ミリ波帯無線装置の低コストの小型ワンチップモ...

ミリ波帯無線装置の低コストの小型ワンチップモジュール化技術の研究開発

株式会社日立製作所シャープ株式会社

独立行政法人情報通信研究機構

1

＜異種材料統合モジュール＞

＜シリコンデバイスによるミリ波MMIC＞

＜アダプティブアンテナ＞

高利得アンテナと広方位角の両立

ミリ波ﾀﾞｲﾊﾞｰｼﾃｨ受信

ｱﾝﾃﾅ、MMIC夫々に適する異種材料基板積層実装による低ｺｽﾄ化

安価な汎用ｼﾘｺﾝﾃﾞﾊﾞｲｽのﾐﾘ波帯への適用

＜放射型発振装置による超低コスト送受信器＞

送受信用アンテナと発振素子の機能的融合による小型一体型ﾓｼﾞｭｰﾙ

アンテナ基板

MMIC実装基板

ミリ波MMIC(送受信回路）

ｱﾀﾞﾌﾟﾃｨﾌﾞｱﾝﾃﾅ制御部

低周波回路

＜ｷﾞｶﾞﾋﾞｯﾄ伝送用ダイバーシティ＞

・空間ダイバーシﾃｲによる電波遮断回避・空間電力合成による受信ｴﾘｱの拡大・ｱﾝﾃﾅ角度調整容易化技術

ア）ﾐﾘ波無線ﾓｼﾞｭｰﾙの超低ｺｽﾄ化実現のための基盤的技術

イ）ﾌﾞﾛｰﾄﾞﾊﾞﾝﾄﾞﾃﾞｨｼﾞﾀﾙ映像無線伝送用ﾓｼﾞｭｰﾙの低ｺｽﾄ化技術

＜周波数変動・位相雑音耐性を向上する通信・伝送方式＞

・多種変調に対応する小型発振器と伝送方式・多種変調信号の伝送品質の向上と、

広帯域・多重伝送時の伝送距離の拡大

「ﾐﾘ波帯無線装置の低ｺｽﾄの小型ﾜﾝﾁｯﾌﾟﾓｼﾞｭｰﾙ化技術の研究開発」

ﾃﾞｰﾀ

ﾊﾞｯﾃﾘ

発振素子

放射器

■具体的アプリケーション実用化に重点をおいた通信システム構成/通信方式と伝送方式の最適化、

■最適化方式を実現する既存半導体技術（ＧａＡｓ）の活用によるモジュール低コスト化

研究成果の活用例ミリ波帯無線通信による

大容量・Ｇｂｐｓ級超高速データ通信

-CS/BS/地上ﾃﾞｼﾞﾀﾙ多ﾁｬﾝﾈﾙﾊｲﾋﾞｼﾞｮﾝ伝送 (屋内）-

送信機

ミリ波を用いた将来の新分野通信端末へ適用

ミリ波無線通信用モジュール

-携帯無線通信機-

（例) 映画・動画伝送

-集合住宅の多ﾁｬﾝﾈﾙ大容量伝送（屋外）-・伝送距離・広帯域性の確保・１対Ｎ伝送

＜方式を実現するＭＭＩＣ/モジュール技術＞

・Ｇｐｓ伝送に向けた広帯域・低歪MMIC化・LTCCﾓｼﾞｭｰﾙによる量産対応、低ｺｽﾄ化

既存半導体技術（ＧａＡｓ）を活用

局部発振器

中間周波数回路

信号処理回路

TV(TVﾁｭｰﾅｰ)

局部発振器


2


実施体制

研究開発体制：日立/NiCT/シャープにより３社で分担して研究開発を推進

研究開発内容

研究開発の実施計画

研究責任者：近藤博司（（株）日立製作所）

ﾐﾘ波無線ﾓｼﾞｭｰﾙの超低ｺｽﾄ化実現のための基盤技術に関する研究開発

ﾌﾞﾛｰﾄﾞﾊﾞﾝﾄﾞﾃﾞｨｼﾞﾀﾙ映像無線伝送用ﾓｼﾞｭｰﾙの低ｺｽﾄ化技術に関する研究開発

・担当（（株）日立製作所／（独）情報通信研究機構：NiCT）

研究リーダー（近藤博司：日立／松井敏明：NiCT）、研究者（７名）

・担当（シャープ（株））

研究リーダー（末松栄治）、研究者（4名）

H17年・ミリ波モジュール構造の基礎検討、及び設計検討・ｱﾝﾃﾅ一体化要素回路の広帯域・低歪化設計技術検討

H18年・30GHz帯ミリ波無線ワンチップモジュール化技術の確立・ｱﾝﾃﾅ一体化送受信ﾓｼﾞｭｰﾙの基本設計技術の確立

H19年・ 60GHz帯ミリ波無線ワンチップモジュール化技術の確立・広帯域・低歪MMIC、ﾀﾞｲﾊﾞｰｼﾃｨ、空間電力合成技術の確立

H20年・80GHz帯ミリ波無線ワンチップモジュール化技術の確立・角度調整容易化技術、ﾌﾞﾛｰﾄﾞﾊﾞﾝﾄﾞ(2Gbps）伝送技術の確立

① 成果目標

ミリ波帯無線システムの応用促進に向け、最大課題の一つであるミ

リ波無線装置の小型、低コスト化技術を確立する。

② 研究開発体系と手法

ア）ﾐﾘ波無線ﾓｼﾞｭｰﾙの超低ｺｽﾄ化実現のための基盤技術

体系：ｼﾘｺﾝMMIC､異種材料統合/ｱﾀﾞﾌﾟﾃｨﾌﾞｱﾝﾃﾅ内蔵ﾓｼﾞｭｰﾙ化、

ｱﾝﾃﾅ発振回路一体構成の簡易型無線通信装置の開発

手法：半導体ﾓﾃﾞﾘﾝｸﾞ技術、電磁界解析を含むﾓｼﾞｭｰﾙ構造設計


体系：広帯域・低歪回路、空間電力合成、空間ﾀﾞｲﾊﾞｼﾃｨ、

角度調整容易化技術の研究開発

手法：基準信号による回路同期方式、低歪・非線形回路解析

3

4

ミリ波無線通信モジュールの低ｺｽﾄ化実現のための基盤技術開発

ミリ波通信モジュール全周波数帯共通

レファランス回路ブロック図

■ 送受信器共通仕様 (プロジェクト開始時）

・変調方式： ASK, BPSK, QPSK +α・データ速度： > 1Gbps・受信出力: S/N>10.5dB (BPSK変調,BER:10-6)

・送受信アンテナ： 3dBビーム幅 = 20-45度

想定する送受信器回路の仕様配分【80GHz帯の例】

送信回路

受信回路

電力増幅器

フィルタミキサ

発振器

IF帯(5GHz帯)

IF帯(5GHz帯)

低雑音増幅器

フィルタ

ミキサ

送信出力10dBm

３０－８０ＧＨｚ帯（３０ＧＨｚ、６０ＧＨｚ、８０GHz帯）利用に対応する技術開発と試作による検証

■ 開発する技術・シリコン化ＭＭＩＣ

SiGe ( 0.15mm, 0.12µm プロセス)

CMOS (130nm, 90nm プロセス)・異種材料基板多層化統合モジュール

送信出力10dBm

実装ロス2.0dB

ｱﾝﾃﾅ利得14.6dBi


実装ロス2..0dB

低雑音増幅器Gain:14dBNF:5dB

ミキサGain:15dBNF:15dB

中段増幅器Gain:-6.5～20dB

NF:12dB

空中線ﾛｽ70.5dB

電力増幅器Gain:7dB

送信出力10dBm

実装ロス2.0dB



実装ロス2..0dB

低雑音増幅器Gain:14dBNF:5dB

ミキサGain:15dBNF:15dB

中段増幅器Gain:-6.5～20dB

NF:12dB

空中線ﾛｽ70.5dB

電力増幅器Gain:7dB

＜シリコン化ミリ波MMIC＞＜異種材料統合モジュール＞＜アダプティブアンテナ＞

5

３０－８０ＧＨｚ帯対応 SiGe VCO設計技術

■ 基本波・２逓倍波の高出力化技術の開発

・30-60GHz帯直接発振形式VCOで高い基本波出力が得られる出力技術を確立

（RFIC Symposium 2007で報告）

・60-80GHz帯プッシュプッシュ形式VCOで高い２逓倍波出力が得られる出力技術を確立

（ISSCC 2009で報告）

■ 広帯域化技術の開発

・ミラー効果を低減するための伝送線路技術を確立

項目 30GHz帯 60GHz帯 80GHz帯単位

発振器形式直接プッシュ

プッシュ

プッシュ

プッシュ-

中心周波数 27 52 77 GHz

周波数可変範囲 4.5 19.0 12.0 GHz

位相雑音

(1MHz離調時)-116 -108 -100 dBc/Hz

出力電力 4.5 2.0 -4.0 dBm

消費電力 90 132 87 mW

FOM -189 -190 -183 dB

全周波数帯で世界トップのFOMを達成

VCO-ＭＭＩCの特性一覧

-195

-190

-185

-180

-175

-170

0 30 60 90

発振周波数 (GHz)

