【技術記事】5Gが様々な産業分野の ミリ波技術を推進

Technical Article 5Gが様々な産業分野の ミリ波技術を推進 Keith Benson、アンプ製品ディレクタ 概要 同様に、衛星通信分野では、対地同期赤道上軌道（GEO）衛星、 今日、世界のテクノロジは、問題を解決し性能向上を図るた つまり静止衛星の概念を離れ、より高いデータ・スループットと めに、より高い周波数域へと向けられています。通信や防衛な より広い通信可能領域を実現する低地球軌道（LEO）衛星の研究 ど、数多くの産業分野における極めて困難な要求を解決するも を進めることによって、技術の移行が進みつつあります。これは、 のとして期待されているのが、ここに示すミリ波帯の周波数で 1つまたは多くて数個のGEO衛星を地球軌道に投入するという す。5G通信システムには、防衛産業の企業が同様のニーズを 概念から、所定のネットワークに対し場合によっては数千個の衛 持つ様々なアプリケーションについて行ってきた長年の研究の 星を投入するという概念へ移行するものです。現在では、広帯域 成果が生かされています。通信リンクにおいては、常に既存技 インターネット用に数多くの事業者が新しいLEO衛星群の製造を 術より高いデータ・レートが求められており、ソリューション 試みていますが、これらの衛星の供給を競っている企業の多くは、 は28GHz帯と39GHz帯へ移行しつつあります。 防衛用の情報収集および通信に不可欠なGEO衛星群を完成させ たのと同じ防衛産業企業です。 高周波数域のIC開発が進められた結果、軍が戦場において取 り組むべき技術の数が増加しています。海上に取り残された隊 異なる目的で開発された技術の利点を活用するというこのサイク 員の救助といった防衛用アプリケーションでは、より明確に物 ルは、様々な市場で見られるようになっており、これは今後も続 体を識別できる高周波レーダーの分解能向上が大きな利点とな くものと思われます。以下では、ミリ波周波数が、なぜ防衛分野 ります。更に、電気通信用に設計された多くのICは、容易に と通信分野両方の助けとなるのかを考えてみます。 展開できるように、低コストで量産に適したものでなければな りません。これらすべての取り組みには、そのソリューション 高い周波数が高いデータ・レートと がアプリケーションの要求をすべて満たすことを確認するため 広い通信帯域幅を実現 のテスト装置が必要になります。 過去20年間でモバイル通信が急速に普及する中、絶えずより高 本稿では、いかに多くの産業が共有技術に貢献しているか、ま いデータ・レートが求められてきました。数年ごとに新たなワイ た、それらの技術に対応しているかについて、その概要を示し ヤレス規格が導入され、それによってデータ・スループットを増 ます。また、ICサプライ・チェーン自体と、ICサプライ・チェー やすための新たなプロトコルが定められてきたのです。これらの ンがこれらの新しい要求にどのように対応しているのかについ スループットの改善は、その多くが、複数の情報を同時に伝送で て検討します。更に、ミリ波帯が今日の課題をどのように解決 きる、より高度な変調方式に関連付けられています。変調方式が するのかを示し、これを可能にするアナログ・デバイセズの技 より高度になるのに伴い、より多くのデータを伝送できるように 術の例を紹介します。 なります。しかし、変調方式をいくら複雑にしても、やがてはス ループットの大幅な向上は望めなくなってしまいます。したがっ ワイヤレス・エレクトロニクスが織り成す世界 て、信号を変調する一般的な方法は、搬送波周波数周辺の周波 数範囲に信号を拡散することです。結果として、スループットを 産業界においては、別の産業用のアプリケーションとして開発さ 改善するもう1つの方法は、変調信号をより広い周波数範囲に拡 れた技術の恩恵を受けることが多々あります。電子レンジの発明 散することによって、その帯域幅（FBW）を広げることです。信は、レーダーの研究をしていたエンジニアが、テスト中に自分の 号を拡散できる量を継続的に増加させるには、範囲がDC未満と 昼食が溶けてしまったことに気付いたことが発端だと言われてい なってしまわないよう搬送波周波数（FC）を高くする必要があり ます。現在、5G通信においてこれと同じことが起きており、防 ます。より高い周波数を使用することによって、より多くのデー 衛産業がフェーズド・アレイ・アンテナで生み出した利点を生か タを同時に送信可能にするこの方法によって、アプリケーション そうという努力が続けられています。将来的には、5Gの進歩に もミリ波帯へ移行しつつあります。 よって今度は防衛産業が新しい技術を実現し、両者の間に循環的 な関係が生まれる可能性が十分にあります。 VISIT ANALOG.COM/JP

