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無線/通信/高周波
アンテナ，ミキサ，PLL，フィルタなどのRFアナログ回路や高周波信号をロスなく伝送する線路の設計技術，ソフトウェアによる信号処理，シミュレーション技術を紹介します．
ZEPマガジン
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波長はプリント・パターン上で短くなる 自由空間での波長λ0は光速cと周波数fから求められ，1GHz信号ではλ_0 = 30cm ．伝送線路上では電磁界の分布や基板の誘電率の影響で波長が短くなる |
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プリント・パターンの曲げ方と反射 角を切り落とした曲げのリターン・ロスは直角曲げに比べて全帯域で約10dB改善される |
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10mm，5mm，2.5mmのマイクロストリップ線路の通過帯域 マイクロストリップ線路は高周波信号を伝送するための代表的な構造．線路の長さLが信号の通過特性に大きく影響する |
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マイクロストリップ線路はインダクタンスとキャパシタンスで構成されている マイクロストリップ線路は，高周波では単なる導体パターンではなく，インダクタンスとキャパシタンスが組み合わさった分布定数回路として動作 |
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低軌道衛星によるIoT通信システム設計 低軌道衛星を用いたIoT通信システムでは，衛星の高速移動により発生するドップラー効果と伝搬遅延が通信品質に大きく影響する |
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PLLのC/Nと超低雑音LDO LT3045 PLLのVCOに供給する電源の品質はそのままキャリア・ツー・ノイズ比（C/N）へ影響を与える |
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ADF5336 vs ADF4372ミリ波PLLシンセのC/N ミリ波PLLシンセサイザの内蔵VCOの感度や周波数設定によるC/Nの差異は，EVMや通信性能に直接影響する |
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ミリ波PLLシンセ ADF4372の使い方 ADF4372は，4GHzから8GHzまでの広帯域VCOを内蔵したPLLシンセサイザIC．外付け回路が非常に少なく，シンプルな構成で高周波の信号生成が可能 |
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周波数2倍で6dB悪化！ミリ波用PLLのC/N 周波数の上昇によるC/N悪化は，位相変調の性能に直結し，悪化した位相雑音は信号品質の低下や復調性能の悪影響を招く |
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アナログ直交ミキサの弱点ローカル信号の漏れ アナログI/Qミキサは信号を$I$と$Q$の2成分に分けて処理するため，$I$側のゲインが大きく，$Q$が小さいといった直交性が崩れが発生しがちで，変換後に不要なイメージ成分が残る |
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直交ミキサの2方式 ゼロIFとLow IF 無線通信やSDRの直交ミキサには，Low IF方式とゼロIF方式がある．ゼロIF方式はベースバンド信号の帯域が半分で済む |
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直交IF変調ADMV1013の動作 アナログ直交変調IC ADMV1013は，IF入力とベースバンド入力の切り替え機能を備え，動作帯域は0.8GHzから6GHzと広い．4段階の内蔵フィルタでスプリアスを抑制できる |
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直交IF復調ADMV1014の動作 直交復調IC ADMV1014を用いることで，広帯域での低エラー・レート通信が可能になる．RFレベルの自動補償が可能なため，AGCも不要 |
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ミリ波伝送線路コプレーナの設計 上下方向にもグラウンド層をもつ複合型コプレーナは，高周波デバイスとの接続がしやすく，またコネクタ実装時の電気的安定性を確保する上でも有利 |
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高分離度＆低ロス！1.6G～11GHzパワー・ディバイダ ウィルキンソン・ディバイダは，高周波信号を2つに分配するマイクロ波回路．入力信号は等分に分配され，各出力ポートには約-3dBのパワーが到達する |
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高周波センスを磨く！スミス・チャート 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でき，適切なインピーダンス・マッチングを施すことができる |
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矩形波は正弦波の合成 ディジタル信号の波形は，基本波と高調波の合成で表現できる．フーリエ級数を利用すると，矩形波の合成が可能であり，Excelを用いたシミュレーションによって伝送波形を予測できる |
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高周波信号の損失要因3「基板の誘電損失」 FR-4基板の誘電損失は，tan（delta）が0.01程度で，信号減衰が顕著．低誘電率材のMEGTRON7はtan（delta）が0.001～0.002と約1/10と低く，ミリ波通信にも利用できる |
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高周波信号の損失要因2「表皮効果」 高周波電流が導体の表面に集中する現象「表皮効果」によって，電流が流れる断面積が小さくなり，信号の減衰が増大する問題を引き起こす |
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高周波信号の損失要因1「DC抵抗」 銅の電気抵抗率は 1.68×10^-8$Omega$m．線路幅0.1mm，箔厚18μm，長さ100mmのストリップ線路のDC抵抗値は約1$Omega$ |
