ミリ波技術の基礎

ミリ波テクノロジーとは何ですか？他の低周波テクノロジーと比較してどのように特徴づけられていますか？

この記事では、ミリ波（mmWaves）の周波数、伝搬特性、一般的なアプリケーションの長所と短所などを紹介します。

ミリ波とは

名前が示すように、ミリ波は波長（λ）が約1mm（より正確には1〜10mm）の電磁波です。方程式 f =c を使用して、その波長を周波数に変換します。 /λ、ここで c 光の速度です（3 x 10 ⁸ m / s）、30〜300GHzの周波数範囲を提供します。ミリ波帯は、国際電気通信連合（ITU）によって「超高周波」（EHF）帯に指定されています。 「ミリ波」という用語は、「mmWave」と短縮されることもよくあります。

図1には、ミリ波スペクトルを利用するアプリケーションの例が含まれており、他の電磁周波数帯域との関係でミリ波スペクトルの位置も示しています。

図1。 ミリ波スペクトルの概要。アナログ・デバイセズの画像提供

基本的な定義がわからなくなったので、ミリ波信号がどのように伝播するかについて話しましょう。

ミリ波伝搬

ミリ波信号の伝播は、次の特徴があります。

• 高い自由空間パス損失
• 大気の大幅な減衰
• 拡散反射
• 制限された侵入深さ

次のサブセクションでは、これら4つの伝播特性のそれぞれについて詳しく説明します。

自由空間経路損失

ミリ波無線周波数（RF）通信の制限の1つは、2つのアンテナ間の直接見通し内通信の自由空間経路損失（FSPL）です。 FSPLは波長の二乗に反比例し、次の式で与えられます。

$$ FSPL =\ left（\ frac {4πd} {λ} \ right）^ 2 $$

ここで：

• d は2つのアンテナ間の距離（m）です
• λ はm単位の波長です。

この式からわかるように、波長が10倍減少すると、自由空間パス損失が100倍増加します。したがって、ミリメートル波長での減衰は、FMラジオやWi-Fiなどの従来の通信周波数の減衰よりも何桁も高くなります。

RF通信の計算では、この損失方程式は、周波数がGHzで測定され、距離がkmで測定された結果をdBで提供するように変換されることがよくあります。この変換後、方程式は次のようになります。

$$ FSPL（dB）=20 * log_ {10}（d）+ 20 * log_ {10}（f）+ 92.45 $$

自由空間パス損失を評価するための無料の計算機は、こちらから入手できます。

大気の減衰

ミリ波伝送のもう1つの欠点は、大気の減衰です。この波長範囲では、大気ガス（主に酸素（O2）および水蒸気（H2O）分子）の存在によって引き起こされる追加の減衰があります。

図2に示されているように、大気の減衰は特定の帯域で非常に深刻になる可能性があります。

図2。 周波数と高度による大気の減衰。 5GAmericasの画像提供

たとえば、5 mm（60 GHz）の酸素ピーク。雨は全スペクトルにわたって減衰を増加させます。

拡散反射

より長い波長は、障害物の周りの透過を支援するために直接（鏡面）反射パワーに依存することがよくあります（鏡のような反射を考えてください）。ただし、多くの表面はミリ波に対して「粗い」ように見えます。その結果、拡散反射が発生し、エネルギーがさまざまな方向に送られます。これは図3で見ることができます。

図3。 拡散反射と鏡面反射。ハーマリーの画像提供

したがって、反射エネルギーが少ないと、受信アンテナに到達する可能性が高くなります。したがって、ミリ波伝送は障害物による影の影響を非常に受けやすく、通常は見通し内伝送に限定されます。

制限された浸透

ミリ波は波長が短いため、ほとんどの材料に深く浸透することはありません。たとえば、一般的な建築材料の研究では、減衰は約1〜6 dB / cmの範囲であり、70GHzでのレンガ壁の貫通損失は1GHzでの5倍になる可能性があることがわかりました。屋外では、葉もほとんどのミリメートルの揺れをブロックします。したがって、ほとんどのミリ波通信は見通し内運用に限定されています。

