［VOD］広帯域ソフトウェア無線＆フェーズドアレイANT開発 要点100

講演内容

フェーズドアレイ・アンテナは，配列状に配置された複数のエレメントを用いたアンテナです．各エレメントの位相制御により任意の向きに電波を送受信することができます． 昨今，ドローンは日常的に耳にする存在となり，海外では宅配用ドローンがすでに生活

MATLABとSDRを組み合わせて 28GHz帯の基本的なアンテナ“ULA”（Uniform Linear Array）を使って電波を送信し，アンテナを評価するためのソフトウェアを作成しました．ULAとは，アンテナ要素間の間隔や特性が均一で，配列が直線上に並んでいるアンテナのことです．

フェーズドアレイ・アンテナの制御にはいくつかの方式があります．ここでは SDR の出力により直接アンテナ位相を変化させる「ソフトウェアフェーズドアレイ・アンテナ」方式を実装します．実装するうえで課題となった SDR ハードウェアの制約や，その対応策についても説明します．

説明はフェーズドアレイ・アンテナの原理から始めますので，前提知識がなくても理解できる内容です．使用するアンテナについては，セッション2で詳しく解説があります．

受講対象

• フェーズドアレイ・アンテナについて関心のある方
• MATLAB と SDR（USRP）を組み合わせた開発に関心のある方

講師紹介

略歴

• 2015年　都内電子機器メーカに入社．主にUSB3.1やDisplayPort，MIPI，車載向けSer/Desなど高速インタフェース変換基板の設計開発．回路設計からファームウェア，ソフトウェア開発（C/C++）を担当
• 2023年　「Y-Logic」として独立開業

主な著書

1. 世界統一規格新USBType-C攻略DVD(特集)第4部，トランジスタ技術2020年2月号，CQ出版社．
2. 電池交換不要！消費電流1μA未満のソーラ充電式導通チェッカ，トランジスタ技術2020年10月号，CQ出版社．
3. AVRでサクッとマイコン開発(特集すべて)，トランジスタ技術2021年4月号，CQ出版社．
4. 3桁表示ミリオーム計の設計・製作，トランジスタ技術2021年6月号，CQ出版社．
5. 直流バイアス付きコンデンサ容量計，トランジスタ技術2021年11月号-2022年3月号(短期連載)，CQ出版社．
6. 超便利！ICの故障・真贋チェッカの製作，トランジスタ技術2023年3月号，CQ出版社
7. 作る！わかる！USBType-C＆電源(特集)第1部3-4章，トランジスタ技術2023年6月号，CQ出版社．
8. 20mVステップUSB可変電源の製作，トランジスタ技術2023年9月号，CQ出版社．
9. 「大安」「仏滅」を計算する六曜カレンダ回路の製作，トランジスタ技術2024年3月号，CQ出版社．

講演内容

従来のフェーズドアレイは，変調されたRF信号をRFアナログ位相遅延回路を使って実現していました．この方法は送受信機が1組で構成できるため，安価に実現できますが，複数の変調波を重畳してもすべて同じ遅延量になるため個別のビーム制御は不可能でした．本セッションで紹介するソフトウェア制御のマルチビーム・フェーズドアレイ方式は，位相遅延の制御をSDRを使った信号処理で実現します．

アンテナ・エレメントの数だけ送受信機が必要になりますが，複数の変調波それぞれに異なる位相遅延処理ができるため，複数の異なる角度のビームをアンテナから同時に放射可能です．複数の送信機によるパワー合成になるため，各パワー・アンプに要求される歪特性は大幅に緩和されます．

受信は，NF（Noise Figure）を決定する初段のLNAが複数並列のパワー合成になるため，熱雑音は平均化され変調波は加算されることで感度が改善します．

このようにソフトウェア・フェーズドアレイはマルチビーム制御だけにとどまらず，さまざまな可能性，将来性のある技術です．本セッションでは，実際に試作した28GHz帯の4エレメント（送受信機が4チャネル）のハードウェアを紹介します．さまざまな回路上の工夫や実現方法やマルチビームの実測結果も紹介します．

解説

動画

技術解説

1. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmcon3”誕生［Vol.1　分散型マルチビーム無線機のハードウェア］
2. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmcon3”誕生［Vol.2　1エレメント1モジュール独立分散型の理由］
3. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmcon3”誕生［Vol.3　ソフトウェアによるマルチビーム制御の実験］
4. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmcon3”誕生［Vol.4　非接触共振カプラによるアレイ・チャネル拡張］

関連製品

1. ［KIT］ミリ波アップコンバータ z-mmcon3-tx
2. ［KIT］ミリ波ダウンコンバータ z-mmcon3-rx
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4. ［KIT］ミリ波モジュールmmcon3用ベースボード mmcon3-base
5. ［KIT］4エレメント×2フェーズドアレイ・アンテナ mmant2
6. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ MkⅡ【z-mmcon2】（mz-mmcon1後継機）
7. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ【z-pptgen-on1】
8. ［KIT］実験用28GHzミリ波パッチ・アンテナ【mz-mmant1】
9. ［KIT］実験用800M～6GHz 広帯域90°ハイブリッド【mz-qhybrid】
10. ［KIT］実験用27.5G-29.5GHzバンド・パス・フィルタ【mz-mmbpf1】

受講対象

• SDRと信号処理によるソフトウェア・フェーズドアレイに関心のある方
• ミリ波RF回路の実現方法に興味のある方

講師紹介

略歴

• 1990年　通信機器メーカでV/UHF無線通信機器の設計・開発
• 1992年　通信機器メーカでMCAなど業務用無線通信機器の設計・開発
• 1998年　電子計測機器メーカでRF用測定機器の設計・開発
• 2008年　電子計測機器メーカで半導体試験装置の設計・開発
• 2017年　ラジアン創業，無線通信機器の受託設計，自社製品の開発
• 2019年　株式会社ラジアン設立

