科学技術と共に歩む

【内容紹介】
本書は，MIMO ( Multiple-Input Multiple-Output ) 技術をアンテナの視点から体系的に学び，設計・シミュレーション・測定・実装へとつなげるための実践的な専門書です．MIMOの性能は，アンテナのインピーダンス，反射，相互結合，複素指向性，放射効率，素子間隔，伝搬環境などに大きく左右されます．本書では，アンテナ技術とディジタル信号処理の間にある知識の隔たりを埋め，アンテナ特性が空間相関，固有値，SNR，チャネル容量にどのように結びつくかを，数式だけでなく物理的な意味や具体的な計算例を通して丁寧に説明します．
第1章ではMIMO技術の位置づけと本書の目的を示し，第2章では信号モデル，相関係数，固有値，チャネルモデル，チャネル容量，MU-MIMO・分散MIMO・大規模MIMOなどの基礎を解説します．第3章では本書の中核として，回路パラメータ，Sパラメータ，複素指向性とMIMO性能の関係を整理し，複数の相関係数や相関行列の定義，適用条件，誤用しやすい点まで詳述します．第4章では，モーメント法やFDTD法によるアンテナ解析と，散乱リングモデル，レイトレース法などを用いたMIMOチャネルのシミュレーションを扱い，終端条件，位相基準点，角度分解能など，正しい結果を得るための注意点にも力を入れました．第5章では，MIMOアンテナに関わる測定方法の実際についてまとめ，Sパラメータ，複素指向性，伝搬チャネルの測定の概念から，ネットワークアナライザやチャネルサウンダといった具体的な装置の扱いや実験方法までを詳しく紹介します．第6章では，直交偏波，減結合回路などのMIMOアンテナを構成するための技術について触れるとともに，スマートフォン，4G/5G機器，基地局，Wi-Fiアクセスポイントなどの実用アンテナを豊富な事例から学びます．第7章では，近年のMIMO技術の新たな応用例として，見通し内MIMOにおけるアナログ固有モード伝送とその延長にあるOAM，RISに先駆けた可変トランスミットアレーによる伝搬環境制御を解説します．
MIMOアンテナをこれから学ぶ学生・大学院生，アンテナ技術者，信号処理技術者，無線機器の研究開発者に特におすすめです．本書を通して，仕様や測定値を表面的に比較するだけでなく，性能を決める要因を物理・回路・信号処理の各側面から見極め，目的に適した設計法，評価指標，シミュレーション法，測定系を自ら選択できる力が身につきます．

【本書を特に読んでほしい読者】
電気電子工学・情報工学・通信工学の研究者、大学院生、大学学部生、高専生
電機系の企業技術者、設計・開発担当者

【本書を読む前にあると望ましい前提知識】
大学初年級程度の数学，特に複素数や線形代数（行列・ベクトル演算）の基礎知識があることが望まれます．また，電気回路，電磁気学，アンテナ工学，ディジタル信号処理，無線通信に関する基礎知識があれば，より理解が深まります．ただし，本書ではMIMOの信号モデル，相関係数，固有値，チャネル容量などを基礎から説明するとともに，行列・ベクトルおよび回路パラメータに関する公式を付録にまとめています．そのため，MIMOやアンテナに関する専門知識が十分でない読者でも，必要な事項を確認しながら読み進めることができます．プログラミング，電磁界解析，アンテナ測定の経験は必須ではありませんが，これらの経験があれば，シミュレーションや測定に関する実践的な内容をより深く理解できます．

【本書を読むことで得られる知識・できるようになること】
MIMOの信号モデル，空間相関，固有値，チャネル容量などの基礎を理解し，アンテナのインピーダンス，Sパラメータ，相互結合，複素指向性，放射効率などがMIMO性能に及ぼす影響を説明できるようになります．また，複数の相関係数や相関行列の定義と適用条件を理解し，評価目的に応じて適切な指標を選択できるようになります．さらに，アンテナ特性と伝搬特性を考慮したMIMOチャネルのシミュレーション法を習得し，散乱リングモデル，レイトレース法，FDTD法などを目的に応じて使い分けるための知識が身につきます．測定については，Sパラメータ，複素指向性およびMIMO伝搬チャネルの測定原理を理解し，ネットワークアナライザやチャネルサウンダを用いた測定系を検討・構築できるようになります．加えて，直交偏波や減結合回路などを用いた実際のMIMOアンテナ構成法を学ぶとともに，見通し内MIMOや伝搬環境制御などの新たな応用法を通して，MIMOアンテナに対する理解をさらに深めることができます．これらを通じて，MIMOアンテナの性能を物理・回路・信号処理の各側面から分析し，目的に適した設計法，評価法，シミュレーション法および測定法を自ら選択できるようになります．

