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ソフトウェア・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］


任意の変調波を任意方向に同時発射！
1エレメント1モジュールの独立分散型で広帯域/高感度/低ひずみを実現





独立分散型ミリ波マルチビーム送信システムの構成例

図19に示すのは，4個のmmCon3-tx，1個のmmCon3-pll，USB SDR N310，そしてパソコンで構成したマルチビーム・ソフトウェア・フェーズドアレイ・ミリ波送信器のブロック図です．

I/QデータをUSB SDRでリアルな2.2GHzのベースバンド変調波に変換

生成した2変調波4チャネルのI/Q信号をEthernet経由でUSB SDR“USRP N310”に渡し，リアルな2.2GHzの4チャネル変調波に変換します．USRP N310からは，フェーズドアレイとして機能する2.2GHzの変調波が出力されます．

mmCon3-txで28GHzに周波数アップコンバート

USRP N310の出力をミリ波アップコンバータ mmCon3-txで28GHzにアップコンバートされます．

mmCon3は，I/Q変調可能ですが，I/Qのどちらか片方だけを用いて単純なアップ・コンバータとして機能します．これはUSRP N310でI/Q変調されているからです．mmCon3のLO信号は内部で4逓倍されます．高C/Nマイクロ波帯シンセサイザ mmCon3-pllから7.55GHzを供給を受けます．

1つのPLLシンセサイザで全送受信モジュールを同期運転

LO信号は，4チャネルが同期していることが重要なため，1つの高C/Nマイクロ波帯シンセサイザ mmCon3-pllから4つに分岐させます．

USRP N310内部のLOも同様に同期している必要があります．CH1-CH2とCH3-CH4のシンセサイザが独立していますが，リファレンス源が共通なので問題ありません．2個のシンセサイザは起動する度に異なる位相差が生じるため，都度位相キャリブレーションが必要です．

図19　マルチビーム・ソフトウェア・フェーズドアレイ・ミリ波送信器のブロック図

MATLABで2変調波4チャネルのI/Qデータを生成

数値解析ソフトウェア“MATLAB”で作った信号処理プログラムで，“Beam $\theta$”と“Beam $\Phi$”の2種類の変調波をベースバンド信号（I/Q信号）として生成します（図20）．その後，各チャネルごとに位相遅延をかけて，Beam $\theta$とBeam$\Phi$を加算します．2つの変調波の変調の種類（OFDMやQPSK，CWなど）や，各チャネルのゲイン，位相キャリブレーション，各ビーム方向の指定などの機能をもっています．

図20　2つのビームの変調信号の生成と制御できる専用アプリケーションをMATLABプログラムで作成

ソフトウェア制御によるマルチビーム放射のようす

実測の方法

mmCon3のモジュールで構成したミリ波送信システムを電波暗室にもちこんで実測しました（図21）まず，2つの電磁波ビームが放出されていることを確認します．

USRP N310とmmCon3をターン・テーブルに載せて回転させます．周波数が高いため，アンテナ・ケーブルは長く引き回すことができません．図22に示すように，ホーン・アンテナで受信して，ミリ波スペアナで信号レベルを測定します．伝搬距離は1.3mです．

2つのビームは，スペアナの画面上で容易に見分けられるよう，片方をOFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），もう片方をCW（Continuous Wave）としています．

図21　電波暗室でビーム放射特性を測定
図22　ホーン・アンテナでビームを受信してミリ波スペアナでレベル測定

2つのビームが異なる方向に放出されていることを確認

図23に示すのは，2つの変調波（CWとOFDM）を異なる方向に同時に出したときの受信スペクトラムです．

ターン・テーブルの方向を変えると，OFDMとCWの信号強度が入れ替わります．黄色と紫色で角度が異なります．異なる方向にビームが放射されています．

図24と図25に測定結果を示します．縦軸はdBではなくリニアです．最大値を1.0に正規化しています．実際に，同時に異なる方向に別々の変調波が放射されることが確認できました．

図23　2つの変調波（CWとOFDM）を異なる方向に同時に出したときの受信スペクトラム
図24　製作した4チャネルのマルチビーム・ソフトウェア・フェーズドアレイ・ミリ波無線機の放射パターンその1
図25　製作した4チャネルのマルチビーム・ソフトウェア・フェーズドアレイ・ミリ波無線機の放射パターンその2

参考文献

  1. 特願 2024-206268，株式会社ラジアン，加藤 隆志．
  2. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ Mk2，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.8　初めての28GHzミリ波伝搬実験]，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. 高感度受信！ソフトウェア無線機の心臓部“Root-Raised Cosine Filter”の設計，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. Arm M4/M7/DSP×500MHz！STM32H7ハイスペック計測通信Module開発，ZEPエンジニアリング株式会社．
  7. ［VOD］Linux搭載USBマルチ測定器 Analog Discovery Proで作る私の実験室，ZEPエンジニアリング株式会社．
  8. ［VOD/KIT］初めてのソフトウェア無線＆信号処理プログラミング 基礎編/応用編，ZEPエンジニアリング株式会社．
  9. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  10. ［VOD］MATLAB/Simulink×FPGAで作るUSBスペクトラム・アナライザ，ZEPエンジニアリング株式会社．