FO

M (

dB

)

SiGe

CMOS

Hitachi (SiGe HBT)

{ }

−

+

−=

10log20

1mWP10log

Δff20logΔfPNFOM dco FTR

6

【例】 80GHz Push-push型ＳｉＧｅ電圧制御発振回路（ＰＬＬ回路内蔵）

項目目標仕様実測結果

中心周波数 78 GHz 77.1GHz

周波数可変範囲 8 GHz 12 GHz

位相雑音

(1MHz離調時)-90 dBc/Hz -100 dBc/Hz

出力電力 -5 dBm -4dBm

消費電力 - 87mW

■実測結果

80GHz

VCO

分周器PLL

70

72

74

76

78

80

82

84

0 1 2 3制御電圧 (V)

発振

周波

数 (G

Hz)

【特徴】・コルピッツ型push-push VCO・TML逓倍出力回路により

広い周波数可変範囲と低い位相雑音特性を実現

・PLL回路内蔵試作チップ写真(1.1×0.9 mm)

-102

-100

-98

-96

-94

-92

0 10 20 30 40 50

消費電流 (mA)

1MH

z 離調

時位

相雑

音 (d

Bc/

Hz)

72.9GHz74.9GHz77.0GHz79.1GHz81.5GHz

全帯域で <-99dBc/Hz（@1MHz-off）

7

３０－８０ＧＨｚ帯対応 CMOS VCO設計技術

■ CMOS発振器の低雑音化技術の開発

・30GHz帯VCOにおいて、雑音を抑える新技術『電圧振幅再分配技術』を確立

（ISSCC 2008で報告）

・上記技術を適用した60-80GHz帯低雑音化VCOを開発

■ 80GHz帯 CMOS PLLの開発

・ 80GHz帯低雑音VCOを組入れたPLL(位相同期回路)を開発し、動作を確認

項目 30GHz帯 60GHz帯 80GHz帯単位

発振器形式直接直接２逓倍 -

中心周波数 28 53.5 76 GHz

周波数可変範囲 2 2.6 5 GHz

位相雑音

(1MHz離調時)-113 -102 -89 dBc/Hz

出力電力 0 -5 -5 dBm

消費電力 12 12 32 mW

FOM-191

-187.5

-186

-179.6

-173

-169dB

全周波数帯で世界トップレベルのFOMを達成

VCO-ＭＭＩCの特性一覧

-200

-190

-180

-170

-160

-150

-140

10 60 110

発振周波数 [GHz]

FO

M [

dB

c/H

z]

HITACHI

{ }

−

+

−=

10log20

1mWP10log

Δff20logΔfPNFOM dco FTR

CMOS-VCOの特性一覧

8

73

74

75

76

77

78

79

80

0 0.5 1 1.5 2 2.5

制御電圧　[V]

発振

周波

数　

[GH

z]

Band1 (meas)

Band8 (meas)

’06年度開発の電圧振幅再分配技術[1]の80GHzへの適用により■低消費電力■低位相雑音/広可変周波数で世界トップレベルを実現

【例】８０ＧＨｚ帯 2逓倍型CMOS電圧制御発振回路&PLL

項目目標仕様実測結果

中心周波数 78 GHz 76.2GHz

周波数可変範囲 5 GHz 5 GHz

位相雑音@1MHz離調 -90 dBc/Hz -90dBc/Hz

差動出力電力(位相雑音最小時）

-5 dBm -4dBm

消費電力（PLL全体） - 120mW

VCO

２逓倍器分周器÷32

80GHz出力

チャージポンプ

プログラマブル分周器÷50・・53

ループフィルタ

[1] Y. Wachi, T. Nagasaku and H. Kondoh, “A 28GHz Low-Phase-Noise CMOS-VCO Using an Amplitude Redistribution Technique, “IEEE ISSCC Dig.Tech. Papers, pp.482-483, Feb, 2008

1.25mm

1.0mm

-90dBc/Hz@1MHz offset

9

1

10

10 20 30 40 50 60 70 80 90

動作周波数 (GHz)

評価

指標

[G

ain

/(N

F-1)]

■ ミリ波帯LNA回路の共通基盤設計技術の確立

１）高利得化を可能とする能動素子レイアウト技術

２）低損失化を実現する誘導性素子設計技術

■ ミリ波帯における基盤設計技術の実験的検証

１） 0.18µm-SiGeHBTおよび微細CMOSトランジスタ(130/90nm)を用い，３０ＧＨｚ～８０ＧＨｚ帯でLNA-MMICの実用的性能を実現

３０－８０ＧＨｚ帯対応 LNA設計技術

90 110 130 150 170

線路長　[um]

MSL

CPW

MicroStripLine

Coplanar Waveguide

高利得化トランジスタレイアウト技術

低損失化インダクタ設計技術

低損失

10

【例】ＳｉＧｅ８０ＧＨｚ低雑音増幅器(LNA)

【特徴】・SiGe HBT 4段シングルエンド構成(CEx1+CASx3)・MIMキャパシタ・マイクロストリップ線路による整合回路を実現

試作チップレイアウト (0.95×0.80mm2)

回路構成

小信号利得の周波数特性

■ 試作内容 ■ 評価結果

Vcc

【まとめ】・80GHz帯での高精度増幅回路設計技術を確立し，目標を満足する実測特性を得た。

Vcc (DC +3.0V)

Gnd

Vcc Vcc VccVb Vb Vb Vb

RF入力

RF出力

Vcas Vcas Vcas目標値設計値実測

評価周波数 80 80但しピークは78GHz

80但しピーク

実線：設計，ｼﾝﾎﾞﾙ: 実測

NFS21

INPUT OUTPUT

S22

S11

11

３０－８０ＧＨｚ帯対応広帯域ミクサ技術■ 広帯域動作ミクサ回路の共通基盤設計技術の確立

１）準Active Mixerによる広帯域周波数変換回路技術の確立と所要ＬＯ電力の低下 ( PLO= < 0 dBm )

２）超広帯域受動ＬＯバランの開発（１０－１１０ＧＨｚ対応)

３）共通ＩＦ回路の開発

４）ＭＭＩＣ外部接続用超広帯域ＲＦパッド端子の開発（>１００ＧＨｚ対応)

■ 広帯域動作の実験的検証

１） 90nmプロセスによる８０ＧＨｚ帯までのミクサＭＭＩＣ実用的性能の実現

∆mag. = ±0.5dB @10-110GHz

∆phase = 180±2 degs @10-110GHz

２）超広帯域受動ＬＯバランの開発

４）ＭＭＩＣ外部接続用超広帯域ＲＦパッド端子

30GHz帯 60GHz帯 80GHz帯

変換利得 ( 0 dB 抵抗型) 13 dB (20dB) 8~12 dB

ＲＦ帯域 @±1.5dB ( > 20 GHz )(@14->35GHz)

≫ 20 GHz(@<55-≫75GHz)

≫ 16 GHz(@≪80-96GHz)

ＩＦ帯域 @±0.5dB 4 GHz 4 GHz 3.5 GHz

12

【例】 90nm CMOS ６０ＧＨｚ帯広帯域受信ミクサ（実測性能）

870x510 um2

fIF = 5GHz fixed

10

12

14

16

18

20

22

24

55 60 65 70 75RF Freq. [GHz]

Convers

ion G

ain

, G

c [

dB

]

Gc,design-4dB

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

-5 0 5 10 15 20

IF Freq. [GHz]

Convers

ion G

ain

, G

c [

dB

] fLO= 55GHz fixed

Gc,design-4dB

14

15

16

17

18

19

20

21

22

-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10

RF Input Power, RRF [dBm]

Convers

ion G

ain

, G

c [

dB

]

Gc,design-5dB

PLO= -2.5dBm

RxActiveMix60G_1

■ ５５－≫７５ＧＨｚをカバーする超広帯域性能■ 設計シミュレーションと実測性能の良好な一致■ 目標を満足する性能を達成

13

-2

0

2

4

6

8

10

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Wg [um]

