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No.R07S0013

ミリ波応用技術-アンテナ・回路・基板・材料-

出版日 2018年8月
価格
印刷タイプ 70,200円(税込)
ページ数 A4判 294ページ
発行<調査・編集> S&T出版(株)

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レポート内容

■概要■
 本書では、ミリ波システムの性能を左右する重要構成要素部品であるアンテナと高周波回路について、技術の概要とその開発動向について解説している。そして、ミリ波技術の代表的な応用例として、車載ミリ波レーダやミリ波通信について、その開発動向をまとめ、将来のセンシング技術であるミリ波イメージングについても紹介している。さらに、ミリ波システムの低コスト化のために、アンテナや高周波回路には、高周波基板が用いられ、ミリ波システムの性能とコストを左右する重要な技術であるため、高周波基板の開発事例についても紹介している。高周波基板は様々な企業で開発が進められており、低損失、低コスト、多層化、安定した特性(温度変化やロットによって、特性のばらつきが少ない)といったキーワードで、高性能化が進められているため、今後も注目すべき分野である。また、システム性能を安定的に維持するため、電波システムでは常に生じる干渉の問題を回避する必要があり、ミリ波の周波数帯特有の電波吸収体の設計について述べている。ミリ波帯では、これらの材料の特性が低周波とは異なるため、アンテナや高周波回路の設計には材料の電気定数の正確な情報が非常に重要である。最後に、材料の電気定数やアンテナ、レーダシステムのミリ波帯での測定技術について述べている。以上のように、本書は、ミリ波ハードウェア技術について、実用的な観点を中心にまとめている。これらのシステムの開発に携わる読者の一助となれば幸いである。

-CONTENTS-

<1>ミリ波平面アレーアンテナ
1.ミリ波平面アレーアンテナの概要
 ・まえがき
 ・各種指向性走査方式に適したアンテナ形態
 ・給電線路の配線方法によるアンテナの形態とその特徴
 ・様々な伝送線路による平面アンテナの形態とその特徴
2.マイクロストリップアレーアンテナ
 ・まえがき
 ・マイクロストリップコムラインアンテナ
  -スリット付きコムラインアンテナ
  -整合回路一体型マイクロストリップアンテナ
 ・進行波励振アレー設計
 ・定在波励振方式と進行波励振方式の特性の比較
 ・マイクロストリップ線路導波管変換器
 ・マイクロストリップコムラインアンテナの開発例
  -電子走査用サブアレー設計
  -高利得2次元アレー設計
 ・むすび
3.トリプレートパッチアレーアンテナ
 ・トリプレートパッチアレーアンテナの基本構成
 ・シングルビームアンテナ
 ・マルチチャンネルアンテナ
 ・マルチビームアンテナ
4.導波管スロットアレーアンテナ
 ・はじめに
 ・方形導波管の基本特性
  -導体損の計算例
  -誘電体損の計算例
 ・導波管スロットアレーアンテナの分類
  -導波管スロットアレーアンテナの種類
  -導波管構成、製造法による分類
  -導波管励振方法による分類
 ・ミリ波帯アプリケーションへの適用例
  -38GHz帯固定無線アクセス装置
  -60GHz帯ミリ波ブロードバンド通信システム
  -60GHz帯ワイヤレスGATEシステム
  -76GHz帯衝突防止ミリ波レーダ
 ・おわりに
5.ワッフルアイアンリッジ導波路アレーアンテナ
 ・はじめに
 ・WRGの構造と基本特性
 ・一次元WRGアレーアンテナ
 ・二次元WRGアレーアンテナ
 ・UWB MIMOレーダ用WRGアレーアンテナ
 ・おわりに

