开发了显示非自然反射特性的140 GHz频带中继表面反射板

- -无需增设基站即可扩大5G/6G后无线通信的区域-

重点 世界上首次开发了可以在预定使用立柱5G/6G的140 GHz频带自由设定反射方向的反射板 通过基于高精度毫米波段材料测量的优化设计，证实了高达88%的高效率反射 期待绕过障碍物与基站中继终端，为后5G/6G无线通信的区域扩大做出贡献

概要 国立研究开发法人产业技术综合研究所(以下称为“产综研”)物理测量标准研究部门电磁测量研究组加藤悠人主任研究员与国立大学法人大阪大学研究生院基础工学研究科(以下称为“大阪大学”)系统创建专业真田笃志教授共同，世界上首次开发出了在预计将用于下一代5G/6G支柱的140 GHz频带中，可以向设定了电磁波的特定方向高效反射的中继表面反射板。近年来，移动通信的高频化正在发展，在后置5G/6G中使用超过100 GHz频率的毫米波。 在毫米波通信中，由于障碍物的遮蔽效果而导致的通信区域的限制成为课题的情况下，使用能够将高效的反射设定在特定方向的中继表面反射板的通信区域的扩大备受关注。 但是，在超过100 GHz的毫米波段中，难以高精度测量高效设计所需的材料参数，因此，至今没有中继表面反射板的开发实证案例。 这次，研究人员根据高精度毫米波段材料特性测量结果，在预定使用后5G/6G的140 GHz波段进行了优化设计，开发出了几乎完全抑制了特定方向以外的非必要反射的高效中继表面反射板。 除去材料来源的效率降低，反射效率理论上达到99 %以上，包括实用上不可避免的材料损失在内的实测值也达到了最大88 %，证实了高效工作。 140 GHz频带下高效的中继表面反射板的开发实证是世界首次。 通过此次开发的技术，有望在不增设基站的情况下，为5G/6G后无线通信的区域扩大做出贡献。 该技术的详细情况已于2021年11月23日刊登在IEEE Access上。

开发的中继表面反射板(左图)及其实证实验的情况(右图)

开发的社会背景 在移动通信中，为了通过带宽的扩展实现高速、大容量化，正在推进高频化。 在下一代的立柱5G/6G中，为了实现大幅超过5G的高速、大容量通信，正在研究使用超过100 GHz的毫米波。 另一方面，直进性强的毫米波容易被树木和建筑物等障碍物阻挡，在从基站看不到的区域容易被排除在通信范围之外。 在所有情况下确保通信路径，扩大通信区域被认为是实现6G的课题之一。 如果为了扩大视距通信复盖的区域而使基站的配置高密度化，则会导致通信信道设计的复杂化和功耗的增大。 因此，除了预见之外，还需要有效构筑和扩大通信区域的技术。 作为在视线之外的区域也确保通信路径的手段，近年来，使入射的电磁波向与镜面反射方向不同的任意方向异常反射的中继表面反射板作为有前景的技术备受关注。 通过将表面反射板配置在建筑物的墙壁和窗户等上，表面反射板可以中继来自基站的信号，在由于障碍物而视线以外的区域也可以进行通信(图1 )。 表面反射板不需要电源，也不需要执照，可以根据设计自由选择反射方向，因此设置自由度高，可以不损害景观地导入。 另外，由于可以通过优化设计来实现高反射效率，因此与使基站的配置高密度化的方法相比，可以扩大耗电量低得多的通信区域。 但是，迄今为止，还没有面向后5G/6G应用的超过100 GHz频带上的中继表面反射板的开发实证实例。 其最大的原因是，难以在超过100 GHz的毫米波段中高精度地测量高效反射板的优化设计所需的介质基板的复电容率和金属层的导电率。 为了实现后5G/6G应用的中继表面反射板，确定可靠性高的材料参数作为了课题。

图1使用中继表面反射板的通信区域构筑的示意图

研究的经过 产总研致力于使用平衡型圆盘谐振器法作为高精度毫米波段材料测量法的介电常数·电导率测量的研究，与以往的自由空间法相比，不确定性为1/10以下，达到了世界最高水平的精度( 2019年1月17日日产总研新闻发表，2020年6月21日日产总研) 另外，与大阪大学一起，致力于基于面向6G的中继表面的电磁波高度传播控制的研究。 这次，我们利用毫米波段的高精度材料测量技术，致力于140 GHz波段中继表面反射板的开发实证。 另外，本研究开发是在国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构( NEDO )的委托业务“后5G信息通信系统基础强化研究开发事业”( JPNP20017 )的支持下进行的。 研究的内容 开发的中继表面反射板的结构是在背面被金属复盖的介质基板的表面周期性地排列亚毫米级的金属补片(概要图左)。 电介质基板选择了在毫米波段低损耗的环烯烃聚合物表面形成镀铜金属层的基板。 为了进行金属贴片的结构设计，用平衡型圆盘谐振器法测量了介质基片的复电容率和表面金属层的导电率。 其结果如图2所示。 此次，通过外推对材料参数的最大121 GHz的频率依赖性测量结果，推测了元表面反射板在140 GHz的设计频率下的值。