子戦の主な役割は、脅威を監視し、こちらが発見されないように しながら、それらの脅威に対して電子的な妨害を加えることにあ ります。脅威は様々な周波数でもたらされる可能性があるので、 監視装置と、それに続いて使われることになる妨害装置は、広い 動作周波数範囲に対応できる必要があります。 長年にわたり防衛用に使われてきた重要技術は5G通信に望ま しいものとなっています。フェーズド・アレイ・アンテナの技術 は、そのいくつかの特徴から5Gにとって望ましいものですが、 DC –FBW FC +FBW それらの特徴は防衛産業にとっても貴重です。これらの重要属性 図1　搬送波周波数を中心とする変調帯域幅 には、複数のデータ・ストリームや放射パターンを送信できる能 力が含まれます。これは、防衛用途においてはジェット戦闘機が 5Gが電子戦に及ぼす影響 複数目標を同時に追尾することを可能にし、5G通信においては 今日の軍事的紛争には電子技術が多用される傾向にあり、電子戦 複数ユーザに同時にデータを送信することを可能にします。同様 という概念がよく聞かれるようになっています。その重要な要素 に、防衛用途では、エネルギーを一方向に指向して、検知や妨害 の1つがレーダーで、これは信号を送ってその反射を待ち、レー の可能性を低く抑えることのできるビームが必要とされます。電 ダー到達範囲のマップを作成するものです。レーダー・システム 気通信では、これらのビームによって、情報をより効率的にユー は過去100年以上にわたって発達してきた技術で、その主な利点 ザへ送ることができるので、消費電力が少ないという利点が得ら は、人間が見ることのできる範囲をはるかに超えて物体を検知し、 れます。また、どちらの用途でも、ほぼ瞬時にビーム配置を変更 その位置を把握できることです。これにより、レーダーを運用す できることは大きな利点となります。通信産業と防衛産業の両方 る側は、レーダーを持たない敵よりもはるかに優位に立つことが にとって利点となることはこの他にも多数あり、それがこの技術 できます。このような理由から、レーダー技術は長きにわたって を魅力的なものにしています。 継続的に発展を遂げてきました。その結果、今日では毎日の天気 予報や航空交通管制をはじめ、自動車産業において車体と障害物 5GがICに及ぼす影響 間の距離測定にレーダーを用いるなど、新しい用途にも広くレー 今日の世界はモバイル通信に大きく依存しています。この5Gセ ダーが使われるようになっています。UHFやVHFを使用する従 ルラ・インフラストラクチャを支える先進技術は、図2に示すよ 来型の低周波レーダー・システムは、非常に長い距離をカバーす うに、多くの通信機器プロバイダとそのICベースのサプライ・ る早期検知レーダーとして使われてきました。高速の航空機では、 チェーンにとって大きな成長分野となります。この大幅な成長の 分解能が高くアンテナが小さくて済むXバンドの周波数（8GHz 機会は、これらの次世代製品を実現するために数百万ドル、ある ～12GHz）が多用されます。ミサイル使用時の誘導および照準 いは恐らく数十億ドルに達する投資を引き出してきました。これ 用としてジェット戦闘機に使われるレーダー・システムの多くは、 らのシステムを作り上げる中心的コンポーネントが、ネットワー Kaバンドの周波数（33GHz～37GHz）で動作します。現在は、 クを通じてデータを転送するICです。図2に示すように、ICサプ 各種兵器やミサイルの誘導用として94GHz帯の開発が盛んに ライ・チェーンの各側面で変化と発展が続けられています。この なっています。レーダー・システムがより高い周波数帯へ移行す ような製品の最終テスト・ソリューションにファウンドリ・プロ ることには複数の利点がありますが、物体識別能力に関する特性 セスが使用可能であることをはじめ、これらの製品を支える技術 評価の助けとなる距離分解能や角度分解能に着目すると、その利 に大幅な革新が実現されています。 点が理解できます。高周波数への移行の第一の利点は、同じ角度 分解能でアンテナ・サイズを小型化できることであり、これは小 ウェーハ製造サービスを提供する様々な半導体ファウンドリはIC さい兵器にも組み込めるという点で重要です。別の見方をすると、 用の素材を製造しており、常に革新を続けています。多くのファ 周波数を高くすれば、同じアンテナ・サイズで角度分解能を向上 ウンドリが、この5G技術に挑戦し実現する新しいプロセス技術 できるということです。レーダーの距離分解能は変調帯域幅に比 を開発してきました。このような改善の一例としては、電子ビー 例し、既に述べたように、周波数を高くすればそれだけ分解能も ム・リソグラフィよりコスト効果の高いフォトリソグラフィへの 向上します。