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RF設計

ハイブリッドビームフォーミング

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（

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同じネット上で直列終端と並列終端を使用できますか？デジタル信号において、直列終端と並列終端は最も一般的な抵抗終端オプションです。その理由は、抵抗が広帯域の量であり、GHz範囲に達するまで寄生成分の影響を受け始めないからです。ほとんどのデジタル信号に関連するチャネル帯域幅では、インターフェースにインピーダンス仕様がなくても、終端されていないラインが実際に終端を必要とする場合があります。両方のオプションがデジタル信号に適しているため、インピーダンス仕様のない長い伝送路を終端するにはどちらを使用すべきでしょうか？両方を使用すべき、またはすべてのネットに両方を使用できるという認識があることがあります。両方を同時に使用できる場合もありますが、通常は一方が選ばれ、それによって他方の必要性がなくなることが多いです。この記事では、直列終端と並列終端における信号処理、および両方の終端が見られる特殊なケースについて見ていきます。直列および並列終端による伝達関数以下の説明は、信号ダイナミクスそのものに基づいているわけではありません。そのためには、Kella Knackのこの優れた記事を読むことができます。これは例の波形を示しています。代わりに、私は伝達関数の観点から、伝送線内の電圧レベルに何が起こるかを正確に示します。これは、デジタル信号に対する帯域幅の影響も明らかにします。以下で示すこれら2つの終端に関して、そしてなぜそれらが同じネット上で一緒に使用されることがしばしばないのかについては、以下の仮定に基づいています：インターフェースには指定されたインピーダンス目標がなく、トレースインピーダンスは何でもあり得るドライバーインピーダンスは一般に低い値であり、負荷インピーダンスは単純な負荷容量としてモデル化されるドライバー出力インピーダンスは既知であるか、または測定やシミュレーション（IBIS）から決定できるそれでは、これらの終端を詳しく見ていきましょう。直列終端伝達関数以下に示された回路は、ABCDパラメータから伝送線伝達関数を決定するために使用される形式を示しています。Sパラメータを使用することもできますが、ABCDパラメータの方がはるかに簡単です。伝達関数は、負荷電圧と源電圧の比です。伝達関数アプローチの素晴らしい点は、負荷電圧が上記のように源インピーダンスの観点から明確に定義されていることです。これで、私たちは源インピーダンスと任意の直列抵抗を代入することができます。直列抵抗器が伝送線を完全に終端するために使用される場合、抵抗器はR = ZS

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