Gm

ax (

60G

Hz)

[dB

]

実測値

標準モデル

修正標準モデル

３０－８０ＧＨｚ対応 CMOS電力増幅器設計技術

30GHz帯 60GHz帯 80GHz帯

プロセス 130nm 130nm 90nm 90nm

回路構成 3段single-

end

4段single-end

3段single-end

5段single-

end

1dB帯域幅 7.1 GHz 6.9 GHz 17.0 GHz 19.0 GHz

利得 15.0 dB 9.5dB 10.1 dB 12.4 dB

飽和出力 13.0 dBm 10.6 dBm 12.6 dBm 10.2 dBm

・・・世界トップ

■ 130nm/90nm プロセスによる高精度設計技術の確立

・Ｗｇ大CMOSデバイスの高周波モデル高精度化(スケーリングを含む）

■ 広帯域高出力設計手法の開発

・CMOSデバイスのサイズ最適化指針と

限界性能を広帯域で引出す整合回路設計手法の確立

・60GHz/80GHz帯増幅器に適用→世界トップの1dB帯域幅と飽和出力を実現

60GHzにおける130nm CMOSデバイスのGmaxの比較

CMOSプロセス電力増幅器ＭＭＩCの特性一覧

出力

入力 f1 f2 f3

出力整合

整合回路１整合回路２整合回路3ﾃﾞﾊﾞｲｽ1 ﾃﾞﾊﾞｲｽ2 ﾃﾞﾊﾞｲｽ3

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 20 40 60 80 100

周波数 [GHz]

通過

量 [

dB]

f1f2f3

出力

入力 f1 f2 f3

出力整合


出力

入力 f1 f2 f3

出力整合


-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 20 40 60 80 100

周波数 [GHz]

通過

量 [

dB]

f1f2f3

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

10 100周波数[GHz]

飽和

出力

[dB

m] HITACHI

全周波数帯で世界トップ性能を達成

広帯域高出力設計手法の原理

(60GHz帯増幅器の例)

0

50

100

150

200

250

300

350

0 20 40 60 80 100

Frequency [GHz]

FO

M

[mW

・G

Hz] FOM=Psat*BW1dB

HITACHI

14

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

-20 -15 -10 -5 0 5 10

Pin [dBm]

Po

ut

[dB

m]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

PA

E [

%]

Vd=0.8VVd=1.0VVd=1.2V系列

Vg=0.8V, f=80.0GHz

【例】 90nm CMOS ８０ＧＨｚ電力増幅器(PA)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

50 60 70 80 90 100 110

Frequency [GHz]

S21 [

dB

]【特徴】

・Si CMOS(90nm) 5段シングルエンド構成・1dB利得変動帯域19GHz （世界トップの広帯域特性）・電源電圧1.0Vで飽和出力10.3dBm（世界トップの高出力）・0.8Vの低電圧駆動でも7dBm超の飽和出力

レイアウト(0.8×0.7mm2)

INPUT OUTPUT

Vg (DC +0.8V)

Vd (DC +1.0V)

回路構成

小信号利得の周波数特性

入出力特性 (実線：実測，破線：設計)

Vg=0.8V, Vd=1.0V

19GHz

1dB

比帯域～24%

設計

INPUT OUTPUT

VgVgVg

VdVd

80um 160um 160um

Vg

Vd

40um

Vg

Vd

20um

実測

目標

目標

15

３０－８０ＧＨｚ帯対応通信モジュール化技術

QPSK1Gsps

3GHz

CMOSチップ上に作成した半田バンプ(左)上面図 (右)俯瞰図

MMIC実装構造（バンプ接続）DC- >85GHz (0.6dB@85GHz)

Si MMICアンテナ接続構造

<30GHz : 擬似同軸構造

>60GHz : 擬似導波管構造(0.6dB @80GHz)

セラミック部

樹脂部

マイクロストリップ線路－導波管接続

異種材料導波管接続

アンテナへ

20 40 60 800 90

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

-2.0

0.5

Frequency [GHz]

Inse

rtion

Los

s [d

B]

受信用アンテナ

送信用アンテナ

MMIC実装セラミック基板

■30GHz～80GHz帯で対応可能な低価格・低損失のミリ波Gbps通信モジュール実装技術を確立

■ 異種材料基板多層化による低コスト/低損失統合モジュール化技術の新提案と技術確立

・異種材料基板多層化技術と形成工程

・ミリ波信号接続用広帯域低損失要素構造（バンプ接続ＭＭＩＣ実装構造、アンテナ接続構造、内蔵アンテナ）

■ 歩留まり・量産ロバスト性も考慮した広帯域低損失な統合モジュール特性の達成

・ＭＭＩＣ‐ｱﾝﾃﾅ間総合ミリ波損失： 0.8dB, 1.0dB, 1.3dB @30GHz帯, 60GHz帯、80GHz帯

・ＭＭＩＣ‐ｱﾝﾃﾅ間総合帯域： >30GHz, >10GHz, >30GHz @30GHz帯, 60GHz帯, 80GHz帯

異種材料基板多層化技術熱硬化性樹脂基板と低ｺｽﾄミリ波アンテナ用樹脂基板の多層化を実現

16

4

6

8

10

12

14

16

18

20

75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85

Freq[GHz]

Gain

[dB

i]

実測

計算

【例】８０ＧＨｚ帯異種材料統合モジュール化技術

CMOSチップ上に作成した半田バンプ(左)上面図 (右)俯瞰図

裏面アンテナ

Si MMIC

アンテナ接続構造

小型化と製造偏差に対するRobust性を両立。

挿入損失 0.6dB@80GHz。

Si MMIC実装構造

量産時製造偏差に対するRobust性

挿入損 0.7dB@80GHz。

アンテナ接続部の周波数特性

広帯域アンテナ特性

11.1dBi±0.5dB@77-82GHz

セラミック部

樹脂部

マイクロストリップ線路－導波管接続

異種材料導波管接続

アンテナへ

20 40 60 800 90

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

-2.0

0.5

Frequency [GHz]

Inse

rtion

Los

s [d

B]

50 55 60 65 70 75 80 8545 90

-4

-3

-2

-1

0

-5

1

-20

-15

-10

-5

0

-25

5

Frequency [GHz]

Inse

rtio

n Lo

ss [d

B] R

eflection Loss [dB]

17

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

74 76 78 80 82 84 86

Frequency [GHz]

Pro

pagati

on L

oss [

dB

] >35dB改善 @帯域4GHz

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

74 76 78 80 82 84 86

Frequency [GHz]

Pro

pagati

on L

oss [

dB

] >35dB改善 @帯域4GHz

干渉点モデル

ｱﾝﾃﾅ面垂直変換部

RF回路面

③変換部 ④変換部 ⑥MMIC⑤配線

①アンテナ

②配線

導波管/導波管変換器 ③

広帯域・低損失（現状の小修正で対応可）

RF回路基板変換部 MMICMSL

フィルタ蓋

モジュールRF回路面での干渉低減

フィルタ蓋 (④⑤⑥)

最終残留干渉の容易な校正が可能

S1 S2 S4S3干渉前信号

干渉後信号

R1 R2 R4R3

=

)()()()(

11

11

)()()()(

4

3

2

1

433241

343231

242321

141312

4

3

2

1

θθθθ

θθθθ

SSSS

KKKKKKKKKKKK

RRRR

Kmn:m→nへの干渉ベクトルθ：電波到来角

Kmnの導出により残留干渉成分を校正

アダプティブアンテナ内蔵モジュール化要素技術の開発所望波/妨害波比を最大にするミリ波モジュール内蔵アダプティブアンテナの実用化/高性能化に必須なミリ波校正を簡略化する受信チャンネル間低干渉モジュール用要素構造を開発

送信回路

受信回路

変調回路

復調回路

ADC

アダプティブ処理

+

受信ch間干渉

logicRFモジュール

送信回路

受信回路

変調回路

復調回路

ADC

アダプティブ処理

++

受信ch間干渉

logicRFモジュール

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

-30 -20 -10 0 10 20 30

角度 [度]

相対

電力

[dB

]