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伝送線路の適材適所 周波数や配線の長さ，差動かシングルエンドか，クロストークを減らしたいのか，減衰を抑えたいのかなど，さまざまな条件によって最適な線路は違う |
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有限要素法 電磁界シミュレータのしくみ FEMタイプの電磁界シミュレータは，メッシュ生成や連立方程式の解法に計算資源を多く必要とするため、大規模な問題では計算時間が長くなる。適切なメッシュ設計が重要 |
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ミリ波では「コプレーナ線路」 ミリ波帯では，従来のビアを用いた接続がインダクタンスとして作用し信号品質の低下を招くためコプレーナ線路を利用するのが定石 |
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電磁界の漏が小さい「差動線路」 マイクロストリップ線路では，RF電流が基板表層を流れるため，電界の放射が大きくなり，隣接する伝送線路に影響を与えるクロストークが発生しやすい |
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電磁波の漏れが少ない伝送線路 高周波基板設計においては電界と電流の関係を理解することが重要．電界は金属の端など尖った部分に集中しやすく，RF電流もその影響を受けやすい |
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主な伝送路の特性計算式 よく使う同軸/ストリップ線路/マイクロストリップ線路の伝送特性を（1）特性インピーダンス（2）伝搬速度（3）ロス（減衰）で評価し理解することがミリ波システム開発の第一歩 |
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特性インピーダンスの計算 ミリ波帯の信号を扱うときは，伝送線路の物理的な設計，インダクタンスとキャパシタンスの調整，誘電率や透磁率を考慮して，反射の影響を最小限に抑えることが必要 |
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反射が起きる伝送線路の波形 多重反射が続くと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．この定在波の節では信号が消失するので受信回路が動作しなくなる |
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高周波の世界では「時間」も考える 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 |
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はじめの一歩「反射」をなくす ミリ波帯域では，線路/送信回路/受信回路のインピーダンスを精度よく一致させるだけでなく，基板の材料選定が極めて重要 |
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周波数変換アダプタの製作 周波数コンバータ・アダプタを製作すれば，従来の測定器ををミリ波通信システムの評価に利用することができる |
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伝搬距離をいかに稼ぐか ミリ波は広帯域通信を可能にするが，伝搬損失やノイズの影響を受けるという課題がある．適切なアンテナ設計や信号処理技術を駆使する必要がある |
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次世代通信5Gの本命！28GHz帯 通信速度とデータ容量を向上させるミリ波は，電磁波の減衰の激しさや指向性の強さなど課題が多い．ビーム・フォーミングや周波数変換技術を駆使する必要がある |
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非接触共振カプラによるアレイ・チャネル拡張 mmCon3は，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 |
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ソフトウェア制御によるマルチビーム制御の実験 ソフトウェア制御ミリ波通信システムは，動的かつ高精度なマルチビーム制御が可能，スマートシティの通信や自動運転車のレーダ・システム，衛星通信や宇宙分野で応用できる |
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1エレメント1モジュール独立分散型の理由 mmcon3は，複数のアンテナ・エレメントを独立分散して制御し，位相遅延の信号をエレメント内で合成して複数の変調波ビームを異なる方向に発射する |
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6G対応分散型マルチビーム無線システムと従来機 mmcon3は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 |
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ソフトウェアLoRaレシーバの制作 低消費電力で長距離通信が可能な無線通信規格LoRa準拠のソフトウェア受信機をオープンソース開発ソフト GNU Radioを使って開発した |
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USRPのラインナップと開発環境 USRPは，オープンソースのソフトウェア・ドライバ UHDを利用できる．UHDは，GNU RadioやMATLAB/Simulinkなどのモデルベース開発環境と連携してソフトウェア無線機を開発できる |
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オープンソフト＆ハードのモデルベース開発環境で始める Ettus Research社が開発したUSBソフトウェア無線機 USRP（Universal Software Radio Peripheral）を活用すれば，ローカル5G通信システムを実験的に構築することが可能 |
