富士通研、ミリ波レーダの低コスト化が図れるCMOS送受信チップを試作

富士通研究所は10月8日、低コスト化が可能な半導体プロセスであるCMOSを使用したミリ波レーダ用送受信チップを試作し、近距離検知性能向上を実現することに成功したと発表した。

詳細は、10月5日よりイタリア・ローマで開催される国際会議「EuMC 2014(European Microwave Conference 2014)」にて発表される。

自動車などで用いられるミリ波レーダは、使用する電波が76～81GHzと高い周波数のミリ波を使用するため、従来はSiGeバイポーラトランジスタなどの特殊な半導体を用いる必要があった。しかし近年、低コスト化が可能なCMOSでも、ミリ波回路の実現が可能になってきた。CMOSは、従来のSiGeバイポーラトランジスタに比べて低い電源電圧で動作可能なため消費電力を小さくでき、ミリ波領域においておおむね同等の性能を示すものの、低周波領域でのノイズ成分が大きいという問題があった。ミリ波レーダの場合、発振器のミリ波信号を送信し、障害物で反射してきた信号と元の送信信号との差分を比較することで、障害物の距離・速度・方位の検出を行っている。この中で、近い距離にある反射の弱い歩行者などの検知性能を向上させるには、低周波領域のノイズを低減する必要がある。

今回、これに対応するため、受信チップの高周波特性を確保すると同時に、低周波領域のノイズを低減することに成功した。具体的には、受信回路内の周波数変換回路にダブルバランスト・レジスティブ・ミキサを採用した。周波数変換回路は、送信信号と同一の局部発振信号(LO信号)と障害物で反射して戻ってきた信号(RF信号)との周波数差分の信号(IF信号)を取り出す働きをしている。レジスティブ・ミキサはミキサのトランジスタに電源電圧を印加せずLO信号の電力によってIF信号を取り出す回路形式を採用している。電源電圧を印加しないので、ミキサのトランジスタに流れるDC電流の発生を最小限に抑えることができ、低周波領域でのノイズ上昇を防ぐことができる。さらに、レジスティブ・ミキサを差動合成するダブルバランス構成にすることで、ミキサに入力するLO信号の電力によって発生するDCオフセットによるノイズ上昇も抑えることができ、10kHz以下のノイズ低減と高周波特性の両立に成功した。

そして、同回路を使用して、現行のSiGe製品と同等の機能を有した4チャネルの受信チップを試作した。また、昨年発表した低位相ノイズのPLLシンセサイザを採用した送信チップも併せて試作し、ミリ波レーダを構成する主要な高周波半導体回路全体を一般的な65nm CMOSプロセスで実現したという。受信チップの低周波領域のノイズを表すSSBノイズ指数で比較すると、同試作品は12dBであり、従来のSiGe製品と同等以上で、これまで学会などで発表されたCMOSの30dBに対しても18dB改善している。この改善は、ノイズの大きさが約1/60と大幅に低減したことに相当する。加えて、従来のSiGeは電源電圧が3～5Vで動作するのに対し、今回のCMOSは1.2Vの電源電圧で同等の性能を実現しており、消費電力を半分程度にすることにも成功したとしている。

なお、同社では、2018年頃の実用化を目指すととも、ミリ波レーダのさらなる高性能化にも取り組む予定とコメントしている。