まえがき

　ミリ波は長い間電波の｜ホープ」であり、「夢」であった。その広大な周波数帯は、ひっ迫とは無縁なものと考えられ、またその高角度分解能や機器の小型・軽量性はセンシングや通信すべてに十分魅力あるものであった。

　しかし、1970年代後半に長距離伝送路の主役の座を光ファイバに譲ることになって以来、ミリ波の開発とりわけデバイスの開発が停滞し、それが利用のインセンティブをも損なう悪循環に陥ってしまった。

　近年、このような状況が大きく変わろうとしている。高度情報社会を背景に利用の面でミリ波に新しい動きが出てきたのである。一つはITSに関連した自動車レーダヘの利用、もう一つは超高速無線LANやMMAC（マルチメディアモバイルアクセス）など通信分野における利用である。一方、これらを支えるハードウェアも目覚しい進歩を逐げている。数十ナノメートルのゲート幅のHEMTに代表されるように、薄膜技術や微細加工技術の進歩により、高性能・高信頼性デバイスの実現が着実に進んできた。また、従来ミリ波の弱点であった伝搬距離の問題も光技術との融合、いわゆるミリ波フォトニクスにより克服されつつある。このように、21世紀の本格的ミリ波利用に向けて、ようやく種々の条件が整ってきた。

　郵政省通信総合研究所（CRL）では、旧電波研究所時代から一貫して「周波数資源開発」プロジェクトの中で、ミリ波の研究を推進してきた。本書は、これまでCRLでミリ波関連研究に携わったスタッフに、ミリ波の権威であり当所の客員研究官でもある方々とそのグループの方にも執筆に加わってもらいまとめたものである。基礎的事項から先端の技術までを幅広く、かつバランス良く取り上げ、わかりやすく解説したミリ波の総合的教科書で、他に類を見ないものと確信している。特に、伝送、受動回路、放射、伝搬、デバイスなど基礎の章にはかなりのページを割いた。新しい発明・発見も基礎に対する深い理解があって初めて可能となる。新しいミリ波技術を総合的に学べること、基礎をじっくり勉強できる教科書をつくること、これが本書の基本的執筆方針である。

　本書は、９章から構成されており、第１章は概説である。第２章では、ミリ波で用いられる各種伝送線路とその基礎、および伝送理論を詳述している。この中には、NRDガイドなど従来の教科書には見られない内容も含まれている。第３章では、多端子対回路の統一的表現方法を解説し、次いで共振器、フィルタ、分波器、非可逆回路素子などミリ波の受動回路素子について述べる。第４章では、電波放射の基礎理論を概説した後、ホーン、レンズ、反射鏡などミリ波帯の基本アンテナ、ならびにアクティブアンテナ、スロットアレー、表面並みアンテナ、漏れ波アンテナなど、特にミリ波帯で有効なアンテナの解析や設計法を述べる。第５章では、ミリ波利用において最も基礎となる大気伝搬特性や、固定通信での伝搬、移動通信や屋内通信における伝搬特件を、CRLでこれまでに蓄積した豊富なデータを用いて解説する。

　第６章では、ミリ波帯の発振、増幅、逓倍、検出に用いられる各種ダイオードやトランジスタなどの固体デバイスについて、その動作原理や物理を技術的パラメータとともに解説する。第７章では、ミリ波集積回路に用いられる平面伝送線路と回路、集積化技術、アクティブ集積アンテナなどについて述べ、さらにこれらの設計に不可欠な回路シミュレータとCAD技術についても最近のトピックスを紹介する。第８章では、光とミリ波を相互に変換する技術や光集積回路をミリ波へ応用する技術などミリ波フォトニクスと呼ばれる新しい研究分野の動向を紹介する。第９章では、ミリ波利用の大もとになる周波数割当ての国際的動向とこれまでに実用化されたシステムを述べるとともに、今後実用化が期待されるミリ波利用システムについても展望する。

　本書が、ミリ波の研究開発や利用に携わる学生や現場の技術者に広く活用され、21世紀にはミリ波が真に「電波のホープ」として大きく花開くことにいささかなりとも貢献できれば執筆者一同この上ない喜びである。

最後に、本書の出版に当たり、ご支援･ご協力いただいた多くの方々に厚く御礼を申し上げます。

　1999年１０月

編著者 手代木　扶、米山　　務

主要目次

１章　概　　説
２章　ミリ波の伝送
３章　ミリ波受動回路素子
４章　ミリ波の放射
５章　ミリ波の伝搬
６章　ミリ波固体デバイス
７章　ミリ波集積回路技術
８章　光・ミリ波相互作用
９章　ミリ波利用システム