图2用于表面反射板的环烯烃聚合物基板的复电容率和金属层的导电率的测量结果

根据得到的材料参数，设计了从垂直入射分别向θR=45、60°、75°方向异常反射的3种140 GHz频带中继表面反射板。 为了不发生向特定方向的异常反射，决定了金属贴片的周期。 并且，为了提高向特定方向的反射效率，采用了微波段提出的为了使反射板的面内不发生能量传播而优化结构的设计方法，几乎完全抑制了不必要的反射。 设计的中继表面反射板除去材料损失的效率超过了99 %。 本设计以高精度材料测量得到的上述介电常数和电导率为基础，确保了高可靠性。 试制了设计的中继表面反射板，并对其性能进行了评价。 概要如图右和图3所示，从发送天线向反射板垂直照射电磁波，在改变接收天线角度θ的同时获取反射率。 图4表示的是针对设计的异常反射方向(θ=θR )和有可能产生不需要的反射的镜面反射方向(θ=0)和对称方向(θ=—θR )的反射率的频率依赖性的测量结果。 在140 GHz附近，特定的θR方向的反射大，并且0°和—θR方向的无用反射被抑制，设计的异常反射特性得到了确认。 在这两个方向的无用反射的合计最小的动作频率(图4的虚线)中，与异常反射相比，两个方向的无用反射分别被充分抑制在1/140以下、1/293以下、1/28以下，实现了向特定的θR方向的高效反射。 这次基于高精度材料参数的设计表明，工作频率与设计非常一致，基本符合设计的异常反射行为。 对各反射板，测量了工作频率下反射率的角度依赖性。 作为例子，θR=60设计的反射板的测量结果如图5所示。 这里，- 40°∨θ∨40°的范围是由于实验系统的限制而无法测量的范围。 从图5的结果也证实了向特定的60°方向的异常反射动作。 在这次的实验系统中，天线和反射板的距离很近，入射波的波束直径小。 根据图5的结果校正了这种实验系统的影响，推测电磁波从远方的基站天线入射到大面积的中继表面反射板的整个面上的实际使用环境下的效率，包括中继表面反射板的材料损失在内的总反射效率为84 %，确认了高效工作。 同样，对于θR=45、75°设计的反射板，也确认了分别为88 %和82 %的高反射效率。 此次开发的140 GHz频带的表面反射板，以高设置自由度无损景观，高效实现基站与终端的中继，期待为后5G/6G通信的低功耗和灵活的区域扩大做出贡献。

图3用于中继表面反射板性能评价的实验系统

图4 140 GHz波段中继表面反射板的反射特性测量结果 ( a )θR=45的设计、( b )θR=60的设计、( c )θR=75的设计。 红线:θ=θR方向的异常反射，绿线:θ=0方向(镜面反射方向)的不需要反射，蓝线:θ=-θR方向(对称方向)的不需要反射。

中继表面反射板的反射率对图5 θR=60的设计的角度依赖性测量结果 带阴影的范围表示由于实验系统的原因而无法测量的角度范围

今后的计划 今后，瞄准后5G/6G无线通信的应用，将进行中继表面反射板的工作频率到300 GHz的高频化、反射方向的动态控制、多频带工作等高功能化的研究开发。

用语说明 ◆立柱5G/6G 日本与2020年开始运用的第5代移动通信系统( 5G )相比，强化了超低延迟和多个同时连接等特征功能的系统为5G后，预计2030年左右开始运用的后继通信系统为6G。 ◆中继表面 由表面或内部排列比电磁波波长足够小的结构体构成的片状人工结构体。 其特征是表现出异常反射等自然界材料不显示的特殊电磁性质。 ◆毫米波 频率为30 GHz~300 GHz (波长为1 mm~10 mm )的电磁波。 被期待在5G/6G后无线通信中使用。 与目前为止在手机上使用的频率更低的电磁波相比，可以进行高速、大容量的通信，但另一方面由于直进性高，容易被建筑物等障碍物阻挡。 ◆反射效率 反射波的功率相对于入射波的功率的比例。 表示异常反射的元表面反射板在实现高反射效率时，需要抑制向特定方向以外的方向的不需要的反射，仅向特定方向选择性地反射的设计。 ◆预测通信 基于收发机之间没有遮挡、可以直接相互看到的通信路径的通信。 表示异常反射的表面反射板，在由于障碍物而相互不能直接看到的预测外的区域也确保通信路径。 ◆异常反射 是指向与入射角不同的角度的反射。 由金属等制成的平板进行的通常的反射，是入射角和反射角相等的镜面反射。 ◆复介电常数导电率 复数介电常数是表示电路基板的电气性质的量之一，表示极化的容易度(储存电的大小)。 一般是复数，通常用真空的介电常数之比表示。 实部称为相对介电常数，虚部相对于实部的比称为介质损耗角正切。 电导率是表示导电难易程度的物理量。 以往，在超过100 GHz的毫米波段中，很难高精度地测量这些值。