干渉無し干渉有り

所望波妨害波

校正後校正前

←受信ｃｈ間干渉により所望波/妨害波比が劣化

(特にミリ波帯では

ｼｽﾃﾑ校正が必要）

WG/WG

WG

43dB → 78dBMMIC⑥ MMIC

18dB → 18dB導波管ｽﾛｯﾄｱﾝﾃﾅ多層ﾊﾟｯﾁ① アンテナ

33dB → ∞MSL② 配線（ｱﾝﾃﾅ面側）

21dB → ∞MSL / WG③ 変換部（ｱﾝﾃﾅ面側）

モジュール全体としての効果

⑤ 配線（RF回路面側）

④ 変換部（RF回路面側）

干渉点

16dB → 18dB

69dB → 104dBMSL

82dB → 117dBフィルタ蓋を付加

（35dB低減）

WG / MSL

ｱｲｿﾚｰｼｮﾝ改善(*)（初期構造→低干渉構造）

提案する低干渉構造初期構造

WG/WG

WG

43dB → 78dBMMIC⑥ MMIC

18dB → 18dB導波管ｽﾛｯﾄｱﾝﾃﾅ多層ﾊﾟｯﾁ① アンテナ

33dB → ∞MSL② 配線（ｱﾝﾃﾅ面側）

21dB → ∞MSL / WG③ 変換部（ｱﾝﾃﾅ面側）

モジュール全体としての効果

⑤ 配線（RF回路面側）

④ 変換部（RF回路面側）

干渉点

16dB → 18dB

69dB → 104dBMSL

82dB → 117dBフィルタ蓋を付加

（35dB低減）

WG / MSL

ｱｲｿﾚｰｼｮﾝ改善(*)（初期構造→低干渉構造）

提案する低干渉構造初期構造

低干渉モジュール構造と効果

MSL：ﾏｲｸﾛｽﾄﾘｯﾌﾟﾗｲﾝ、WG：導波管 *素子間距離 2mm時

18

0

10

20

30

40

50

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

RF Input Power [dBm]

Meas

ure

d E

VM

[

% r

ms]

QPSK 1.25Gbps

BPSK 625Ｍｂｐs

無線通信用統合送受信モジュール【例１】３０GHz帯Ｓｉ化ＭＭＩＣ基盤技術とアンテナ一体型統合モジュール化基盤技術を融合した

３０ＧＨｚ帯無線通信送受信モジュール

無線モジュール受信部の実測特性

(評価測定系の歪を含む）

（ｱﾝﾃﾅ利得 GTx= GRx = 10.5dB, 送信電力 PTx= 10dBm ）

QPSK :1.25Gb/s

0

10

20

30

40

50

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

IF入力 [dBm]

Measure

d E

VM

[%

rm

s] QPSK 1.25Gbps

BPSK 625Mbps

受信評価用端子

送信評価用端子

電源端子

受信部PLL制御用端子

RF実装セラミック基板

送信部PLL制御用端子

Si化受信部

Si化送信部

受信用アンテナ

送信用アンテナアンテナ面

RF回路実装面

３0ＧＨｚ帯統合モジュール

10

100

10 100 1000 10000

伝送速度[Mb/s]

伝送

距離

[m]

BPSKQPSK

無線モジュール送信部の実測特性

(評価測定系の歪を含む）

無線モジュール通信距離 vs. 伝送速度(システム設計値と測定値 @ BER = 10-6 )

■低利得アンテナでも1Gbps以上で>１５ｍ通信の実現性を確認

( 73 x 40 x 7 mm3 )

19

60GHz帯ミリ波無線モジュールBlock図と個別チップ写真

60GHz帯 CMOS シングルチップレシーバ

Rx_IFout

Rx_RFin

変換利得： 22.5dB雑音指数NF： 8.5dB

電力増幅器

電圧制御発振器

Tx IF LNARx IF

混合器混合器低雑音増幅器

実測性能：

130nm プロセス（1.3 x 1.1mm2, コア面積=0.8 mm2)

1.0Gbps ASK復調IF波形

1.0Gbps ASK送信IF波形

【例2】高集積MMIC化（60GHz帯ワンチップ化）と６０ＧＨｚ帯統合モジュール

QPSK 4Gbps 特性

S/N=13.2dB

BER=10-6 @ 9m に等価(w/ GtGr=32dB & Pt=10dBm)

ＡSK １Gbps 特性

20

CMOS 受信モジュール

映像ソース(1080i)

受信映像(1080i)

ミリ波送信機

60GHz帯通信用統合受信モジュールによる動画伝送実証実験

受信アンテナ

送信アンテナ

アンテナ面

部品面

LNA

IF出力(5GHz)

受信入力(60GHz)

LNA

VCO

MIXLNA

IF出力(5GHz)

受信入力(60GHz)

LNA

VCO

MIX

受信入力(60GHz)

LNA

VCO

MIX.

130nmCMOSワンチップレシーバ

Ｓｉ化ＭＭＩＣ基盤技術とアンテナ統合モジュール化基盤技術を融合した

６０ＧＨｚ帯無線通信受信モジュールを作成し、ＨＤテレビ画像の伝送実験により

開発したミリ波帯小型低ｺｽﾄ無線通信モジュール化技術の実用性を証明

（動態展示）

60ＧＨｚ帯統合モジュール

ﾓｼﾞｭｰﾙ： 65 x 50 mm2

21

初期目標外の重要成果：

ミリ波無線通信モジュール/ＭＭＩＣ評価システムの開発

QPSK1Gsps

3GHz

BW

QPSK1Gsps2Gbps

QPSK 1.5Gsps時の復調コンスタレーション(左)補正前9.8% (右)補正後3% AWGのみ

■ミリ波モジュール/MMIC評価システムを構築■デジタル補正により信号源EVMを改善

1.5Gb/s QPSKで9.8%→3%■80GHz帯測定システムのEVMを＜10% に低減

(@1.5Gb/s QPSK)[発表性能としては最高レベルと考える]

任意波形発生器オシロスコープ

RF/IF

信号(演算)

MeasuredData File歪情報

(振幅・位相) 制御

AWG7102 DPO70004

任意波形発生器オシロスコープ

RF/IF

信号(演算)

MeasuredData File歪情報

(振幅・位相) 制御

AWG7102 DPO70004

測定系自体の歪特性をデジタル補正することにより、ミリ波評価ｼｽﾃﾑのＥＶＭを改善

補正用観測データ (左)振幅 (右)位相

HPF

Tx-Lo

Tx-IF RF RF Rx-IF

Tx-Mix Rx-Mix

AWG(任意波形発生器) リアルタイムオシロHPA HPA

Rx-Lo

SG (Tx-Lo) SG (Rx-Lo)

Up converter Down converter

HPF

Tx-Lo

Tx-IF RF RF Rx-IF

Tx-Mix Rx-Mix

AWG(任意波形発生器) リアルタイムオシロHPA HPA

Rx-Lo

SG (Tx-Lo) SG (Rx-Lo)

Up converter Down converter

ミリ波通信ＥＶＭ歪評価システムの構成

歪特性のデジタル補正は「日本テクトロニクス」との協力で実施

22

【例】 80GHｚ帯受信モジュールの評価

QPSK1Gsps

3GHz

1.5Gb/s QPSK変調時のコンスタレーションとスペクトラム(EVM9%)

■受信モジュールのEVM：1.5Gb/sのQPSK変調時に9%以下

（評価系測定限界以下）

８０ＧＨｚ帯モジュール受信系の実測EVM(測定系のＥＶＭを含む）

Tx Rx

80GHz帯ミリ波モジュール写真

HPF

Tx-Lo

Tx-IF RF Rx-IFTx-Mix

AWG(任意波形発生器) リアルタイムオシロHPA

SG (Tx-Lo)

Up converter

DUT Rx

Rx

HPF

Tx-Lo

Tx-IF RF Rx-IFTx-Mix

AWG(任意波形発生器) リアルタイムオシロHPA

SG (Tx-Lo)

Up converter

DUT Rx

RxRx

評価システムとＤＵＴ

0

5

10

15

20

25

30

0 500 1000 1500 2000

Symbol Rate [MHz]

EV

M

[%rm

s]

＜放射型発振装置の構成による簡易型無線装置＞

扇形パッチ石英基板

InP-HEMT

1.1 mm

発振放射周波数 60.4 GHzDC バイアス Vd = 0.5V， Id = 3 mV

RF回路は石英基板上に作製（4.5×4.5mm, 0.25mmt, εr=3.8）InP-HEMT（Lg=100nm、Wg=100μm、Fmax＞250GHz）を使用。

