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5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室


高周波の世界では「時間」も考える

線路も部品として扱う

図1　MEGTRONやRO4000シリーズなど，誘電損失が低く，高周波信号の伝送に優れる基板材料を使うことで，減衰を最小限に抑え安定した通信を実現できる．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

高周波の世界では「時間」も考える

ミリ波帯（30G～300GHz）の通信技術は，驚異的な速度と低遅延を実現するための鍵となる領域です．高周波技術には，単に周波数を上げるだけでは克服できない多くの課題があります．信号が高周波数に達すると，伝送時にさまざまな障害が発生します．特に重要なのは，反射やクロストークといった現象です．これらを回避するためには，高周波の伝送線路設計において特性インピーダンスを考慮し，最適な「マッチング」を行う必要があります．

高周波伝送線路と「特性インピーダンス」

高周波の伝送において，特性インピーダンス（Transmission Line Impedance）は非常に重要な役割を果たします．伝送線路のインピーダンスが，信号の送受信回路のインピーダンスと一致しない場合，信号は反射して波形が乱れ，通信品質が低下します．1GHzを超える周波数では，伝送線路の設計における物理的なサイズや形状も信号の伝達特性に大きく影響を与えるため，慎重な設計が求められます．

伝送線路における反射を抑えるためには，送信回路の出力インピーダンス，受信回路の入力インピーダンス，そして伝送線路の特性インピーダンスの3つのインピーダンスが一致することが必要です．これをマッチング技術と呼びます．高周波の設計では，このマッチングを行わないと，信号が正確に伝わらず，通信に支障をきたします．

高周波回路設計における材料と部品選定

ミリ波帯の伝送線路設計には，使用する材料や部品の特性が重要になります．一般的なプリント基板として使用されるFR-4は，誘電損失が大きく，高周波信号の伝達に適していません．これに対して，MEGTRONやRO4000シリーズなどの特殊な材料は，誘電損失（$\tan \delta$）が低く，高周波信号の伝送に優れています．このような高性能な材料を使用することで，信号の減衰を最小限に抑え，安定した通信を実現できます．

高周波回路においては，部品の物理的な形状や配置も非常に重要です．コネクタの形状や基板の寸法が信号の伝達特性に影響を与え，正確な設計が求められます．

特性インピーダンスの重要性とマッチング技術

特性インピーダンスは，伝送線路の特性を表す重要なパラメータで，信号が線路を伝わる際に発生する電圧と電流の関係を示します．特性インピーダンスは，送信回路の出力インピーダンス，受信回路の入力インピーダンス，および伝送線路の特性インピーダンスの3つの要素が一致することで，信号の反射を抑制し，スムーズな伝送を実現します．

この一致を確保するための技術がマッチング技術です．マッチング技術は，信号源と受信端との間に生じるインピーダンスの不一致を解消するために使用されます．例えば，送信回路の出力インピーダンスが高すぎると，信号が反射して波形が乱れます．これを防ぐためには，送信回路のインピーダンスを低く保ち，受信回路のインピーダンスを高くすることが一般的です．

高周波回路設計においては，伝送線路自体の特性インピーダンスも重要です．通常，理想的な伝送線路の特性インピーダンスは50$\Omega$に設定されており，この値を守ることが重要です．50$\Omega$の伝送線路は，さまざまな周波数帯域において安定した信号伝送を提供し，反射を最小限に抑えることができます．

高周波信号の伝送における設計のこつ

高周波回路設計では，特性インピーダンスを考慮した伝送線路設計が不可欠です．1GHz以上の周波数帯域では，伝送線路の寸法や部品選定が通信品質に大きな影響を与えます．最適なマッチング技術を用いることで，信号の伝達効率を高め，信号の減衰や反射を抑制できます．

伝送線路の物理的な特性を理解し，最適な材料や部品を選定することが，ミリ波帯通信システムの成功に不可欠です．高周波の通信技術は，単なる理論だけではなく，実際の設計と実装における細かい工夫が必要であることを理解することが重要です．〈著:ZEPマガジン〉

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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．