ミリ波周波数の利点

多くのアプリケーションでは、自由空間パスの損失、大気の減衰、拡散反射、およびミリ波信号の制限された透過が有害です。ただし、これらの特性は、特定のアプリケーションの利点としても活用できることがわかりました。ミリ波の利点は次のとおりです。

• 広い帯域幅
• 高いデータレート
• 低レイテンシ
• 小型アンテナ
• 制限された範囲
• 制限された反射
• 制限された浸透
• 解像度の向上

これらの利点のそれぞれと、それらが一部のアプリケーションでどのように活用されるかについては、次のサブセクションで説明します。

広い帯域幅と高いデータレート

通信アプリケーションの場合、帯域幅が広いと、ピークデータレートが高くなります。これは、特定のデータレートでより多くの同時通信チャネルを処理する機能、または1回の通信でより多くのデータを送信する機能を意味します。より低い周波数スペクトルは頻繁に使用されるため、これらの望ましい広い帯域幅を提供しません。

たとえば、3GPPの5G New Radio（NR）仕様では、6GHz未満では100MHzのみ、24GHzを超える帯域では最大400MHzの最大チャネル帯域幅が割り当てられます。これらの5G仕様が進化し続けるにつれて、一部の関係者はミリ波スペクトルでさらに広い帯域幅の割り当てを求めてロビー活動を行っています。

これらの広い帯域幅と高いデータレートのために、27.5GHzと31GHzの衛星通信でミリ波が長い間使用されてきました。炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）などの高周波回路技術の進歩とそれに伴う製造コストの低下により、5GNRなどの地上のマスク市場の消費者向けアプリケーションにミリ波通信がもたらされています。

低レイテンシ

通信ネットワークの遅延には、複数の意味があります。一方向通信の場合、遅延とは、送信元がデータパケットを送信してから、同じデータパケットを受信する宛先までの時間です。ミリ波の周波数が高いということは、より多くのデータをより短い時間で送信できることを意味します。したがって、固定データパケットサイズの場合、高周波システムは低周波システムよりも遅延が少なくなります。

低遅延は、産業用自動化、ワイヤレス拡張または仮想現実、自動運転システムなど、時間に敏感な多くのアプリケーションにとって重要です。ミリ波の広い帯域幅により、送信時間間隔が短くなり、無線インターフェイスの遅延が少なくなり、遅延の影響を受けにくいアプリケーションの導入とサポートが容易になります。

小型アンテナ

ミリ波の最も重要な利点の1つは、アンテナが小さいことと、これらの小さいアンテナ要素をアレイで多数使用してビームフォーミングを可能にすることです。たとえば、自動車用レーダーは24GHzから77GHzに移行しています。図4に示すように、波長は3分の1以上小さいため、アンテナアレイの面積は9分の1以上小さくすることができます。

図4。 24GHzおよび77GHzの相対アンテナアレイサイズ。テキサスインスツルメンツの画像提供

非常に小さなアンテナ要素の大きなアレイも、5Gのようなミリ波通信システムで使用される予定です。ビームフォーミングは、放射電力を個々のユーザーに集中させて、より高品質の信号とより長距離の通信を実現します。アダプティブビームフォーミングを使用すると、ユーザー数と送信アンテナに対するユーザーの位置に応じて、ビームを動的に変更することもできます。

制限された範囲、反射、および透過

限られた範囲、拡散反射、および限られた侵入深さは、実際には電気通信にとって有益です。これらの特性を利用して、多くの小さなセルを干渉することなく互いに非常に近くに配置できるようにしています。これにより、周波数スペクトルの空間的な再利用が可能になるため、より多くの高帯域幅のコンシューマーをエリアでサポートできます。

解像度の向上

レーダーアプリケーションでは、ミリ波信号の周波数が高く帯域幅が広いため、より正確な距離測定、より正確な速度測定、および2つの近接したオブジェクト間の解決機能がサポートされます。