60GHz帯無線モジュール

簡易型ミリ波無線送受信機

■ アンテナと発振回路を機能的に一体化

■ 放射器（アンテナ）を兼ねる共振器部に

トランジスタを直接搭載し、発振出力は直接空間へ放射される構造。

■ IF信号をRF信号に変換する

アップコンバータと、ダウンコンバータの機能を同一の簡易型無線モジュールで実現。

■ IF信号のミリ波無線伝送は、２台（複数）

の簡易型無線モジュールを対向させ、発振放射出力信号の相互注入同期状態とし、

■ IF信号はそれぞれの簡易型無線通信モ

ジュールによりアップコンバート／ダウンコンバートされ、位相雑音の問題を回避できる。

■ 極めて低電力（数mW）動作&損失極小。

23

24

60GHz帯ミリ波簡易無線モジュール間の信号伝送（170MHz正弦波を１MHzで繰り返しOn-Off Keying）

fosc: 60.4GHz

①モニタｰ信号

②受信IF信号

IF信号入力

モジュールＡモジュールＢ

① モニタｰ信号のサイドバンドから

情報は得られない= 大きな位相雑音

相互同期したモジュールBでは、②受信IF信号として送信IF信号が再現される。

相互同期

25

TV-SL Meter

Module A Module B

ISDB-T SG Ex. Mixer

60GHz帯簡易型無線送受信モジュールA & B

地上デジタル放送信号の60GHz帯無線伝送実験

Horn & RF Circuit

DC Bias & IF Circuits

IF Signal

fosc: 60.7GHz

fosc - IF fosc + IF

簡易型無線モジュールAの出力IF信号 (地上デジタル放送25ch：542～548MHz, mode3, 64QAM) の60GHz無線伝送に成功

相互同期


＜シリコンデバイスによるミリ波MMIC＞

＜アダプティブアンテナ＞高利得アンテナと広方位角の両立

ミリ波ﾀﾞｲﾊﾞｰｼﾃｨ受信

ｱﾝﾃﾅ、MMIC夫々に適する異種材料基板積層実装による低ｺｽﾄ化

安価な汎用ｼﾘｺﾝﾃﾞﾊﾞｲｽのﾐﾘ波帯への適用


送受信用アンテナと発振素子の機能的融合による小型一体型ﾓｼﾞｭｰﾙ

アンテナ基板

MMIC実装基板

ミリ波MMIC(送受信回路）

ｱﾀﾞﾌﾟﾃｨﾌﾞｱﾝﾃﾅ制御部

低周波回路


・空間ダイバーシﾃｲによる電波遮断回避・空間電力合成による受信ｴﾘｱの拡大・ｱﾝﾃﾅ角度調整容易化技術

ア）ﾐﾘ波無線ﾓｼﾞｭｰﾙの超低ｺｽﾄ化実現のための基盤的技術



・多種変調に対応する小型発振器と伝送方式・多種変調信号の伝送品質の向上と、

広帯域・多重伝送時の伝送距離の拡大


ﾃﾞｰﾀ

ﾊﾞｯﾃﾘ

発振素子

放射器

■具体的アプリケーションを目指した通信システム構成/通信方式と伝送方式の最適化、

■最適化方式を実現する既存半導体技術（ＧａＡｓ）の活用によるモジュール低コスト化

研究成果の活用例ミリ波帯無線通信による

大容量・Ｇｂｐｓ級超高速データ通信

-CS/BS/地上ﾃﾞｼﾞﾀﾙ多ﾁｬﾝﾈﾙﾊｲﾋﾞｼﾞｮﾝ伝送 (屋内）-

送信機

ミリ波を用いた将来の新分野通信端末へ適用

ミリ波無線通信用モジュール

-携帯無線通信機-

（例) 映画・動画伝送

-集合住宅の多ﾁｬﾝﾈﾙ大容量伝送（屋外）-・伝送距離・広帯域性の確保・１対Ｎ伝送


・Ｇｐｓ伝送に向けた広帯域・低歪MMIC化・LTCCﾓｼﾞｭｰﾙによる量産対応、低ｺｽﾄ化

既存半導体技術（ＧａＡｓ）を活用

局部発振器


信号処理回路

TV(TVﾁｭｰﾅｰ)

局部発振器


26

27

屋外用： 12.0X6.4X5.4 cm

入力側変調信号を再生

fIF=250MHz ～

2100MHz

ミキサフィルタLNA

fIF ～

アンテナ

ミキサ

fRF=59.0 ～61.50GHz

フィルタLNA アンプ【受信側、：特徴】･基準信号抽出によるLocal再生

⇒位相雑音・周波数変動キャンセル・高変換利得の確保・合成ダイバシティ受信の確立・短距離伝送

屋外用：7.3X6.7X4.9 cm

広帯域・低歪IF回路

f0=250 ～ 2070MHz

位相同期

発振器

(PLO)

線形出力：

10 dBm

ミキサ

x5 逓倍器＋アンプ

55.90 （27.95 GHz ）

アンプ

fRF=59.0

fIF2=3490 ～ 5590MHz 変調

信号

fLO =5,590MHz

アンテナ

周波数

変換部

フィルタ

送信アンプ

フィルタ

ミリ波回路

f0=250 ～ 2070MHz 線形出力：

10 dBm

ミキサ


55.90 （27.95 GHz ）

アンプ

fRF=59. ～61.50GHz

fIF2=3490 ～ 5590MHz 変調

信号

fLO =5,590MHz

アンテナ

周波数

変換部

フィルタ

送信アンプ

フィルタ

ミリ波回路

：電力分配器

誘電体共振型発振器（DRO)

【送信側：特徴】･IF帯での基準信号をIF 信号とともに生成

⇒ミリ波伝送時の基準信号として動作・局発：低周波から準マイクロ波信号を生成

屋内用：9.7x3.9x2.7cm屋内用：9.7x3.9x2.7cm

屋内用6.1x3.9x2.2cm

MMICﾓｼﾞｭｰﾙ


屋外用： 12.0X6.4X5.4 cm


fIF=250MHz ～

2100MHz


fIF ～

アンテナ

ミキサ

fRF=59.0 ～61.50GHz



屋外用：7.3X6.7X4.9 cm


f0=250 ～ 2070MHz

位相同期

発振器

(PLO)

線形出力：

10 dBm

ミキサ


55.90 （27.95 GHz ）

アンプ

fRF=59.0

fIF2=3490 ～ 5590MHz 変調

信号

fLO =5,590MHz

アンテナ

周波数

変換部

フィルタ

送信アンプ

フィルタ

ミリ波回路

f0=250 ～ 2070MHz 線形出力：

10 dBm

ミキサ


55.90 （27.95 GHz ）

アンプ

fRF=59. ～61.50GHz

fIF2=3490 ～ 5590MHz 変調

信号

fLO =5,590MHz

アンテナ

周波数

変換部

フィルタ

送信アンプ

フィルタ

ミリ波回路

：電力分配器









fIF=250MHz ～

2100MHz


fIF ～

アンテナ

ミキサ

fRF=59.0 ～61.50GHz fRF=59.0 ～61.50GHz



屋外用：7.3X6.7X4.9 cm


f0=250 ～ 2070MHz

位相同期

発振器

(PLO)

線形出力：

10 dBm

ミキサ


55.90 （27.95 GHz ）

アンプ

fRF=59.0

fIF2=3490 ～ 5590MHz 変調

信号

fLO =5,590MHz

アンテナ

周波数

変換部

フィルタ

送信アンプ

フィルタ

ミリ波回路

f0=250 ～ 2070MHz 線形出力：

10 dBm

ミキサ


55.90 （27.95 GHz ）

アンプ

fRF=59. ～61.50GHz

fIF2=3490 ～ 5590MHz 変調

信号

fLO =5,590MHz

アンテナ

周波数

変換部

フィルタ

送信アンプ

フィルタ

ミリ波回路

：電力分配器




屋内用：9.7x3.9x2.7cm屋内用：9.7x3.9x2.7cm屋内用：9.7x3.9x2.7cm屋内用：9.7x3.9x2.7cm




基礎検討用試作機屋外用：6.2x6.2.x3.4cm


位相同期

発振器

(PLO)

