アンテナ・伝搬研究者の角度から見る
メタサーフェスとその向かう先
Metasurface from the Angle of View of Antenna and Propagation Researchers and Its Angle of Departure
Summery 近年，電波伝搬特性を自在に制御可能とする技術としてメタサーフェスが注目を集めている．特に本稿では，メタサーフェスを広義的に「平面状に構成された媒質であって，入射した電波の伝搬特性に受動的に作用可能なものの総称」と定義し取り扱う．メタサーフェスの機能は，入射した電波の再放射と解釈することができる．そのため，開口の大きなメタサーフェスにより，伝搬過程で空間に拡散される電波を効率良く回収でき，これをある点に収束させることで電波強度を向上できる．また，独立に制御可能な素子を多数用いたメタサーフェスにより，より自由度の高い電波伝搬制御が可能となる．一方，受動構成であるがゆえに電波の送受信ができず，原理的にそれ自体ではチャネル推定が不可能であり，上記の効果を最大限に引き出すことができない．更に，既存のリレー技術や分散アンテナ配置技術と比較し，その費用対効果が明らかとされておらず，有力なアプリケーションが欠如していることが問題提起されている．そこで本稿では，メタサーフェス実用化における上記二つの障壁に対し，アンテナ・伝搬研究者の視点から現実的な解の提案を試みる．
Key Words メタサーフェス，reconfigurable intelligent surface，アンテナ・伝搬，over-the-air（OTA）試験，6G
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序論
我が国では，2020年に第5世代移動通信方式（5G）のサービスが開始となり，40年前の音声伝送のみの1Gと比較すると，最大通信速度は約100万倍に劇的な進化を遂げ，今日では4K/8Kストリーミング，仮想現実・拡張現実といった大容量アプリケーションを超低遅延で利用できるようになった（1）（図1）．この無線通信速度の指数関数的な進歩は止まることはなく，次世代移動通信規格Beyond 5G（6G）においては，100 Gbit/sを超える超高速無線通信の実現に向け研究開発が進められている．
このような無線通信高速化の背景には，「広帯域化」・「空間多重化」・「多値化」の三つの技術の存在がある．これらはしばしば，キャリヤを車両とみなした荷物（データ）の輸送に例えられる（図2）．まず，「道路の拡幅」は「広帯域化」に相当し，シャノン・ハートレーの定理が示すように，帯域が広いほど通信路容量は増加する．また「複車線化」は「空間多重化」に対応し，MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術により，複数のデータを同時並列伝送することが可能となる．そして，1車両当りの荷物の「積載数の増量」は「多値化」に相当し，多値変調技術により1シンボル当り数ビットのデータを伝送することが可能となる．つまり，従来の無線通信では，車両の発車前，すなわち電波が発射される前に適切な前準備（信号処理）をしておくことで，効率的なデータ伝送を可能としてきたのである．
ところが近年，ミリ波・テラヘルツ波といった極めて周波数の高い＝直進性の高い電波の活用が検討され始め，図2 （a）に示すように送受信アンテナが見通し外に存在する場合，道路（通信路）が遮断されてしまう可能性がある．このような状況下で………
図1 無線通信速度の進化の歴史 （1）
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岩手大学，盛岡市
Iwate University，Morioka-shi，020-8551 Japan
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電気通信大学，調布市
The University of Electro-Communications，Chofu-shi，182-8585 Japan
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熊本大学，熊本市
Kumamoto University，Kumamoto-shi，860-8555 Japan