ハイブリッド・ビームフォーミングとは何ですか？

ビームフォーミングは、特定の方向に電磁エネルギーを送信するために無線システムでアンテナアレイを使用する重要な放送方法です。より多くの無線システムが、ビームフォーミングとMIMOを使用して複数のユーザー（またはターゲット）を処理する能力を拡大しています。これは既にレーダー、WiFi、および新しい高帯域幅通信システム（5G）で使用されています。システム設計者にとって、これらのシステムのアンテナアレイのレイアウト要件を理解することが重要です。これらは、RFシステムで使用されるビームフォーミング方法に関連しています。

ビームフォーミングに関しては、MIMOとの区別について混乱が生じることがあり、二つは互いに関連していないと述べられることがあります。これは特別な場合にのみ真実ですが、一般的には多ユーザーMIMO（MU-MIMO）は、複数のターゲットに変調信号を指向するためにビームフォーミングを必要とします。

この記事では、アナログとデジタルの技術を組み合わせた進んだ方法であるハイブリッドビームフォーミングの実装について見ていきます。この方法は、デジタル技術とアナログ技術の両方を組み合わせて複数のビームを作成し、さまざまな強度で複数のユーザーに到達することができます。RFイメージングシステムやレーダーシステムの場合、MIMO技術でのハイブリッドビームフォーミングは、調整可能な解像度で複数のターゲットを追跡することも可能にします。

ハイブリッドビームフォーミング概要

ハイブリッドビームフォーミングのシステム設計方法論を見る前に、アナログおよびデジタルビームフォーミング方法の簡単な概要が重要だと思います。ビームフォーミングは、アンテナからの放射分布を工学的に制御し、電磁エネルギーを特定の経路や角度に沿って指向させる技術です。

ビームフォーミングを実行するために必要な主要な構造は、二次元において規則的に配置されたアンテナ群、つまりアンテナアレイです。位相アレイに送信される信号の相対的な位相と振幅を制御することで、放射されるビームの方向を制御できます。さらに、偏波を利用するか、アレイ内の各エミッターから一方向にのみ電磁放射を放出することで、放出可能なビームの数を倍増させることができます。

アナログビームフォーミング

アナログビームフォーミングは、アンテナアレイ内の複数のアンテナに信号を送信することで動作します。各アンテナに送信される信号は、特定の時間窓によって遅延され、アレイ内の各アンテナから放出される放射に位相差を適用します。これらのアンテナアレイは、位相アレイとしてよりよく知られており、この位相差の適用は、RFシステムにおけるビームフォーミングのための歴史的に支配的な方法でした。

この方法では、単一の信号（場合によっては変調された）をアンテナアレイに入力します。この信号は、各アンテナに到達する前にトランシーバーによって位相がシフトされます。アンテナ間の間隔は、ビームの方向とサイドローブの強度を決定します。理想的なゲインの増加はlog(N)となります。ここで、Nはアレイ内のアンテナの数です。最後に、一次元に沿った強度分布（下記に示す）は、複数の発信器からの回折のケースです。

これらのアレイは、位相を調整することでスキャンすることができます。2Dアレイの場合、最大スキャン角度を垂直方向に設計できます。これは以下の要因に依存します：

• 放射波長（自由空間内）
• 放射要素のサイズ（上記の例では垂直サイズ）
• 放射要素間の距離（上記の例では垂直距離）

同じ考え方が水平方向にも適用されます。これで、2つの直交するスキャン方向があり、これらは放射アンテナ要素のサイズ、数、密度に応じて異なる解像度を持つことができます。RF設計のいくつかの重要な領域で重要なトピックであるため、このトピックについては次の記事でより深く見ていきます。

デジタルビームフォーミング

デジタルビームフォーミングは異なるアプローチを取り、直感的ではありません。デジタルビームフォーミングでは、複数の変調信号がアンテナアレイに送信され、アレイに送信された信号の位相と振幅が組み合わされて、望ましいビームパターンを生成します。最も基本的なケースでは、単一の入力データストリーム（例えばQAM星座点）が複数のアンテナに送信され、振幅が組み合わされて望ましい放射パターンを生成します。

デジタルビームフォーミングは、実際にはプリコーディングと呼ばれるより高度なタイプの放送の特別なケースです。ビームパターンは、キャリア波と空間分布関数（Y）の積の和として定義できます。各要素から放出される信号（y）と各要素への入力信号（x）との関係は、以下に示すようにプリコーディング行列で定義されます：

ここでの鍵は、上記で定義されたプリコーディング行列を決定することです。これには、望ましい放射パターン（y関数のセット）から逆算して、N放射要素の方程式のシステムを解くことが含まれます。これはソフトウェアまたはシステムコントローラー（FPGA）で行うことができます。その後、放射は同じアレイから異なる方向および/または異なる時間窓で複数のビームを生成することができます。

時間ウィンドウの問題（本質的には時分割多重化）は、MU-MIMOを持つ5Gのようなものには適していません。ここでは、独立に変調された直交サブキャリアの放送を可能にするために直交周波数分割多重化（OFDM）が使用されます。さらに、ビームフォーミングが配列内の空間多重化を可能にするために使用され、これは複数のユーザーに到達するために不可欠です。

ハイブリッド（デジタル+アナログ）ビームフォーミング

さて、ハイブリッドビームフォーミングについてもう少し詳しく見てみましょう。ハイブリッドビームフォーミングでは、サブアレイを使用してデジタルビームフォーミングとアナログビームフォーミングを組み合わせています。まず、入力データストリーム（x）を使ってこれがどのように機能するか考えてみましょう。