<2>ミリ波回路
1.CMOS集積回路によるテラヘルツ通信とその応用
 ・はじめに
 ・CMOS集積回路を用いた300GHz帯通信
  -テラヘルツ通信を実現する集積回路とその特徴
  -CMOS集積回路を用いた300GHz帯送信器
  -CMOS集積回路を用いた300GHz帯受信器
 ・300GHz帯通信の特徴と応用
  -テラヘルツ帯通信の特性
  -300GHz帯通信の応用例
  -300GHz帯におけるチャネル割当
  -テラヘルツ帯通信の宇宙応用
 ・おわりに
2.SiGeミリ波回路
 ・はじめに
 ・SiGe素子の車載用ミリ波レーダ応用の歴史
 ・SiGe素子の電気的特性
  -性能パラメータ
  -SiGeによるバイポーラトランジスタの高速化
   BJTの動作
   動作パラメータfT
   SiGeの導入
   カーク効果
   ヘテロ接合バリア効果
   カーク効果・ヘテロ接合バリア効果への対応
   ベース層ドリフト電界の付与
 ・SiGe素子のファブリケーション
  -SiGe:Cの導入
  -プロセス
  -SiGe-HBT-BiCMOSのプロセスフロー例
  -SiGe-HBTの性能向上
 ・集積化
  -集積化回路ブロック
   RF回路ブロック
   PLLおよびチャープジェネレータ
   ミキサ回路
   ベースバンドブロック
   高速ADデータインターフェース
   機能安全、自己診断機能
   ステートマシン構成
 ・パッケージ
  -ベアダイ
  -WLCSP
  -eWLB
  -RCP
  -パッケージ事例
 ・SiGeミリ波レーダ用素子の将来像
 ・付録
  -fTの算出
  -fMAXの算出
  -fTを決めるパラメータ
   τe
   τb
   τbc
   τc
   τ
   SiGe-HBTの代表的なデバイスパラメータの一例
  -バンド理論概説
   エネルギバンドとバンドギャップ
   バンドギャップ
   ドナーレベルとアクセプタレベル
   フェルミレベル
   真性半導体のフェルミレベル
   不純物半導体のフェルミレベル
   状態密度と分布関数
   pn接合半導体のフェルミレベル
   バイアス印加時のエネルギバンド図
   Si-BJTとSiGe-HBTのエネルギバンド図
   障壁を乗り越えるキャリア数
   障壁高さと注入効率

<3>ミリ波レーダ
1.車載ミリ波レーダ
 ・様々なセンシング方式
 ・レーダ技術の基礎
  -レーダ方程式
  -信号対雑音比
  -FMCWレーダによる距離と相対速度の同時検出
  -二周波CWレーダによる距離と相対速度の同時検出
  -アンテナの指向性走査による方位検出
 ・車載ミリ波レーダの実用例
 ・まとめ
2.準ミリ波帯周辺監視レーダシステム
 ・はじめに
 ・周辺監視レーダの開発
  -周波数帯の選択
  -変調方式
   搭載性
   複雑な環境下の複数物体検知
   極近傍検知
  -センシング方法
   距離計測
   相対速度計測
   角度計測
  -レーダの構成
 ・警報システムの開発
  -アプリケーションの策定
  -性能評価
  -評価系
  -評価結果
 ・むすびと今後の課題
3.航空分野におけるミリ波技術
 ・はじめに
 ・航空分野における周波数利用
 ・航空機上のミリ波応用
  -前方監視レーダ
  -周辺監視レーダ
  -ミリ波通信応用
 ・地上設備としてのミリ波応用
  -空港面検出装置
  -滑走路異物監視レーダ
  -将来応用
 ・まとめ

<4>ミリ波イメージング
1.ミリ波パッシブ撮像装置
 ・はじめに
 ・ボディースキャナ
  -ミリ波パッシブ撮像装置の概要
  -ミリ波パッシブ撮像装置の構成
 ・ミリ波パッシブ撮像装置に使用されるミリ波回路
  -イメージング素子用アンテナ
  -ミリ波低雑音増幅器
  -検波器
  -直流増幅回路
 ・イメージング素子の性能評価
  -物質から放射される熱雑音
  -イメージング素子の特性評価方法
 ・ミリ波パッシブ撮像装置に使用されるデジタル信号処理
 ・危険物検出の撮像イメージと検査画像の一例
 ・おわりに
2.ミリ波レーダを用いた非接触心拍センシング
 ・はじめに
 ・スペクトラム拡散レーダ技術
 ・特徴点を用いた心拍推定アルゴリズム
 ・実用化に向けた取り組み
 ・まとめ

