【電子技術部】

ミリ波帯送信器の開発と測定技術の検討
鶴田誠、臼井亮（電子技術部電磁環境グループ）

近年、ミリ波帯の電磁波を活用した研究開発が活発化しある。図 1の構成では、信号発生器及びスペアナ間に送受信のミキサ及びアンテナを追加することで、ミリ波の基本てきている。ミリ波は、波長が 1mm から 10mm の電磁波であり、30GHz から 300GHz である。波長が短くて、周波的な測定系が構成できる。この図 1の構成により、ビームパターン及び利得等のミリ波帯の測定が可能となる。

１．はじめに数帯域幅が広いという特徴を活かして、車載レーダー・非接触のバイタルセンサー・高速データ伝送・非破壊のイメ

ミリ波帯の信号既存の測定器立性)/EMI(Electro Magnetic Interference: 電磁波妨害)規制
は、1960 年代からテレビ・自動車の普及に伴って始まっ

ところで、RF 部品が廉価であるが故に、ダイナミックレンジなどの高周波特性とコスト間でのトレードオフが発生する。そのために、中級から高級なミリ波帯の測定系の高周波特性に近づけるために、ディジタル信号処理技術

現時点でも、少なくとも数千万円程度の予算規模が必要となる。しかしながら、ミリ波帯の需要増加に伴って廉価なを活用し、高周波特性を改善する。
加えて、無線システム並びにレーダーシステム等の評価、部品も入手可能な情勢となってきている。そこで、本報告
では、所内の既存の測定系を拡張して廉価なミリ波帯の周材料定数測定等のための S パラメータの評価なども可能になる。これを廉価に解決する方法は、図 2のソフトウェ波数変換器(送信信側)を検討した結果を報告する。

ア無線技術を適用した測定系の構成例２になる。
図 3に COTS 製品を活用したミリ波の測定系の構築の考

２．廉価なミリ波帯の測定系の構築え方をまとめた。

一般的に、ミリ波帯の特性評価として、次の 3 点の制限

COTS(Commercial Off-The-Shelf: 商用オフザシェル
フ)の活用

②③

帯域幅の条件の緩和
ディジタル信号処理の活用

スペアナ
既存の測定器ようになってきた。
また、ミリ波帯の一般的な計測環境を整備した場合には、①ミキサ

図 1 測定系の構成例１(測定器を使用する場合)た。近年では、2010 年代からミリ波帯の製品の研究開発が加速し、EMC/EMI のミリ波帯の評価が広く求められるを加えることにより、大幅なコストダウンを図ることが可能となる。

ミキサ

信号発生器

ージングなど幅広い分野の応用が期待されている。
ところで、EMC (Electro-Magnetic Compatibility: 電磁両ソフトウェア無線機
ミリ波帯の信号ノート PC変調器

ミキサ

ソフトウェア無線機
ミキサ

復調器

ノート PC

COTS 製品は、流通性が高いことから廉価なミリ波帯の部品を調達できる。次に、アンテナ等の基本的な指標であるビームパターン・利得・偏波などの測定においては、CW(Continuous Wave: 連続波/無変調波)を利用すれば測定できる。 OFDM(Orthogonal Frequency-Division
Multiplexing: 直交周波数分割多重方式)信号のサブキャリ
ア数を限定することにより、狭帯域であっても基本的な伝送評価も可能となる。加えて、ディジタル信号処理を適用

図 2 測定系の構成例２(測定器を使用しない場合)することにより、ミリ波部品の RF(Radio Frequency:無線周波数)領域の性能向上を図ることができる。更に、ソフト