【本書の特徴・工夫した点】
本書の大きな特徴は，アンテナ技術とディジタル信号処理の間にある知識の隔たりを埋め，両者を一つの体系として解説した点です．MIMOの信号モデル，空間相関，固有値，チャネル容量と，アンテナのインピーダンス，Sパラメータ，相互結合，複素指向性，放射効率などとの関係を，数式と物理的な意味の両面から説明しています．
特に，混同されやすい複数の相関係数や相関行列について，それぞれの定義，意味，計算法および適用条件を整理しました．また，Sパラメータから相関係数を求める方法など，簡便である一方で誤用されやすい評価法についても，成立条件や限界を具体的に示しています．
理論の説明だけでなく，モーメント法，FDTD法，散乱リングモデル，レイトレース法を用いたシミュレーション，Sパラメータ，複素指向性，伝搬チャネルの測定について，具体的な手順と注意点を詳しく解説しています．特に，複素指向性の終端条件，位相基準点，角度分解能，測定系の校正など，実際に解析や実験を行う際に結果の正確さを左右する事項を重視しました．
さらに，スマートフォン，4G/5G機器，基地局，Wi-Fiアクセスポイントなどに用いられる実用アンテナの構造を豊富に紹介しています．加えて，見通し内MIMOにおけるアナログ固有モード伝送や，現在のRISに先駆けて著者らが提案・実証した可変トランスミットアレーによる伝搬環境制御など，著者らの先駆的な研究成果も取り上げています．基礎理論からシミュレーション，測定，実装，発展的応用までを一冊で学べる点が，類書との大きな違いです．

【授業・講義での使用イメージ】
電気電子工学，情報通信工学，無線通信工学およびアンテナ・電波伝搬を専攻する大学3，4年生と大学院生をおもな対象として，半期または通年の講義に利用できます．例えば，「無線通信工学」「アンテナ工学」「電波伝搬」「移動通信」「無線システム工学」などの科目において，MIMOの基礎からアンテナの設計・評価法までを学ぶ教科書または参考書として使用できます．
半期の講義では，第1章から第3章を中心として，MIMOの信号モデル，空間相関，固有値，チャネル容量，アンテナ特性とMIMO性能の関係を扱う構成が考えられます．大学院講義や通年の講義では，第4章以降を加え，アンテナ特性を考慮したチャネルシミュレーション，複素指向性や伝搬チャネルの測定，実用アンテナ，見通し内MIMOおよび伝搬環境制御まで扱うことができます．
研究室のゼミや輪講では，各章を分担して読み進めるほか，掲載された計算例やアンテナ構成，シミュレーション法，測定系を題材として議論する使い方が想定されます．卒業研究や修士研究で初めてMIMOアンテナ，チャネルシミュレーション，伝搬測定に取り組む学生が，研究を開始するための導入書として使用することもできます．付録には行列・ベクトルおよび回路パラメータに関する公式をまとめているため，必要な数学や回路理論を確認しながら読み進めることができます．

【実務・研究で役立つ場面】
企業技術者、研究者、開発担当者などが、どのような場面で本書の内容を活用できるかをご記入ください。
アンテナ技術者は，反射，相互結合，指向性，放射効率，素子間隔などのアンテナ特性が，空間相関やチャネル容量に与える影響を把握し，MIMOアンテナの設計目標や評価指標を設定する際に本書を活用できます．特に，相互結合や交さ偏波特性をどの程度まで改善すべきかを判断し，過剰な性能要求によるアンテナの大形化や設計コストの増加を避けるための知識が得られます．
信号処理・通信方式の技術者は，理想的な点波源ではなく，実アンテナのインピーダンス，複素指向性，相互結合および放射効率を考慮したMIMOモデルを構築する際に活用できます．アンテナ技術者と信号処理技術者が，チャネル行列，空間相関，SNR，チャネル容量などの共通指標を用いて設計条件を検討する際の橋渡しにもなります．
シミュレーションを担当する技術者・研究者は，目的に応じてクロネッカモデル，散乱リングモデル，レイトレース法，FDTD法などを選択し，アンテナ特性と伝搬環境を適切に組み合わせる際に本書を利用できます．特に，複素指向性の終端条件，位相基準点，角度分解能，パス数など，解析結果の精度に影響する条件を確認するための実務的な参考資料となります．
測定を担当する技術者・研究者は，MIMOアンテナのSパラメータや複素指向性の測定，MIMOチャネルサウンダの構成，RFスイッチやネットワークアナライザを用いた伝搬測定，測定系の校正を計画する際に活用できます．市販の計測器を組み合わせて，研究目的に適した測定系を低コストで構築する場合にも有用です．また，端末，基地局，アクセスポイント，IoT機器などの製品開発において，アンテナ構成の比較，性能低下の原因分析，シミュレーションと実測結果の照合を行う際にも役立ちます．

【関連キーワード】
空間相関・相関行列
MIMOチャネル容量
相互結合・減結合回路
複素指向性
Sパラメータ
MIMOチャネルサウンダ・伝搬測定
大規模MIMO（Massive MIMO）
見通し内MIMO（LOS-MIMO）
軌道角運動量多重伝送（OAM）
RIS・伝搬環境制御