ビームフォーミングとは

ビームフォーミングとは、無線信号として電磁ビームを形成して制御するプロセスであり、アンテナの空間的多様性を生み出します。ビームフォーミングは、アンテナ-受信機システム内でビームを生成して制御し、エネルギーを特定の方向の受信機に向けると同時に、エネルギーが他の場所に向かうことを防止します。

ビームフォーミングを実行しない場合、高周波などの電磁信号は、制御されずに送信機からすべての方向に広がります。そのため、精度が低下し、目的の受信機で信号対ノイズ比が低下します。

ビームフォーミングは、ビームステアリングと密接に関連しています。この2つの用語はしばしば同じような意味で使用されます。ただし、ビームフォーミングは鉛筆のようなビームを形成し、所定の方向にビームを押し出すのに対し、ビームステアリングはビーム特性を常に更新して受信装置を追尾し、環境の変化に対応します。

ビームフォーミングは、アンテナアレイ全体の複数の信号源の位相と振幅を制御して、単一の集中ビームまたは複数の同時ビームを生成します。

位相と振幅は各信号ストリームのレベル、たとえば、個々のアンテナまたは複数のアンテナを組み合わせてサブアレイを形成するポイントなどに適用されます。

ビームを誘導するために、独立した信号源（アンテナ）から放射される信号は、目的の方向に放射エネルギーを集中させるように設定され、他の方向にはヌルが生成されます。ヌルはエネルギーがほとんど放射されない方向に展開され、受信アレイの感度がほぼゼロになる方向を表します。

ビームの生成と指向には、主に3つの要素があります。

• 空間信号処理: 初期信号の空間特性と相対位相を解析します。
• 信号の適合: 初期解析に基づき、各アンテナのゲインと位相を動的に調整します。
• 信号合成: 各アンテナ素子からの信号を合成し、受信機に向けた集中ビームを生成します。この段階で、他方向への干渉もヌルにできます。

送信機と受信機は連携して動作するため、受信機は信号を受信する方法とタイミングにも寄与します。受信機を使用して、アレイ内の各アンテナに到達する個々の信号を遅延させることで、アンテナシステムの感度パターンを制御できます。信号の時間遅延を制御することは、その位相を制御することと同じです。これは、周波数領域の位相が時間領域の時間遅延に対応しているためです。時間遅延／位相を制御することで、波面を目的の方向に変更し、それらを最大限に合成することができます。

これらに加えて、受信信号の振幅を操作することにより、各アンテナ素子を（強または弱に）制御し、アレイパターンのサイドローブを抑制して意図しない方向に供給されるエネルギーを低減し、目的の方向に対して可能な限り最大の信号を得ることができます。これにより、目的の方向の信号強度と信号品質が向上する一方で、対象としない方向の信号が減少します。その結果、アレイが送信モードで他のRFシステムと干渉する可能性が低くなり、意図した信号源とは異なる方向では他の潜在的な干渉源に対する感度が低下します。これは、複数のビームを使用して複数の無線ユーザーや通信システムを追跡および処理する多数のアンテナを持つ大規模なフェーズドアレイ設定では非常に重要です。

多くのビームフォーミング技術は、集中したエネルギービームの生成、制御、指向に使用されます。

狭帯域ビームフォーミング

狭帯域ビームフォーミングは比較的シンプルな技術の1つです。非常に特殊な単一周波数を使用して、中心周波数のすべてのアンテナ要素で同じと仮定される明確に定義されたビームを形成します。一般に、ソナー技術や狭帯域通信システムで使用されます。

広帯域ビームフォーミング

広帯域ビームフォーミングは、周波数が非常に広い帯域にわたっているため、制御が難しくなります。単一位相シフト値が信号ビームを効果的にぼかします。アンテナへの信号は、位相または周波数を変更して帯域幅を調整する必要があります。調整を行わない場合、フェーズドアレイ内の要素の有効間隔に影響を与え、ビームスクイント（ビームが意図せず方向を変える現象）が発生します。送信機側で帯域幅を制御できない場合は、広帯域信号が（中心周波数を目標として）送信され、受信機側の下流信号処理で、広い周波数帯域を補正する必要があります。一般に、広帯域ビームフォーミングは、レーダーシステムやMU-MIMOビームフォーミング通信システムで使用されます。

ゼロ強制ビームフォーミング

ゼロ強制ビームフォーミングは、他の信号を無効にして干渉を低減するヌルステアリングに関連します。適切なビームフォーミングチャネル位相を生成するために使用されるビームフォーミング条件に対する制約として、ヌル位置が適用され、信号が合成されるとヌル方向のコンポジット信号のキャンセルが生成されます。ヌルは、アレイの各要素に適用されるすべての位相条件に結合されます。これは、特に軍事および防衛分野で、GPS信号が妨害されるのを防ぐために一般的に使用されています。

