当研究室で行っている無線研究の大部分は、ある退屈な物理的な問題に帰着します。つまり、433 MHzで動作するアンテナは2.4 GHzでは動作せず、実験台にあるSDRにはRF入力が1つしかないのです。 分析対象がサブGHz帯の産業用無線からWi-FiやBluetoothのキャプチャデータに移るたびに、誰かがアンテナを1本外して別のアンテナを接続しなければなりません。些細なことのように聞こえるかもしれませんが、長期にわたる測定作業では、時間の浪費となり、コネクタの摩耗を招き、ミスを招きやすく、無人または遠隔でのキャプチャを不可能にしてしまいます。
研究にかかるコストは、ケーブル工事の費用が示唆するよりもはるかに大きい。当社の無線プロトコル関連の作業の多くは、スキャンから始まる。つまり、RFスペクトルをスキャンしてデバイスが送信している場所を見つけ出し、その信号をキャプチャして分析するのだ。帯域ごとにアンテナが1本しかない場合、スキャンはアンテナコネクタで止まってしまう。なぜなら、スクリプトでアンテナのネジを緩めることはできないからだ。マルチプレクサを使えば、アンテナも自動化された処理経路の一部に組み込むことができる。 測定用ハーネスを使用すれば、スイッチの8つのポートすべてを順次切り替え、サブGHzの産業用帯域から2.4 GHzのWi-Fi、さらにはそれ以上の帯域に至るまで、RFスペクトル全体を無人状態でスキャンできます。また、このボードはネットワーク上でWebインターフェースを公開しているため、スキャン作業を実験台から直接操作する必要はありません。実験装置が実験室のシールドエンクロージャー内に設置されている間、遠隔地から作業している研究者がブラウザからアンテナを切り替えることも可能です。
明らかな解決策はアンテナスイッチであり、市販の製品も存在します。SDRの世界で最もよく知られているのは、HackRF用のアンテナ切り替えアドオンである「Opera Cake」で、これはHackRF独自の拡張ヘッダーとツールを通じてホストから制御されます。堅実な設計ですが、このスイッチは特定のSDRカードに縛られてしまいます。 実験室グレードのRFスイッチボックスならこの問題を解決できますが、その分価格も実験室グレード並みになります。より安価な代替品のほとんどは、手動式かUSB専用かのいずれかです。
私たちは、それとは別のものを求めていました。それは、どのSDRが接続されていても関係なく動作し、コンピュータを使わずに作業台で手動で操作でき、さらにセットアップがシールドボックスの中や別の部屋にある場合でもネットワーク経由で制御できるスイッチです。これら3つの要件をすべて満たす市販品が見つからなかったため、独自に設計しました。この記事では、その成果、設計の背景にある判断、そして重要であることが判明した詳細について解説します。
設計目標
EDAツールを起動する前に、5つの要件を書き出しました：
- SDR非依存型です。ボードの両側には50 Ωの同軸ケーブルのみが接続されており、特定の受信機に結びつけるための拡張ヘッダーやホスト用ツールは一切ありません。SMAアンテナコネクタを備えた機器であれば、何でも使用可能です。
- ブロードバンド。全帯域にわたって1つの利用可能な経路があり、ポートを特定の帯域に固定してしまうようなチャネルごとのフィルタリングはありません。433 MHzの産業用信号を通すのと同じチャネルが、2.4 GHzのWi-FiやBluetoothの受信信号も通すため、これらを切り替える際にアンテナを交換する必要がなくなりました。
- 制御方法は複数用意されています。コンピュータを接続せずにベンチ上で作業するための物理ボタンに加え、シールド付き筐体、ラック、あるいは別の部屋内に設置されたスイッチを操作するためのWebインターフェースも用意されています。また、Webインターフェースを利用すれば、測定ハーネスから基板をスクリプトで制御することも可能です。
- 自己給電・自己ホスト型。USB-Cによる給電で、ドライバーもホストソフトウェアも、ベンダーのクラウドも不要です。Webアプリケーションはボード上で直接動作し、ログインも不要で、スイッチングパスにサードパーティのサービスは介在しません。
