偶奇選択的結合モード発振に基づくサブテラヘルツビームスイッチング
代表研究者

門内

靖明

東京大学

先端科学技術研究センター

准教授

1 概要
100 GHz 程度のサブテラヘルツ波に対して、結合発振状態を電圧制御することで出力をスイッチングし、それを応用して偏波状態を制御する技術を提案・実証した。具体的には、マジックティを介して 2 つのガン
ダイオード発振器を結合発振させ、バイアス電圧によってそれぞれの自励周波数を調整することで発振器間の位相差を変化させる。マジックティの 2 つの出力ポートからは、2 つの入力ポートに与えられる信号の和と差が出力されるため、結合発振している 2 つの発振器間の位相差を調整することで出力ポート間のパワー比を任意に制御することができるようになる。そこに直交する 2 つのホーンアンテナを接続すれば、任意の偏波比を得ることができる。以上の動作を実験的に確認した。提案手法により、サブテラヘルツ波のスイッ
チングや偏波制御を機械的な駆動を伴うことなく電気的に行えるようになるため、今後の通信や計測において重要な役割を果たすと考えられる。さらなるコンパクト化や高周波化に向けて、マイクロストリップラインを用いたハイブリッドカプラ等を用いることも可能と考えられる。

2 はじめに周波数が 100 GHz 程度のサブテラヘルツ帯は、非破壊検査、レーダーイメージング、Beyond 5G 通信など
様々な応用が検討されるようになってきている[1]-[3]。そのため、サブテラヘルツ波を発生させる固体デバ
イスの研究が精力的に続けられている[4]-[6]。しかし、サブテラヘルツ帯の信号のスイッチングや変調、あるいは偏波[7]などを制御する技術については、低損失な可変材料（半導体や誘電体）が現時点で存在していないため、十分な研究開発がなされていない。無線信号伝送において高い S/N 比を得るためには、送信器と受信器の間の偏波を整合させることが不可欠である。また、キラル性を有する材料や構造を評価する上でも、偏波の制御は重要である[8]-[10]。そのような偏波の制御手法として、これまでレーザーを光電変換する際の電子軌道の制御[11]や二色レーザー誘起ガスプラズマ[12]、レーザーパルスの光整流[13]などが検討されてきた。しかし、これらの光学的アプローチは電子的な発振器に対して直接応用できるものではない。電子的な偏波制御法としては、CMOS 集積回路ベースのアプローチが提案されており[14]、2×2 フェーズドアレイへの拡張も検討されている[15]。この方法により
ISO2(b)
集積的な偏波制御が可能となる反面、アンテナの (a)
OSC2
H-ANT
OSC1
94.0 – 94.7 GHz
偏波比に制約が生じる。また、反射型[16]あるい
ISO2
OSC2
は透過型[17]のメタサーフェスの利用も検討され
PS2
0 – 180 deg
PS1ているが、酸化バナジウム[18]や液晶[19]などの
H-ANT
PS2
0 – 180 deg
可変媒質は大きな損失を伴う。
ISO1
ISO1
V-ANT
PS1
本研究では、サブテラヘルツ帯において機械的
OSC1
V-ANT
93.9 – 94.8 GHz
駆動を伴わずに偏波制御を実現する新しい方法と (c)して、マジックティを介して 2 台の発振器を結合発振させる方法を提案する。マジックティとは、2H-ANT
つの入力ポートからの信号の和と差を 2 つの出力ポート（本稿ではΣポートおよびΔポートと呼ぶ）
Rx
から出力する 4 ポート素子である[20]。本研究でV-ANT
は、2 つのガンダイオード発振器の結合発振時の位相差を、各発振器の自励周波数を調整することで制御する。それによって、ΣポートおよびΔポ
図 1 (a) 提案手法のシステム構成．(b) システムの写真．(c)ートから任意のパワー比で合成電力を取り出せる
伝送実験系の写真．受信器は周波数ダウンコンバータを介しようになる。そして、各ポートに直交する偏波アてスペクトラムアナライザに接続されている．
ンテナを一対接続すれば、任意の偏波比を得るこ

1
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(b)OSC1 5.25 mm
OSC2 4.80 mm

94.25

94.05

1V
2V
3V
4V
5V
6V
7V
8V
9V
10V
11V
12V

94.45

94.25

94.05

94.8

94.6

94.4

94.2

94

0

4.7

4.9
5.1
5.3
5.5
PHase Shifter Dial [mm]

5.7

4
8
Voltage [V]