アダプティブビームフォーミング

アダプティブビームフォーミングは、フェーズドアレイの方向パターンを動的に調整することで、信号の伝送を強化します。ノイズを最小限に抑え、目的の信号を最大にします。アダプティブビームフォーミングは、5Gネットワークで広く使用されています。アダプティブビームフォーミングを使用する通信では、既知の標準信号を使用し、パイロット信号を広帯域周波数にわたって一定の間隔（ミリ秒間隔など）で送信し、受信機は帯域全体のチャネルがどのようなものかを推定します。

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、アナログビームフォーミングとデジタルビームフォーミングを組み合わせたものです。ハイブリッドビームフォーミングでは、アナログコンポーネントとデジタルコンポーネントの両方を大規模アレイの一部として使用します。また、5Gおよびミリ波（mmWave）通信システムでも広く使用されています。アナログ送信機が信号を送信し、デジタル受信機が受信した信号をデジタル信号として処理します。ハイブリッドビームフォーミングは、一定だがさまざまな場所を見ているサブアレイにアナログビームフォーミングを適用し、その信号を少数のデジタル受信機に結合することで、デジタル処理の複雑さを軽減します。このように、システムは特定の空間領域に集中するデジタル受信機を持つことができます。ハイブリッドビームフォーミング法は、完全なデジタルビームフォーミングシステムよりも低コストかつシンプルな手法で、高いデータレートを実現します。

ビームフォーミングは、多くの通信やセンサーベースの用途に欠かせないものですが、他の技術と同様にメリットとデメリットがあります。

ビームフォーミングのメリット

• エネルギーを無駄にすることなく、ビームのエネルギーを指向させる高い空間制御を実現します（受信機がない場所ではエネルギーが無駄に消費されます）。
• フェーズドアレイでマルチビーム制御を有効にします。
• ワイヤレス信号（高周波）を正確に形成して誘導し、さまざまな通信システムで高速かつ低遅延の接続を可能にします。
• モノのインターネット（IoT）、モバイルデバイス、車両など、送信機がさまざまなデバイスにビームを集中させることができます。
• 軍事用途向けに低い検出率を実現し妨害防止機能を提供します。
• 周波数スペクトルを再利用して複数のビームを形成できます。
• マルチソースアレイシステムにより、個々の送信機または受信機の障害に対するレジリエンスを強化します。

ビームフォーミングの制限事項

• 増幅器、位相シフト器、コンバータ、デジタル信号処理ユニットなど、複雑なシステムには多くのハードウェアコンポーネントが必要です。
• ビームフォーミング技術（特にデジタルビームフォーミング技術）は安価とは言えませんが、ハードウェアコストの低下によりコストも低下しています。
• 適応性の制約は、変化する環境では問題になる可能性があります。
• デジタルビームフォーミングの高度なビームフォーミングアルゴリズムにより、計算コストが高くなる可能性があります。
• 運用中に、ビームスクイントや自己無効化が発生する恐れがあります。

光から高周波、その他の電磁波まで、現在はさまざまな種類のビームが使用されており、ビームフォーミングを活用する業界や用途は多岐にわたります。

医療分野

磁気共鳴画像法（MRI）で使用されるビームフォーミングは、ノイズを低減することでより鮮明な画像を生成します。MRIでは、個々のトランスデューサーが患者の周囲に放射状に配置されます。ビームフォーミング技術により、トランスデューサーからの信号を結合して高解像度画像を生成します。すべてのトランスデューサーの配置を把握することにより、システムはイメージング環境と選択的に相互作用し、最終的な画像に含める要素を決定します。

ビームフォーミングは、医療用画像以外に、がん患者の治療にも使用されます。多くのがん治療では、フェーズドアレイによって生成された放射線ビーム（放射線療法）が使用されます。このような治療では、アレイ内で複数の放射線源を使用し、粒子ビームを腫瘍に集中させます。このように、狭い焦点に集中したビームは、周囲の健康な細胞をそのまま残しながら、がん細胞を死滅させることができます。

5Gおよび次世代

5G通信では、基地局とモバイルデバイス間の高周波を集中させるためにビームフォーミングが使用されます。都市環境では、地面や建物から跳ね返る信号によってエコーやノイズが発生する可能性があり、受信機で解釈されるべき信号が損なわれます。ビームフォーミングは、あらゆる方向に伝送される信号ではなく、環境に関係なく、ビームを意図した受信機に集中させるために役立ちます。これにより、周波数スペクトルを複数のユーザーに再利用でき、ユーザーのために高いデータレートと良好なネットワークカバレッジが保証されます。

