メタマテリアル集積スロットアレーアンテナによるテラヘルツ近接無線エリア制御の研究
Contact Area Control of Terahertz Proximity Wireless System by Metamaterial Integrated Slot ArrayAntenna
を携帯端末に PC からダウンロード可能にする 100Gbps 級近接無線通信システムの実現が期待されている。100Gbps 級のデータ伝送速度を実現する手段のひとつが、周波数 100 GHz を超える周波数帯であるテラヘルツ波の利用であり、テラヘルツ波を使用した無線通信システムで 100 Gbps 超のデータ伝送実験が報告されている [1–2]。しかし、テラヘルツ帯近接無線通信ではひとつのシステムが広い帯域を使用するため、

枚田 明彦 ( Akihiko HIRATA, Ph. D.)

不要電波が出てしまうと同一周波数を使用する他シス

千葉工業大学 工学部 情報通信システム工学科 教授

テムへの干渉が生じる。また、テラヘルツ波では各受(Professor, Chiba Institute of Technology, Faculty ofEngineering, Department of Information and Communication
Systems Engineering)

動部品の大きさが 1mm 以下となるため、送信アンテナと受信アンテナとの間で精密なアライメントが必要

電子情報通信学会 Institute of Electrical and Electronics Engineers
受賞：文部科学大臣表彰 科学技術賞 研究部門 (2011 年) 放送文化基金賞 (2010 年) 電波功績賞 (2009 年) 他
著書：THz Communications、 Springer (2021 年)、 次世代無線通信に向けたアンテナ開発、 シーエムシー出版 (2020 年) 2030 年の情報通信技術、 ＮＴＴ出版 (2015 年) 他
研究専門分野：無線通信工学となる。図 1 にテラヘルツ帯近接無線通信システムおよびその技術課題を示す。
送信機ー受信機の位置合わせ
不要波の放射受信機

あらまし
我々は、接触時のみ電波を透過し、不要電波の放射送信機を抑制するテラヘルツ*1 帯超高速近接無線への適用

送信アンテナー受信アンテナ間の多重反射に向けて、石英基板上に分割リング共振器 (SRR:
slot-ring resonator) *2 バンドストップフィルタと格子パタンを試作し、SRR バンドストップフィルタ単

図１ テラヘルツ帯近接無線通信システムおよび体では電波を透過しないが、両者を接触させると格子その技術課題パタンが接触した部分の SRR バンドストップフィルタの透過率が向上し、10Gbps データ通信が可能となる近接無線通信システムの検討を実施した。本システ

本研究では、送信機の平面アレーアンテナ上にメタ

ムでは SRR バンドストップフィルタと格子パタンマテリアル*3 を集積することにより、送信アンテナ単近接時の透過特性の広帯域化、および、SRR バンド体時は電波を放射しないが、送信機－受信機のアンテストップフィルタと格子パタンの位置合せ精度が課題

ナ同士を接触させた場合は、接触した部分だけは電波であった。そこで、我々は格子パタンの構造の最適化が透過可能となるように透過性を制御可能な近接無線により、SRR バンドストップフィルタと格子パタン通信の実現を目指している。メタマテリアルの一種で近接時の透過特性の広帯域化を実現した。また、SRRある分割リング共振器 (SRR: slot-ring resonator)は、バンドストップフィルタと格子パタンの位置合せマー互いを近接させると混成共振モードが発生し、共振モジンの拡大に向けて、格子パタンの周期を SRR パタードが２つに分裂する[3]。本研究では、この現象を利ンの周期と異なる周期を有する格子パタンを提案した。

用し、SRR バンドストップフィルタと格子パタンを近接させることにより、SRR バンドストップフィルタの透過性の制御を試みた。また、SRR バンドストップ

１．はじめにフィルタと格子パタン近接時の透過特性の広帯域化、近年、瞬時に 4K や 8K 映像などの大容量データ
1

TELECOM FRONTIER No.114 2022 WINTER

メタマテリアル集積スロットアレーアンテナによるテラヘルツ近接無線エリア制御の研究
Contact Area Control of Terahertz Proximity Wireless System by Metamaterial Integrated Slot Array
Antenna
および、SRR バンドストップフィルタと格子パタン(b) SRR フィルタ近接時(a) SRRフィルタ単体の位置合せマージンを拡大する格子パタンの検討を実施した。
２．格子パタン近接による SRR バンドストップフィル
タの透過性制御

