強化セラミックスは高度な技術の進歩に極めて重要な役割を果たす可能性がある

米国物理学会による2021年3月23日

5G システムの利点。 クレジット: Skyworks ソリューション

一部の 5G テクノロジーは、素材や設計開発において依然として未開の西部とみなされています。

5G (ブロードバンド携帯電話ネットワークの第 5 世代技術標準) は、超高速のダウンロード速度、通話切れやバッファリングの解消、自動運転車の開発、遠隔手術、モノのインターネットを推進するための接続性の向上を実現し、ついに到来したと宣伝されています。 。

In truth, 5G technology adoption is still in its early stages, according to Michael Hill, technical director of Skyworks Solutions, a California-based advanced-semiconductor company. In their paper, published in Applied Physics LettersApplied Physics Letters (APL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Institute of Physics. It is focused on applied physics research and covers a broad range of topics, including materials science, nanotechnology, photonics, and biophysics. APL is known for its rapid publication of high-impact research, with a maximum length of three pages for letters and four pages for articles. The journal is widely read by researchers and engineers in academia and industry, and has a reputation for publishing cutting-edge research with practical applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">AIP Publishing の『Applied Physics Letters』では、ヒル氏と彼の同僚が初期の 5G テクノロジーの概要を提供し、強化されたセラミック材料が 5G 開発においてどのように重要な役割を果たすことができるかを示しています。

5G は 2 つの周波数帯域で動作します。長距離リンク用の 3 ～ 6 ギガヘルツと、超高速データ速度用のミリ波領域 (20 ～ 100 GHz) のはるかに高い周波数帯域です。

4G スペクトル領域に近い、より低い周波数帯域に対応することは、より高い周波数範囲で 5G 機能を完全に実現するために必要な大幅な変更に比べれば、それほど問題はありません。 たとえば、周波数の種類は全体的な信号強度に関連付けられます。 周波数が高くなるほど、波が伝わる距離は短くなります。

セラミック材料は、モバイル機器と基地局の両方の無線通信ネットワーク技術で長年使用されてきました。 したがって、セラミックスの強化は、5G 機能の向上において中心的な焦点となっています。 ヒル氏の研究グループは、サーキュレーターと呼ばれる、5G アプリケーションにとって重要なデバイスを強化するセラミックを開発しました。

サーキュレータは通常、イットリウム・鉄・ガーネットをベースとした絶縁セラミック材料で作られ、トラフィックサークルとして機能し、信号の流れを一方向に保ち、受信機と送信機が同じアンテナを共有できるようにする3ポートのデバイスです。

より高い周波数に対応できるようにエネルギー密度を大幅に高めるために、研究者らはイットリウムの一部を、セラミックの誘電率を高める重元素であるビスマスに置き換えました。 ビスマスの置換により、サーキュレータの小型化も可能になります。

5G技術の戦いが激化し続けるにつれ、サーキュレータは高出力窒化ガリウムベースのスイッチに取って代わられる可能性があり、これは5G技術開発がいかに初期段階であるかを示しています。

「ミリ波技術はしばらくの間、西部開拓時代になる可能性が高い。なぜなら、ある技術が優勢になるだけで、すぐに別の技術に取って代わられる可能性があるからだ」とヒル氏は述べた。

参考資料: Michael David Hill、David Bowie Cruickshank、Iain MacFarlane 著「5G 無線通信システムのセラミック材料に関する展望」、2021 年 3 月 23 日、Applied Physics Letters.DOI: 10.1063/5.0036058