ミリ波レーダとは

ミリ波レーダを初めて扱うかた向けに、まず『ミリ波とはなにか?』、その後『ミリ波レーダがどういったもので、どのような特長があるか?』をご紹介します。

ミリ波とは

ミリ波とは波長がmm単位となる30〜300GHz帯の電波のことを指し、主に4つの特長があります。

  • 直進性が強い
  • 広帯域幅を確保できる
  • カメラやレーザなどに比べて霧や雨等の環境変化による影響を受けにくい
  • 情報伝送容量が大きい

ミリ波レーダの概要

ミリ波を対象物に照射してセンシングを行う機器がミリ波レーダであり、対象物の距離や角度といった位置情報、および、対象物との相対速度を高精度に検知することができます。

ミリ波レーダは21世紀に入り民生レベルへの活用が活発になり、その理由や背景として

  • CMOS(Complementary MOS:相補型金属酸化膜半導体)によるRFモジュールが商品化されつつある
  • 無線通信や新しい電波応用分野の普及により、利用可能な周波数帯域が不足してきており、
    新たな帯域利用にシフトしつつある

などが挙げられます。[1]

ミリ波レーダは、その天候耐性や高精度測距性から高度道路交通システム(ITS)への応用に注目されている他、超広帯域性(高距離分解能や低電力密度)、小型・軽量、低干渉性などの特長を有する近距離レーダシステムへの応用が期待されています。例えば、カメラシステムにはない低プライバシー侵害性の観点を活かし、呼吸・拍動などのヘルスケア・モニタリング、浴室内などのプライベート空間での見守り等のアプリケーションへの利用にミリ波センサが注目されています。[1]

ミリ波レーダでは24、60、76、79GHz帯のミリ波が主に使用されており、地域やアプリケーションにより利用可能な帯域が異なります。

利用可能なミリ波割り当て
  24GHz帯 60GHz帯 76GHz帯 79GHz帯 94GHz帯 140GHz帯
日本 21.65-26.65 60-61 76-77 77-81    
欧州 21.65-26.65   76-77 77-81   139-140
米国 21.65-26.65   76-77   94.7-95  
ITU-R   60-61 76-77 77-81    
出典:梶原 昭博(2019) 「ミリ波レーダ技術と設計 -車載用レーダやセンサ技術への応用-」 P12

また、各帯域ごとに利用可能な帯域幅が規定されています。例えば79GHz帯においては、帯域幅4GHzのUWB(Ultra Wide Band)で運⽤することが可能です。

ミリ波レーダの特長

ミリ波レーダは以下のような特長があります。

 1. 直進性が強く、大気や壁による減衰が大きい
 2. 回路やアンテナ設計の小型化が可能
 3. 広帯域幅による高距離分解能、高角度分解能
 4. 天候等の環境変化に強い

1. 直進性が強く、大気や壁による減衰が大きい

ミリ波は直進性が強く、大気や壁による減衰が大きいため電波到達距離がマイクロ波と比較して短いという特長があります。一見するとデメリットのように見えますが、他のミリ波システムへの干渉の観点から長所となります。[1]

例として、複数の部屋にそれぞれミリ波レーダを設置し、室内センシングを行うケースを見ていきましょう。壁による電波の吸収・反射により隣室のレーダに干渉を起こすことがなく、また同一周波数を繰り返し使えるため周波数使用効率が高いといった特長があり[1]、屋内近距離レーダにミリ波レーダが適していることが分かります。

2. 回路やアンテナ設計の小型化が可能

無線通信機における回路およびアンテナの大きさは、利用する電波の波⻑に依存しています。
そのため、波長の短いミリ波を用いることで回路やアンテナモジュールを小型に設計でき[1]、最終製品の小型化に寄与します。

下図は24GHz帯ならびに60GHz帯ミリ波レーダに用いるパッチアンテナを示しています。
周波数が高くなる(=波⻑が短くなる)とアンテナサイズが⼩さくなっているのがわかります。

3. 広帯域幅による高距離分解能、高角度分解能

ミリ波は広帯域幅を利用できるため、レーダに用いることで高距離分解能を実現できます。(距離分解能は帯域幅の逆数に依存するため、広帯域なほど距離分解能を小さくできます。[1]
例えば、Texas Instruments社(以下、TI社と表記)製ミリ波レーダ(IWRシリーズ)で用いられている79GHz帯の場合、最小で3.75cmの距離分解能を実現可能です。

また、センシングデータをレーダ内蔵もしくは外付けのプロセッサで信号処理を行うことにより、mm単位未満の動きや1°単位での変位を高精度に測定可能です。

4. 天候等の環境変化に強い

ミリ波の特長として環境変化に強いことは前述しましたが、センシングにもその特長が活かせます。ミリ波レーダは、雨、霧等の影響を受けにくく、かつ照度変化に関係なく対象物を検知することが可能です。
環境耐性について、他のセンシング方法と比較すると以下のようになります。

まとめ

今回はミリ波レーダの概要についてご紹介しました。ミリ波レーダが、どのような特長を持っているのかご理解いただけましたでしょうか?

次回はミリ波レーダの具体的な応用例をご紹介します。どうぞお楽しみに!


参考文献 [1]梶原昭博, “ミリ波レーダ技術と設計 -車載用レーダやセンサ技術への応用-”, 科学情報出版(2019)