1. 入力データストリームのセットは、デジタルビームフォーミングで先にプリコーディングされます。
2. ストリームを直接全アレイに出力する代わりに、プリコーディングされたストリームは個々のアナログビームフォーマー、またはサブアレイに送られます。
3. 各サブアレイに送られたストリームは、そのサブアレイからのみビームを生成するように位相シフトされ、エンドユーザーに向けられます。

これは、以下のブロック図で概説されている説明に従います。

上の画像から、各アンテナで何が起こっているかが明確になることを願っています。アンテナは、空間多重化を実現するために、複数のデータストリームに対して複数のビームの重ね合わせを定義するためにプリコーディングを使用しています。プリコーディング行列のすべての要素がゼロでなく複素数である限り、すべての信号はすべてのアンテナに送信されますが、各入力ストリームに対して混合された振幅/位相の組み合わせで送信されます。その結果、各入力データストリームに対して望ましいビームフォーミングが得られます。

これにより、複数のターゲットにブロードキャストする必要があるRFシステムで高いスループットを得ることができます。ビームフォーミングを使用して空間多重化を強制しながら、同じ時間ウィンドウで複数の直交キャリアでブロードキャストできます。mmWaveセンシングのようなものを使用すると、複数のビームをブロードキャストして複数のターゲットを追跡したり、光学システムのような複雑さなしに非常に密度の高いポイントクラウドを構築することができます。

PCB上には何がどこに配置されているのか？

ある時点で、アレイ内のアンテナはPCB上に配置され、システムコントローラー/トランシーバーに接続される必要があります。

PCBレイアウトにおける構造に関しては、アナログサブアレイをPCBの異なる領域に分けなければならないと思うかもしれません。しかし、それが必ずしも必要なわけではありませんが、この方法で行うと、配置と配線がはるかに簡単になる可能性があります。これは、アナログビームフォーマー制御ユニットが、すべてのアンテナではなく、サブアレイ内のアンテナ間でのみ明確な位相を設定しなければならないためです。また、すべてのトランシーバーとデジタルコントローラーを同じ場所に配置することは難しく、異なるサブアレイに分散させる方がはるかに簡単です。

私が何を意味するかを見るために、以下の純粋にアナログなシステムの画像をご覧ください。システムオシレーターが必要で、システム内のすべてのトランシーバー要素を同期させ、各トランシーバーは自身のアレイ部分に必要な位相を適用できます。問題は、すべてのトランシーバー要素にわたって長さの調整を適用する必要があることです。

最終的に、システム全体でタイミング位相を維持しながら、すべてのトランシーバーに到達するために、制御されたインピーダンスを持つ過剰なレイヤー数が必要になります。アレイが拡大するにつれて、制御チップを裏面に配置する必要が出てくるかもしれませんが、これはビアを使用してアンテナにフィードラインを導入する必要があります。

ハイブリッドビームフォーミングアプローチでは、メインシステムコントローラーが高速デジタルインターフェースと組み込みクロック（JESD204Cなど）を使用して複数のADC/DAC + PA要素を同期させます。これは、RFオシレーターをシステム全体で同期させる依存度を減らすことを意味します。これはサブアレイ内でのみ必要とされるでしょう。

これらの配置とルーティングのポイントに加えて、スタックアップデザイン、伝送線デザイン、ビアデザインに関する標準的なRF PCBデザインのベストプラクティスに従うことを確認してください。ビアデザインに関するポイントは非常に重要です。なぜなら、すべてのアンテナを配置すると大量のスペースを取るため、トランシーバーをボードの裏側に配置し、デジタルルーティングを内部層にする必要があるかもしれないからです。

• ハイブリッドRF PCBスタックアップデザインの基礎を学ぶ
• 高周波伝送線デザインについてもっと学ぶ
• RFシステムのためのシグナルチェーンデザインについてもっと学ぶ

最終的な考え

アナログビームフォーミングは、大規模なアレイに適用されるとすぐにスケーラブルでなくなる可能性があります。複数のトランシーバーを持つ可能性のある小さなフットプリントのMIMOシステムでは、アナログビームフォーミングで強制されるシステムレベルの同期が非常に難しいかもしれません。問題は、アレイからの放射がどこでも同期されるように、システムのメインオシレーターをトランシーバー要素全体にわたって展開する必要があることです。

「ねえ、私は5G基地局機器を設計していないから、これを知る必要があるの？」と思っているかもしれません。しかし、ビームフォーミングを用いたこれらの技術は5Gを超えており、他の重要なアプリケーション領域でも使用されています：

• 位相配列レーダー
• 新しいmmWaveセンシングシステム、特にADASで
• 超音波イメージング
• IEEE 802.11規格（特にWiFi 5以降）
• ソナー

位相配列設計は、アンテナだけに依存するわけではありません。エミッターからの位相と振幅が、配列全体で意図した値を持つように、信号の配置とルーティングを理解する必要があります。電磁気学のアプリケーションでは、位相配列アンテナをPCBレイアウト内にポリゴンとして簡単に配置できますが、上述の配置とルーティングの課題に注意してください。

アンテナを配置し、フィードラインをルーティングし、ハイブリッドビームフォーミング用のシステムを設計する必要がある場合は、Altium Designer®の完全なPCB設計ツールセットを使用してください。設計が完了し、製造業者にファイルをリリースしたい場合は、Altium 365™プラットフォームがプロジェクトの共有と協力を容易にします。

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