無線デバイスの普及に伴い、データサービスは急速な発展の新たな段階、つまりデータサービスの爆発的な成長期を迎えています。現在、多くのアプリケーションがコンピューターから、持ち運びやすくリアルタイムで操作できる携帯電話などの無線デバイスへと徐々に移行していますが、この状況はデータトラフィックの急増と帯域幅リソースの不足にもつながっています。統計によると、市場のデータレートは今後10～15年でGbps、さらにはTbpsに達する可能性があります。現在、THz通信はGbpsのデータレートに達していますが、Tbpsのデータレートはまだ開発の初期段階にあります。関連論文では、THz帯に基づくGbpsのデータレートの最新の進歩が示されており、偏波多重化によってTbpsを実現できると予測されています。したがって、データ伝送速度を向上させるための現実的な解決策は、マイクロ波と赤外光の間の「空白領域」にあるテラヘルツ帯という新しい周波数帯を開発することです。 2019年のITU世界無線通信会議（WRC-19）では、275～450GHzの周波数帯域が固定通信サービスおよび陸上移動通信サービスに利用されていることが示されました。テラヘルツ無線通信システムが多くの研究者の注目を集めていることがわかります。
テラヘルツ電磁波は、一般的に0.1～10THz（1THz=10の12乗）の周波数帯域、波長0.03～3mmと定義されています。IEEE規格では、テラヘルツ波は0.3～10THzと定義されています。図1は、テラヘルツ周波数帯域がマイクロ波と赤外線の間に位置することを示しています。
図1 THz周波数帯域の模式図。
テラヘルツアンテナの開発
テラヘルツ研究は19世紀に始まりましたが、当時は独立した分野として研究されていませんでした。テラヘルツ放射の研究は主に遠赤外線帯に集中していました。ミリ波の研究がテラヘルツ帯へと進み、専門的なテラヘルツ技術の研究が行われるようになったのは、20世紀中盤から後半になってからでした。
1980年代には、テラヘルツ放射源の出現により、テラヘルツ波の実用システムへの応用が可能になりました。21世紀以降、無線通信技術は急速に発展し、人々の情報需要と通信機器の増加に伴い、通信データの伝送速度に対する要件はより厳しくなっています。そのため、将来の通信技術の課題の一つは、一箇所で毎秒ギガビットの高データレートで動作することです。現在の経済発展に伴い、スペクトル資源はますます不足しています。しかし、通信容量と速度に対する人々の要求は無限です。スペクトル混雑の問題に対して、多くの企業はMIMO（Multiple Input Multiple Output）技術を用いて空間多重化によりスペクトル効率とシステム容量を向上させています。5Gネットワークの発展に伴い、各ユーザーのデータ接続速度はGbpsを超え、基地局のデータトラフィックも大幅に増加するでしょう。従来のミリ波通信システムでは、マイクロ波リンクではこれらの膨大なデータストリームを処理できなくなります。さらに、赤外線通信は見通しの影響により伝送距離が短く、通信機器の設置場所も固定されています。そのため、マイクロ波と赤外線の中間に位置するテラヘルツ波を利用することで、高速通信システムを構築し、テラヘルツリンクを用いることでデータ伝送速度を向上させることができます。
テラヘルツ波はより広い通信帯域幅を提供でき、その周波数範囲はモバイル通信の約1000倍です。そのため、テラヘルツ波を用いた超高速無線通信システムの構築は、高データレートの課題に対する有望な解決策であり、多くの研究チームや産業界の関心を集めています。2017年9月には、最初のテラヘルツ無線通信規格であるIEEE 802.15.3d-2017がリリースされました。この規格は、252～325GHzの低テラヘルツ周波数範囲におけるポイントツーポイントのデータ交換を定義しています。リンクの代替物理層（PHY）は、さまざまな帯域幅で最大100Gbpsのデータレートを実現できます。