COTS 製品

ウェア無線機の技術を適用することにより、ディジタル通信・レーダーシステムなどの評価も可能となる。最後に、ディジタル信号処理（高周波性能改善）

自由空間法による材料定数測定等に適用できる。

２．１

トレードオフ
帯域幅
調達コスト
高周波性能

廉価なミリ波測定系

ミリ波帯の測定系の構成方法

図 1に示すミリ波帯の測定系は、所内の既存設備（送信図 3 COST 製品を活用した高性能ミリ波測定系の構築側の信号発生器及び受信側のスペアナ）を活用する構成で

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遮(蔽 )アルミニ ウム板 有り

２．２

測定系の構成本報告における測定系の構成例 1 及び構成例 2 の具体的な機材配置を図 4に示す。なお、材料定数測定時には、図4の中央部に測定対象の試料を設置する。ビームパター
ン・利得などの測定などの無線の評価時には、試料は設置（非遮蔽）アルミニ ウム板 無し

しない。構成例 1 及び構成例 2 による測定結果の比較は、３．２節に示す。

図 6 57.24GHz の CW 波形の周波数スペクトラム

３．２

狭帯域な材料定数測定 (透過損失量)

図 7にテフロン及びベークライトの透過損失量を測定した結果とシミュレーション結果を示す(ベークライトの黒色の黒色実線はシミュレーション結果、実測の破線は測定系の構成例 1 で測定した結果、実測の実線は測定系の構成
例 2 で測定した結果)。この結果から測定器とソフトウェ
ア無線機による測定結果には、大きな差異は確認されなか

図 4 ミリ波帯の構成例 1 及び構成例 2 の測定系

３．測定結果った。ベークライトの実測とシミュレーションは、よい一致を示した。

本報告では、ダイナミックレンジ及び透過損失量の測定結果について報告する。

この結果から、廉価なソフトウェア無線機によるミリ波の測定系(図 2の測定系の構成例 2)は、十分な測定が可能で３．１あることの見込みが得られた。
ところで、450MHz 幅において透過損失量の変動が 2 かダイナミックレンジの評価

図 4の測定系で 57.24GHz の CW 信号の送受信した場合の測定結果を図 5に示す。図 5は、CW 信号をアルミニウ

ら 3dB 程度ある。この変動要因を確認するために周波数幅を広げて、ベークライト(10mm)について広帯域な測定ム板で非遮蔽(0 秒から 12 秒まで)と CW 信号をアルミニウム板で遮蔽(12 秒から 20 秒)した結果である。非遮蔽のス結果を図 8に示す。

ペクトラムのピークを注視すると僅かであるがドップラが生じていることも合わせて確認することができる。

非遮蔽遮蔽

図 7 透過損失量の測定例(狭帯域)

３．３

広帯域な材料定数測定 (透過損失量)

図 5 60GHz の CW 波形のウォータフォール

図 8の実測結果は、周波数方向に対して周期的に変動をしている。この変動は、図 4の測定系内で信号が反射して

図 5の測定結果を時間軸方向に平均化した周波数スペクトラムを図 6に示す。この周波数スペクトラム(中心周波数いることが原因であると考えられる。これは廉価な RF 部品で構成しているが為に、透過損失量に対して周波数方向57.24GHz)のアルミニウム板で遮蔽/非遮蔽の差が、約 62dBとなった。この結果から材料の透過損失の測定に活用できに変動が生じている。この反射波を抑圧する信号処理を施した結果とシミュレーション結果は、よい一致をしている。

るダイナミックレンジを有することが確認された。

この結果から、信号処理を適用することにより、透過損失KISTEC研究報告2020（2020.8）

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量の測定に適用できる。

実測結果
信号処理後
シミュレーション結果

図 8 透過損失量の測定例(広帯域)

４．考察及び今後の展開
廉価なミリ波帯の測定系を用いた測定技術に関する基礎的な実験・シミュレーション結果から、キャリブレーション技術を活用することにより、期待される測定精度を確保できる見込みが得られた。
廉価なソフトウェア無線機による測定が、既存の測定器との差異が少ない点についても、合わせて確認された。
また、ソフトウェア無線機をベースとした測定系であり、無線機の開発等への活用が期待される。
【外部発表】口頭発表

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