4.5

4.7

4.9
5.1
5.3
5.5
PHase Shifter Dial [mm]5.7

図 2 (a) OSC1 および (b) OSC 2 の自励周波数の実験的評価．図 1 に示すシステム中に組み込まれた状態での実

94.4

94.2

94

12

0.04
0
-0.04
-0.08

測値．横時は移相器の移相量を調整するマイクロメータ

048Voltage [V]48Voltage [V]

12

94.6

94.4

94.2

94

12

0

4
8
Voltage [V]

12

0

4
8
Voltage [V]

12

(f)
0.08

0.08
0.04
0
-0.04

0.04
0

-0.04
-0.08

-0.08
0

OSC1 5.1 mm
OSC2 4.9 mm

94.8

93.8

(e)
Difference frequency [GHz]

93.85
4.5

94.6

93.8

0.08

Difference frequency [GHz]

93.85

94.8

93.8

(d)

95

OSC1 5.20 mm
OSC2 4.85 mm

Free-running frequency [GHz]94.45

Frequency [GHz]

94.65

1V
2V
3V
4V
5V
6V
7V
8V
9V
10V
11V
12V

Free-running frequency [GHz]

94.65

(c)

95

Free-running frequency [GHz]

95

94.85

Difference frequency [GHz]94.85

Frequency [GHz]

(a)

(b)

(a)

0

4
8
Voltage [V]12のダイアルの読みを表す．
図 3 バイアス電圧の関数としての自励周波数の変化．図 2 をとが可能となる。これまでにマジックティを用い再構成することにより作成．ただし、OSC1、OSC2 の移相器のる電力合成の先駆的な研究[21]-[26]があるが、従ダイアルはそれぞれ (a) (5.25 mm, 4.80 mm), (b) (5.20 mm,
来は 2 つの出力ポートのうち 1 つだけを使用して4.85 mm), (c) (5.10 mm, 4.90 mm)の場合を示している．対合成電力を取り出し、もう 1 つのポートは信号を応する OSC1 と OSC2 の自励周波数の差を (d)-(f) に示す.
発振器に反射する目的のみに使用されていた。一方、本研究では 2 つの出力ポートが両方とも電力の取り出しと発振器への反射に使用される。このとき、もし 2 つの出力ポートからの反射信号が完全に等振幅で、互いに打ち消し合うようであれば相互注入同期による結合発振が成立しないことに注意が必要である。しかし、現実には反射率に有限の違いがあるため、このようなことは生じないものと考えて差し支えない。

3 実験結果図 1（a）、（b）に示すような実験系を、WR10 帯のディスクリート部品を組み合わせて構築した。94GHz 付
近で発振周波数を電圧制御可能な 2 つのガンダイオード発振器（OSC1、2）を、移相器（PS1、2）およびマジックティを介して接続する。マジックティの 2 つの出力ポートは、VSWR が約 1.4 dB のアイソレータ（ISO1、
2）にそれぞれ接続されている。そして、2 つのアイソレータは、水平偏波（H-ANT）と垂直偏波（V-ANT）とで直交する 2 つのホーンアンテナにそれぞれ接続されている。一般に、自励周波数がとである 2 つの発振器を結合し、それらの関数として定まるある周波数で発振させると、発振位相差
は次の
ように係数
と関係づけられる[27]。
(1)
したがって、 の値をの近傍で変化させることで、 の値を連続的に変化させることができる。一般に、位相差がで同振幅の信号を 2 つの入力ポートに与えるとき、ΣポートとΔポートから出力される信号のパワー比はによって与えられる。ここで、PS1 と PS2 の挿入位相をとなるように調整すれば、パワー比はと表される。したがって、を調整しての値を -1 から +1 まで変化させることで、任意のパワー比を実現することができる。
実験に先立ち、まず個々の発振器の自励周波数の評価を行った。そのために、2 つのホーンアンテナの代わりに、スペクトラムアナライザ（SA）をΣポートに、整合負荷をΔポートに直接接続した。測定開始前には、接続された状態で 30 分間以上ウォームアップした。まず、2 つの発振器のうち 1 つだけを駆動し、挿入位相とバイアス電圧とを変化させながら発振周波数を測定した。なお、今回使用した SA は周波数上限が26.5GHz の装置であるが、周波数ダウンコンバートによって 94GHz 帯の測定に用いた。具体的には、15.60GHzの局部発振信号を 6 逓倍して得られる 93.60GHz の固定周波数と、94GHz 付近の発振周波数との差周波数を測定した。測定の結果を図 2 にまとめる。（a）は OSC1、（b）は OSC2 についての結果を示す。横軸は移相器のマイクロメーターのダイヤル値を表しており、挿入位相と読み替えることができる。2 つの発振器は同じ仕2
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-20