ミリ波技術の応用

レーダー

長年にわたり、航空宇宙レーダーアプリケーションはミリ波技術の主要なアプリケーションでした。広い帯域幅は、オブジェクトまでの距離を決定したり、互いに接近している2つの離れたオブジェクト間を解決したり、ターゲットまでの相対速度を測定したりするのに理想的です。

たとえば、2つのオブジェクトが互いに直接近づいたり遠ざかったりすることを想定した最も基本的な形式では、ドップラー周波数シフト（Δf）は次の式で与えられます。

$$Δf=\ frac {（2 * V_ {rel}）} {λ} $$

ここで

• Vrel は相対速度（m / s）
• λは波長（m）です

周波数シフトは波長が短いほど大きくなるため（ミリ波など）、結果として生じる周波数シフトの測定が容易になります。小型のマルチエレメントアンテナと適応ビームフォーミングを使用できるため、ミリ波はレーダーアプリケーションに最適です。

ミリ波レーダーが航空宇宙アプリケーションに望ましいのと同じ理由で、緊急ブレーキ、アダプティブクルーズコントロール（ACC）、ブラインドスポット検出などの自動車両アプリケーションに広く採用されています（図5を参照）。

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図5。 自動運転車へのミリ波レーダーの応用。画像提供：Rohde＆Schwarz

距離と相対速度を迅速かつ正確に測定する機能は、自動運転車の操作にとって明らかに重要です。

電気通信

衛星システムは、広い帯域幅、低遅延、小さなアンテナ、およびマルチアンテナアレイビームフォーミングのために、通信にミリ波を長い間使用してきました。これらの同じ機能により、多くの地上通信ネットワークがミリ波を採用するようになっています。

たとえば、帯域幅が増加しているため、ミリ波は超高精細（UHD）ビデオのワイヤレス伝送をサポートできます。さらに、小型のアンテナは、スマートフォン、デジタルセットトップボックス、ゲームステーションなどのデバイスへの統合をサポートします。ミリ波を採用する新しい業界標準には、Gb / sデータレート用の5GおよびIEEE802.11adWiGigが含まれます。

特に屋内および都市環境では、図6に示すように、ミリ波の空間再利用と適応ビームフォーミングにより、多数のユーザーに高帯域幅通信を配信できます。

図6。 静止ユーザーとモバイルユーザーの両方をサポートする適応型ビームフォーミング。 Phys.org経由の富士通の画像提供

Massive MIMO（Multiple Input Multiple Output）システムは、空間ダイバーシティ、空間多重化、およびビームフォーミングを可能にし、より少ない電力を使用しながら、より多くのユーザーにより良い機能を提供します。

セキュリティスキャナー

ミリ波は、人体のセキュリティスキャナーにも採用されています。図7に示すように、何千もの送信アンテナと受信アンテナが連携して高精度でスキャンします。

図7。 ミリ波ボディスキャナーシステム。画像提供：Rohde＆Schwarz

これらのシステムは、70 GHz〜80 GHzの周波数範囲で送信し、約1mWの電力しか放出しません。ミリ波はほとんどの衣服を通過し、皮膚やその他の表面で反射して受信アンテナに戻ります。受信した信号を使用して、個人の詳細な画像を作成し、衣服の下に隠された記事を明らかにすることができます。ミリ波の低電力と限られた侵入深さにより、安全性が向上します。

ミリ波のその他のアプリケーション

これらは、ミリ波技術の多くのアプリケーションのほんの一部です。提案または実装されている他のアプリケーションには、次のものが含まれますが、これらに限定されません。

• 電波天文学
• 土壌水分評価
• 積雪量の測定
• 氷山の場所
• 悪天候時の光学検出の補足
• 天気図
• 風速を測定する
• 治療

概要

ミリ波はレーダーアプリケーションで長い間使用されており、新しいアプリケーションにますます適用されており、最も顕著なのは高データレートの電気通信です。短波長と独自の伝搬特性は、これらの分野で働く設計エンジニアに課題と機会の両方を提供します。