ミリ波技術とは

CW方式（連続波方式）

原理: 一定の周波数の電波をずっと出し続け、跳ね返ってくる波を受け取ります。この跳ね返りの周波数の変化から、物体がどれくらいの速さで動いているかを知ることができます。

特性: 速さを測るのに向いていますが、距離はわかりません。シンプルで安価なので、特定の用途に使われます。

2周波CW方式

原理: 2つの異なる周波数の電波を交互に出し、それぞれの跳ね返りを受け取ります。これにより、速さと距離の両方を測ることができます。

特性: 距離と速さを同時に測れますが、距離の精度はFMCW方式ほど高くありません。CW方式より少し複雑です。

パルス方式

原理: 短い電波のパルスを出し、そのパルスが物体に当たって跳ね返ってくるまでの時間を測ります。この時間から距離を計算します。

特性: 距離を測るのに適しており、特に動いている物体を見つけるのが得意です。パルスが短いほど、より細かく距離を測れます。

FMCW方式

原理: 周波数が時間とともに変わる電波を出し、その跳ね返りの周波数の違いを測ります。この違いから、距離と速さを同時に知ることができます。

特性: 非常に高精度で距離を測れ、速さも同時に測れます。システムは複雑ですが、車のレーダーなどで広く使われています。 これらの方式は、それぞれの特性を活かして、用途に応じて選ばれます。例えば、FMCW方式は自動車の安全システムでよく使われ、パルス方式は航空機のレーダーなどで利用されています。

周波数変調連続波（FMCW）について

FMCW方式は、連続波（CW）の周波数を変化（FM）させて一定期間発射し、送信波と反射波の周波数の差から対象物との距離や速度を求める方式です。また、時間とともに周波数が変調する信号をチャープ信号やチャープ波といい、FMCW方式はこのチャープ信号を使用するのが特徴です。
送信波の周波数を時間とともに変化させ、受信波の周波数と比較します。周波数の差から距離を計算します。FMCWは高精度な距離測定が可能です。
FMCWは、距離と速度測定が同時に可能、回路構成が容易、比較的少ない信号処理で高距離分解能を取得可能といった特徴があります。

以下に、代表的なFMCW方式の技術的なプロセスを説明します。

1. 周波数変調

チャープ信号の生成:

FMCWレーダーは、時間とともに周波数が線形に変化するチャープ信号を生成します。
チャープ信号は、電圧制御発振器（VCO）や直接デジタルシンセサイザー（DDS）を使用して生成されます。チャープの帯域幅と持続時間は、レーダーの距離分解能に影響を与えます。広い帯域幅は高い距離分解能を提供します。

2. 送信と受信

送信:

アンテナを通じて、生成されたチャープ信号がターゲットに向けて送信されます。
送信信号は、連続的に周波数が変化するため、ターゲットからの反射を受けた際に時間遅延が生じます。

受信:

ターゲットに反射された信号が、受信アンテナによって受信されます。
受信信号は、送信信号に比べて時間遅延があり、この遅延が距離情報に対応します。

3. ビート信号の生成

ミキシング:

受信信号は、送信信号とミキサーで混合されます。
この混合により、送信信号と受信信号の周波数差に基づく「ビート信号」が生成されます。

ビート周波数:

ビート信号の周波数は、送信信号と受信信号の時間差（遅延）に比例します。
このビート周波数は、ターゲットまでの距離を計算するための基礎となります。

4. 距離の計算

ビート周波数の解析:

ビート信号は、アナログ-デジタル変換器（ADC）でデジタル化されます。
高速フーリエ変換（FFT）を用いて、ビート信号の周波数成分を解析します。

距離の算出:

ターゲットまでの距離 ( R ) を以下の式で計算します。
R = (c * T_c * f_b)/(2 * B)
ここで、
c ：光速
T_c ：チャープの持続時間
f_b ：ビート周波数
B ：チャープの帯域幅

5. 速度の計算

ドップラーシフトの解析:

ターゲットが動いている場合、ドップラー効果によりビート信号に追加の周波数シフトが生じます。
このドップラーシフトを解析することで、ターゲットの相対速度を計算します。

速度の算出:

ターゲットの速度 ( v ) を以下の式で計算します。
v = f_d * λ /2
ここで、
f_d：ドップラーシフト
λ：送信信号の波長

6. 角度の計算

アレイアンテナの使用:

角度を検出するために、複数のアンテナ素子を並べたアレイアンテナを使用します。 各アンテナ素子は、ターゲットからの反射信号を個別に受信します。

位相差の利用:

ターゲットからの反射信号は、各アンテナ素子に到達するまでの距離が異なるため、位相差が生じます。
この位相差を解析することで、ターゲットの到来方向（角度）を推定します。

デジタルビームフォーミング（DBF）:

