Wave Technologyでは、高周波回路設計やアンテナ設計に関するお困り事を解決するサービスを高周波マッチング工房として提供いたします。

高周波回路の設計には“マッチング（整合）をとる”ことが必要です。この“マッチングをとる”という作業は熟練した技術が必要で、その技術はよく職人技に例えられます。そんな職人技で高周波回路を設計する現場のイメージを職人や芸術家の作業場である工房と重ねて、

『高周波マッチング工房』＝『高周波』＋『マッチング』＋『工房』

と命名しました。

 

スミスチャートとは？

実際のマッチング（整合）ではスミスチャートを使用します。
ここでは、そのスミスチャートついて簡単に紹介します。

高周波回路のいろいろな問題を数式を用いて解くことは、複素計算になるのでかなり面倒です。スミスチャートは、このような複雑な複素計算を図表上で簡単に行うことができるようグラフ化されたものです。このスミスチャートを利用すると、高周波回路を考えるうえでとても便利です。

それでは、ごく簡単にスミスチャートの説明をします。
右図がスミスチャートです。（実際のチャートには円外に種々目盛りがありますが、ここでは省略しています。）

この円の水平軸が複素反射係数*の実数部、垂直軸は虚数部を表します。
(* 反射係数は入射電圧に対する反射電圧の比を表し、ベクトル数値（複素数）です。)
インピーダンスの実部（抵抗）成分は周波数によらず一定なので各円上は等抵抗であることを表します（等抵抗円といいます）。
上下に曲がった円弧上はインピーダンスの虚部（リアクタンス）成分が一定なので等リアクタンス円といいます。

円の上半円部分は誘導性（インダクタンス）成分で、下半円部分は容量性（コンダクタンス）成分を表します。

さらに円の真ん中は普通”1”です。Z0で正規化しています。(実際のインピーダンスを特性インピーダンスZ0で除したものを正規化インピーダンスと呼びます。) 特性インピーダンスとは、分布定数回路上を伝わっている電圧の波と電流の波の比として定義され、Z0は50Ωや75Ωが一般的です。

すごくざっくりですが、スミスチャートの簡単な説明は以上です。

スミスチャートをもっと知りたい方は以下リンクで動画の説明もありますので、ご覧になってください。

• スミスチャートとは？
• スミスチャートとは？２
• スミスチャートとは？３
• スミスチャートとは？４－１
• スミスチャートとは？４－２

 

IoT 化に伴うお困りごと

近年のIoT 化に伴い、あらゆるものが無線化されると言われています。実際に自社製品をIoT 化するために“無線通信技術の導入”をはじめている企業様が増えています。しかし、それらの製品で「通信できない」や「通信距離が短い」といった問題が起こり、“困っている”というお客様のお声を多く聞きます。

そのような場合のよくある性能悪化の原因は、RF-IC と回路、回路とアンテナとの間に起こるアンマッチ（＝不整合）と言う状態により発生する“電力の損失”です。

それには回路を構成するコンデンサやインダクタ、抵抗といった部品を変更し最適な状態（マッチングが取れている状態）に調整する必要があります。電力損失ばかりを気にしているとその他の特性（不要発射レベル、隣接チャネル漏洩電力etc.）が悪化したりするため、バランスよく最適な状態にします。“どこを”・“どのように”・“どれくらい”変更すればいいのかその判断や加減には長年の経験に裏打ちされた技術とセンスが必要になります。それらが職人技に例えられます。

実際には 測定器を使って高周波特性を評価しながら、回路を構成する部品の交換をして調整していきます。中にはゴマの粒よりも小さい極小サイズのチップ部品をつけはずししなければならず、手先が器用な人でも作業は非常に困難となります。

所望の性能が得られる高周波回路を効率的に最短で設計するためには、測定器だけでなく回路部品の取り扱いに長け、技術とセンスを兼ね備えた技術者（＝職人）が必要です。

その全てを提供するサービスが『高周波マッチング工房』です。

様々なご要望にも対応させていただきますので、お気軽にご相談ください。

Case①	RF-IC のデータシートとおりに外部回路や基板を設計したのに、性能が得られない。 ⇒基板や部品のレイアウトにあわせて、外部回路を調整します。
Case②	回路調整を行いたいが、部品が小さすぎて取り扱いが難しい。（つけ外しが困難） ⇒両面基板に実装した極小サイズのチップ部品でも交換する方法があります。
Case③	既存製品の小型化、小型の新製品設計、回路の省スペース化がしたい。 ⇒ご要望に合わせて、最適な回路をご提案いたします。
Case④	パターンアンテナを試作してみたが通信距離が短くなった。（通信できない。） ⇒原因を解明して、解決策をご提案いたします。また、パターンアンテナの再設計※からも対応いたします。

 

