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5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室


反射が起きる伝送線路の波形

多重反射すると「定在波」が発生

図1　多重反射が続くと発生する定在波は，反射波と進行波が干渉して，特定の位置で波の振幅が極端に増加したり，消失したりする現象．定在波が発生すると，その節で信号が消失して受信回路が動作しなくなる．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

反射が起きる伝送線路の波形

ミリ波は高周波数帯域に位置し，通信速度の大幅な向上を実現しますが，その特性として波の反射や伝播における難しさがあります．伝送線路での反射現象を理解することは，通信品質の向上に不可欠です．

反射が起きると，信号の波形に変化が生じます．送信端が50$\Omega$，受信端が開放された場合，伝送線路の特性インピーダンスと一致しないため，反射が発生します．このとき，送信端で送られた信号が反射して戻り，入力信号と合成されることで波形が変化し，最終的に1Vに収束します．低速のディジタル回路では，反射の影響は目立ちませんが，波形が急激に変化しないため，波長が大きくなると反射の影響が顕著に現れます．

反射が引き起こす「多重反射」とは？

反射が繰り返される現象は「多重反射」と呼ばれ，送信端と受信端のインピーダンスが一致しない場合に発生します．伝送線路の送信端と受信端のインピーダンスが50$\Omega$と一致していないと，エネルギが吸収されずに伝送線路内で反射が続きます．この反射が繰り返されることで，信号の振幅が徐々に変化し，最終的に一定の振幅に収束します．反射の影響を受けた波形は，特に受信端で振幅が大きく変動することがあります．

「定在波」の発生とその影響

多重反射が続くと，最終的に「定在波」が発生することがあります．定在波は，反射波と進行波が干渉して，特定の位置で波の振幅が極端に増加したり，消失したりする現象です．定在波が発生すると，特定の位置（節）では信号が消失し，受信回路が動作しなくなることがあります．これは，伝送線路の長さと信号の波長が一致することで，反射波と進行波の干渉が起こるためです．高い周波数の信号，例えば数GHz以上のマイクロ波帯域では，グラウンド・パターンでも共振が起こり，信号が消失したりノイズが乗ったりすることがあります．

このような定在波を避けるためには，伝送線路の設計を慎重に行う必要があります．エネルギが長時間伝送線路内に保持され，振動が続く現象を理解することで，適切な対策が可能です．電磁界シミュレータを使った設計では，反射現象を無視してしまうことがあるため，反射の発生メカニズムをしっかり理解してから設計を行うことが重要です．

キーワード

反射

反射は，信号が伝送線路のインピーダンスの不一致によって戻ってくる現象です．インピーダンスの不一致があると，信号が送信端から受信端に向かう途中で反射し，波形が変化します．この反射は，伝送線路を流れる電流の大きさや信号の振幅に影響を与えるため，設計時には十分な考慮が必要です．

伝送線路

伝送線路は，信号を送るための物理的な経路であり，その特性インピーダンス（50$\Omega$など）が重要です．インピーダンスが適切に設計されていないと，反射が発生し，信号品質が低下します．伝送線路の長さが信号の波長と一致すると，定在波が発生する原因になります．

定在波

定在波は，進行波と反射波が干渉し，伝送線路内で特定の場所で信号の振幅がゼロになる現象です．定在波が発生すると，信号の伝送が阻害され，受信回路が正常に動作しなくなることがあります．特に高周波数帯域では，この現象が顕著になります．〈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．