2004年に0.12 THzのTHz通信システムに初めて成功し、2013年には0.3 THzのTHz通信システムが実現しました。表1は、2004年から2013年までの日本におけるテラヘルツ通信システムの研究の進捗状況を示しています。
表1 2004年から2013年までの日本におけるテラヘルツ通信システムの研究進捗
2004 年に開発された通信システムのアンテナ構造は、2005 年に日本電信電話株式会社 (NTT) によって詳細に説明されました。アンテナ構成は、図 2 に示すように 2 つのケースで導入されました。
図2 日本のNTT120GHz無線通信システムの概略図
このシステムは光電変換とアンテナを統合し、次の 2 つの動作モードを採用しています。
1. 近距離の屋内環境では、屋内で使用される平面アンテナ送信機は、図 2(a) に示すように、単線キャリア フォトダイオード (UTC-PD) チップ、平面スロット アンテナ、およびシリコン レンズで構成されます。
2. 長距離屋外環境において、大きな伝送損失と検出器の低感度の影響を改善するために、送信アンテナは高い利得を有する必要がある。既存のテラヘルツアンテナは、50dBi以上の利得を持つガウス光学レンズを使用している。フィードホーンと誘電体レンズの組み合わせを図2(b)に示す。
NTTは0.12THz通信システムの開発に加え、2012年には0.3THz通信システムも開発しました。継続的な最適化により、伝送速度は最大100Gbpsに達しています。表1に示すように、このシステムはテラヘルツ通信の発展に大きく貢献しています。しかしながら、現在の研究では動作周波数が低い、サイズが大きい、コストが高いといった課題を抱えています。
現在使用されているテラヘルツアンテナのほとんどはミリ波アンテナを改造したもので、テラヘルツアンテナ自体の革新性は低い。そのため、テラヘルツ通信システムの性能向上には、テラヘルツアンテナの最適化が重要な課題となっている。表2は、ドイツのTHz通信の研究進捗状況を示している。図3(a)は、フォトニクスとエレクトロニクスを組み合わせた代表的なTHz無線通信システムを示している。図3(b)は、風洞試験の様子を示している。ドイツの現在の研究状況から判断すると、その研究開発には、動作周波数の低さ、高コスト、低効率などの欠点もある。
表2 ドイツにおけるTHz通信の研究の進展
図3 風洞試験風景
CSIRO ICTセンターは、THz屋内無線通信システムの研究も開始しました。センターは、図4に示すように、年と通信周波数の関係を調査しました。図4からわかるように、2020年までに無線通信の研究はTHz帯域に集中する傾向にあります。無線スペクトルを使用する最大通信周波数は、20年ごとに約10倍に増加しています。センターは、THzアンテナの要件に関する推奨事項を作成し、THz通信システム用のホーンやレンズなどの従来のアンテナを提案しました。図5に示すように、2つのホーンアンテナはそれぞれ0.84THzと1.7THzで動作し、シンプルな構造と優れたガウスビーム性能を備えています。
図4 年と頻度の関係
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
図5 2種類のホーンアンテナ
米国はテラヘルツ波の放射と検出に関する広範な研究を行ってきました。有名なテラヘルツ研究機関としては、ジェット推進研究所（JPL）、スタンフォード線形加速器センター（SLAC）、米国国立研究所（LLNL）、米国航空宇宙局（NASA）、米国科学財団（NSF）などが挙げられます。ボウタイアンテナや周波数ビームステアリングアンテナなど、テラヘルツ用途向けの新しいテラヘルツアンテナが設計されています。テラヘルツアンテナの開発状況を踏まえ、図6に示すように、現在、テラヘルツアンテナの基本的な設計概念は3つあります。
図6 テラヘルツアンテナの3つの基本的な設計アイデア