無線占有帯域

無線占有帯域00

送信アンテナ-10テラヘルツ信号-20S21 (dB)SRR バンドストップフィルタ

S21 (dB)-10-20-30-40-30-50-40

透過テラヘルツ信号
格子パタン

100

受信アンテナ110120130-60140100

周波数 (GHz)

110120130140

周波数 (GHz)

送信アンテナ(c) SRRフィルタ-格子パタン近接時

テラヘルツ信号SRR バンドストップフィルタ

図２

格子パタン

格子パタン

SRR バンドストップフィルタを使用した
テラヘルツ帯近接無線の概念図

無線占有帯域

図２に SRR バンドストップフィルタを使用したテＳＲＲ

ラヘルツ帯近接無線の概念図を示す。SRR バンドスト

S21 (dB)

0-10ＳＲＲ-20

ップフィルタ単体では、下面から入射されたテラヘル-30ツ信号は、SRR バンドストップフィルタにより反射-40100され、上面に透過されないため、本フィルタを送信ア110120130140

周波数 (GHz)ンテナに集積した場合、送信機からのテラヘルツ波の放射は抑制され、不要放射はなくなる。しかし、この

図３設計した SRR バンドストップフィルタおよび状態では受信機は無線信号の受信ができない。格子パ格子パタンの模式図、写真、および、透過特性のタンを集積した受信アンテナを送信アンテナに近接さ測定結果せると、SRR バンドストップフィルタと格子パタンの結合が発生し、格子パタン基板が重なる領域でのみ図３に設計した SRR バンドストップフィルタおよ

SRR バンドストップフィルタの挿入損失が減少する。

び格子パタンの模式図、写真、および、透過特性の測

その結果、受信機はテラヘルツ無線信号を受信するこ定結果を示す。SRR バンドストップフィルタ単体（図とができ、同時に、送信機からの不要なテラヘルツ波3(a)）では、125GHz で強い共振が観測され、透過率の放射の抑制が可能となる。

が-35 dB となった。一方、SRR バンドストップフィ
ルタ同士を距離 600μm で近接配置した場合 （図3(b)）は、共振のピークが２つに分かれ、125GHz での透過特性は -25dB と SRR 単体と比較して 10dB向上したが、まだ大きな挿入損失が見られた。一方、
SRR バンドストップフィルタ に格子パタンを近接さ2TELECOM FRONTIER No.114 2022 WINTER

メタマテリアル集積スロットアレーアンテナによるテラヘルツ近接無線エリア制御の研究
Contact Area Control of Terahertz Proximity Wireless System by Metamaterial Integrated Slot Array
Antenna
せた場合（図 3(c)）
、上下の SRR と格子パタン間で電磁結合が生じるが、図 3(c) 中に示すように、電流の流れる方向に関して対称性の異なる２つのモードが励起され、SRR バンドストップフィルタの共振モードは２つに分離される。この結果、125GHz での透過率が-2.2 dB まで改善し、-10 dB 帯域が 113.6 GHz-131.4GHz と広帯域を実現した。この SRR バンドストップフィルタおよび格子パタンを使用した 120GHz 帯無
図５ SRR バンドストップフィルタの通過帯域を広帯域線通信実験を実施した。送信機・受信機にホーンアンテナを設置し、空間伝送路の中間に SRR バンドスト化する格子パタンの模式図および写真

ップフィルタを挿入し、格子パタンの近接の有無によるデータ伝送特性の違いを評価した。図４に 10Gbps

図５に SRR バンドストップフィルタの通過帯域をデータ伝送時のアイパタンを示す。SRR バンドスト広帯域化する格子パタンの模式図および写真を示す。

ップフィルタ単体を挿入した場合は、受信機に十分な第２章に記載した従来の格子パタンでは、格子パタン受信電力が得られず、アイは閉じている。一方、SRRの配線幅は場所によらず一定 (60μm)であったが、広バンドストップフィルタに格子パタンを近接させた場

帯域化格子パタンでは、Y 軸と平行な線では、SRR 上合は、SRR バンドストップフィルタの透過特性が向上にある線幅は 220μm にして、SRR 上にない線幅はした結果、アイがクリアに開いており、10-1122μm にした。加えて X 軸に平行な線幅も一部太くし以下のビット誤り率 (BER) が得られた。ている。図６に、図５に示す格子パタンを SRR バン
ドストップフィルタに近接させた場合の透過特性の測SRR のみSRR ＆格子パタン定結果を示している。シミュレーションでは、従来型
格子パタンの共振ピーク差が約 29.1GHz なのに対し広帯域化格子パタンは共振ピーク差が約 46GHz となっている。広帯域化格子パタンを近接させた SRR フ
ィルタの S21 は 125GHz で-1.5dB、3dB 通過帯域幅は(a)20GHz となった。この値は、従来の格子パタンと組み100 ps