フェーズドアレイアンテナは、多くのプラットフォームやパッケージに組み込まれており、特定の方向に向けられたエネルギーを最大にするために使用できる。上に示すアニメーションは、HFSSソフトウェアで生成されたダイナミックビームステアリングのアニメーションで、アンテナがホストパッケージの他の部分に誘導する電流も示されている。

光学ビームフォーミング

光学ビームフォーミングはマルチプレクサで使用され、信号転送のために特定の方向にビームが生成され、高データレートで複数の方向に切り替わります。また、衛星から地上への光通信にも使用され、低軌道（LEO）衛星から地上の基地局に光ビームの高精度制御が送信されます。

フェーズドアレイアンテナは、機械的ステアリングの必要性を低減しながら、アンテナシステムのアジリティを実現できるため、衛星通信やレーダー用途でますます利用が拡大している。上に示すHFSSソフトウェアによるアニメーションは、衛星本体との電磁相互作用を含む放射パターンを示す。

レーダー

レーダー用途のビームフォーミングは移動するターゲットに焦点を当て、アンテナアレイ内のさまざまなアンテナを使用して変化に対して適応／調整します。多くの場合、レーダーはターゲットの位置を予測できるため、ビームをさまざまな点に変更して、ターゲット上のエネルギーを保持できます。アルゴリズムとフィードバックループは、ターゲットが位置する可能性のある軌道に関する履歴データを使用して、ターゲットを追跡します。

アンテナビームステアリングを実用的な用途に活用し、信号ゲインの方向を更新して衛星自体の動きを補正可能。上に示すHFSSソフトウェアによるアニメーションは、アンテナのビームフォーミングとの電磁界カップリングと衛星の運動補正機能を説明している。

エンジニアにとって、物理的なテストを最小限に抑えて、最終製品を完成させることは理想的な手法です。シミュレーションにより、物理的な開発サイクルの反復を減らし、アンテナと使用される運用環境を仮想的にシミュレーションすることで、より正確に設計できます。作製するプロトタイプは1つのみで、プロトタイプの失敗による時間とコストを節約できます。また、物理的なテストのみでは解決不可能な設計に関する多くの疑問を解決できます。

以下のような場合に、シミュレーションが役立ちます。

• 意図したプロセス技術に対してアンテナ設計をテストする。
• 潜在的な製造エラーについてテストする。
• 現実のシナリオでアンテナの動作を解析する。過酷な環境（デスバレーや宇宙など）や実際の運用シナリオ（たとえば、軍用機にアンテナを取り付けて性能を監視する、都市のさまざまな場所でワイヤレスネットワークのカバレッジをテストする）など。
• さまざまな条件下で基本材料の物理特性をテストする。
• 個々のチャネルに障害が発生した場合のアンテナシステムの性能のグレースフルデグラデーションをテストする。これにより、運用システムへの影響を最小限に抑えるために、修理の戦略とスケジュールを策定する。

以下のようなAnsysツールを使用して、課題を解決できます。

• Ansys HFSS - 高周波電磁界シミュレーションソフトウェア: 素子および集積レベルの高周波技術およびフェーズドアレイを設計できます。必要なすべての重みを計算してビームを特定の方向に集中させます。
• Ansys Icepak - エレクトロニクス冷却シミュレーションソフトウェア: アンテナシステム周辺の熱対流を測定し、アンテナシステム用の冷却システムを開発できます。
• Ansys Fluent - 流体シミュレーションソフトウェア: 流体冷却、空冷、水冷のシステムをモデル化して最適な動作を実現し、トランジスタやチップの焼損を防止できます。
• Ansys RF Channel Modeler - 忠実度の高いワイヤレスチャネルモデリングソフトウェア: アンテナシステムのデジタルツインと大規模な環境のデジタルツインを組み合わせて、現実のシナリオでRFアレイがどのように機能するか確認できます。

ビームフォーミング技術により、多くのアンテナシステムが高いレベルで機能するようになっています。デジタルビームフォーミングの進歩は、次世代通信技術を先導するでしょう。

信号は可能な限り高速にデジタルフォーマットに送信され、高速デジタルプロセッサが複数のビームを生成して目的の方向を探索するでしょう。十分なベースバンド処理により、すべてのユーザーに位相と振幅を適用できるため、各ユーザーが独自のビームを使用できます。

現在、5Gはビームフォーミングの恩恵を受けていますが、デジタルビームフォーミングにより、6G技術、より高度なレーダーシステム、マルチユーザー、マルチ入力、マルチ出力（MU-MIMO）ビームフォーミング、ホログラフィックビームフォーミングが実現するでしょう。

さまざまなビームフォーミング手法を使用して、高度なアンテナアレイや通信システムを設計する方法については、当社のテクニカルチームにお問い合わせください。

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