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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


非接触共振カプラによるアレイ・チャネル拡張


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mmCon3のLO信号分配技術

図1　mmCon3は，電力損失を最小限に抑えられる非接触方式の共振回路を通じて，複数のミリ波アップコンバータとダウンコンバータに，マイクロ波帯のPLLシンセサイザが生成するGHz帯LO信号を均等な電力で分配し同期駆動する．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）

チャネル拡張性を実現するmmCon3のLO信号分配技術

フェーズドアレイ・システムでは，全モジュールを同期運転するための信号分配が求められます．しかし従来の方法では，分配数を増やすにつれて基板サイズの制約や電力損失が課題になっていました．mmCon3は「非接触共振カプラ」による分配技術を採用し，従来方式の課題を解決しました．

mmCon3は，1つの高C/N比マイクロ波帯シンセサイザ（mmCon3-pll）が生成するGHz帯LO信号を，複数のミリ波アップコンバータ（mmCon3-tx）およびダウンコンバータ（mmCon3-rx）に均等な電力で分配することで，システム全体を同期運転可能にします．この方式は，非接触の共振回路を採用し，物理的な接続が不要であるため，モジュール間の電力損失を最小限に抑えられるだけでなく，高密度実装も容易です．

従来技術の課題と非接触共振カプラの利点

従来のRF分配技術には以下の課題がありました．

  1. バラン方式
    トランス構造により，通過ロスが大きく（-4～-5dB），拡張性が制限される． - ウィルキンソン・デバイダ方式: 低損失な基板を用いても，周波数によって基板サイズが大きくなり，高分岐数の設計が困難
  2. カスケード接続方式
    モジュール間の接続に同軸コネクタが必要で，高密度配置には不向き

非接触共振カプラは以下の特徴をもちます．

  1. 物理的なコネクタを排除し，信号を共振回路を介して安定に伝送
  2. 拡張性が高く，追加のモジュールを容易に接続可能
  3. 伝送路の信号ロスを最小限に抑え，高密度実装を実現

共振回路は基材（Rogers 4350B）の誘電率に合わせて設計されており，波長を短縮しつつも安定した電磁結合を可能にしています．この設計により，ミリ波帯域における高精度な信号伝送が可能となっています．

非接触共振カプラの技術的背景

非接触共振カプラとは

非接触共振カプラは，モジュール間の信号伝送において物理的な接続を不要にする画期的な技術です．この技術では，伝送路と共振器の間に設けられた微小な空隙（約1mm）を通じて，安定した電磁結合を実現します．共振器はストリップ線路を折りたたんだC形構造で，波長の半分（$\lambda/2$）に対応する設計が施されています．基材の誘電率を考慮した結果，波長はさらに短縮され，実際には10.2mmの長さで設計されています．

信号損失の最小化と高Q値設計

非接触共振カプラでは，共振器の$Q$値を高めることで信号損失を最小化しています．$Q$値が高いと，定在波が成長する時間が長くなり，少ない入力信号でも大きな電圧振幅を得ることが可能です．これにより，信号レベルを保持しつつ，モジュール間のロスを低減できます．

共振器とRFアンプ間の結合に用いられるキャパシタ（0.3pF）が重要な役割を果たします．このキャパシタは，インピーダンス・マッチングを最適化し，50$\Omega$から150$\Omega$の範囲で効率的な信号伝送を可能にしています．スミス・チャートで解析された結果は，設計の妥当性を証明しています．

拡張性と実装の容易さ

非接触共振カプラのもう1つの特徴は，モジュールの追加が容易である点です．新しいmmCon3-txやmmCon3-rxをベース・アルミ筐体に固定し，同軸ケーブルで接続するだけで，分配数を拡張できます．この設計は，高密度実装や多チャネル構成が求められるフェーズドアレイ・システムにおいて大きな利点です．〈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．