<5>ミリ波通信
1.ミリ波通信技術
 ・ミリ波通信技術の歴史
 ・ミリ波通信の特徴
  -電波の使用状況
  -ミリ波の伝搬特性
   伝搬損失
   直進性
   アンテナのビーム幅
  -ミリ波通信の特徴
   大容量通信
   装置の小型・軽量化
   空間的周波数再利用効率
   ビームの遮断に対する対策の必要性
 ・ミリ波通信システムの利用シーン
  -60 GHz帯無線LAN
  -データセンター
  -情報キオスクダウンロード
  -モバイルバックホール
  -第5世代移動体通信システム(5G)
  -高速移動体通信システム
  -光ファイバ補完
  -その他のシステム
 ・ミリ波通信システムの構成
  -フロントエンドアーキテクチャ
  -変調方式
  -ミリ波光ファイバ無線
 ・ビームフォーミング技術
  -ビームフォーミング技術の必要性
  -ビームフォーミングアーキテクチャ
  -ビームフォーミングプロトコル
   コードブックに基づくプロトコル(IEEE 802.15.3c)
   相互トレーニング(WiGig/IEEE 802.11ad)
   MIDC(Multiple Sector ID Capture)(WiGig/IEEE 802.11ad)
  -ミリ波MIMO
 ・サブテラヘルツ波通信技術
 ・学会動向
 ・標準化
  -IEEE 802.15.3c
  -WirelessHD
  -WiGig/IEEE 802.11ad
  -IEEE 802.11ayタスクグループ
  -IEEE 802.15.3e
  -IEEE 802.15.3dタスクグループ
 ・今後の課題と展望
2.第5世代移動通信用基地局装置
 ・はじめに
 ・アンテナ・RFフロントエンドモジュールの仕様
 ・基本性能
 ・むすび

<6>高周波・ミリ波基板・材料
1.ミリ波用低損失モジュール材料
 ・はじめに
 ・材料設計
  -フィラー設計
  -ガラス設計
  -温度特性の調整
 ・バンドパスフィルター(BPF)試作結果
 ・おわりに
2.ミリ波向けふっ素樹脂基板材料
 ・最近のふっ素基板の市場動向について
 ・なぜふっ素樹脂基板なのか
 ・ふっ素樹脂基板の種類、製法
 ・ミリ波向け基板材料への要求事項
  -低損失化
  -低線膨張係数化
  -薄型化
 ・日本ピラー工業でのミリ波の取り組み
  -ミリ波比誘電率・誘電正接測定
  -ミリ波アンテナ設計開発・評価測定
  -ミリ波多層基板設計開発
 ・今後の技術の展開の可能性
3.LCP系高周波基板
 ・はじめに
 ・液晶ポリマーと<ベクスター>
 ・熱特性と寸法安定性
 ・力学特性と粘弾性
 ・吸湿性と寸法安定性
 ・電気特性と吸湿性
 ・耐折性
 ・環境適合性(ノンハロゲン、リサイクル性)
 ・基板用途
  -銅張積層板
  -多層回路
  -伝送特性に与える影響
 ・おわりに
4.PPE樹脂系高周波基板
 ・はじめに
 ・高周波用基板材料
 ・熱硬化性PPE樹脂基板材料
  -AD-3379/CS-3379
  -CS-3376G
  -CS-3376C
  -CS-3376B
  -CS-3396
 ・ミリ波向け基板材料
 ・さいごに
5.低伝送損失高周波基板向け低誘電ポリイミド接着剤
 ・はじめに
 ・樹脂設計
 ・樹脂特性
 ・FPC向け接着剤特性
  -用途例(カバーレイ)
  -用途例(FCCL用接着剤/銅箔プライマー)
  -用途例(リジッド基板用銅箔プライマー)
 ・おわりに

<7>ミリ波帯電波吸収材料
1.ミリ波帯電波吸収体
 ・はじめに
 ・ミリ波帯電波吸収体の課題
 ・ミリ波電波吸収体の実用化例
  -広帯域形吸収体
   獣毛形広帯域形吸収体
   燻し瓦製造法によるピラミッド形電波吸収体
  -共鳴形吸収体
 ・ミリ波用電波吸収体の設計例
 ・おわりに
2.イプシロン酸化鉄からなるミリ波帯吸収磁性材料
 ・はじめに
 ・イプシロン酸化鉄の結晶構造と特性
 ・電磁波吸収特性の測定と、イプシロン酸化鉄および金属置換型イプシロン酸化鉄の電磁波吸収特性
 ・おわりに
3.ミリ波レーダ用電磁波吸収ゴムシート
 ・はじめに
 ・高周波増幅器内の不要な電磁波結合問題及び検証実験
 ・主な対策・設計手法
  -電子機器筐体の小型化
  -電子基板PCB(Printed Circuit Board)の薄厚化
  -電子基板PCBの多層化
  -電波吸収ゴムシートによる不要な電磁波結合対策
 ・電磁波吸収ゴムシートの設計
 ・電磁波吸収ゴムシートの最適設計
 ・おわりに

