無線機器の普及に伴い、データサービスは急速な発展期、すなわちデータサービスの爆発的成長期に突入しました。現在、多くのアプリケーションがコンピュータから、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機器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速な増加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、あるいはTbpsに達する可能性があります。現在、THz通信はGbpsのデータレートを達成していますが、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帯域に基づくGbpsデータレートの最新の進捗状況を列挙し、偏波多重化によってTbpsが得られると予測しています。したがって、データ伝送速度を向上させるための実現可能な解決策は、マイクロ波と赤外線の間の「空白領域」であるテラヘルツ帯域という新しい周波数帯域を開発することです。 2019年に開催されたITU世界無線通信会議（WRC-19）では、275～450GHzの周波数帯が固定通信および陸上移動通信サービスに使用されていることが示されました。このことから、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=10¹²Hz）の周波数帯域で、波長が0.03～3mmの電磁波と定義されます。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に示すように、テラヘルツ周波数帯域はマイクロ波と赤外線の間に位置します。
図1 テラヘルツ周波数帯の概略図。
テラヘルツアンテナの開発
テラヘルツ波の研究は19世紀に始まったものの、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域に集中していました。研究者たちがミリ波の研究をテラヘルツ帯域へと進め、専門的なテラヘルツ技術の研究を行うようになったのは、20世紀半ばから後半にかけてのことです。
1980年代、テラヘルツ放射源の出現により、テラヘルツ波を実用的なシステムに適用することが可能になった。21世紀に入ってから、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より、通信データの伝送速度に対する要求はより厳しくなっている。そのため、将来の通信技術の課題の1つは、1箇所でギガビット/秒という高いデータレートで動作することである。現在の経済発展の下では、スペクトル資源はますます希少になっている。しかし、通信容量と速度に対する人間の要求は尽きることがない。スペクトル混雑の問題に対して、多くの企業は、空間多重化によってスペクトル効率とシステム容量を向上させるために、MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術を使用している。5Gネットワークの進歩に伴い、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。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る。さらに、赤外線通信は見通し線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用いることで、高速通信システムを構築し、テラヘルツリンクを利用してデータ伝送速度を向上させることが可能です。
テラヘルツ波はより広い通信帯域幅を提供でき、その周波数範囲は移動体通信の約1000倍です。そのため、テラヘルツ波を使用して超高速無線通信システムを構築することは、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、252～325GHzの低テラヘルツ周波数帯域でのポイントツーポイントデータ交換が定義されました。リンクの代替物理層（PHY）は、異なる帯域幅で最大100Gbpsのデータレートを実現できます。
2004年に0.12THz帯のテラヘルツ通信システムが初めて実用化され、2013年には0.3THz帯のテラヘルツ通信システムが実現した。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進捗状況を示している。
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状況
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た。アンテナ構成は、図2に示すように2つのケースで紹介された。
図2 日本のNTTの120GHz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ており、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、シングルライン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ています。
2. 長距離の屋外環境では、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、送信アンテナは高利得である必要があります。既存のテラヘルツアンテナは、50 dBi 以上の利得を持つガウス型光学レンズを使用しています。フィードホーンと誘電体レンズの組み合わせを図 2(b) に示します。
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からもわかるように、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、現在の研究成果には、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欠点があります。
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良したものであり、テラヘルツアンテナの革新はほとんど見られません。したがって、テラヘルツ通信システムの性能を向上させるためには、テラヘルツアンテナの最適化が重要な課題となります。表2は、ドイツにおけるテラヘルツ通信の研究進捗状況を示しています。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テラヘルツ無線通信システムを示しています。図3(b)は、風洞試験の様子を示しています。ドイツにおける現在の研究状況から判断すると、その研究開発には、動作周波数が低い、コストが高い、効率が低いといった欠点もあります。
表2 ドイツにおけるテラヘルツ通信の研究進捗状況
図3 風洞実験の様子