94.305

-25

94.3

-30

94.295

-35

94.29

-40

94.285V-polarized
H-polarized
Frequency

-45
-50
4.5

(b) -10

図 4 (a) OSC1 のバイアス電圧を 8.90 V に固定し、

4.7

4.9
Voltage [V]Frequency [GHz]94.31

Singal Level [dBm](a) -15

94.28
94.275
5.1

5.3
94.58

OSC2 を 8.75 V と 9.20 V の間で切り替えたときの受信スペクトル．青（赤）破線は、受信側ホーンアンテ
ナが垂直（水平）偏波のときの結果を表す．

-20

94.575

-25
94.57
-30
-35

Frequency [GHz]Singal Level [dBm]-15

Frequency [GHz]Singal Level [dBm]94.565様で製作されているため同様の応答を示している
V-polarized-40
H-polarizedが、若干の個体差がある。約 0.3mm 間隔で現れる
Frequency-4594.56
発振周波数の周期的変化（片道 90°、往復 180°）
8.7
8.9
9.1
9.3
は、負荷（ここではアイソレータ）によって定まVoltage [V]
-12.5
94.58
るリアクタンスの周期的変化によるものであるこ(c)とがわかる[28]。次に、図 2 (a) と (b) の結果-15
94.575をプロットし直すことで、異なる挿入位相条件下-17.5において、自励周波数の変化をバイアス電圧の関
-20
94.57
数として示した結果を図 3 (a)-(c) に示す。また、-22.5それに対応する OSC1 と OSC2 の自励周波数差を図-2594.5653 (d)-(f) に示す。図 3(a)と(c)では 2 つの自励
45 deg twisted-27.5
周波数がほぼ同じ傾向を示しているが、図 3(b)でFrequency-30
94.56
は OSC1 と 2 の間で大小が交互に入れ替わる様子が
8.7
8.9
9.1
9.3
見られ、OSC1 と 2 の間でリアクタンスが反転してVoltage [V]いることが示唆される。それに対応して、図 3 (e)では周波数差が周期的な変化している。このとき、
図 5 垂直・水平偏波時の受信信号レベルをバイアス電圧のPS1 と PS2 の位相差は片道で 45°、往復で 90°に近いと考えられる。したがって、この条件下で関数として比較した結果．(a) OSC2 側を 4.65V に固定して結合発振を成立させることにより、マジックティ
OSC1 側を変化させた結果．(b) OSC1 側を 8.90V に固定しての 2 つの入力信号間の位相差はOSC2 側を変化させた結果．
(c) 受信側ホーンアンテナを 45°の形で変化すると考えられ、5V または 9V 程度のに傾けた時の結果．いずれの場合も、結合発振周波数を右軸
バイアス電圧によりを線形的に調整できるとに示す．
考えられる。この状態で以降の実験を行うこととした。
次に、V-ANT と H-ANT をそれぞれΣポート、Δポートに接続し、30cm 離れた場所に設置された受信器での受信信号を SA を用いて測定した（図 1（c））
。受信器に取り付けられたホーンアンテナの角度は 0°、45°、90°に変化させられるようにした（0°は V-ANT に平行と定義）。図 4 は、OSC1 のバイアス電圧を 8.90V に固定したうえで、OSC2 のバイアス電圧を 8.75V から 9.20V に切り替えたときの受信スペクトルを示す。青線（V-pol）は受信ホーンアンテナが垂直偏波であるときの結果、赤線（H-pol）は水平偏波であるときの結果を表す。バイアス電圧を変化させると、2 つの偏波の信号レベルが交互に変化していることが分かる。バイ
アス電圧の影響をより詳細に調べるために、それぞれの偏波の信号レベルをバイアス電圧の関数としてプロットした結果を図 5（a）、（b）に示す。右軸には結合発振周波数を併せて示している。図 5 (a) では OSC2 のバイアス電圧を 4.65 V に、図 5 (b) では OSC1 のバイアス電圧を 8.90 V にそれぞれ固定した。いずれの場合も電圧によって偏波比を制御可能なことが確認でき、図 5 (a) では最大 31.8 dB（5.25 V 時）、(b) で3
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は 28.2 dB（9.25 V 時）となることが分かった。一方、反対側の偏波比は 7.57 dB（4.60 V 時）、13.1 dB（8.75
V 時）に留まった。これは、今回の実験系では電圧調整の分解能が 0.05 V 刻みに限られているためであり、より細かい電圧調整を行うことで位相の微調整が可能になると考えられる。また、受信ホーンアンテナを45°回転させ、両偏波を受信できるようにした場合の結果を図 5（c）に示す。この場合、予想通り、バイア
ス電圧によらず信号レベルが一定となることが確認された。
なお、本研究で使用したホーンアンテナ自体の偏波の純度を確認する実験も併せて行った。図 1（c）と同様に、ISO1 とホーンアンテナを介して、OSC1 と受信器
図 6 実験に使用したホーンアンテナの偏波純度を確認とを向かい合わせに配置した（マジックティや OSC2するための測定．バイアス電圧を 8.90V とした OSC1 かなどの他の部品は用いていない）。受信器側のホーンア
ンテナに対する OSC1 のホーンアンテナの角度を 0°から受信器に伝送された信号のスペクトルを偏波整合状
90°かで切り替えることで、偏波整合状態と直交状態
態と直交状態とで比較．
での信号伝送を比較した。OSC1 のバイアス電圧を8.90V に固定して、2 つの偏波状態で信号レベルを比較した結果を図 6 に示す。2 つのスペクトルピークの比は 34.6dB となった。図 5（a）、（b）の最大偏波比はそれぞれ 31.8dB、28dB であり、この 34.6dB に近いものの若干それより低い値となっている。この結果は、電圧調整の分解能が最大偏波純度を制限しているという先の考察と整合するものである。
以上の結果から、本研究において提案するサブテラヘルツ帯の結合発振状態の電圧制御、およびそれに基づく偏波制御を実証した。なお、結合発振状態の電圧制御は発振周波数のシフトを伴うものであることを付記しておく。偏波を完全に切り替えるために必要な周波数シフト量は、図 5（a）では 26.6MHz（0.03％）、（b）では 15.6MHz（0.016％） である。しかし、今後 2 つのバイアス電圧を同時に調整することで、この周波数シフトを打ち消すことができると考えられる。今回は、 を固定し、 のみをと変化させること
で、式(1)におけるの変化から位相シフトが得られるようにした。
(2)
このとき、
であることから周波数シフトが生じる。しかし、 と共にを変化させることで、同じ位相シフトでも周波数シフトが生じないようにすることができると考えられる。すなわち、(3)(4)となるようなとのペアを、与えられたに対して見つけることができる。これを実験的に実現するためには、2 つのバイアス電圧を独立・同時に制御する必要がある。
なお、本研究では直線偏波を扱ったが、V-ANT と H-ANT の間に 90°の位相差を設けると円偏波を得ることも可能である。また、今回は 2 つのアンテナを分離して使用したが、1 つのパッケージで両方の偏波を扱える
直交モード変換器[29]-[31]を使用すれば、1 つのアンテナに統合することが可能である。
また、提案手法をさらに高い周波数帯で実装することも可能であると考えられる。例えば、1THz 以上での発振も可能な共鳴トンネルダイオードにおいてはアレイ化による結合発振が解析されている[27]。このような高い周波数では、マジックティのような導波管デバイスの実装は困難になるが、マイクロストリップライ
ンベースのハイブリッドカプラ[32]等への置き換えを考えることができる。