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間違いだらけのプローブ使用法 プローブの減衰率を×10に設定するとプローブ内部の高抵抗ネットワークが働き，周波数帯域が広がるため，高速信号の波形を正確に捉えることができる |
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480MSPS 差動シリアル・インターフェースを評価 USBソフトウェア計測器ADP5250は，480MSPS USB2.0の高速差動信号を評価するパフォーマンスを備えるが，正確な波形観測には伝送路インピーダンス整合や遅延差の調整が必要 |
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I/Qベースバンド信号観測によるLoRa受信機の評価 USBソフトウェア測定器 USBADP5250は設計業務に利用できるスペックをもつ．ソフトウェア無線機のI/Qベースバンド信号やSPIシリアル信号，USB高速信号の評価に利用してみた |
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1GSPS×100MHz！USBソフトウェア測定器 ADP5250レポート 業務にも使える？USBソフトウェア測定器 ADP5250を使ってみた．A-D変換1GSPS，帯域100MHz，ロジアナ 1GSPS，DMM分解能 300V/10A/5-1/2桁，プログラマブル電源搭載 |
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コプレーナ/FET/BPFをQucsStudioに実装 ロスの小さい高周波信号用伝送路「コプレーナ・ウェーブ・ガイド」を用いて，伝達係数S21と反射係数S11のための評価低雑音アンプをQucsシミュレータ上で設計 |
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値を連続可変させて最適解を手早く探し出す AC解析やSパラメータ解析が可能な回路シミュレータ QucsStudioは，部品の定数を連続的に変化させながら，回路の応答を解析できる設計支援機能「スイープ」を備える |
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ベタ・グラウンドへの熱拡散に留意 時間をかけて確実に 高周波回路のはんだ付け作業をするときは，ルーペや拡大鏡を使って接続を詳細に確認することを怠ってはいけはい．LNAの入力端子の接触状態によっては雑音指数やSNRが低下する |
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NanoVNA実測 vs Qucsシミュレーション 数千円で買える3GHzネットワーク・アナライザNanoVNAと，DC解析，AC解析，Sパラメータ解析など多彩な機能を備えるQucsStudioは，高周波回路や無線回路の開発者の必需品 |
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校正?基板?測定器自体? S11は高域で波打つ どんなネットワーク・アナライザでも，S11を測ると高域で波打つ．原因は受信回路の整合度や校正の不正確さ，ケーブルの反射，測定器自体のインピーダンス変動などさまざまだ |
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PN符号を生成＆BPSK変調波を出力＆ループバック解析 LabVIEWはグラフィカルな開発環境を備えた計測制御用ソフトウェア．Analog Discovery Proと連携させてディジタル変調システム評価してみた |
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広帯域無線機開発に！ウォータフォール測定 USBソフトウェア測定器 Analog Discovery Proが備えるOscilloscopeモードやScope-Spectrogramモードを利用すれば，広帯域なソフトウェア無線機の評価も可能 |
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USBソフトウェア測定器 Analog Discovery Pro入門 Analog Discovery Pro 3000は，USBを介してPCと連携するソフトウェア測定器．Linux OS搭載で，イーサネットを通じたリモート制御や自動計測，LabVIEW連携も可能 |
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BPFからパッチ・アンテナまで！お手軽キットの研究 28GHz通信の実験を手軽に始められる3種類のキット（1）パッチ・アンテナ mz-mmant1（2）28GHz BPF mz-mmBPF1（3）800M～6GHz 広帯域90°ハイブリッドmz-Qhybridを紹介 |
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PLLシンセサイザの高C/N化に欠かせない ミリ波5G無線機のC/Nは，PLL（ADF5356など）のVCOの性能に大きく左右される．PLL内蔵のVCOに高純度の電源を供給することで，C/Nは大幅に改善される |
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C/Nは2周波数逓倍で6dB悪化 ミリ波帯では周波数逓倍に伴いC/Nが6dB悪化する課題がある．3.4GHzで-90dBcのC/Nが，28GHzでは-72dBcまで低下する．高C/N PLLの採用や電源雑音の管理などの対策が求められる |
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低予算でミリ波通信実験！周波数コンバータ・実験キット RF通信実験の第一歩は，送受信機の送信端と受信端の特性の評価．ミリ波帯送受信実験キットmmConを例に，最低限の測定項目や測定法の要点を紹介する |
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電磁界シミュレータSonnetLiteで共振や損失のない基板設計 SonnetLiteは，ミリ波基板の設計にも利用できる定番の電磁界シミュレーション・ソフトウェア．基板を3次元データに展開・解析することで，伝送路特性や周波数特性を詳細に評価できる |
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27G～43GHzの送受信を可能にする周波数コンバータ mmConシリーズは手軽に27～43GHzの送受信実験を可能にする周波数アップダウン・コンバータ実験キット，1000万円を超えるミリ波帯の高価な測定器を使わずに，通信の実験を可能にしてくれる |