したがって、アプリケーションがより高い分解能を 移行を挙げることができます。もう1つの利点は、価格が重視さ 必要としている場合は、より高い周波数への移行が有効です。 れるこの市場で競合できるように、1つのプロセス・ノードに新 しい機能を組み込めることです。 従来、各企業は防衛用の電子戦システムに2GHz～18GHzの帯 域を使用してきました。この帯域はS、C、X、Kuバンドのレー IC設計は、新しいプロセス技術の登場に伴って進歩します。1つ ダーをカバーします。脅威の範囲が広がるにつれて、これを監 のプロセス・ノードで新しい機能が使用できるようになると、IC 視し、最終的には対処するための電子機器も広がりを見せていま 設計者は、複数の特定機能を組み合わせて1つの製品に組み込ん す。28GHzと39GHzで動作する5G機器は、ミサイル誘導に使 だり、それまでよりも高い性能をコア・トランジスタから引き出 われる既存のKaバンド周波数に近いものとなっています。結果 したりすることができるようになります。これらのトレンドは、 として、電子戦システムに関する新たな要求事項は、24GHz～ 最終的には、より集積度が高く展開も容易なチップの製造を可能 44GHzの5G周波数をカバーする範囲まで広がるものと見込ま にします。ミリ波帯への拡張に伴ってパッケージングのコスト低 れ、これらの周波数で使用可能で、防衛用途への転用が検討され 減という利点が得られることも魅力的な点で、これによってアセ るような電子機器が増加すると思われます。ほとんどの場合、電 ンブリも容易になります。従来のミリ波帯の防衛用アセンブリは 2　 5Gが様々な産業分野のミリ波技術を推進

Fabs Create IC Design Adapts Advanced SMT New Test Solutions More Available New Process Nodes and Innovates Packaging Created Developed mmWave Products 図2　5G ICサプライ・チェーン 30 45 40 25 35 20 30 15 Cold 25 –40°C Ambient +25°C Hot +85°C 10 20 23 24 25 26 27 28 29 30 31 23 24 25 26 27 28 29 30 Frequency (GHz) Frequency (GHz) 図3　HMC863Aの測定ゲイン（左）とOIP3（右）の周波数特性 36 46 34 44 32 42 30 40 28 38 26 36 24 34 22 32 20 30 18 28 16 26 –55°C –55°C 14 +25°C 24 +25°C 12 +85°C 22 +85°C 10 20 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 Frequency (GHz) Frequency (GHz) 図4　ADPA7005の測定飽和電力（左）とOIP3（右）の周波数特性 チップアンドワイヤ・アセンブリで、これは、小さい金属性ハウ を行うことなく、フル・アンテナ・ソリューションを提供できる ジング内でチップとワイヤを互いにボンディング接続するという ベンダの数が大幅に増加しました。フェーズド・アレイ・アンテ 形をとります。これは量産向きのアセンブリ方法ではなく、多く ナは防衛関連企業や大学だけが研究可能であった技術から派生し の場合は表面実装によるアセンブリ手法より高価になります。過 たものですが、今や業界の主流をなす技術となりつつあります。 去にこの手法が採用される背景となっていたのは、サイズ上の制 このことは、5Gの新たな機会をうかがう電気通信メーカーがこ 約でした。しかし、集積度の向上によるパッケージの小型化と性 の新しい技術を利用することを可能にするだけでなく、防衛上の 能向上により、表面実装によるアセンブリがより魅力的な選択肢 新たな脅威への備えを強化することにもなります。これまでは経 となりました。 験の少ないアンテナ・エンジニアにとって難しい問題であったこ とも、今では、標準計測機器のベンダが提供する既成の正確な計 無線テストのようなテスト・ソリューションが、28GHzと 測技術によって、より迅速に解決することができます。 39GHzのフェーズド・アレイ・アンテナ用、およびそのIC用と して現実的なものとなってきました。これまで、フェーズド・ア その結果、通信アプリケーションや防衛アプリケーションに展開 レイ・アンテナのテストには多くの場合、電波暗室が必要でした 可能なミリ波製品が、より多く出回るようになっています。