100 ps合わせた場合よりも 3dB 以上大きい。この格子パタン(b)を使用した 120GHz 帯無線による 10Gbps データ

図４ SRR バンドストップフィルタおよび格子パタン伝送実験を実施した。第２章に示す従来型の格子パタを使用した 120GHz 帯無線における 10Gbpsンを近接させた場合と比較して、3.3 dB 低い送信電力データ伝送時のアイパタンで 10-11 以下の BER を得ることができた。これは、図６に示すように、SRR バンドストップフィルタに３．透過特性の広帯域化の検討

広帯域化した格子パタンを近接させた場合の SRR

さらなるデータ伝送特性の改善を行うために、格子バンドストップフィルタの透過特性が広帯域化したた

パタンの形状の最適化により、SRR フィルタ―格子め、データ伝送特性も向上したことを示している。

パタン近接時の透過帯域を広帯域化する検討を実施した。

3TELECOM FRONTIER No.114 2022 WINTER

メタマテリアル集積スロットアレーアンテナによるテラヘルツ近接無線エリア制御の研究
Contact Area Control of Terahertz Proximity Wireless System by Metamaterial Integrated Slot Array
Antennaのに対し、アライメントフリー格子パタンの単位セル0S21 (dB)の大きさは 650μm とした。この結果、SRR の 13 周期がアライメントフリー格子パタンの 14 周期に相当-10する。
-20広帯域化格子パタン

0旧格子パタン-30110120130140S21 (dB)

100

周波数 (GHz)

図６ 格子パタンを SRR バンドストップフィルタに近接させた場合の透過特性の測定結果-10-20

Exp1Exp2Exp3-30100110120130140

周波数 (GHz)

４．SRR バンドストップフィルタの広帯域化の検討
SRR バンドストップフィルタと格子パタンを近接
図８させることにより、透過特性を制御するためには、

SRR バンドストップフィルタとアライメントSRR バンドストップフィルタと格子パタンの間にフリー格子パタンを 70μm の距離で配置した200μm 以下のアライメント精度が必要である。しかし、場合の透過特性の実験値

実用的な近接無線において、このような高いアライメント精度を達成することは困難である。そこで我々は、

図８に、SRR バンドストップフィルタとアライメン

SRR バンドストップフィルタと格子パタンの位置合

トフリー格子パタンを 70μm の距離で配置した場合のわせを不要にするため、アライメントフリー格子パタ透過特性の実験値を示す。実験では、アライメントフンについて検討を実施した。

リー格子パタンを SRR バンドストップフィルタに対して位置合わせを行うことなく近接配置することを３回繰り返して測定した。125GHz における透過特性は第２章に示す従来型の格子パタンと比較すると約2dB 劣化したが、位置合わせをせずに配置した 3 回の透過特性の計測結果はほぼ一致した。このアライメン
トフリー格子パタンを SRR バンドストップフィル
タを使用した 120GHz 帯無線による 10Gbps データ伝送実験を実施し 3×10-11 以下の BER を得ることができた。これは、本章で示す格子パタンにより、SRR

図７ アライメントフリーの格子パタンと SRR バンド

バンドストップフィルタとアラインメントフリー格子

ストップフィルタを近接させた場合の写真

パタンとの間の位置合わせをすることなく、120GHz帯無線によって 10Gbps データ伝送が可能であるこ

図７に、アライメントフリーの格子パタンと SRRとを示している。

バンドストップフィルタを近接させた場合の写真を示す。アライメントフリー格子パタンでは、格子パタ

５．将来展望ンの単位セル周期と SRR バンドストップフィルタ

これまで、同一のメタマテリアルを極近接させたモの単位セル周期の大きさを変えている。 SRR バンド

デルについては、その等価回路がシンプルであり、近ストップフィルタの単位セル周期は 700μm である

接時のプラズモン混成共振モードによるエネルギー準4TELECOM FRONTIER No.114 2022 WINTER

メタマテリアル集積スロットアレーアンテナによるテラヘルツ近接無線エリア制御の研究
Contact Area Control of Terahertz Proximity Wireless System by Metamaterial Integrated Slot Array
Antenna位図の変化などの検討が進められているが、本研究に性を人工的に操作した疑似物質に示すようにテラヘルツ帯において、異なるメタマテリアルを近接させ場合に透過特性が大きく変化するの参考文献を実証したのは本研究が初めてである。現状では、異[1] Ho-Jin Song, Toshihiko Kosugi, Hiroshi Hamada,