- 少量生産が可能です。標準的な4層FR4の積層構成を採用し、部品は組立サービス独自の部品カタログに登録されており、手作業による組み立てが必要なのは真に重要な部品のみです。これにより、小ロットの生産コストを抑え、仕様の変更にも迅速に対応できます。
RF基板のアーキテクチャ
この基板は、2つの能動素子を中核として構成されています。
RFコアには、24ピン・4×4 mm QFNパッケージの吸収型SP8T（単極8投）RFスイッチであるpSemi PE42482A-Xが採用されています。 データシートには、10 MHz～8 GHzの周波数範囲、6 GHzでの挿入損失が約1.1 dB、アイソレーションが41 dB、スイッチング時間が227 ns、CW電力許容値が33 dBmと記載されています。 2つの特性により、このスイッチはこの種の実験用ツールに特に適しています。第一に、吸収型であることです。選択されていないポートおよび全オフ状態は内部で終端されているため、選択されていないポートが開いたままになることがなく、そうでなければ共通ポートで発生しうる反射が低減されます。第二に、標準的なロジックレベルで制御されることです。つまり、専用インターフェースを介さず、少数のGPIOから直接スイッチを制御することができます。
制御側にはESP32-C3-WROOM-02が使用されています。これは、スイッチの制御ピンを駆動し、フロントパネルの2つのボタンを読み取り、ステータスLEDを駆動し、OLEDディスプレイにステータス情報やメニューを表示し、Webアプリケーションをホストします。 このモジュールは基板の上端に配置されており、モジュールに内蔵された2.4 GHzアンテナの真下にグランド用銅箔が配置されないよう、4層すべてにおいて、内蔵アンテナの下に銅箔の配置禁止領域が設けられています。
その他はすべて補助回路です。標準的な5.1 kΩ CCプルダウン抵抗を備えたUSB-Cコネクタ、データペアのESD保護用USBLC6-2SC6、3.3 Vレール用のAP2112K-3.3 LDO、およびスイッチとモジュールでのローカルデカップリングです。
RF経路
基板の3つの辺には、9つのSMAエッジマウントコネクタが配置されています。短い辺にはそれぞれ4つのアンテナポートがあり、SDRケーブルが接続される長い辺には、「ANT IN」とシルク印刷された共通ポートがあります。
各コネクタから、信号はトップ層を短距離伝搬し、一連のDCブロッキングコンデンサを通過した後、ビアを介してボトム層へと降りていきます。8本のアンテナラインと共通ラインは、ボトム層上で幅0.25 mmのマイクロストリップトレースとしてファンアウトし、内部グランドプレーンから0.1 mm上方に配置され、スイッチ本体にあるビアを介してトップ層へと戻ります。 RF信号を、わずか0.1 mm離れた連続したグランドプレーンを基準とする下層に留めることで、RFトレースの真下に連続した帰路を維持しつつ、上層の大部分をデジタル部（ESP32、LDO、USBフロントエンド）用に確保することができました。
このスイッチは、ヒートパドルにある12個のビアを介して接地されており、96個のステッチングビアが、基板全体にわたって最上層のグランドパッチと内部プレーンを接続しています。これらのビアは、RF信号が層を移るビアの移行部に集中して配置されています。
なぜすべてのポートにコンデンサが取り付けられているのか
RFポートに直流電流がない場合、PE42482にはDCブロッキングコンデンサは必要ありません。 しかし、実験室では、その前提は成り立ちません。アクティブアンテナやLNAにはバイアスティーを介して電力が供給され、一部のSDRは入力にバイアス電圧を印加します。また、その日その日に実験台に設置されている機器に配線され続ける基板は、いずれ直流が流れるポートに接続されることになります。バイアス電源を誤って短絡させてしまうことは、その前提が間違っていたことを知る最悪の方法です。