4 おわりに
本研究では、100GHz 程度のサブテラヘルツ帯において、結合発振状態の電圧制御、およびそれに基づく偏
4
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波制御を実現する方法を提案した。提案手法はマジックティを介した 2 つの発振器の結合発振に基づいている。2 つの発振器間の位相条件を調整することで、マジックティの 2 つの出力ポートから任意のパワー比で電力を取り出すことが可能となる。そして、それらを直交する 2 つのホーンアンテナを導入することで任意の偏波比を実現できる。実験的に確認された最大偏波比は 31.8dB であり、偏波を電圧制御するため必要な周
波数シフトは 26.6MHz（0.03％）であった。しかし、今後 2 つの自励周波数を独立に調整することで、この周波数シフトを打ち消すことができると考えられる。また、マイクロストリップラインを用いたハイブリッ
ドカプラ等を用いることで、よりコンパクトなシステム構築やさらなる高周波化が可能になると考えられる。

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〈発
題
名Voltage-Controlled Polarization at 0.1 THz
Based on Phase-Tuned Coupled Oscillation
via a Magic-Tee

表

資

料〉

掲載誌・学会名等

発表年月

IEEE Transactions on Terahertz
Science and Technology

2022 年 7 月採録決定

6
公益財団法人電気通信普及財団
研究調査助成報告書 第37号 2022年度