362, Hangzhou, China, Nov. 2006.
【4】Shoichi Hara, Takeshi Ito, Kenichi Okada, and Akira Matsuzawa, "Design Space Exploration ofLow-Phase-Noise LC-VCO Using Multiple-Divide Technique," IEEE International Symposium on Circuitsand Systems（ISCAS）, pp.1966-1969, May 2008.ても開発を行い【6】、60GHz帯以上での周【5】Win Chaivipas, Kenichi Okada, and Akira Matsuzawa, "A 80GHz Voltage Controlled Oscillator With a Negative Varactor

波数においてもリコンフィギュラブル化技【6】Ning Li, Kenichi Okada, Toshihide Suzuki, Tatsuya Hirose and Akira Matsuzawa, "A Three-Stage 60GHz CMOS LNA術の実現可能性を示した。

in 90nm CMOS Technology," IEEE Asian Solid-State Circuits Conference（A-SSCC）, pp 133-136, Nov. 2008.
Using Dual Noise-Matching Technique for 5dB NF," IEEE Asia-Paciﬁc Microwave Conference（APMC）, Dec. 2008.