線形出力：

10 dBm

ミキサ


55.90 （27.95 GHz ）

アンプ

fRF=59.0

fIF2=3490～ 5590MHz 変調

信号

fLO =5,590MHz

アンテナフィルタ

送信アンプ

フィルタ

ミリ波回路

：電力分配器

線形出力：

10 dBm

ミキサ


55.90 （27.95 GHz ）

fRF=59. ～61.50GHz

～ 5590MHz 変調

信号

fLO =5,590MHz

アンテナ

送信アンプ

ミリ波回路

【送信側：特徴】IFセルフヘテロダイン型と構成は同様

屋外用： 12.0X6.4X5.4 cm


fIF=50～2100MHz


入力側変調信号を再生ミキサ

フィルタLNA

fIF=2190MHz～4290MHzアンテナ

x3逓倍器＋アンプfLO=28.60GHz

fRF=59.0 ～61.50GHz

LNA

DRO9.5GHz

ミキサ

アンプ

：電力分配・合成器

fIF=50～2100MHz


低域帯通過

基準信号抽出

高域帯通過基礎検討用試作機屋内用：10.7x3.9x2.3cm


基礎検討用試作機屋外用：6.2x6.2.x3.4cm


位相同期

発振器

(PLO)

線形出力：

10 dBm

ミキサ


55.90 （27.95 GHz ）

アンプ

fRF=59.0

fIF2=3490～ 5590MHz 変調

信号

fLO =5,590MHz

アンテナフィルタ

送信アンプ

フィルタ

ミリ波回路

：電力分配器：電力分配器

線形出力：

10 dBm

ミキサ


55.90 （27.95 GHz ）

fRF=59. ～61.50GHz

～ 5590MHz 変調

信号

fLO =5,590MHz

アンテナ

送信アンプ

ミリ波回路

【送信側：特徴】IFセルフヘテロダイン型と構成は同様

屋外用： 12.0X6.4X5.4 cm


fIF=50～2100MHz



フィルタLNA



fRF=59.0 ～61.50GHz

LNA

DRO9.5GHz

ミキサ

アンプ

：電力分配・合成器

fIF=50～2100MHz


低域帯通過

基準信号抽出

高域帯通過


フィルタLNA



fRF=59.0 ～61.50GHz fRF=59.0 ～61.50GHz

LNA

DRO9.5GHz

ミキサ

アンプ

：電力分配・合成器：電力分配・合成器

fIF=50～2100MHz


低域帯通過

基準信号抽出

高域帯通過基礎検討用試作機屋内用：10.7x3.9x2.3cm

屋内用：9.7x3.9x2.7cm屋内用：9.7x3.9x2.7cm屋内用：9.7x3.9x2.7cm屋内用：9.7x3.9x2.7cm

基本回路構成のまとめ

方式の違いによる伝送距離特性各水平線はブロック雑音生ずる限界CN値（送受ｱﾝﾃﾅ利得各々23dBi：地上ﾃﾞｼﾞﾀﾙ７波、BS・CS110は全波伝時）

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

BS

CS

地上波

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

BS

CS

地上波

距離(m)

距離(m)

CN

(dB

)C

N(d

B)

（a）IFｾﾙﾌﾍﾃﾛﾀﾞｲﾝ方式

（b）（擬似）ﾍﾃﾛﾀﾞｲﾝ方式

80m程度

120m程度


28

項目ＳｉＢＥＡＭＲＦボード

（RF CMOSIC、ﾋﾞ－ﾑｽﾃｱﾘﾌﾞ方式）

合成ダイバーシティ2x2（ＧａＡｓ HEMTMMIC）

反射板を用いた簡易伝送方式（ＧａＡｓ HEMTMMIC）

チップ面積送信側、受信側とも：12mmx12mmﾜﾝﾁｯﾌﾟ

TX：1.1x1.9mm ﾏﾙﾁﾁｯﾌﾟ

RX：1.1x3.3mm ﾜﾝﾁｯﾌﾟ



復帰時間の短縮

リンク遮断時、回復に２０秒程度必要（ビームステアリング方式による演算処理のため）

無遅延

（MAC・ベースバンド回路に依存）

無遅延

（ MAC・ベースバンド回路に依存）

低消費電力化(無線部）

4.3W(Tx)／3.7W(Rx)3.0W(Tx)／1.5W(Rx) 1.5W(Tx)／0.75W(Rx)

モジュールの構成

ﾋｰﾄｼﾝｸ＆ﾌｧﾝが必須（ｱﾝﾌﾟの効率低、ﾁｯﾌﾟ面積大のため）

ﾋｰﾄｼﾝｸ＆ﾌｧﾝは不必要（基板によるサーマルビアで対応）


伝送品質ﾘﾝｸの状態により75%伝送速度を低下(画質低下)

ﾘﾝｸの状態かかわらず伝送速度一定(画質一定：合成ﾀﾞｲﾊﾞｰｼﾃｨのため)

ﾘﾝｸの状態かかわらず伝送速度一定(画質一定：固定通信のため)

伝送距離１0ｍ（実力値）～200ｍ（アンテナ利得に依存） 100m（アンテナ利得に依存）

備考

・屋内では見通し外通信

（屋外では見通し内通信）

・ﾁｯﾌﾟｻｲｽﾞ大、歩留まりに課題

・人の横切り遮断OK

・見通し外通信も対応可能

人の横切り遮断OK


開発した合成ダイバーシティ、反射伝送方式と、競合技術との比較：メリット＆デメリット


29

2x2送受信ダイバーシティ方式検討（重み付け合成）

2x2送受信ダイバーシティ方式検討：IF自己ヘテロダイン方式の送信・受信機各2台で構成

角度拡大の概念図

広指向角化

干渉

ミリ波

送信機

干渉

ミリ波

ミリ波

★同相合成で干渉回避可能?

TVRX2

RX1

重み付け合成

RX2

RX1

RX2

RX1 1.5dB減衰器

6dB減衰器

左ｱﾝﾃﾅ21dBi

右ｱﾝﾃﾅ21dBi5.59GHz

Rx：ｱﾝﾃﾅ21dBi（IF自己ﾍﾃﾛﾀﾞｲﾝ受信機)

TX:送信機

《所望信号と基準信号の送信》・fRF=fIF+fLo+fsti・fstr=fLo+fsti

基準信号源

・複数のミリ波モジュールのアンテナ出力を同相合成

・送信モジュールの設置方向と間隔を変えることで広指向角化を実現

出力

左右ともに同位相・同レベルの基準信号で、ミリ波モジュール部（LO、RF信号）を駆動

約10ずつ開く

TVｱﾝﾃﾅ端子へ

TV

変調信号源

RX左

受信機の方向

送信機は受信機方向へ

RX右

・送信側：合成ダイバーシティ・受信側：合成ダイバーシティ

見通し外通信OK

高さ1m

TX(80cm)x2

RX左

受信機の方向

送信機は受信機方向へ

RX右

・送信側：合成ダイバーシティ・受信側：合成ダイバーシティ

見通し外通信OK

高さ1m

TX(80cm)x2TX(80cm)x2

ＮＧＮＧ●

ＮＧＯＫ●

ＯＫＯＫ●

見通し外伝送見通し伝送

ＮＧＮＧ●

ＮＧＯＫ●

ＯＫＯＫ●

見通し外伝送見通し伝送

8x4m２０畳相当の部屋で確認

★リンクの状態にかかわらず、伝送レートは一定。★人による遮断、OK.※トータル1.1Gbpsの信号で確認

RX:受信機

30

H・V偏波ダイバーシティ（映像の映像伝送実験では、夫々1080iHD映像、計3Gbpsを伝送）

H偏波送信機（○）とV偏波送信機（○）

H偏波受信機（○）とV偏波受信機（○）および受信映像

A

B

B A

◎2chの良好な画像伝送特性(計3Gbps)を確認

V偏波TXﾓｼﾞｭｰﾙA

SW

RXﾓｼﾞｭｰﾙA

TXﾓｼﾞｭｰﾙB

RXﾓｼﾞｭｰﾙB

V偏波

H偏波

H偏波

BB・復調

変調・BB

CP

V偏波TXﾓｼﾞｭｰﾙA

SW

RXﾓｼﾞｭｰﾙA

TXﾓｼﾞｭｰﾙB

RXﾓｼﾞｭｰﾙB

V偏波

H偏波

H偏波

BB・復調

変調・BB

CP

HV偏波送受信システムの構成（CP：結合器､BB：ｱﾅﾛｸﾞﾍﾞｰｽﾊﾞﾝﾄﾞ部）

★HV偏波ダイバーシティ＋300MHz周波数シフトを採用★変調・復調は、簡易的にASK変復調(1.5Gpsx2）を使用（できれば位相変調が好ましい）

31

反射による屋内伝送方式の検討 (45度反射板15cmx15cmの利用）

1段反射

2段反射

４５度反射板

送信機は天井と平行に放射

反射板の真下に来るように、送信機を配置

ミリ波送信機

反射板は、信号を真下に反射

天井

レベル調整器

TVラックの上に受信機を配置

ミリ波受信機

４５度反射板天井

送信機は天井と平行に放射

ミリ波送信機反射板は、信号を真下に反射

TVラックの上に受信機を配置

ミリ波受信機レベル調整器

◎特徴1.反射伝送により人物による遮断を回避2.送信機、受信機の設置が容易（とくに２段反射）

※1段反射と2段反射は現場の状況により使い分け

3.反射伝送方式RF伝送（放送信号の伝送）★他の60GHzアプリ（Wireless HD)との併用も可能

7.2m

平均

CNR [

dB]