※パターンアンテナの再設計は下記リンクを参照ください。
⇒　無線通信モジュール用アンテナ設計・評価受託

Wave Technology（WTI）は、半導体デバイス開発から各種無線機など、30年以上にわたる開発経験がありますので、高品質なマッチングから改善提案まで、ご要望に合わせてご提供いたします。

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■高周波・無線関連その他サービスご紹介
高周波・無線　設計受託（親ページ）
高周波電力増幅器開発
各種高周波部品開発
無線通信モジュール用アンテナ設計・評価受託
高周波開発インサイドストーリー

■電子回路設計ヒントPLUS
#070　高周波　～スミスチャートとは？（１）～
#072　高周波　～スミスチャートとは？（２）～
#073　高周波　～スミスチャートとは？（３）～
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■参考資料
電波の周波数による分類・定義

■高周波・無線関連ブログ
「高周波」ってなんだろう？
意外と身近な無線通信
「IoT」のビッグウェーブが到来！
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Bluetooth関連、やってますよ！
インピーダンスの持つ意味
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アンテナを設計するときに注意すべきこと
高周波増幅回路設計の話
スミスチャートとは？ ～きちんと知ると便利です～
スミスチャートとは？ ～きちんと知ると便利です～（その２）
スミスチャートとは？ ～きちんと知ると便利です～（その３）
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スミスチャートとは？
スミスチャートとは？２
スミスチャートとは？３
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【当ページ関連の資料タイトル】
●「高周波回路設計サービスのご提案」
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フィルタ回路設計評価

必要な周波数のみ最小限の損失で通過させ、不要な周波数は確実に減衰させる回路がフィルタ回路です。
通過させる周波数により、

があります。
 
WTIでは、周波数200MHz～12GHzにおいて、L/Cを用いた各種フィルタ回路、マイクロストリップラインを用いた各種フィルタ回路の設計・評価の実績があります。
またこれらを組み合わせることで、お客様の目的に合ったフィルタ回路をご提案します。
 

フィルタ等価回路	フィルタ特性

 
【主な開発実績】

合成分配回路設計評価

市販の増幅器を用いて設計する場合、どうしても出力電力などが不足することがあります。
このとき複数の増幅器に電力を等しく分配し、増幅された電力を低損失で合成する合成分配器が必要になります。
 
WTIでは純粋に50Ω系での合成分配を行う回路から、異なるインピーダンスに合成分配を行う回路まで、様々な開発経験があり、お客様の目的にあった回路をご提案します。
 

合成・分配回路製作事例

 
【主な開発実績】

スイッチ回路設計評価

信号が通過する経路のオン・オフを切り替えるスイッチ回路では、オンとオフの比を表すアイソレーション特性が重要となります。
WTIでは市販のMMICを組み合わせることで、アイソレーション50dBを実現したスイッチモジュールの開発実績があります。
 

スイッチ等価回路	スイッチ電磁界解析モデル

 
【主な開発実績】

局部発振回路設計評価

周波数コンバータで基準となる信号を生成する回路が、局部発振器(LO：Local Oscillator)です。この局部発振器では、高い周波数安定度と低位相雑音が必要となります。そのため、PLL(Phase Locked Loop)を用いた、周波数シンセサイザーが使われます。
 

	VCO: Voltage Controlled Oscillator 電圧制御型発振器 PLL:  Phase Locked Loop 位相同期ループ TCXO:Temperature Compensated Crystal Oscillator  　　　　温度補償回路付水晶発振器 Loop Filter : ループフィルタ
局部発信器ブロック図

WTIでは、市販のVCOとPLL-ICの組合せまたはVCO内蔵PLL-ICいずれかを選定して周波数シンセサイザを設計します。低位相雑音でのご要求であれば市販VCOとPLL-ICの組合せ、実装面積の小型化のご要求であればVCO内蔵のPLL-ICを選定しています。
周波数シンセサイザの設計では、位相雑音、Lock Time、周波数安定度特性が重要なため、TCXO、VCO、PLL-ICの選定とループフィルタの設計が重要になります。特に位相雑音とLock Timeは相反する特性のため、ループフィルタの回路に起因します。ループフィルタの回路は、VCOの特性、PLL-ICの特性、ループ帯域や位相マージンなどのパラメータで回路設計をします。これらを適切なパラメータの組合せで、マイクロ波帯において、周波数シンセサイザを設計した実績があります。

PLL 位相雑音特性例	PLL-IC Lock Detect 信号例

 
【主な開発実績】

《技術コンサルティングのご案内》 WTIは、高周波(RF)のコンサルサービスを「テクノシェルパ」のブランド名で行っております。以下のようなお悩み・ご要望にお応えします。 「自社設計品で性能が出ない」 「発振が止まらない」 「特定の部品が故障しやすい」 「高周波の知識が全くないので設計外注の依頼もできない」 「開発イメージのみから仕様書まで落とし込んでもらえないか」 詳しくは「テクノシェルパ」の高周波（RF）コンサルサービスのページをご覧ください。

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