各章のねらい

１章　概　　説

　近年、ミリ波帯（30〜300 GHz）電波の開発と利用の動きが急速に活発になってきた。利用面から見るとそこには二つの潮流がある。
　一つは情報通信の分野である。現在有線通信においては高速ＬＡＮの定着や画像を多用したＷＷＷなどの出現によりインターネットの利用者が爆発的に伸びている。このようなマルチメディア情報伝送に向けての動きは今後可搬端末や移動端末にも波及するのは必然と考えられる。言い換えると、広帯域ＩＳＤＮ（Ｂ―ＩＳＤＮ）の一翼を担う無線パートの確立が求められている。このような大容量情報伝送を無線で実現するには、その広帯域性からミリ波が最もふさわしい。このような機運が盛り上がり、最近になってマルチメディア移動アクセス（ＭＭＡＣ）を早期に実現するための民間組織が設立され活動を開始している。
　もう一つはセンシングの分野である。衝突防止用レーダや、視界不良な場所における車両の安全走行援助システムなどITS（Intelligent Transport Systems ：高度道路交通システム）に関連するシステム、移動ロボットの位置計測や制御などへの利用が開発段階にある。これらのシステムにミリ波が有効なのは、高角度分解能性、機器の小型軽量性、光では透過しない媒質中でも伝搬可能であることなどの特性を有しているからである。いずれのシステムにおいても共通するのは比較的近距離で応用されている点である。このような最近の研究動向を反映して電子情報通信学会の英文論文誌に「ミリ波の近距離応用システム技術」の特集が企画され、この中で、「我が国のミリ波技術」「Yoneyama、1996］、「応用システム」［Ihara、1996］の動向が紹介されている。
　ミリ波は降雨による減衰が大きく、かつ60GＨz付近では酸素分子の吸収があり、長距離の伝送には適さない。通信の場合これは大きな欠陥となるが、近年ミリ波を光信号に乗せて光ファイバで伝送する技術の研究が進み、伝搬距離の問題を克服できる見通しがついてきた。これによってミリ波はこれからの無線通信のホープとして一層注目を巣めるようになってきた。ミリ波と光の相互作用は、本書においても１章を割いているが、電子情報通信学会においてもこれに的をしぼった時限研究会がつくられるなど、活発に研究が行われるようになってきた分野である。
　ミリ波には以下のような優れた特徴がある。
　�@　未だほとんど利用されていない広大な周波数領域を擁している。
　�A　したがって高速・大容量の情報伝送が可能である。
　�B　波長が短いことから機器の小型・軽量化が容易である。
　�C　角度分解能の高いセンシングシステムが可能である。
　�D　60GＨz帯は酸素分子の吸収線があり減衰するため、少し離れた場所での干渉がなくなり同一周波数の再利用が可能となる。
などである。しかし、現状では、ミリ波はその可能性の大きさにもかかわらず、開発と利用があまり進んでいない。最大の理由はハードウェアのコストがマイクロ波以下の低い周波数帯に比べて高いことにある。特に、量産化に不可欠なMMIC（Monolithic Microwave lntegrated Circuit）の技術開発が立ち後れていることが大きい。しかしこれも近年の薄膜技術や超微細加工技術の進歩で、デバイスの量産化と高品質化の展望が開けてきた。ＭＭＩＣは少品種大量生産に適しているため大きな市場を前提としている。しかしミリ波にはさまざまな利用があり、これらには多品種少量生産のものも少なくない。これに対応するためにはＨMIC（Hybrid Microwave lntegrated Circuit）やMCM（Multi‐Chip Module）の導入が現実的と考えられ、この方向からのアプローチも進められている。さらにこれらと異なる新しいアプローチとして、NRDガイド（Nonradiative Dielectric Waveguide）をベースとしたミリ波集積回路があり、これを利用して無線LANトランシーバや車載レーダなどが開発されている。