セル が、これには大がかりで設置が難しく、費用もかかるなどの欠 ラ・インフラストラクチャに使われている製品が、防衛産業や計 点がありました。現在ではこれらのテスト・ソリューションがは 測器産業に必要とされる製品に近い仕様と機能を備えていること るかに安価で小型なものとなり、既製品として入手できるように も珍しくありません。このような、即座に利用できるICやテス なっています。これにより、最終製品の計測のために多額の投資 ト・ソリューションの成長が、最終製品完成までに要する時間の 短縮を可能にし、防衛産業用ミリ波帯における脅威のレベルを低 下させています。 Visit analog.com/jp　 3 Psat (dBm) Gain (dB) OIP3 (dBm) OIP3 (dBm)

アナログ・デバイセズ製品により複数産業が5Gの 効果を実感 著者について アナログ・デバイセズは、5G電気通信用ソリューションの開発 Keith Benson に多額の投資を行ってきましたが、同時に、その影響が予想され アマーストのマサチューセッツ大学でBSEEを取得して る計測器産業と防衛産業に対しても投資を行ってきました。電気 卒業。2004年、サンタバーバラのカリフォルニア大学 通信市場向けの製品は帯域幅が狭くなる傾向にあり、性能も容易 でMSEEを取得。その後2004年にHittite Microwave に最適化できるようになっています。防衛産業の場合は脅威とな Corporationに入社してマイクロ波ICの設計を開始。 り得る周波数が複数あり、事前にその情報を得ることができない 2011年、高周波アンプと周波数変換ICの設計を中心業 ため、多くの場合、広帯域ソリューションが求められます。 務とするIC設計グループのマネージャ就任。2014年に 28GHzの5G電気通信インフラストラクチャで使われるパワー・ Hittite Microwaveのアンプ製品担当ディレクタ。2014 アンプの一例がHMC863ALC4で、このデバイスは24GHz～ 年7月のアナログ・デバイセズによるHittite Microwave 29.5GHzをカバーし、0.5Wを超えるRF電力を出力します。 買収に伴い、RF／マイクロ波アンプおよびフェーズド・ア このPAは4mm × 4mmの表面実装パッケージで提供され、 レイIC担当の製品ライン・ディレクタ。新しいアンプ技術 40dBm近い3次インターセプト（TOI）性能を備えています。 に関係する3件の米国特許を保持。 性能曲線を図3に示します。 連絡先：keith.benson@analog.com 更にアナログ・デバイセズは、20GHz～44GHzをカバーする ADPA7005などの防衛および計測器市場向けソリューションも 開発しています。ADPA7005は1オクターブを超える動作帯域 オンライン・ 幅をサポートし、帯域全体を通じて1Wを超える飽和出力電力を サポート・ 提供します。ゲインは全周波数域を通じて公称15dBで安定して コミュニティ いるので、完成システムに容易に組み込むことができます。また、 アナログ・デバイセズのオンライン・サポート・コミュニ 40dBmを超える高いTOIは、高度に変調された入力信号の測定 ティに参加すれば、各種の分野を専門とする技術者との連 や生成に最適です。TOIおよび飽和電力の性能曲線を図4に示し 携を図ることができます。難易度の高い設計上の問題につ ます。 いて問い合わせを行ったり、FAQを参照したり、ディス カッションに参加したりすることが可能です。 電気通信ネットワークの進歩は周辺産業の対応を促してきました が、その結果は今後数年間で明らかになるでしょう。この変化の 中心にあるのがより多くの情報に対するニーズであり、この情報 ez.analog.com にアクセス は、物体を物理的に破壊することのない新たな兵器を生み出す ためのデータとしての形をとります。今日、世界中のアプリケー ＊英語版技術記事はこちらよりご覧いただけます。 ションは、より高い周波数へと移行しつつあります。そして、こ のことは今、始まったばかりなのです。 本　　　　社 〒105-6891 東京都港区海岸1-16-1　ニューピア竹芝サウスタワービル10F 大 阪 営 業 所 〒532-0003 大阪府大阪市淀川区宮原3-5-36　新大阪トラストタワー10F 名古屋営業所 〒451-6040 愛知県名古屋市西区牛島町6-1　名古屋ルーセントタワー38F ©2020 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 本紙記載の商標および登録商標は、各社の所有に属します。 Ahead of What’s Possible はアナログ・デバイセズの商標です。 TA21692-10/19 VISIT ANALOG.COM/JP