送信機から天井までの距離 [cm]

地デジBSCS

測定値限界値

30 5 10 15 20 25 30

5

10

15

20

25

30

送信機と天井との距離を変化させながら・地デジ、BS、CSのCN比を測定。

天井反射の影響の軽減：送信機設置位置：天井から 5cm～20cm!!!が最適

（送信機のアンテナ利得高いほうが、天井からの反射の影響小さい。）

TXアンテナ±15度(16dBi)の場合

32

一段反射0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

0 1 2

減衰板枚数[枚]

CN

比[d

B]

一段反射

-66.0

-56.0

-46.0

-36.0

-26.0

-16.0

-6.0

0 1 2


LEV

EL[d

Bm

]

二段反射

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2


CN

比[d

B]

二段反射

-66

-56

-46

-36

-26

-16

-6

0 1 2


LEV

EL[d

Bm

]

9m 18m 36m9m 18m 36m

10m 20m 40m 10m 20m 40m

1段反射

2段反射

1段反射

2段反射

●地上デジタル、◆BS放送 ▲CS放送、各色の点線：各放送波の限界CN

反射板によるミリ波伝送特性

※横軸はトータル伝送距離(減衰板の損失から算出）、入力信号は、放送波信号CN値＞27dB。※送受信機は屋外用で送信･受信アンテナ利得は23dBi

★15cmx15cmの反射板を用いたとき、1段反射、2段反射ともほぼ同等なCN特性示す。★受信CN特性は良好。

33

反射板15cmx15cm

受信機（ラックの上）

★送受信機の設置（送・受信機設置は簡単）

★人の遮断の影響無し（録画もOK)

※45度反射板発布ポリスチレン＋アルミ

フォイル等により軽量化

送信機

送信機

受信機

ミリ波受信機（裏面）

・送受信機の設置（回転･調整機能が複雑）

・人の遮断の影響有るため録画は厳しい

ミリ波伝送設置事例（直接・反射伝送）

《直接伝送》《1段反射伝送》

34

項目ＳｉＢＥＡＭＲＦボード

（RF CMOSIC、ﾋﾞ－ﾑｽﾃｱﾘﾌﾞ方式）

合成ダイバーシティ2x2（ＧａＡｓ HEMTMMIC）

反射板を用いた簡易伝送方式（ＧａＡｓ HEMTMMIC）

チップ面積送信側、受信側とも：12mmx12mmﾜﾝﾁｯﾌﾟ





復帰時間の短縮

リンク遮断時、回復に２０秒程度必要（ビームステアリング方式による演算処理のため）

無遅延

（MAC・ベースバンド回路に依存）

無遅延

（ MAC・ベースバンド回路に依存）

低消費電力化(無線部）

4.3W(Tx)／3.7W(Rx)3.0W(Tx)／1.5W(Rx) 1.5W(Tx)／0.75W(Rx)

モジュールの構成

ﾋｰﾄｼﾝｸ＆ﾌｧﾝが必須（ｱﾝﾌﾟの効率低、ﾁｯﾌﾟ面積大のため）



伝送品質ﾘﾝｸの状態により75%伝送速度を低下(画質低下)

ﾘﾝｸの状態かかわらず伝送速度一定(画質一定：合成ﾀﾞｲﾊﾞｰｼﾃｨのため)

ﾘﾝｸの状態かかわらず伝送速度一定(画質一定：固定通信のため)

伝送距離１0ｍ（実力値）～200ｍ（アンテナ利得に依存） 100m（アンテナ利得に依存）

備考

・屋内では見通し外通信

（屋外では見通し内通信）

・ﾁｯﾌﾟｻｲｽﾞ大、歩留まりに課題

・人の横切り遮断OK


人の横切り遮断OK


開発した合成ダイバーシティ、反射伝送方式と、競合技術との比較：メリット＆デメリット


35

※1Fの庭での簡易的なレベル&CNチェック各 ch で 70dBμV （ -39dBm) 以上、地上デジタルでCN24dB以上を確認

ミリ波送信部

C系統実験全景複数のミリ波受信系

ミリ波受信部

測定器設置

測定器設置

《埼玉県所沢市》

屋外縦系60GHz帯地上デジタル放送対応映像無線伝送システムの実用化試験

伝送距離特性と小型化試作、ﾋﾞﾙ・ﾏﾝｼｮﾝ用地ﾃﾞｼﾞ改修のため実施試験（14階建)

36

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

7/19 00

7/20 00

7/21 00

7/22 00

7/23 00

7/24 00

7/25 00

7/26 00

7/27 00

7/28 00

7/29 00

7/30 00

7/31 00

8/1 00

8/2 00

8/3 00

8/4 00

8/5 00

8/6 00

8/7 00

8/8 00

8/9 00

8/10 00

8/11 00

8/12 00

8/13 00

8/14 00

8/15 00

8/16 00

8/17 00

8/18 00

8/19 00

8/20 00

8/21 00

8/22 00

8/23 00

8/24 00

8/25 00

8/26 00

8/27 00

8/28 00

8/29 00

8/30 00

8/31 00

9/1 00

9/2 00

9/3 00

9/4 00

9/5 00

9/6 00

9/7 00

9/8 00

9/9 00

9/10 00

9/11 00

9/12 00

9/13 00

9/14 00

9/15 00

9/16 00

9/17 00

9/18 00

9/19 00

9/20 00

9/21 00

9/22 00

9/23 00

9/24 00

9/25 00

9/26 00

9/27 00

9/28 00

9/29 00

10/25 20

10/26 20

10/27 20

10/28 20

10/29 20

10/30 20

10/31 20

11/1 20

11/2 20

11/3 20

11/4 20

11/5 20

11/6 20

11/7 20

11/8 20

11/9 20

11/10 20

11/11 20

電力

レベ

ル[d

Bm

]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

C/N

[dB

]

地上波

-60

-55

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

7/19 00

7/20 00

7/21 00

7/22 00

7/23 00

7/24 00

7/25 00

7/26 00

7/27 00

7/28 00

7/29 00

7/30 00

7/31 00

8/1 00

8/2 00

8/3 00

8/4 00

8/5 00

8/6 00

8/7 00

8/8 00

8/9 00

8/10 00

8/11 00

8/12 00

8/13 00

8/14 00

8/15 00

8/16 00

8/17 00

8/18 00

8/19 00

8/20 00

8/21 00

8/22 00

8/23 00

8/24 00

8/25 00

8/26 00

8/27 00

8/28 00

8/29 00

8/30 00

8/31 00

9/1 00

9/2 00

9/3 00

9/4 00

9/5 00

9/6 00

9/7 00

9/8 00

9/9 00

9/10 00

9/11 00

9/12 00

9/13 00

9/14 00

9/15 00

9/16 00

9/17 00

9/18 00

9/19 00

9/20 00

9/21 00

9/22 00

9/23 00

9/24 00

9/25 00

9/26 00

9/27 00

9/28 00

9/29 00

10/25 20

10/26 20

10/27 20

10/28 20

10/29 20

10/30 20

10/31 20

11/1 20

11/2 20

11/3 20

11/4 20

11/5 20

11/6 20

11/7 20

11/8 20

11/9 20

11/10 20

11/11 20

電力

レベ

ル[d

Bm

]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

C/N

[dB

]