<8>ミリ波システム・材料の評価
1.ミリ波回路用薄型基板の複素誘電率評価技術
 ・はじめに
 ・高周波材料評価技術の分類
 ・ミリ波回路用薄型基板の各種評価技術
  -遮断円筒導波管法
   概要
   測定原理
   測定結果
  -WGモード誘電体共振器法
   概要
   測定原理
   測定結果
  -薄型試料に特化した空洞共振器法
   概要
   測定原理
   測定結果
  -円筒空洞共振器法
   概要
   測定原理
   測定結果
 ・おわりに
2.ミリ波帯の複素誘電率測定
 ・はじめに
 ・市場の要求
  -オートモーティブ市場
  -5G市場
  -携帯電話以外での5Gシステムの市場
 ・開発エンジニアの抱える問題
 ・測定方法の種類
 ・開放型共振器法
 ・周波数変化法
 ・まとめ
3.ミリ波帯のアンテナ計測技術
 ・ベクトルネットワークアナライザを用いたミリ波帯アンテナ利得および入力反射係数の測定
  -アンテナ利得の定義と種類
  -ベクトルネットワークアナライザを用いたアンテナ利得計測
  -置換法によるアンテナ利得計測
  -2アンテナ法によるアンテナ利得計測
  -3アンテナ法によるアンテナ利得計測
  -アンテナ利得測定のさらなる高精度化
  -イメージ理論を用いたアンテナ利得自己校正法
 ・アンテナ放射パターンの測定
  -ターンテーブルを用いたアンテナ放射パターンの測定
  -近傍界スキャナによる近傍界アンテナ放射パターン測定
 ・放射効率の測定
  -Wheeler Cap法によるアンテナ放射効率の測定
  -反射箱法によるアンテナ放射効率の測定
4.ミリ波車載レーダの測定技術
 ・はじめに
 ・接続インターフェース
  -接続インターフェースの選択
  -1mmコネクタの取り扱い
  -導波管
 ・ミリ波部品測定
  -発振器の測定
   発振器の位相雑音測定
   電源ノイズの位相雑音への影響
  -アンプの測定
   小信号Sパラメータ測定
   ハイパワー測定
   送信スプリアス測定
  -周波数変換デバイスの測定(受信回路測定)
   周波数変換特性
   雑音指数特性
 ・レーダモジュール測定
  -送信信号スペクトラム測定
  -ピークパワー測定
  -スプリアス測定
  -送信信号変調解析
  -レーダ性能評価
  -干渉信号
■監修■
榊原 久二男
名古屋工業大学


■著者■
榊原 久二男/名古屋工業大学
太田 雅彦/日立化成(株)
山口 聡/三菱電機(株)
桐野 秀樹/(株)WGR
加茂 宏幸/日本電産(株)
藤島 実/広島大学
藤本 正彦/NXPジャパン(株)
青柳 靖/古河AS(株)
米本 成人/海上・港湾・航空技術研究所
武田 政宗/マスプロ電工(株)
酒井 啓之/パナソニック(株)
細谷 健一/広島工業大学
森 直哉/(株)村田製作所
石田 薫/日本ピラー工業(株)
今野 貴文/(株)クラレ
砂本 辰也/(株)クラレ
長谷 史郎/利昌工業(株)
田﨑 崇司/荒川化学工業(株)
畠山 賢一/兵庫県立大学
大越 慎一/東京大学
生井 飛鳥/東京大学
齋藤 章彦/大同特殊鋼(株)
清水 隆志/宇都宮大学
鈴木 洋介/キーコム(株)
飴谷 充隆/産業技術総合研究所
井上 賢一/キーサイト・テクノロジー(株)

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