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マイクロストリップ？それともコプレーナ？ 標準的な厚さ1.6mmのFR4基板で，Z0=50Ωのマイクロストリップ線路の導体幅は3 mm．幅0.8mmの1608チップ部品と接続すると不整合が生じて数GHz帯域で大きな反射が発生する |
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精巧で繊細！コネクタはトルク・レンチでケーブルと接続 ネットワーク・アナライザにSMAコネクタを接続する際は，レンチを使って指定されたトルクで締め付けることが常識．無視すれば測定性能が低下し，1000万円を超える機器が使用不能になる |
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リターン・ロスS11と通過ゲインS21の実測 無線機の送信回路からアンテナまでのインピーダンスが整合していない場合，信号の一部が反射し，送信効率が低下する．この問題の原因はリターン・ロスを測ることで特定できる |
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事前シミュレーションで周波数範囲を絞り込み 高周波信号をロスなく伝送するために欠かせない作業がスミス・チャートを利用したインピーダンス・マッチング．忘れてはいけないのは事前シミュレーションによる周波数範囲の絞り込み |
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壊す理由No1 一瞬の直流入力が命取り スペアナやネットアナなど，繊細なRF測定器を使って高周波回路を評価するときは，直流成分や大電力による入力回路の破損リスクを低減する「DCブロック」が有効 |
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Tinyネットアナ入門 LiteVNA 64のキャリブレーション ネットワーク・アナライザの測定精度を上げるにはレンチを使った締め付けトルク管理が重要．ショート/オープン/ロード/スルーのキャリブレーション用基準器の扱い方を解説 |
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ポケット・スペアナ Tiny入門 位相ノイズの測定 位相ノイズは，信号の位相が時間とともにランダムに変動することで生じる．揺らぎが多いと，ディジタル通信でのビット・エラー率が増し，アナログ通信では音声や映像の品質が劣化する |
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スペアナ入門 RBWとVBW ノイズの影響を抑えながら正確にスペクトラムを観測するためには，ターゲットの周波数成分に合わせて“RBW”と“VBW”の適切な設定が欠かせない |
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測定器入門 スペアナの測定限界「ダイナミック・レンジ」 スペアナが正確に測定できるレベル範囲「ダイナミック・レンジ」は，測定レベルの最大値と，測定器の2次歪みがノイズ・レベルと一致する最小値の差分 |
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ソフトウェア無線と通信の同期 ノイズの影響を受けやすい無線通信において，正確にデータを受信するためには，フレームの冒頭に配置される“SyncWord”にどのような符号を使うかが重要 |
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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 SDRの通信性能のかぎを握る群遅延一定の帯域制限フィルタ“Root Raised Cosine Filter”．このフィルタの良し悪しが感度や通信速度に大きく影響する |
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Cortex-M4/M7×500MHz！初めてのタッチパネルLCD搭載マイコン・キット STM32H7DISCO タッチパネルLCDで操作するアプリケーション開発をテーマに，STM32マイコンの知識がない状態からSTM32H747I-DISCOで新しくプロジェクトを作るまでの方法を紹介する |
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Sonnet Lite無料版をお試し！初めての電磁界シミュレータ 無線通信やRF設計用の定番ツール電磁界シミュレータ Sonnet Lite（評価版）を使って，パッチ・アンテナの電流密度分布（3.7GHz帯）を解析してみた |
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自宅がRF実験室に！1万円3GHzネットアナでSパラ測定 NanoVNAは約1万円と，デスクトップ型の数百分の1で買えるポケット型ネットワーク・アナライザ．無料シミュレータも活用して，自宅でRF回路の実験や開発が可能な時代だ |
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GPS PLLシンセサイザ・キット pptgen誕生 ［PR］z-pptgenは10の-10乗の高純度クロックを2チャネル生成するシンセサイザ．基準はGPSなので離れた2地点にある非同期のディジタル無線器を同期させることが可能 |
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ルビジウム時計精度！GPS PLL シンセの実験 AD9545 PLLチップにGPSレシーバ NEO-7Mが出力する1pps信号を入力し，ジッタを除去した10MHzの周波数精度をルビジウム発振器と比べてみました |
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周波数精度 10の-10乗！GPS×PLLシンセサイザ 10の-10乗という超高精度シンセサイザはルビジウム発振器のような基準源で達成されます．近年は，GPSモジュールとAD9545などのPLLを組み合わせることで実現可能です |
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GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機 USB接続型の定番ソフトウェア無線器“USRP”シリーズを使って，ソフトウェアFMレシーバを作ります．GNU Radioのプログラミング支援ツール“GNU Radio Companion”も利用します |
