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5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室


高周波センスを磨く！スミス・チャート

高周波回路設計の必須ツール「スミス・チャート」

図1　スミス・チャートを活用することで，周波数による回路や伝送路のインピーダンスの変化を直感的に把握することができ，さらに適切なインピーダンス・マッチングを施すことができる．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

高周波センスを磨く！スミス・チャート

マイクロ波（300M～30GHz）やミリ波（30GHz～300GHz）を扱う高周波回路の設計では，インピーダンス，反射，Sパラメータの3つのパラメータを自在に扱う必要があります．これらの値は周波数とともにダイナミックに変化し，その軌跡を視覚化するツールとして「スミス・チャート」が用いられます．スミス・チャートを駆使すれば，測定器やシミュレータがなくても，脳内でインピーダンスの地図を描くことが可能になります．その結果，高周波回路シミュレータを効果的に活用できるようになります．

高周波では「周波数」と「インピーダンス」は切れない関係

電子回路設計の初学者はDCやオーディオ帯域から始めることが多く，低周波回路の知識を積み重ねながら高周波へと進んでいきます．しかし，高周波回路では考慮すべきパラメータが多く，周波数とインピーダンスの関係が極めて重要です．

低周波回路では「抵抗とキャパシタを直列に接続すれば低域がカットされる」と単純に考えます．しかし，高周波回路では「抵抗とキャパシタの直列接続によって，場合によってはゲインが増加することもある」といった現象が発生します．これは，交流インピーダンスが周波数によって大きく変動するためです．高周波回路設計では，まず周波数を規定しなければインピーダンスの議論が始まりません．

低周波の知識だけでは理解できない高周波現象

高周波回路設計を理解するために，まずスミス・チャートを用いてインダクタやキャパシタのインピーダンス変化をプロットすることが有効です．

  1. 高周波アンプのゲイン特性を測定する回路を設計する
  2. 周波数特性を測定し，ゲインの変化を確認する
  3. キャパシタやインダクタを追加し，インピーダンス・マッチングを試行する
  4. スミス・チャートを用いてインピーダンスの変化を可視化する

高周波回路の設計では，周波数特性を考慮しながらインピーダンスを調整し，適切な回路構成を導き出すことが求められます．

インピーダンス・マッチングの重要性

高周波回路では，信号の反射を抑え，最大限のエネルギを伝達するために「インピーダンス・マッチング」が不可欠です．送信側と受信側のインピーダンスが一致しない場合，反射が発生し，信号の損失が増大します．この現象を抑えるために，適切なインピーダンス・マッチング手法が求められます．

インピーダンス・マッチングの基本手法

  1. LC回路を用いた整合：インダクタやキャパシタを組み合わせて整合回路を構成する
  2. トランスを用いた整合：巻き数比を調整することでインピーダンスを変換する
  3. スミス・チャートを用いた設計：インピーダンスの軌跡を可視化しながら適切な整合を行う

インピーダンス・マッチングの応用

5GHz帯で?1dBのLPF特性をもつRF ICを例に考えます．

増幅器（AMP1）のゲイン特性を測定した結果，5GHzにおいてゲインが低下していることが判明しました．これを改善するために，AMP1の入力に直列で0.7pFのキャパシタを追加します．通常の低周波回路の考え方では，小容量のキャパシタを直列に追加すると高域でゲインが低下するはずですが，高周波回路では逆にゲインが増加することがあります．

信号ラインとグラウンド間に2.2nHのインダクタを追加することで，5GHzにおけるゲインを最大化できます．このように，インピーダンス・マッチングを適切に施すことで，高周波回路の性能を最適化することが可能です．〈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．