2章　ミリ波の伝送

　電磁波工学にとって伝送線路は不可欠である。まず、電磁波が静電・静磁界の形で線路に沿って伝送するＴＥＭ波伝送線路と反射を繰り返しながら伝送するその他の伝送線路との違いを明らかにしている。次に長距離伝送線路の説明に移り、代表例としての導波管について、モードや伝送特性などを数式をもとに詳述している。しかし、マイクロ波・ミリ波集積回路に使用されるプリント線路については他の章で詳しく述べられているので、定性的な記述に止めることにした。次いで、ミリ波帯独特の誘電体線路を簡単に紹介した後、最近注目されているＮＲＤガイドについて導波管と対比しながら説明している。
　本章の後半は伝送理論に割り当てられている。伝送線路に関する基本式の誘導と解法を説明するとともに、反射係数や定在波比などの基本量について例題をあげて解説し、最後にスミス図表とその使用法を紹介している。

3章　ミリ波受動回路素子

　多様な回路素子を網羅することは本章の範囲を超える。しかし、回路素子を多端子対回路として見ると散乱行列を適用でき、まとめた議論ができる。このことを念頭に、まず散乱行列とそのユニタリー性について解説する。その結果をもとに、導波管窓、分岐、マジックＴ回路、方向性結合器などを統一的に考察している。方向性結合器としては、分布結合現象を利用したものもミリ波帯では有効であり、その理論的取扱いを加えている。
　共振器は不可欠な回路素子であり、応用回路としてはフィルタや分波器がある。それらについて説明している、また、フェライトを応用したデバイスは非可逆回路素子として重要である。代表的なサーキュレータ、アイソレータ、移相器について概説している。

4章　ミリ波の放射

　本章ではミリ波帯でよく用いられるアンテナの特徴や基本的特性、設計・解析法について学ぶ。はじめに電波放射の基礎理論の概要をまとめ、後章の準備をした後、ホーンアンテナ、レンズアンテナ、反射鏡アンテナなど開口面アンテナについて順次述べる。次いでマイクロストリップアンテナやスロットアンテナなどを素子とするアレーアンテナについて記述する。また、近年研究が活発に行われているアクティブ集積化アンテナはマイク口ストリップアンテナと一体に形成されることが多いので、同じ節で説明する。最後に表面波アンテナや漏れ波アンテナなどミリ波帯で有効なアンテナについて述べる。

5章　ミリ波の伝搬

　ミリ波にかかわらず、電波の利用には使い勝手の良い装置の開発と並んで、システムが利用される環境での電波伝搬特性の知識が必要である。本章では、基礎的な大気伝搬特性から始まって、固定無線システム、移動通信システム、屋内通信システムなどに関連するミリ波伝搬特性について記述する。

６章　ミリ波固体デバイス

　増幅器、発振器、逓倍器および検出器に用いられるミリ波固体デバイスについて、原理・動作がわかりやすく理解できるとともに、論文や解説書、カタ口グ、マニュアルなどで出合うデバイスの性能指数の定義と意味について明確になるように説明した。これらの理解を通じて、ミリ波固体デバイスの基礎となっている半導体や超伝導体の物理についても関心がもてるようにした。また、将来重要になると考えられるミリ波より高周波のサブミリ波、遠赤外線・テラヘルツ波のデバイスについても理解が及ぶように配慮している。

7章　ミリ波集積回路技術

　ミリ波集積回路技術は従来のマイクロ波集積回路技術の延長と考えられるが、周波数が高くなるに伴い伝搬損失、高次モード、寄生効果が顕著となり、これらの特性を設計段階で考慮に入れて回路構成や集積化形態を決める必要がある。一方、ミリ波帯では波長が短くなり、回路とアンテアを一体化して設計するアクティブ集積アンテナなど、ミリ波特有の設計アプローチが有効かつ可能である。また、ミリ波集積回路を設計・開発する際には、高精度かつ効率的な回路シミュレータとＣＡＤルーツが不可欠な存在である。本章ではこれらのトピックについて、最近の研究動向を交えて解説する。

８章　光・ミリ波相互作用

　ミリ波技術に光技術を取り入れようとする研究が進みつつある。光信号では、波長がミクロンオーダとミリ波に比べて３桁も小さく、同時に、周波数は数百TＨzとミリ波の1 000倍以上にもなる。数十ＧＨｚからＴＨｚもの帯域をもつ光信号を、太さ100μｍ程度の微細な光ファイバを用いて何百kmも伝送できる。これからのミリ波技術を考えるうえで、光エレクトロニクスの手法はますます重要になるものと予想される。

９章　ミリ波利用システム

　本章では、ミリ波帯電波の特徴とその期待される利用分野、ミリ波帯開発の枠組みを与える周波数割当ての動向、すでに実用化されたシステム例、今後実用化の期待されるシステム例について概説する。