（革新）様式 1-4-2 (2022-1)

令和４年度研究開発成果概要書
採択番号
研究開発課題名

副題00301
テラヘルツ帯を用いた Beyond 5G 超高速大容量通信を実現する無線通信技術の研究開発
研究開発項目 1 テラヘルツ帯増幅器一体型アレイアンテナ技術の研究開発
テラヘルツ波を用いたビーム制御通信システムの研究開発（１）研究開発の目的
室内空間において、ユーザーが必要とする大容量データを無線伝送する需要に向けて、従来のマイクロ波やミリ波では不可能な広い帯域を確保できる“テラヘルツ波”を用いたビーム制御通信システムの研究開発を実施する。テラヘルツ帯無線通信における電波の指向性を高めるため、化合物半導体を用いた高出力増幅器とアンテナを 3 次元異種集積によりアレイ化することで、300GHz 帯で動作する増幅器一体型アレイアンテナを開発し、ビーム制御を実現する。
（２）研究開発期間
令和３年度から令和６年度（４年間）（３）受託者
富士通株式会社＜代表研究者＞
学校法人五島育英会 東京都市大学（４）研究開発予算（契約額）
令和３年度から令和４年度までの総額 600 百万円（令和４年度 378 百万円）
※百万円未満切り上げ（５）研究開発項目と担当
研究開発項目１ テラヘルツ帯増幅器一体型アレイアンテナ技術の研究開発
1-a）ビーム制御機能を有する増幅器一体型アレイアンテナ送信モジュールの研究開発（富士通）
1-b）300GHz 帯アレイアンテナの研究開発 （東京都市大学）
1-c）増幅器一体型アレイアンテナ送信モジュールを用いた伝送実験 （富士通）（６）特許出願、外部発表等

特許出願

外部発表等

累計（件）
3
1014
1020

国内出願
外国出願
研究論文
その他研究発表
標準化提案・採択
プレスリリース・報道
展示会
受賞・表彰

当該年度（件）2
1011
1020（７）具体的な実施内容と成果
研究開発項目１：テラヘルツ帯増幅器一体型アレイアンテナ技術の研究開発
令和 3 年度に実施した各項目の要素技術検討や課題抽出の結果を元に、1×４導波管アンテナモジュールの詳細設計・試作を行い、ビーム振り角 0、10°において 10dBi の利得を実現1