上記の分析から、多くの国がテラヘルツアンテナに大きな注目を払っているものの、まだ初期の探究開発段階にあることがわかります。高い伝搬損失と分子吸収のため、テラヘルツアンテナは通常、伝送距離とカバレッジに制限があります。一部の研究では、テラヘルツ帯のより低い動作周波数に焦点を当てています。既存のテラヘルツアンテナ研究は、主に誘電体レンズアンテナなどを用いた利得の向上と、適切なアルゴリズムを用いた通信効率の向上に重点を置いています。さらに、テラヘルツアンテナのパッケージング効率をどのように向上させるかという点も、非常に喫緊の課題です。
一般的なTHzアンテナ
THzアンテナには、円錐空洞型ダイポールアンテナ、コーナーリフレクタアレイ、ボウタイダイポール、誘電体レンズ平面アンテナ、THz波源放射源生成用光伝導アンテナ、ホーンアンテナ、グラフェン材料をベースとしたTHzアンテナなど、様々な種類があります。THzアンテナは、その材料によって、金属アンテナ（主にホーンアンテナ）、誘電体アンテナ（レンズアンテナ）、新素材アンテナに大別されます。本章ではまずこれらのアンテナの予備的な分析を行い、次の章では代表的な5つのTHzアンテナを詳細に紹介し、徹底的に分析します。
1. 金属アンテナ
ホーンアンテナは、THz帯で動作するように設計された典型的な金属アンテナです。典型的なミリ波受信機のアンテナは円錐形のホーンアンテナです。コルゲートアンテナとデュアルモードアンテナは、回転対称の放射パターン、20～30dBiの高利得、-30dBの低い交差偏波レベル、97%～98%の結合効率など、多くの利点を備えています。2つのホーンアンテナの利用可能な帯域幅は、それぞれ30%～40%と6%～8%です。
テラヘルツ波の周波数は非常に高いため、ホーンアンテナのサイズは非常に小さく、特にアンテナアレイの設計においてホーンの加工が非常に困難であり、加工技術の複雑さは過剰なコストと生産量の制限につながります。複雑なホーン設計の底部の製造が困難なため、通常は円錐形または円錐形のホーン形状のシンプルなホーンアンテナが使用され、コストとプロセスの複雑さを軽減し、アンテナの放射性能を良好に維持することができます。
もう一つの金属アンテナは進行波ピラミッドアンテナです。これは、図7に示すように、1.2ミクロンの誘電体フィルム上に集積された進行波アンテナと、シリコンウェーハ上にエッチングされた縦方向空洞内に吊り下げられた構造です。このアンテナは、ショットキーダイオードと互換性のあるオープン構造です。比較的シンプルな構造と低い製造要件により、一般的に0.6THz以上の周波数帯域で使用できます。ただし、オープン構造のためか、アンテナのサイドローブレベルと交差偏波レベルは高くなります。そのため、結合効率は比較的低く（約50%）、その影響は限定的です。
図7 進行波ピラミッドアンテナ
2. 誘電体アンテナ
誘電体アンテナは、誘電体基板とアンテナ放射器を組み合わせたものです。適切な設計により、誘電体アンテナは検出器とのインピーダンス整合を実現でき、プロセスが簡単で、統合が容易で、コストが低いという利点があります。近年、研究者らは、テラヘルツ誘電体アンテナの低インピーダンス検出器に適合する、バタフライアンテナ、ダブルU字型アンテナ、対数周期アンテナ、対数周期正弦波アンテナなど、いくつかの狭帯域および広帯域サイドファイアアンテナを設計しています（図8を参照）。さらに、遺伝的アルゴリズムを用いることで、より複雑なアンテナ形状を設計することも可能です。
図8 4種類の平面アンテナ
しかし、誘電体アンテナは誘電体基板と組み合わせられているため、周波数がTHz帯に近づくと表面波効果が発生します。この致命的な欠点により、アンテナは動作中に多くのエネルギーを失い、アンテナ放射効率が大幅に低下します。図9に示すように、アンテナ放射角がカットオフ角よりも大きい場合、そのエネルギーは誘電体基板内に閉じ込められ、基板モードと結合します。