BS

-60

-20

7/19 00

7/20 00

7/21 00

7/22 00

7/23 00

7/24 00

7/25 00

7/26 00

7/27 00

7/28 00

7/29 00

7/30 00

7/31 00

8/1 00

8/2 00

8/3 00

8/4 00

8/5 00

8/6 00

8/7 00

8/8 00

8/9 00

8/10 00

8/11 00

8/12 00

8/13 00

8/14 00

8/15 00

8/16 00

8/17 00

8/18 00

8/19 00

8/20 00

8/21 00

8/22 00

8/23 00

8/24 00

8/25 00

8/26 00

8/27 00

8/28 00

8/29 00

8/30 00

8/31 00

9/1 00

9/2 00

9/3 00

9/4 00

9/5 00

9/6 00

9/7 00

9/8 00

9/9 00

9/10 00

9/11 00

9/12 00

9/13 00

9/14 00

9/15 00

9/16 00

9/17 00

9/18 00

9/19 00

9/20 00

9/21 00

9/22 00

9/23 00

9/24 00

9/25 00

9/26 00

9/27 00

9/28 00

9/29 00

10/25 20

10/26 20

10/27 20

10/28 20

10/29 20

10/30 20

10/31 20

11/1 20

11/2 20

11/3 20

11/4 20

11/5 20

11/6 20

11/7 20

11/8 20

11/9 20

11/10 20

11/11 20

0

5

10

15

20

25

30

35

40

温度

℃降

水量

mm

伝送距離25m、10分ごとの測定値

放送休止

データ取得のための測定系停止

衛星開始 0次試作機での評価試験（08年7月～11月）

★地上デジタル放送の降雨減衰による瞬断なし★受信CN値、余裕あり良好な特性

限界CN値

37

*周波数シフトさせることによって交差偏波特性の改善⇒交差偏波比（干渉波除去比）30dB以上を確保

横系への展開：ミリ波簡易ギャプフィラー、カバーエリアの拡大

V：垂直偏波

HF：水平偏波+周波数400MHzシフト(*)

垂直偏波を送信

水平偏波を送信

送信機を90度回転ビル陰による難視聴区域

ミリ波受信機

水平（H)、垂直(V)偏波方式：水平偏波と垂直偏波特性の利用して、重なるビームエリアの干渉除去

HF

遠距離はパラボラアンテナ搭載

～400m

50m

21m

3m

H5

H8

H7

H6

V1

V2

V3

V4

V偏波TX(高さ：1.5m)

H偏波TX(高さ：1.5m)

ビームの方向

CN：23.1ｄB

CN：23.9dB

CN：29.6dB

CN：27.5dB

CN：27.9dB

CN：29.7dB

CN：28.6dB

CN：27.0dB

V：垂直偏波

HF：水平偏波+周波数400MHzシフト

3m

50m

21m

3m

H5

H8

H7

H6

V1

V2

V3

V4

V偏波TX(高さ：1.5m)

H偏波TX(高さ：1.5m)

ビームの方向

CN：23.1ｄB

CN：23.9dB

CN：29.6dB

CN：27.5dB

CN：27.9dB

CN：29.7dB

CN：28.6dB

CN：27.0dB

V：垂直偏波

HF：水平偏波+周波数400MHzシフト

3m

2つのカバーエリアの範囲を測定により算出

（地上デジタル放送のCN値(dB)を評価、限界CN値は18dB）

◎H､V偏波方式によるカバーエリア拡大、実験による確認

・TXアンテナ：23dBi・RXアンテナ：23dBi

★伝送距離50mでカバーエリアは約21m

⇒エリア拡大効果を確認

★受信アンテナ利得を増大により、さらに、

伝送エリアを効果的に拡大すること可能

（場所：駐車場）

RXの高さ：約1.3m

V

38

APDPﾐｷｻ（1.6mm×1.1mm)

１チップ受信MMIC（1.1x3.3mm）

５逓倍器（1.9mm×1.1mm)

パワーアンプ（1.9mm×1.1mm)

ばらつきを考慮した小型送受信MMICの設計による量産技術確立

測定チップの概略位置(エキスパンドした状態)

-40 -30 -20 -10 0Power (dBm)

PA_P

-20

-10

0

10

20

-7.159 dBm17.26 dBm

DB(|Pcomp(PORT_2,1)|)[*,X,*] (dBm)LNAT07B_P

80%90%

MIM C: 100%110%120%

0 10 20 30 40 50 60 70Frequency (GHz)

PA_F

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

5061.5 GHz29.4 dB

59 GHz28.1 dB

DB(|S(1,1)|) (L)LNAT07B_FDB(|S(2,1)|) (L)LNAT07B_FDB(|S(2,2)|) (L)LNAT07B_FDB(|S(1,2)|) (L)LNAT07B_FK() (R)LNAT07B_Y Vg: -0.15V Vd: 3.0V

80%90%

MIM C: 100%110%120%

BAND WIDTH

K

周波数特性

出力パワー特性

MIM容量の変化による特性のばらつきシミュレーション

0 10 20 30 40 50 60 70Frequency (GHz)

Mes

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50DB(|S(1,1)|)measure

DB(|S(2,1)|)measure

DB(|S(2,2)|)measure

DB(|S(1,2)|)measure

Id=130mA

55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65Frequency (GHz)

Mes_2

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

DB(|S(2,1)|)measure

6

0

1

3

4

5

BANDWIDTHId=130mA

1

4

3

5 60

2.2cm4.4cm

5.0cm

2.5cm3.0cm

8.7cm

2

2.5cm

実測評価結果

拡大

《小型化》31.9×1.1mm0.15μmプロセス

《小型化》1.6×1.1mm★0.5μmプロセスの採用

《小型化》3.3x1.1mmの1チップ構成、015μmプロセス

《小型化》1.9×1.1mm★0.5μmプロセスの採用

送信部：3-CHIP構成

受信部：1-CHIP構成

ばらつき設計

★低コストMMIC設計技術確立(1）MMICｻｲｽﾞの小型化(2)送信側３-CHIPﾓｼﾞｭｰﾙは、０．５μmﾌﾟﾛｾｽと０．１５μmﾌﾟﾛｾｽの併用

μm

39

導波管開口部の構成により、導波管モードへ変換（測定治具の接続や、2次ｱﾝﾃﾅとしてﾎｰﾝｱﾝﾃﾅ､ﾚﾝｽﾞｱﾝﾃﾅを構成）

（送信側：表面）（送信側・受信側裏面）

ミリ波MMIC (3chip構成）

（受信側：表面）

μストリップパッチアンテナ

ミリ波MMIC(1chip構成）

★アンテナとRFICを一体化し、低損失化と実装バラツキ低減し、60GHzRF部とアンテナの性能を確保。

小型化アンテナ一体化モジュール（9x9mmへ小型化)

機構部品、レンズアンテナ及びアンテナキャップ

★低コスト新規ダイキャスト構造と、レンズアンテナ、ホーンキャップ構造⇒屋外での信頼性向上と送信機の放熱向上、量産化への対応（ミリ波低コスト量産化技術を確立）

モジュールの小型化及び、ダイキャストによる低コスト量産技術の確立

送信機(TX)の構成受信機(RX)の構成

5.59GHz DRO発振器ｱﾝﾃﾅ一体型MMICﾓｼﾞｭｰﾙ

ｱﾝﾃﾅ一体型MMICﾓｼﾞｭｰﾙ

40

知的財産への取り組み

学会発表および投稿

国内学会 13件（通信学会など）

国際学会 4件（ISSCC,RFICなど）

特許出願 34件

新聞報道・取材対応 5件（日経エレ、日刊工業新聞など）

展示会 1件 (CEATEC）

41

本プロジェクトにより開発された技術の相乗効果と今後の展開

ﾐﾘ波無線ﾓｼﾞｭｰﾙの超低ｺｽﾄ化実現のための基盤的技術

＜シリコン化ミリ波MMIC＞＜異種材料統合モジュール＞

＜アダプティブアンテナ＞ﾌﾞﾛｰﾄﾞﾊﾞﾝﾄﾞﾃﾞｨｼﾞﾀﾙ映像無線

伝送用ﾓｼﾞｭｰﾙの低ｺｽﾄ化技術＜ｷﾞｶﾞﾋﾞｯﾄ伝送用ダイバーシティ＞



＜シリコン化ミリ波MMIC＞

＜異種材料統合モジュール＞＜アダプティブアンテナ＞＜シリコン化ミリ波MMIC＞


＜ｷﾞｶﾞﾋﾞｯﾄ伝送用ダイバーシティ/システム構成＞＜通信・伝送方式＞

＜モジュール技術＞

＜簡易通信方式＞


ﾐﾘ波無線ﾓｼﾞｭｰﾙの超低ｺｽﾄ化実現のための基盤的技術

今後、新規を含む各種ミリ波アプリケーション実用化に向けた個別開発課題の推進と、個々の技術の標準化、技術基準の策定が必要となると考えられる。

ミリ波実用化拡大に向けた更なる小型低コスト化への基盤を確立

基盤技術の確立

2009年実用化

ミリ波帯無線装置の低コストの 小型ワンチップモ...

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ミリ波帯無線装置の低コストの小型ワンチップモ...