つまり、9つのポートすべてに直列コンデンサが接続されます。ここで興味深いのは、どのコンデンサを選ぶかという点です。従来のMLCCには固有共振周波数があり、それを超えるとインピーダンスが徐々に誘導性へと変化します。この周波数は、意図した動作範囲の上限を大幅に下回る可能性があり、その結果、すべてのチャンネルの広帯域応答が知らず知らずのうちに損なわれる恐れがあります。 そこで、代わりに京セラAVX（旧ATC）の520Lおよび530L広帯域コンデンサを採用しました。これらは0402サイズのX7R素子で、520Lは160 kHz～16 GHz、530Lは16 kHz～18 GHzという非常に広い周波数範囲にわたって、平坦で低い挿入損失が保証されています。 これらを採用することで、結合コンデンサが帯域幅の主な制限要因となることはないと予想されます。主な制約となるのは、スイッチおよびPCBの実装となります。この設計では、すべてのポートで10 MHz～6 GHzの同一の動作範囲を目標としていますが、RFパス全体がこの範囲にわたって実験的に検証されたわけではありません。
これらは手作業で実装する唯一の部品であるため、組み立て用BOMには意図的に記載していません。各ポートには、手はんだ付け用の0402と、より小型の0201という2種類のフットプリントが並べて用意されており、レイアウトをやり直すことなく、引き出しにあるどちらのケースサイズでも実装できるようになっています。
ここで明確にしておくべき点が1つあります。それは、シルクスクリーンに印字された周波数ラベル（2 GHz付近用が2ポート、1 GHz付近用が2ポート、サブGHz帯用が3ポート、3 GHz用が1ポート）は、あくまで慣例であり、制約ではないということです。これらは、当社のアンテナセットが通常どのように配線されているかを明記したものであり、実験台で作業する人が推測する必要がないようにするためのものです。どのポートも意図的に特定の帯域に制限されているわけではなく、それぞれが対象となる動作範囲全体をカバーするように設計されています。
制御：ボタン、シリアルインターフェース、Webアプリ
このボードには、ローカルボタン、USB CDC、TTL UART、およびWebインターフェースという、4つの制御経路が用意されており、これらは同時に利用可能です。いずれかのインターフェースで行われたチャネル変更は、他のインターフェースにも反映されます。
フロントパネルにある2つのキーは、プルアップ抵抗とRCデバウンス回路が組み込まれた高速操作用キーです。「NEXT」キーを押すとOLEDディスプレイ上のオプションが順次切り替わり、「ENTER」キーでハイライトされた操作（チャンネルの選択、Wi-Fiの有効化または無効化）が確定されます。ホストもログインも不要で、設定も一切必要ありません。もう一方の手でプローブを持っているときは、このインターフェースが使用されます。
ベンチトップ環境では、ESP32-C3のネイティブUSB CDCと、別途用意されたTTL UARTの両方が、同じプレーンテキスト形式のコマンドラインインターフェースを提供しています。チャンネル選択、スイッチを「すべてオフ」（吸収型）状態への強制切り替え、Wi-Fiの有効化・無効化、Wi-Fi認証情報の編集など、ヘルププロンプトで説明されている12種類の短いコマンドが利用可能です。また、Wi-Fiを意図的に無効化した場合にも、これがフォールバック経路として機能します。
Wi-Fiを有効にすると、マイクロコントローラは小さなWebアプリケーションもホストします。これには、各アンテナのアクティブなチャンネルと既知の通信範囲を表示するステータスページ、8つの通信範囲それぞれを設定する設定ページ、およびHz、MHz、GHz単位で入力された特定の周波数に対して使用するポートを提案するチャンネル選択ページが含まれます。SSIDがまだ設定されていない場合、モジュールはシリアル接続を必要とせず、初期設定のために自身のアクセスポイントにフォールバックします。