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プロービングは電界と磁界が分離している波源近傍で 電磁両立性 EMCの良好なプリント基板を設計するための第1歩は，電磁波の性質とその波源からの距離との関係を理解することである |
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5G・宇宙通信の鍵を握る！最先端ソフトウェア無線機の最新開発デモ アジャイルRFトランシーバ“RadioVerse”（アナログ・デバイセズ製）とFPGA“Cyclone V SoC”（インテル製）を使った最先端SDRの開発手法を解説 |
VOD教材［視聴無制限］
キット＆モジュール
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［KIT］ミリ波アップコンバータ IF信号（GHz帯）をミリ波帯にアップコンバートする送信モジュール |
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［KIT］ミリ波ダウンコンバータ RF：24G～30GHz ⇒ IF：1GHzのコンパクトな受信モジュール |
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［KIT］高C/Nマイクロ波帯シンセサイザ 4.0G～16.0GHz，C/N=-95dBm@7.55GHz（10kHz off） |
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［KIT］ミリ波モジュールmmcon3用ベースボード 全送受信モジュールとPLLシンセサイザを同期運転＆冷却 |
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［KIT］4エレメント×2フェーズドアレイ・アンテナ 同時に複数の方角に！1つの方向に集中的に！ |
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［VOD/KIT/data］Arm M4/M7/DSP×500MHz！STM32H7ハイスペック計測通信Module開発 フィルタ/FFT/変復調まで！そのまま組み込めるオールイン・キットで信号処理プログラミング |
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［VOD/KIT］Tinyスペアナ×Tinyネットアナで作る6GHz My実験ベンチ 何でも測れる！高調波/P1dB/変調ひずみからインピーダンス/ゲイン/反射まで |
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［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ MkⅡ 1台で送受信実験！RF帯域 24G～44GHz，IF帯域 1G～6GHzの$I/Q$ディジタル変復調器 |
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［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石 「どこでもEMC対策パーツセット」で現場で役立つノイズ対策の基本を学ぶ |
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［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ 100k～700MHz，精度－10乗！非同期で動く送受信機のディジタル通信を可能にする |
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［VOD/KIT］M5Stack Core2付き！ESP32で学ぶPython＆Arduinoプログラミング入門 Lチカ/NTP時計/インターネット・ラジオの制作からTCP/IP処理の高速化まで |
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［KIT］すぐ動く！BM83 Bluetooth無線モジュール スマホ/ハンズフリー対応からDSPカスタマイズ/マイク/1：n接続まで |
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［VOD/KIT］すぐ動く！BM83 Bluetoothスタータキット スマホ/ハンズフリー対応からDSPカスタマイズ/マイク/1：$N$ 接続まで |
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［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 Sパラメータの基礎から基板レイアウト，測定/シミュレーション技術まで |
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［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 Sパラメータを扱えるRFシミュレータQucsStudioによる設計技術，LNA回路基板上にチップ素子を実装するためのテクニック，3GHzベクトル・ネットワーク・アナライザNanoVNAV2で回路基板を測定するためのテクニックを学べるパーツセット |
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［KIT］実験用800M～6GHz 広帯域90°ハイブリッド 周波数範囲は800M～6000MHzで，I/Q信号を加算してシングルの信号に混合したり，シングルをI/Q信号に分離したりできる混合・分離モジュール・キット |
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［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 高校数学からフーリエ変換/ディジタル・フィルタまで，理論と実践を学ぶ |
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［KIT］実験用27.5G-29.5GHzバンド・パス・フィルタ 5G用ミリ波アンテナ(mz-mmant1など)を使った28GHz帯の無線データ通信の伝搬実験に利用 |
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［KIT］実験用28GHzミリ波パッチ・アンテナ アンテナ・ゲイン5dB，3脚取り付け用アルミ製基台付き |