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。同センターは、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帯に向かう傾向にあります。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倍に増加します。同センターは、THzアンテナの要件に関する推奨事項を作成し、THz通信システム向けにホーンアンテナやレンズアンテナなどの従来型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、シンプルな構造と良好な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た。有名なテラヘルツ研究機関には、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）、米国国立科学財団（NSF）などがある。テラヘルツ応用向けの新しいテラヘルツアンテナ、例えば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が設計されている。テラヘルツアンテナの開発状況から、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思想は3つある。
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関心を寄せているものの、依然として初期の探査・開発段階にあることがわかる。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される。一部の研究は、テラヘルツ帯の低周波数帯域に焦点を当てている。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て利得を向上させること、および適切なアルゴリズムを用いて通信効率を向上させることに重点を置いている。さらに、テラヘルツアンテナのパッケージング効率をいかに向上させるかも、非常に喫緊の課題である。
一般的なTHzアンテナ
利用可能なテラヘルツアンテナには、円錐形空洞を持つ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、テラヘルツ波源を生成するための光伝導アンテナ、ホーンアンテナ、グラフェン材料をベースとしたテラヘルツアンテナなど、多くの種類があります。テラヘルツアンテナの製造に使用される材料によって、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）、および新素材アンテナに大別できます。このセクションでは、まずこれらのアンテナの予備的な分析を行い、次のセクションでは、代表的な5つのテラヘルツアンテナを詳細に紹介し、深く分析します。
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。古典的なミリ波受信機のアンテナは円錐形のホーンです。コルゲートアンテナとデュアルモードアンテナには、回転対称の放射パターン、20～30 dBiの高利得、-30 dBの低交差偏波レベル、97～98%の結合効率など、多くの利点があります。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なり、特にアンテナアレイの設計においては、ホーンの加工が非常に困難になります。また、加工技術の複雑さからコストが増大し、生産量が制限されます。複雑なホーン設計の底部を製造することが難しいため、通常は円錐形または円錐ホーン型のシンプルなホーンアンテナが使用されます。これにより、コストと加工の複雑さを軽減でき、アンテナの放射性能も良好に維持できます。
もう一つの金属アンテナは、図7に示すように、シリコンウェハ上にエッチングされた縦方向の空洞内に、1.2ミクロンの誘電体膜上に集積された進行波アンテナを吊り下げた進行波ピラミッドアンテナである。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開放構造である。比較的シンプルな構造と低い製造要件のため、一般的に0.6 THz以上の周波数帯域で使用できる。しかし、開放構造のためか、アンテナのサイドローブレベルと交差偏波レベルが高い。そのため、結合効率は比較的低い（約50%）。
図7 進行波ピラミッド型アンテナ
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の組み合わせです。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、製造工程が簡便で、集積化が容易で、低コストという利点があります。近年、研究者たちは、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狭帯域および広帯域のサイドファイアアンテナをいくつか設計しました。図8に示すように、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があります。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 平面アンテナの4つのタイプ
しかし、誘電体アンテナは誘電体基板と組み合わされているため、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、アンテナの放射効率が大幅に低下します。図9に示すように、アンテナの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
基板の厚さが増加すると、高次モードの数が増加し、アンテナと基板間の結合が強くなるため、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) 電磁波のビームフォーミング特性を利用して、アンテナにレンズを装着することで利得を増加させる。
2) 基板の厚さを薄くすることで、電磁波の高次モードの発生を抑制する。
3) 基板の誘電体材料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、このダイポールは金属材料の代わりに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綿密に研究し、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)からわかるように、入力インピーダンスの虚数部は高周波数で複数のゼロ点を持っています。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ある周波数範囲（低THz周波数）内で共振を示しますが、この範囲外では完全に共振しません。
