东京工业大学的冈田健一教授与日本电气公司共同开发了用于第5代移动通信系统（5G）的毫米波段相控阵无线通信器件。5G计划与微波频率一起共用毫米波频段。毫米波段用5G无线通信器件通过控制向阵列状配置的天线所输入输出的高频信号相位，来控制天线的方向图。以前要想高精度控制方向性，需要大规模的装置，而此次提出了紧凑型电路方案，能补偿造成方向图劣化的相位及振幅的波动，并与无线通信器件成功进行了整合。
利用该电路，能以相位为0.08度的极高精度控制天线元件的信号。无线通信设备利用低成本的硅CMOS（互补型金属氧化物半导体）工艺制作。该技术可配备于5G使用的各种无线通信设备，可以说是一项能加速毫米波段5G普及的成果。
相关研究成果已在6月2日开始于美国波士顿举行的国际会议RFIC（IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium 2019）上发表，并获得了最优秀论文奖。
在此次的研究中，通过提前实施信号预处理，能通过采用相对低速的AD转换器和计数器的相位检测电路，对振幅和相位进行高精度检测。由于能将此前进行相位检测所需的高精度模拟量检测转换成CMOS电路的超高时间时分辨率，然后进行数字处理，所以利用紧凑型电路实现了内置高精度补偿机构的5G用毫米波段相控阵无线通信器件。
研究小组利用最小布线半间距为65nm的硅CMOS工艺试制了此次的相控阵无线通信器件，并在12平方mm的小面积上配备了4组相控阵无线通信器件（图1）。与现在已开始面向5G应用的28GHz频段加在一起，预计今后39GHz频段的应用将扩大。新开发的CMOS无线收发芯片可用于39GHz频段，饱和输出功率为15.5dBm。
图1：5G用39GHz频段相控阵无线通信设备
为实施传输试验，研究小组制作了配备CMOS芯片的评测基板（图1）。通过在电波暗室内间隔1m的距离相对设置2个模块，并使新提出的补偿电路运行，实施了数据传输试验。根据试验结果确认，补偿电路的特性非常优异，相位为0.08度、振幅为0.04dB，通过控制各天线的相位振幅，能以0.1度的精度调节电波的辐射方向。另外，最大的0度方向的EIRP为53dBm。
固定的波束成形以400MHz 256QAM的5GNR信号实现了EVM＝-30dB。耗电量方面，每枚芯片发送信号时为1.5W，接收信号时为0.5W。
此次开发的无线通信设备削减了相控阵使用的CMOS芯片的面积，有助于5G无线通信设备实现小型化和低成本化。今后将以用于5G通信设备为目标，力争2020年前后实现实用化。另外，波束成形的关键——多种天线和收发器的补偿技术除5G外，还可应用于各种无线通信，被认为能有效实现通信设备的小型化和低成本化。
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文：JST客观日本编辑部