し、本年度目標を達成した。各項目別の実施内容と成果は以下の通りである。
1-a）ビーム制御機能を有する増幅器一体型アレイアンテナ送信モジュールの研究開発最終目標である増幅器一体型 4×４アレイアンテナ送信モジュールの実現に向けて、1-b）の検討を基に 1×４導波管アンテナモジュールを設計し、試作・評価するとともに、4×４ SIWアンテナおよび八木・宇田型アンテナモジュールの基礎検討および設計を行った。以下に概要をまとめる。
（１） 1×４導波管アンテナモジュール
アンテナ導波管/50μm 幅 MSL 配線（Z0=50Ω）の変換部で入力反射（S11）が大きいという問題に対して、アンテナ導波管へ突き出す MSL 配線幅を 20μm とすることで高インピーダンスにし、テーパー配線を用いて Z0=50Ω設計のパワーアンプに連結される 50 µm 幅 MSL配線に接続することにより入力反射（S11）を抑制できることの知見をシミュレーションにより得た。
また、アンテナ利得・ビーム制御実験を可能にするため、WR3 標準導波管（0.864×0.432mm）からアンテナ導波管（0.6×0.432mm）を連結する 4 ポート導入導波管を装備したモジュールを設計した。シミュレーションにより導入導波管で生じるポート間位相差を補正し、結果としてアンテナ利得 10.6dBi、各ポート間位相差 45°でビーム振り角 10°と本年度目標（9dBi, ±10°）を達成できる見込みを得た。
上記知見を基に 、アンテナピッチ：0.7mm の 1×４導波管アンテナモジュールを試作し、1-c）で構築したモジュール初期評価系にてアンテナ利得・ビーム制御実験を行った結果、ビー
ム振り角 0、10°において 10dBi の利得を実現し、本年度目標を達成した。
（２） 4×4 アンテナモジュール
立体積層４×４アレイアンテナモジュールの実現に向けて、従来の Si よりも熱伝導率の優れた SiC をベースとするインターポーザ構造を用いた SIW ホーンアンテナについてシミュレーシ
ョンにより初期検討した結果、放射部の金属ストリップの幅と間隔を（SiC 内の）1/4 波長内で徐々に変化させることにより SIW ホーンアンテナから空間に電磁波放射可能で、かつ、300GHz にて 1×4 横並列アンテナアレイでアンテナ利得約 11dBi、ビーム振り角 10°（位相シフト=45°）、また、1×4 縦並列アンテナアレイでアンテナ利得約 9.5dBi、ビーム振り角16°（位相シフト=45°）の知見を得た。
また、SiC SIW 構造の最適化を行うとともに SIW アンテナをモジュールの金属筐体に実装することを考慮し、金属壁付きホーン部無し SiC SIW 単体アンテナのアンテナ利得の金属壁位置依存性についてシミュレーションした結果、反射器として機能する金属壁を SIW 部と放射部の界面からメインローブ方向に誘電体基板のλ/2 分進んだ位置からバックローブ方向に空気のλ/2 後退した位置に配置することにより反射波が進行波と同位相となり、アンテナ利得を向上させることの知見を得た。さらに、研究開発項目 1-b)で設計した YagiUda アンテナを用いたモジュールについても電磁界解析を行い、上述の SiC SIW アンテナの場合と同様のメカニズムでアンテナ利得の金属壁位置依存性があることの知見を得た。
上記検討を踏まえ、300GHz における 4×4 SiC SIW アンテナアレイのアンテナ利得およびビーム制御についてシミュレーションした結果、位相シフト(横, 縦)=0°でアンテナ利得17.8dBi、位相シフト(横, 縦)=-120°で上下方向ならびに水平方向のビーム振り角はそれぞれ36°, 30°と最終年度目標（アンテナ利得 15dBi、ビーム振り角 30°）を達成できることの知見を得た。本知見を基に、4×4 増幅器一体型アレイアンテナ送信モジュールの基本設計を行った。
1-b）300GHz 帯アレイアンテナの研究開発
2023 年 3 月（中間目標）において、1×4 増幅器一体型アレイアンテナ送信モジュール（ビームスキャン角度±10°において利得 9dBi ）を実現するために、2022 年度は以下の（１）～（５）の項目を検討した。
（１）導波管開口アンテナ（単素子）の設計と利得測定
グレーティングローブを抑圧するために、アンテナピッチを 1 波長（1mm）未満とする必要がある。前年度の検討により、0.7mm の素子間隔とすることを目標とし、0.6mm×0.432mm
2の開口を有する中空導波管開口アンテナを設計した。送受に同一のアンテナを用いる 2 アンテナ法で利得測定を行った。導波管開口アンテナ単体の利得はシミュレーションで 7dBi、実測で6.8dBi が得られた。反射係数 S11 は 270GHz-330GHz において-10dB 以下と良好な特性が得られ、シミュレーションと実測もよく一致した。
（２）1×4 導波管開口アレイアンテナ
1×4 アレイアンテナにした場合は理想的には 6dBi の増加となるので、12.8dBi となる。
実際には材料損失や素子間相互結合があり、利得は理想より少し低下する。ビーム角度 0°で利得のシミュレーション値 11.2dBi、実測値 10.4dBi を確認した。また、ビーム角度 10°で利得のシミュレーション値 11.1dBi、実測値 10.6dBi を確認した。目標とする 9dBi 以上となっており、本年度目標を達成した。
（３）八木・宇田型アンテナ（単素子）
最終目標の 4×4 アレイアンテナでは２次元に集積する必要がある。このため、導波管開口アンテナよりも集積化に適した基板横方向に放射する八木・宇田型アンテナ素子を提案した。シミュレーションにより、ビーム角度 0°の利得は 7.4dBi（材料損失なし）と導波管開口アンテナと同程度の利得が得られることがわかった。銅の導体損失と誘電体損（誘電正接 0.02）を考慮すると利得は 6.4dBi となった。反射係数 S11 は 215GHz-320GHz において-10dB 以下と良好な特性が得られた。
（４）1×4 八木・宇田型アレイアンテナ
前項で説明した八木・宇田型アンテナを 0.7mm ピッチで並べた 1×4 アレイアンテナのシミュレーションを行った。ビーム角度 0°で 12.8dBi（材料損失なし）となり、単素子の 4 倍(+6dB)の値が得られた。ビーム角度 10°でも 12.7dBi と利得の低下は抑えられることを確認した。
（５）誘電率測定技術
テラヘルツ時間領域分光システム(TDS)による誘電率測定の精度を上げるために、無限回の多重反射を考慮した誘電率推定手法を開発した。無限回の多重反射を考慮した場合は、有限回のみの多重反射を考慮した場合には生じていた周波数特性のリップルを除去することができた。
1-c）増幅器一体型アレイアンテナ送信モジュールを用いた伝送実験
アレイアンテナモジュールの初期評価系を構築し、1-a）で試作した 1×4 モジュールのアンテナ利得・ビーム制御実験を行い、300GHz 帯でアンテナモジュールの特性評価が可能なことを確認することで、2023-2024 年度の伝送実験で用いる試験系構築の目途を得た。
（8）今後の研究開発計画
令和 4 年度に実施した 1×4 増幅器一体型アレイアンテナ送信モジュールの試作・評価や 4×4 増幅器一体型アレイアンテナ送信モジュールの基礎検討の結果を基に、化合物半導体を用いた高出力増幅器とアンテナを 3 次元で集積しアレイ化することで、4×4 増幅器一体型アレイアンテナを試作・評価し、最終目標であるビームスキャン角度±30°における EIRP：40dBi達成までの目途を立てる。

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