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、Samir F. MahmoudとAyed R. AlAjmiは、カーボンナノチューブを束ねて2つの誘電体層で包んだ、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た。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ある。具体的な構造は図11に示す。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ていることが確認された。
図11 カーボンナノチューブを用いた新しいテラヘルツアンテナ
上記で提案した新しい材料のテラヘルツアンテナは主に三次元です。アンテナの帯域幅を改善し、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、正の誘電率を持つ基板（Si、SiO2など）と負の誘電率を持つ基板（貴金属、グラフェンなど）の界面にあります。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。導体内の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、外部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の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説明によれば、金属は自由空間の電磁波と自然に結合してエネルギーを変換することはできません。表面プラズマ波を励起するには、他の材料を使用する必要があります。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します。金属導体が表面に垂直な方向に伝導すると、表皮効果が発生します。明らかに、アンテナのサイズが小さいため、高周波帯域で表皮効果が発生し、アンテナの性能が急激に低下し、テラヘルツアンテナの要求を満たせなくなります。グラフェンの表面プラズモンは、結合力が高く損失が低いだけでなく、連続的な電気的チューニングもサポートします。さらに、グラフェンはテラヘルツ帯域で複雑な導電率を持ちます。したがって、遅い波の伝搬は、テラヘルツ周波数のプラズマモードに関連しています。これらの特性は、テラヘルツ帯域で金属材料を置き換えるグラフェンの実現可能性を十分に示しています。
図12は、グラフェン表面プラズモンの偏光挙動に基づき、新しいタイプのストリップアンテナを示し、グラフェンにおけるプラズマ波の伝搬特性のバンド形状を提案している。この調整可能なアンテナバンドの設計は、新素材テラヘルツアンテナの伝搬特性を研究する新たな方法を提供する。
図12 新しいストリップアンテナ
ユニット新素材テラヘルツアンテナ素子の探索に加えて、グラフェンナノパッチテラヘルツアンテナはアレイとして設計して、テラヘルツ多入力多出力アンテナ通信システムを構築することもできます。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サイズの寸法となっています。化学気相成長法により、薄いニッケル層上に異なるグラフェン像を直接合成し、任意の基板に転写します。適切な数のコンポーネントを選択し、静電バイアス電圧を変更することで、放射方向を効果的に変更でき、システムを再構成可能にします。
図13 グラフェンナノパッチテラヘルツアンテナアレイ
新素材の研究は比較的新しい分野である。材料の革新によって、従来のアンテナの限界を打破し、再構成可能なメタマテリアルや二次元（2D）材料など、多様な新アンテナの開発が期待されている。しかし、この種のアンテナは主に新素材の革新とプロセス技術の進歩に依存している。いずれにせよ、テラヘルツアンテナの開発には、高利得、低コスト、広帯域幅といったテラヘルツアンテナの要求を満たすために、革新的な材料、精密な加工技術、そして斬新な設計構造が必要となる。
以下では、金属アンテナ、誘電体アンテナ、新素材アンテナという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、長所、短所を分析する。
1. 金属アンテナ：形状がシンプルで加工しやすく、コストも比較的低く、基板材料に対する要求も低い。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、誤差が生じやすい。調整が正しくないと、アンテナの性能は大幅に低下する。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難しい。
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マッチングが容易で、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、蝶形、二重U字形、従来の対数形、対数周期正弦形などがあります。しかし、誘電体アンテナには、厚い基板によって引き起こされる表面波効果という致命的な欠点もあります。解決策は、レンズを搭載し、誘電体基板をEBG構造に置き換えることです。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を必要としますが、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しいダイポールアンテナや、メタマテリアルを用いた新しいアンテナ構造が登場している。新素材は性能面での飛躍的な進歩をもたらす可能性を秘めているが、その前提となるのは材料科学の革新である。現状では、新素材アンテナの研究はまだ探索段階にあり、多くの重要な技術はまだ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種類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コストでの製造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することができます。
3) 性能面での飛躍的な進歩が求められる場合は、新しい材料のアンテナを選択することができます。
上記の設計は、特定の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利点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格な要件を満たす必要があります。
アンテナについてさらに詳しく知りたい場合は、以下をご覧ください。
投稿日時：2024年8月2日