デジタルビームフォーミング技術を用いて、特定の方向からの信号を強調し、他の方向からの信号を抑制します。
各種アルゴリズムを使用して、到来方向を高精度で推定します。

反射特性

ミリ波は、特定の物体に当たると跳ね返りやすい性質を持っています。特に、金属や硬い表面にぶつかるとよく反射します。
この特性を利用して、ミリ波センサーは物体までの距離やその物体の動く速さを測定できます。具体的には、ミリ波が物体に当たって跳ね返る時間や反射波の変化を解析することで、物体の位置や動きを非常に正確に追跡できます。
簡単に言えば、ミリ波は「反射を利用して物体の情報を集めるのが得意な電波」であり、それを使って物体の位置や動きを詳しく知ることができるのです。

透過吸収特性

ミリ波の透過性と吸収性は、物体を通り抜けたり、止められたりするかに関する特性です。ミリ波は布やプラスチックのような非金属材料をある程度通り抜けることができ、これを「透過性」と言います。
この特性を利用して、ミリ波センサーは物体の内部を調べることが可能です。例えば、衣服の下に隠れているものを検出するのに使われます。
一方で、水分を含むものや非常に密度の高い材料ははミリ波を吸収しやすく、これを「吸収」と言います。ミリ波が吸収されると電波は先に進めなくなり、結果として届く距離が短くなります。つまり、ミリ波の到達距離に影響を与えるのです。
簡単に言えば、ミリ波は「布やプラスチックを通り抜けることができるが、水や密度の高いものには弱い」という性質を持っています。

電波到達距離が短い

ミリ波は大気や壁による減衰が大きく、電波到達距離がマイクロ波などの波長の長い電波に比べて短いという特長があります。物体に遮られやすく、空気や水に吸収されやすいため、遠くまで飛ばすことが難しいです。
しかし、遠くまで届かないということは、遠距離の電波の混信を受けにくいことを意味します。
そのため、ミリ波は短距離通信には他の電磁波よりも適しているといえます。

直進性がある（ビームフォーミングと指向性）

「ビームフォーミングと指向性」は、ミリ波センサーが信号を送る方法に関する技術です。
「ビームフォーミング」は、ミリ波センサーが電波を特定の方向に集中的に送る技術です。これにより、センサーは特定のエリアを詳しく調べることができます。例えば、特定の場所や物体に焦点を当てて、その部分をしっかりとスキャンできます。
「指向性が高い」とは、電波が特定の方向に強く送られる性質を指します。これにより、周囲の不要な反射を減らし、ミリ波センサーはより正確に物体を検出できます。
簡単に言えば、ビームフォーミングと指向性により、ミリ波センサーは「見たいところをしっかりと見て、余計なものを見ないようにする」ことができ、検出の精度が向上します。

引用元：構造計画研究所[5Gのためのフェーズドアレイアンテナのビームフォーミング解析]

小型化と集積化が可能

ミリ波の短い波長は、センサーデバイスの小型化を可能にします。
「小型化と集積化」とは、ミリ波を使ったセンサーがどれくらい小さく作れるか、そして多くの機能を一つにまとめられるかを指します。ミリ波は波長が短いため、センサーも小型化できます。これにより、多くのアンテナを一つのセンサーに集めて組み込むことが可能です。このように複数のアンテナを配置することを「アレイ」と言います。
アレイを使うことで、センサーはより多くの情報を集められ、感度（細かいものを感じ取る能力）と精度（正確に測る能力）が向上します。
簡単に言えば、ミリ波の短い波長のおかげで、センサーは「小さくても多くの機能を持てる」ようになり、より良い性能を発揮できるということです。

引用元：Texas instruments [車載レーダ・システムが24GHzから77GHzに移行している理由]

高い分解能を得られる

ミリ波は短い波長を持つため、高い空間分解能を提供します。「高い分解能」というのは、物事を細かく見る能力のことです。
ミリ波というのは、電波の一種で、波長がとても短い特徴があります。波長が短いと、電波が物体の細かい部分まで届きやすくなります。これが「高い空間分解能」を提供するという意味です。
具体的に言うと、ミリ波センサーは、例えば小さな物体やその微細な動き、つまりほんの少しの動きも検出することができます。
これは、ミリ波が持つ短い波長のおかげで、物体の細部までしっかりと捉えることができるからです。
簡単に言えば、ミリ波センサーは「細かいところまでよく見える目」を持っている、ということです。

引用元：Texas instruments [mmWave Radar for Automotive and Industrial Applications]

耐環境性に優れている

ミリ波は空気や水によって減衰しやすく、遠くまで飛ばすのは難しいですが、赤外線や超音波に比べて直進性が高く、比較的悪環境下でも使用可能でき短距離での運用に適しています。また光を使わないため、夜間や逆光でも検出が可能です。