主な著書

1. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ
2. ［VOD］Linux搭載USBマルチ測定器 Analog Discovery Proで作る私の実験室
3. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点
4. ［VOD］ Before After！ ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】
5. 電波解読マシン Piラジオの製作，トランジスタ技術，2017年1月号　特集，CQ出版社．
6. 電波超解像!スペクトラムプロセッサSDR誕生，トランジスタ技術，2018年9月号　特集，CQ出版社．
7. 夢のRFコンピュータ・トランシーバ製作，トランジスタ技術，2017年8月号　連載，CQ出版社．
8. 信号処理プログラミングで操るソフトウェア無線機＆計測機，2019年春号，トランジスタ技術SPECIAL No.146，CQ出版社．

キット＆モジュール

1. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ MkⅡ【z-mmcon2】（mz-mmcon1後継機）
2. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ【mz-mmcon1】（生産終了，後継機 z-mmcon2）
3. ［KIT］実験用28GHzミリ波パッチ・アンテナ【mz-mmant1】
4. ［KIT］実験用800M～6GHz 広帯域90°ハイブリッド【mz-qhybrid】
5. ［KIT］実験用27.5G-29.5GHzバンド・パス・フィルタ【mz-mmbpf1】
6. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ【z-pptgen-on1】

講演内容

無線通信システムのソフトウェア化は，サイバー世界を支える情報通信基盤，「次世代サイバーインフラ」の進化を大きく加速させています．その鍵となるのが，SDR（Software Defined Radio）技術とOAI（OpenAirInterface）をはじめとするオープンソース・ソフトウェアです．これらの技術は，無線通信システムにおける柔軟性と拡張性を飛躍的に向上させ，誰もが技術革新に貢献可能とする「無線通信の民主化」を推進しています．

SDRやOAIの活用により，ローカル5Gをはじめとした自営網技術への適用が進むと同時に，次世代通信規格への迅速な対応や商用ネットワークの効率的な最適化の実現が期待されています．

本セッションでは，ソフトウェア化されたローカル5Gシステムの最新応用事例を紹介します．特に，地域創生を目的とした取り組みや，宇宙通信を含む最先端の研究開発事例を通じて，無線通信技術がどのように未来を変えていくのかをご提案します．

受講対象

• モバイルシステムのソフトウェア化（SDR・FPGA開発）に関心がある方
• OAIを活用した新しい通信プロトコルやネットワーク機能開発に取り組みたい方
• ローカル5Gを活用した地域創生や宇宙通信開発に興味がある方

講師紹介

略歴

• 1991年　東京大学理学部1994年同大学院修士課程修了．IBMテキサスオースチン研究所，東京基礎研究所などを経て，プリンストン大学大学院コンピュータサイエンス学科にて修士・博士学位取得
• 2005年　東京大学大学院情報学環 助教授に就任
• 2014年2月　同教授に就任
• 2016年　学際情報学専攻長兼任
• 2019年～　情報学環副学環長，東京大学総長補佐兼任
• 2020年～　東京大学総長特任補佐兼任（現職）
• 2021年4月～　東京大学工学系研究科教授に異動（現職），東京大学次世代サイバーインフラ連携研究機構 機構長を兼任（現職）
• 2023年4月～　システム創成学科長に就任（現職）
• 2024年6月～　電子情報通信学会通信ソサイエティ会長に就任（現職）．XGモバイル推進フォーラム(XGMF)共同代表に就任（現職）


• 専門は情報通信・情報科学(Ph.D. Computer Science)．5G/Beyond5G/AI/IoTに関する複数の産学連携プロジェクトのリーダーを務める

講演内容

本セッションでは，フェーズドアレイ・アンテナの基本的な動作を3D電磁界解析で解説します．

フェーズドアレイ・アンテナは，複数のエレメントを並べたアンテナです．機械で回転させるのではなく，各エレメントに位相差をもたせることで励起（受信)し，任意の方向の電波を高い感度で受信したり発射したりするものです．機械式より圧倒的高速に，電波の受信方向や発信方向を変えることが可能です．

電磁界シミュレータ CST Studio Suiteには，碁盤の目状や円周形状など任意の構成のアレイ・アンテナの動作を解析するツールが付属しています．このツールを動かして，さまざまな形状，さまざまなエレメント数のアレイ・アンテナの電磁界のふるまいをシミュレーション実験し，フェーズドアレイ・アンテナの動作を理解します．

アレー・アンテナと空間電波(電界の変化がわかる）	アレー・アンテナのFarfield
汎用電磁界シミュレータ CST Studioとアンテナ設計用プログラム Antenna_magusを組み合わせて遠方界を3次元電磁界解析	汎用電磁界シミュレータ CST Studioとアンテナ設計用プログラム Antenna_magusを組み合わせてアレー・アンテナを設計

講師紹介

略歴

• 1976年　理科学機器機器メーカの分析機器開発部門に配属．高周波，高速デジタル混在機器の開発設計に携わる
  2000年　上記継続の中で，電磁界・回路シミュレーションをGHz帯アナデジ混在回路開発に適用開始
  2015年　高周波・高速回路設計，EMC対策のコンサルタントとして独立．セミナ講師
  

主な著書

1. ［VOD/KIT］Tinyスペアナ×Tinyネットアナで作る 6GHz My実験ベンチ，ZEPエンジニアリング．
2. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング．
3. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング．
4. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング．
5. トランジスタ技術，トランジスタ技術SPECIALなど執筆多数