図9 アンテナ表面波効果
基板の厚さが増すと、高次モードの数が増加し、アンテナと基板間の結合が増大してエネルギー損失が発生します。表面波の影響を弱めるために、以下の3つの最適化手法があります。
1) アンテナにレンズを搭載し、電磁波のビームフォーミング特性を利用して利得を増加させます。
2)基板の厚さを薄くして電磁波の高次モードの発生を抑制する。
3) 基板誘電体を電磁バンドギャップ（EBG）に置き換える。EBGの空間フィルタリング特性により、高次モードを抑制できる。
3. 新素材アンテナ
上記の2つのアンテナに加えて、新しい材料で作られたテラヘルツアンテナもあります。例えば、2006年にJin Haoらはカーボンナノチューブダイポールアンテナを提案しました。図10（a）に示すように、ダイポールは金属材料ではなくカーボンナノチューブで作られています。彼はカーボンナノチューブダイポールアンテナの赤外線および光学特性を注意深く研究し、入力インピーダンス、電流分布、利得、効率、放射パターンなど、有限長カーボンナノチューブダイポールアンテナの一般的な特性について議論しました。図10（b）は、カーボンナノチューブダイポールアンテナの入力インピーダンスと周波数の関係を示しています。図10（b）に示すように、入力インピーダンスの虚数部は、高周波数で複数のゼロを持ちます。これは、アンテナが異なる周波数で複数の共振を実現できることを示しています。明らかに、カーボンナノチューブアンテナは特定の周波数範囲（より低いTHz周波数）内で共振を示しますが、この範囲外ではまったく共振できません。
図10 (a) カーボンナノチューブダイポールアンテナ。(b) 入力インピーダンス-周波数曲線
2012年、サミール・F・マフムードとアイエド・R・アルアジミは、カーボンナノチューブをベースとした新しいテラヘルツアンテナ構造を提案しました。このアンテナは、カーボンナノチューブの束を2層の誘電体層で包んだ構造です。内側の誘電体層は誘電体フォーム層、外側の誘電体層はメタマテリアル層です。具体的な構造を図11に示します。試験の結果、このアンテナの放射性能は単層カーボンナノチューブと比較して向上しました。
図11 カーボンナノチューブをベースにした新しいテラヘルツアンテナ
上記で提案された新材料テラヘルツアンテナは主に3次元構造です。アンテナの帯域幅を向上させ、コンフォーマルアンテナを実現するために、平面グラフェンアンテナが広く注目されています。グラフェンは優れた動的連続制御特性を持ち、バイアス電圧を調整することで表面プラズマを生成できます。表面プラズマは、正誘電率基板（Si、SiO2など）と負誘電率基板（貴金属、グラフェンなど）の界面に存在します。貴金属やグラフェンなどの導体には、多数の「自由電子」が存在します。これらの自由電子はプラズマとも呼ばれます。導体に固有の電位場により、これらのプラズマは安定状態にあり、外界からの影響を受けません。入射電磁波エネルギーがこれらのプラズマに結合すると、プラズマは定常状態から逸脱して振動します。変換後、電磁モードは界面で横方向磁気波を形成します。ドルーデモデルによる金属表面プラズマの分散関係の記述によれば、金属は自由空間中の電磁波と自然に結合してエネルギー変換することはできない。そのため、表面プラズマ波を励起するには他の材料を用いる必要がある。表面プラズマ波は、金属と基板の界面に平行な方向に急速に減衰する。金属導体が表面に垂直な方向に導通すると、表皮効果が発生する。明らかに、アンテナが小さいため、高周波帯域では表皮効果が発生し、アンテナ性能が急激に低下し、テラヘルツアンテナの要件を満たすことができない。グラフェンの表面プラズモンは、高い結合力と低い損失だけでなく、連続的な電気同調もサポートする。さらに、グラフェンはテラヘルツ帯域において複雑な導電性を示す。そのため、テラヘルツ周波数におけるプラズマモードと低速波の伝播が関連している。これらの特性は、テラヘルツ帯域においてグラフェンが金属材料を代替する実現可能性を十分に示している。
