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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


6G対応分散型マルチビーム・フェーズドアレイ無線機

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ソフトウェア制御フェーズドアレイの進化とmmcon3誕生

図1　mmcon3は，IFからRFまでの送受信が完全に独立している．1つのエレメントを1つのアップコンバータ，またはダウンコンバータで制御し，複雑なマルチビーム制御が可能．モジュールを増設し同期駆動することも可能なシステム構成となっている．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］加藤 隆志（ラジアン）

Beyond 5Gを見据えた次世代フェーズドアレイ無線機

フェーズドアレイ・アンテナは，従来のアンテナと比較し，エネルギ効率が高く，多数のユーザが同時接続する際にも安定した通信性能を発揮します．この技術の中心にあるのは，アンテナの複数のエレメントに高周波信号を供給し，その位相を制御することで電磁波を特定方向に絞り込むしくみです．

mmcon3は，ソフトウェア制御による分散型フェーズドアレイ無線機です．複数のモジュールが連携し，柔軟かつ強力な通信性能を実現する点です．

mmcon3誕生

mmcon3は次の5つの主要ハードウェアで構成されています．

  1. ミリ波アップコンバータ（mmcon3-tx）:中間周波数（IF）信号をミリ波帯（RF）に変換し，送信を担う
  2. ミリ波ダウンコンバータ（mmcon3-rx）:受信信号をRFからIFに変換
  3. 高C/Nマイクロ波シンセサイザ（mmcon3-pll）:高精度の信号生成を担当
  4. ベースボード （mmcon3-base）:全体のシステムを統括
  5. フェーズドアレイ・アンテナ（mmant2）:4エレメント×2構成で，マルチビーム形成を可能にする

mmcon3は，IFからRFまでの送受信が完全に独立しており，1つのエレメントが1つのアップコンバータで制御されるため，複雑なマルチビーム制御が可能になります．また，モジュールを増設することで，通信性能を大幅に向上させるスケーラビリティも特徴です．

分散型マルチビーム無線機と6Gの可能性

分散型フェーズドアレイ・システムは，複数の無線モジュールが相互に連携し，新たな通信の可能性を切り拓く技術です．低軌道衛星群のような分散構成が必要な場面で特に威力を発揮します．宇宙空間における巨大なフェーズドアレイ・アンテナ・パネルの展開や，広域に分散した端末への効率的な通信が可能です．

フェーズドアレイ技術の基盤

フェーズドアレイ技術は，複数のアンテナ・エレメントが協調して動作することで，特定の方向に強力な電磁波ビームを形成します．この「ビームフォーミング」は，通信効率を高めるしくみです．エレメントの数を増やすことで，ビームの絞り込みがより鋭くなり，アンテナ・ゲインが向上します．

6Gの通信環境では，多くのデバイスが高密度に存在し，通信の安定性とスループットが課題になります．mmcon3は，これらの課題を解決するために，以下の特性を備えています．

  1. 柔軟性
    ソフトウェア制御によるリアルタイムなビーム形成と方向変更
  2. 分散構成
    複数モジュールの協調動作により，高性能な通信ネットワークを構築
  3. スケーラビリティ
    モジュールを追加することで，性能を簡単に拡張可能

〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • 1990年　無線通信機器メーカで設計開発．その後，計測器メーカでRF測定機器，半導体試験装置の設計開発
  • 2017年　フリーランスエンジニアとして独立，無線通信機器やSDR機器の受託開発
  • 2019年　株式会社ラジアンとして法人化，現在に至る

著書

  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］，ZEPエンジニアリング．
  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］，ZEPエンジニアリング．
  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］，ZEPエンジニアリング．
  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］，ZEPエンジニアリング．
  5. ［Webinar/KIT/data］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．
  6. 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．
  7. 超長距離無線LoRaからローカル5Gまで！GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機，ZEPエンジニアリング．
  8. 自宅で設計・開発！USBミクスト・シグナル・アナライザ Analog Discovery Pro 3000 誕生，ZEPエンジニアリング．
  9. 高精度基準搭載＆1GSPS広帯域！
  10. プロ用USBマルチ測定器 ADP5250誕生，ZEPエンジニアリング．
  11. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.1]，ZEPエンジニアリング．
  12. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.2]，ZEPエンジニアリング．
  13. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.3]，ZEPエンジニアリング．
  14. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.4]，ZEPエンジニアリング．
  15. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.5]，ZEPエンジニアリング．
  16. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.6]，ZEPエンジニアリング．
  17. ，ZEPエンジニアリング．
  18. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.8]，ZEPエンジニアリング．
  19. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.9]，ZEPエンジニアリング．
  20. GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機，ZEPエンジニアリング．
  21. ［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），ZEPエンジニアリング．
  22. ［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），ZEPエンジニアリング．
  23. ［KIT］実験用28GHzミリ波パッチ・アンテナ【mz-mmant1】，ZEPエンジニアリング．
  24. ［KIT］実験用800M～6GHz 広帯域90°ハイブリッド【mz-qhybrid】，ZEPエンジニアリング．
  25. ［KIT］実験用27.5G-29.5GHzバンド・パス・フィルタ【mz-mmbpf1】，ZEPエンジニアリング．
  26. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ【z-pptgen-on1】，ZEPエンジニアリング．

参考文献

  1. ［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．
  2. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング．
  3. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計，ZEPエンジニアリング．
  4. ［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．
  5. ［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．