なるメタマテリアルを近接させた場合の等価回路は複Takuro Tajima, Amine El Moutaouaki, Hideaki

雑になるため、近接時に透過特性が大幅に向上するメ

Matsuzaki, Yoichi Kawano, Tsuyoshi Takahashi,

カニズムは未解明である。今後は異なるメタマテリア

Yasuhiro Nakasha, Naoki Hara, Katsumi Fujii,

ルを近接させた場合の等価回路モデルを構築し、大幅Isseiに透過性が向上する原因を解明するとともに、構築しMakoto

たモデルから設計論を確立し、メタマテリアルのテラ

wireless data transmission at 300 GHz for

ヘルツ波に対する透過性を自在かつ可変に制御するこKIOSK instant data downloading applicationsとを可能にすることを目指す。

withWatanabe,
Yaita,InP

AkifumiKasamatsu,”DemonstrationMMICs,”

2016ofand20-Gbps

IEEEMTT-S

International Microwave Symposium (IMS),WEIF2-29, pp.1-4, May, 2016.

おわりに接触時のみ電波を透過し、不要電波の放射を抑制す[2] T. Nagatsuma, K. Oogimoto, Y. Inubushi, and J.

るテラヘルツ帯超高速近接無線への適用に向けて、

Hirokawa, “Practical considerations of terahertz

SRR バンドストップフィルタ単体では電波を透過しcommunications for short distance applications,”

ないが、両者を接触させると、格子パタンが接触した

Nano Communication Networks, 10, pp. 1–12,

部分の SRR バンドストップフィルタの透過率が向上

2016.
[3] B. Kanté, S. N. Burokur, A. Sellier, A. de Lustrac,

し、10Gbps データ通信が可能となる近接無線通信システムの検討を実施した。格子パタンの近接により

and

J.-M.

Lourtioz,

SRR バンドストップフィルタの透過特性を 30 dB 以

hybridization

上向上させること、および、SRR と格子パタンを近metamaterials,” Phys. Rev. B, Vol. 79, 075121,

接させた系で 120 GHz 帯無線信号の 10 Gbps デー

2009.

for

“Controllingplasmon

negativerefraction

タに成功した。さらに、格子パタンの線幅を変えることによりテラヘルツ信号の通過帯域の拡大が可能であ

関連文献

ること、SRR と格子パタンのアライメントを不要に

Koichiro Itakura, Akihiko Hirata, Masato Sonoda,

するため、格子周期を変更した格子パタンを試作し、Taiki Higashimoto, Tadao Nagatsuma, Takashi

アライメントフリーでの透過性向上を実証した。

Tomura, Jiro Hirokawa, Norihiko Sekine, Issei
Watanabe, and Akifumi Kasamatsu, "Control of

用語解説

120-GHz-band Split Ring Resonator Filter by*1 テラヘルツ：100GHz から 10THz の間の周波数、Coupling

Lattice

Pattern

Substrate,"

IEICE

または 3mm から 30μm の長さの波長を有する電磁Transactions on Electronics, Vol. E104-C, No. 3, pp.

波102-111, Mar 2020.

*2 SRR（分割リング共振器）：金属からなる環状構造

AkihikoHirata,

Koichiro

Itakura,Taikiをしており、その一部にスリットが挿入されている

Higashimoto, Yuta Uemura, Tadao Nagatsuma,構造。環状部分のインダクタ成分と、スリット部分

Takashi Tomura, Jiro Hirokawa, Norihiko Sekine,のキャパシタ成分によって共振器として動作する。

Issei Watanabe, Akifumi Kasamatsu, “Transmission*3 メタマテリアル：電磁波（光）の波長よりも細か

Characteristics Control of 120 GHz-Band Bandstop

な構造体を利用して、物質の電磁気学（光）的な特Filter by Coupling Alignment-Free Lattice Pattern,”
5

TELECOM FRONTIER No.114 2022 WINTER

メタマテリアル集積スロットアレーアンテナによるテラヘルツ近接無線エリア制御の研究
Contact Area Control of Terahertz Proximity Wireless System by Metamaterial Integrated Slot Array
Antenna
IEICE Transactions on Electronics, Vol. E104-C, No.
10, pp. 587-595, Apr 2021.

この研究は、平成２９年度ＳＣＡＴ研究助成の対象として採用され、平成３０年度～令和２年度に実施されたものです。

6TELECOM FRONTIER No.114 2022 WINTER