図12は、グラフェン表面プラズモンの偏光挙動に基づいて設計された新しいタイプのストリップアンテナを示し、グラフェン中のプラズマ波の伝搬特性のバンド形状を提案しています。この可変アンテナバンドの設計は、新材料テラヘルツアンテナの伝搬特性を研究するための新たな方法を提供します。
図12 新しいストリップアンテナ
新材料テラヘルツアンテナ素子の探索に加え、グラフェンナノパッチテラヘルツアンテナはアレイ設計が可能で、テラヘルツ多入力多出力アンテナ通信システムを構築できます。アンテナ構造を図13に示します。グラフェンナノパッチアンテナの独自の特性に基づき、アンテナ素子はミクロンスケールの寸法を有しています。化学蒸着法を用いて、薄いニッケル層上に異なるグラフェン画像を直接合成し、任意の基板に転写します。適切な数の部品を選択し、静電バイアス電圧を変化させることで、放射方向を効果的に変更でき、システムの再構成が可能になります。
図13 グラフェンナノパッチテラヘルツアンテナアレイ
新材料の研究は比較的新しい分野です。材料革新は、従来のアンテナの限界を打ち破り、再構成可能なメタマテリアルや2次元（2D）材料など、様々な新しいアンテナの開発につながることが期待されています。しかし、この種のアンテナは、主に新材料の革新とプロセス技術の進歩に依存しています。いずれにせよ、テラヘルツアンテナの開発には、革新的な材料、精密な加工技術、そしてテラヘルツアンテナの高利得、低コスト、広帯域といった要件を満たす斬新な設計構造が求められます。
ここでは、金属アンテナ、誘電体アンテナ、新素材アンテナの3種類のテラヘルツアンテナの基本原理を紹介し、それぞれの違いや長所と短所を分析します。
1. 金属アンテナ：形状がシンプルで加工が容易、比較的低コスト、基板材料への要求も低い。しかし、金属アンテナはアンテナの位置調整に機械的な方法を用いるため、誤差が生じやすく、調整が不正確だとアンテナの性能が大幅に低下する。また、金属アンテナは小型であるものの、平面回路との組み立てが困難である。
2. 誘電体アンテナ：誘電体アンテナは入力インピーダンスが低く、低インピーダンス検出器との整合が容易で、平面回路との接続も比較的簡単です。誘電体アンテナの形状には、蝶型、ダブルU字型、従来の対数型、対数周期正弦型などがあります。しかし、誘電体アンテナには、厚い基板による表面波効果という致命的な欠陥があります。解決策としては、レンズを搭載し、誘電体基板をEBG構造に置き換えることが挙げられます。どちらの解決策も、プロセス技術と材料の革新と継続的な改善が必要ですが、その優れた性能（全方向性や表面波抑制など）は、テラヘルツアンテナの研究に新たなアイデアをもたらす可能性があります。
3. 新素材アンテナ：現在、カーボンナノチューブを用いた新型ダイポールアンテナやメタマテリアルを用いた新型アンテナ構造が登場している。新素材は性能面での新たなブレークスルーをもたらす可能性があるが、その前提となるのは材料科学の革新である。現在、新素材アンテナの研究は依然として探索段階にあり、多くの主要技術が十分に成熟していない。
要約すると、設計要件に応じてさまざまなタイプのテラヘルツアンテナを選択できます。
1) シンプルな設計と低い製造コストが求められる場合は、金属アンテナを選択できます。
2) 高集積度と低入力インピーダンスが求められる場合は、誘電体アンテナを選択できます。
3) 性能面での飛躍的な向上が求められる場合には、新素材アンテナを選択できます。
上記の設計は、具体的な要件に応じて調整することも可能です。例えば、2種類のアンテナを組み合わせることで、より多くのメリットを得ることができますが、その場合、組み立て方法と設計技術はより厳しい要件を満たす必要があります。
アンテナの詳細については、以下をご覧ください。
投稿日時: 2024年8月2日
