(Thin-film, high-frequency antenna array offers new flexibility for wireless communications)
2021-11-02 ｱﾒﾘｶ合衆国・プリンストン大学
・ プリンストン大学が、薄くフレキシブルな材料の基板上に電子回路を作製する大面積エレクトロニクス(LAE)技術をベースとした、新タイプのフェーズドアレイアンテナを開発。
・従来のシリコン半導体による 5G アプリケーションの高周波数帯での作動は可能だが、サイズが数cm 幅に制限され、低電力デバイスとの強力な通信に必要な大面積アレイへの組み立てが困難となっている。
・ 大面積化の達成に向けて数百個の小型マイクロチップの集積等が試みられているが、実用性や安定性に優れずコストもかかり、ワイヤレスシステムレベルへのスケールアップが不可能。
・ 本研究では、コンピューターモニターや液晶ディスプレイ(LCD)で利用されている薄膜トランジスタ技術をワイヤレス信号送信に応用。薄膜技術である LAE 技術は、メートル規模のフレキシブルな基板上に電子回路を構築し、紙のような一枚のシートへの全構成部品のモノリシックな集積を可能にする。
・ 1 個のアンテナでは固定信号を全方向に送信するが、フェーズドアレイでは様々な方向へのビームの電子走査が可能なため、ポイント・ツー・ポイントのワイヤレス通信を実現できる。本研究では、酸化亜鉛薄膜トランジスタによる 3 個のアンテナを備えた 30cm のフェーズドアレイを作製した。
・ フェーズアレイアンテナは、レーダーシステム、人工衛星や移動体通信ネットワーク等の長距離通信システムで数十年にわたり利用されている。新技術はフェーズドアレイをフレキシブル化し、従前のシステムよりも多様な無線周波数帯での作動を可能にするもの。このようなアンテナシステムは、あらゆる場所に設置できる。
・ 部屋の壁紙として利用すれば、温度やモーションセンサー等の IoT デバイスの分散型ネットワークとの迅速・安全でエネルギー効率的な通信が可能に。また、軌道に近づくと展開する人工衛星や、航空機の翼へのコーティングによる長距離通信での利用も考えられる。
・ 本研究では、ガラス基板上にトランジスタや他の構成部品を作製したが、フレキシブルなプラスチック基板に電子回路を作製することも可能。
・ 本研究は、米国防高等研究計画局(DARPA)の Center for Brain-Inspired Computing とプリンストン大学の Program in Plasma Science and Technology が一部支援した。
URL: https://engineering.princeton.edu/news/2021/11/02/thin-film-high-frequency-antenna-array-offers-new-flexibility-wireless
＜NEDO海外技術情報より＞
（関連情報)
Nature Electronics 掲載論文(アブストラクトのみ：全文は有料）
A phased array based on large-area electronics that operates at gigahertz frequency
URL: https://www.nature.com/articles/s41928-021-00648-z
Abstract
Large-aperture electromagnetic phased arrays can provide directionally controlled radiation signals for use in applications such as communications, imaging and power delivery. However, their deployment is challenging due to the lack of an electronic technology capable of spanning large physical dimensions. Furthermore, applications in areas such as aviation, the Internet of Things and healthcare require conformal devices that can operate on shaped surfaces. Large-area electronics technology could be used to create low-cost, large-scale, flexible electromagnetic phased arrays, but it employs low-temperature processing that limits device- and system-level performance at high frequencies. Here we show that inductor–capacitor oscillators operating at gigahertz frequencies can be created from large-area electronics based on high-speed, self-aligned zinc-oxide thin-film transistors. The oscillator circuits incorporate frequency locking and phase tuning, which are required for electromagnetic phased arrays. We integrate our phase-tunable oscillators in a 0.3-m-wide aperture, creating a phased array system that operates at ~1 GHz and is capable of beamforming.
