5Gの電波活用最新事情 見た目はガラス？「透明・動的メタサーフェス」とは

ガラスのように透明なのに、ある時は電波を反射し、ある時は電波を通す、そんな制御ができるのが「透明・動的メタサーフェス」。微細な2次元構造を組み付けた大面積材料が可能にする5G時代の電波活用技術とは？

[土肥正弘，ドキュメント工房]

5G電波の反射／透過もお手の物？　透明材料とは

　電波や光などの目には見えない「波」の作用を、物体の表面の構造によって変化させることができるのが「メタサーフェス」だ。

　一般的には物体にあたる電波や光の反射と透過の特性は、物体の材質によって一定だが、物体表面に光や電波の波長よりも小さい特殊で規則的な、自然界にはない構造を作りこむことで、反射／透過の特性を変化させることができる。そのような構造をもつ材料は、自然にはない「超材料」という意味で「メタマテリアル」と呼ばれてきた。現在ではメタマテリアルといえば微細サイズの3次元構造をもつもののことを言い、2次元的な構造を反復して作りこんだものは「メタサーフェス」と呼ばれている。

　以前からこのメタサーフェス技術を応用した光フィルターや電波制御は研究されてきた。2020年1月、NTTドコモ（以下、ドコモ）は、透明な20センチ角のガラスに組み付けた透明メタサーフェス基板を使って、5Gで利用普及が期待される28GHz帯の電波の透過／反射を制御する実証実験に成功したと発表した。大面積かつ透明な材料での電波透過／反射の動的制御は世界初の成果だ。

図1　実証実験で利用された透明・動的メタサーフェスプロトタイプ（出典：NTTドコモ）

透明・動的メタサーフェスで何ができる？

　5Gをはじめ、これからの無線通信でますます重要となるのが、28GHz帯や60GHz帯といった高い周波数帯の電波活用だ。広い帯域幅を利用した高速通信の可能性が広がっている。一方で、高い周波数帯は電波の直進性の高さ故、端末と基地局間に障害物などが存在すると電波が到達しにくくなるという弱点もある。

　そんな弱点を解消する方法として、電波が届きにくいエリアに電波反射板を設けている。金属製の反射板を設置する方法もあるが、より効率的に電波が届けられるよう、ドコモは研究を重ねてきた。2018年11月時点には、メタマテリアル材料による反射板を用いて電波の反射方向とビーム形状の制御を実験し、データ通信ができなかったエリアでの通信を可能に、5G移動局の通信速度を最大60Mbpsから最大560Mbpsまで改善できることを実証した。

　その一方、反射板の設置場所に合わせた設計が個別に必要であることや反射板の裏側に電波が届かないこと、さらに板上の外観から景観への悪影響が考えられることなどの課題も見えてきた。課題をクリアし5G活用可能エリアを拡大させるために作られたのが、今回紹介する「透明・動的メタサーフェス」だ。

　従来のメタマテリアル反射板との違いは“電波をある時には透過させ、ある時には反射させる”制御が可能なことと、外観が透明で景観にほとんど影響を与えずに設置できることだ。実験では、約2ミリメートル角のメタサーフェス素子を並べて20センチ角のプロトタイプを作成したが、さらなる大面積化も可能となっている。では一体、どういった活用が想定されているのだろうか。

　開発にあたったドコモ5Gイノベーション推進室の来山大祐氏は「ビルの陰になるエリアなどの『見通し外エリア』へ電波を届けることができるため、建物が密集して見通し外エリアが多い都市部での利用が考えられる。また、透明性が高く景観への影響も少ないため、例えばオフィスの窓ガラス・建物壁面・看板・広告などに設置し、ビル影や屋内を効率的にエリア化できる。さらに、遠隔からメタサーフェスの透過／反射の制御が可能なため、例えば映画館や劇場、セキュリティエリアなどで必要な時間帯のみエリア化・圏外化するような使い方もあり得る」と語る。

　設置場所を選ばず、景観に影響を与えず、屋内での電波利用も便利になるだけではない。屋内の会議室や執務場所から無線通信を必要に応じて遮断したり復旧したりでき、活用ユースケースは大きく拡大していくことが期待される。

図2　透明・動的メタサーフェスの設置イメージ（出典：NTTドコモ）

透明・動的メタサーフェスの仕組みは？

　透明・動的メタサーフェスの外観は、一見ただの平面ガラス板のように見える。オモテ面には、電波波長よりも小さく、透明に構成されたメタサーフェス素子を並べたメタサーフェス基板があり、ウラ面には透明な可動基板がある。張り合わされて一体化しているようにも見えるが、両者の間には最大で数百マイクロメートルの隙間が空けられ、この隙間を電気制御のアクチュエータで調整することにより、電波の透過と反射の切り替えができる。

図3　透明・動的メタサーフェスプロトタイプによる実験装置（出典：NTTドコモ）

表1　透過モード（メタサーフェス基板と可動基板とがくっついた状態）と反射モード（メタサーフェス基板と可動基板が離れた状態）の電波透過レベルの違い（出典：NTTドコモ）

　同研究に長年携わる来山氏は、メタマテリアル／メタサーフェスの特徴が周辺の材料によって大きく左右されることに着目し、センサー技術に応用した経験がある。周辺の材料に対して「敏感」なメタサーフェスの特徴を逆手にとって、今回も有益な応用に結び付けたということだ。

　なお、こういった透明材料の開発には、ドコモと共同でガラスアンテナ（自動車のガラスをアンテナとして利用する技術）開発に取り組んできたAGCの微細加工／材料技術が生かされている。来山氏は今回のプロトタイプのポイントについて次のように語る。「メタマテリアル／メタサーフェス研究で電波の反射／透過の特徴を動的に変化させる技術は他にもあるが、高い透明性と大面積化の実現はこれまで困難とされてきた。特に波長の数倍の面積（ミリ波の場合、数平方センチレベル）までしか作製することができなかったが、それぞれの課題を克服した」。

透明・動的メタサーフェスのさらなる展望

　透明・動的メタサーフェスは今のところ、電波の透過と反射を動的に制御することに成功した段階だが、やがては透過や反射の“方向”も動的に制御することが研究の視野に入っている。ドコモは、環境や用途によって異なる5G活用ニーズに対応できるよう、さらなる改善に努めていくとしている。

　今後は実環境での使用に耐えられるような技術の確立や反射／透過の方向制御など高機能化に取り組む。また、周波数が高くなるほどより効果が高くなるため、5Gだけでなく、6Gなどさらに高い周波数が利用される際にも必要性は増すだろう。今回開発した技術はより高い周波数への対応も容易で、将来のミリ波無線通信においてキーデバイスとなると考えられている。