しかし、実用上最も重要な特性は、Wi-Fiがスイッチの状態に依存しないという点です。Wi-Fiはデフォルトで有効なままなので、ボードには常にアクセス可能ですが、メニューや有線CLIから無効にすることもでき、その際、どのアンテナが選択されているかには影響しません。 この区別が存在する理由は1つです。2.4 GHz帯でキャプチャを行う際、ESP32-C3自身のWi-Fi送信信号がSDRに拾われ、測定に干渉する可能性があるからです。Wi-Fiを無効にすることで、選択されたアンテナに影響を与えることなく、その局所的なRF活動の発生源を取り除くことができます。この設定は電源の再投入後も維持されるため、ノイズの少ないキャプチャ用に設定されたボードは、リセット後もWi-Fiが明示的に再有効化されるまで、ノイズの少ない状態を維持します。
このWebアプリケーションは認証機能がないため、同じWi-Fiネットワークにアクセスできる人なら誰でも、使用中のチャンネルを変更したり、Wi-Fiを無効にしたりすることができます。したがって、脅威モデルについて明確にしておく必要があります。これは、独自の認証メカニズムを持たない実験用機器です。Nozomi Networks のボードは、隔離された実験用SSID上で動作しており、共有ネットワークには接続しません。結局のところ、認証のない制御インターフェースをネットワークに追加することは、私たちが他社の製品において多くの時間を費やして発見している、まさにその種の設計パターンなのです。
理事会
0.1 mmの外層プリプレグは、RFレイアウトの大部分を決定づけた積層構成の選択でした。これによって、FR4上で0.25 mmのRF配線を実現することが可能になります。また、公称の材料パラメータに頼るのではなく、製造メーカーの実際の積層構成に基づいてインピーダンスを確認しておく価値があります。というのも、6 GHzでは、公称の誘電率と実際の誘電率との間にばらつきが生じると、それが顕著なインピーダンス誤差につながる可能性があるからです。
改善したい点
最初の基板が返却される前から、リビジョンBに向けた変更点がいくつかリストに挙がっていました：
- 制御ライン上のテストポイント。QFNピンをオシロスコープで測定してスイッチの状態をデバッグする必要はありません。
- 基準スルーパス。ANT IN から追加のコネクタへと、その間にスイッチを挟まずに接続された専用の基準パスがあれば、基板自体の挿入損失を評価するためのデエンベディング基準が得られます。
- 機械的な取り付け。SMAコネクタと同軸ケーブルは、現在専用の取り付け箇所がないPCBに大きな機械的負荷をかけています。
なぜこれを共有するのか
Nozomi Networks Labsでは、OT やIoT 環境における無線プロトコルの解析に多くの時間を費やしていますが、その作業の質は測定台の品質にかかっています。時には、不足しているのは別の計測器ではなく固定具であり、他社のワークフロー向けに設計された製品を流用するよりも、自作した方が手っ取り早い場合があります。この基板は、PCBの改訂を1回、カタログ部品を数点、そして週末にかけてのファームウェア開発だけで完成し、RF測定における繰り返される課題を解消してくれました。 PCB設計ファイルとESP32ファームウェアは、当社の公開GitHubリポジトリから入手可能です。
同様の回路を構築する場合、私たちが再び採用するであろう2つの設計上の判断は、吸収型スイッチと広帯域結合コンデンサです。これらは回路の複雑さを比較的ほとんど増やさず、8つのスイッチポートすべてを広帯域かつ機能的に同等にするという目標を支えてくれます。ただし、本稿執筆時点では、組み立て済み基板のRF特性評価はまだ完了していないため、ここで述べた10 MHz～6 GHzの動作範囲は、測定されたエンドツーエンドの仕様というよりは、あくまで設計目標にとどまっています。 完成したマルチプレクサのRF性能を定量的に評価するには、挿入損失、反射損失、ポート間アイソレーション、およびチャネル間ばらつきを測定する必要があります。
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