手のひらサイズの位相制御アレイ「QuadRF」が見せる電波の世界

Wi-Fiの電波は電子レンジと同じ2.4GHz帯を使っているというのはよく知られた話です。

でも、5GHz帯も実は同じISMバンドで、調理には向かないものの、通信には非常に頼もしい周波数帯。

この5GHz帯をまるで手に取るように可視化してしまうガジェットが、海外の技術者コミュニティで話題になっています。

先日、Jeff Geerling氏がレビューしたことで一躍注目を集めた「QuadRF」。

位相制御アレイアンテナを搭載したオープンソースの携帯型RF分析ツールです。

今回はその仕組みと、技術者として感じた魅力について書いてみたいと思います。

位相制御アレイアンテナという考え方

QuadRFの心臓部は、多数の小さなアンテナ素子を並べた「フェーズドアレイ」です。

各素子に送る信号の位相をピコ秒単位でずらすことで、電波のビームを電子的に操ることができます。

これはレーダーや衛星通信でよく使われる技術ですが、QuadRFではFPGAとRaspberry Pi 5を組み合わせて、それを手のひらサイズに収めました。

アンテナは機械的に動かさずとも、ソフトウェアで「見る方向」を変えられる、いわば「電波のカメラ」です。

5GHz帯のWi-Fiパケットを壁越しに覗いたり、空飛ぶドローンを追跡したりできるのは、このビームフォーミング能力のおかげです。

このデバイスでもう一つ興味深いのが、Raspberry Pi 5のMIPIインターフェースをSDRのI/Qデータストリーミングに使っている点です。

カメラやディスプレイを繋ぐためのMIPIは、5Gbps超の帯域と低レイテンシを確保でき、USBより信頼性が高い。

QuadRFはFPGAでダウンコンバートしたI/Q信号を、Piのカメラ用コネクタに流し込むことで、数百MSPSの連続サンプリングをドロップアウトなしで実現しています。

さらに、この手法ならPCIeポートを空けられるので、高速ストレージやネットワークとの組み合わせも自由。

こうした「逆転の発想」がオープンハードウェアの醍醐味ですね。

Geerling氏のテストでは、QuadRFがスタジオの壁越しに5GHz Wi-Fiネットワークを淡い青色の「しみ」として表示し、隣家のWi-Fiは赤や緑に光る様子が紹介されました。

また、DJI Mini Pro 4を遠くへ飛ばした際も、問題なくその機影を捉え続けます。

ただし距離が離れるにつれて、手動でゲインを上げる操作が必要で、屋外での携帯時のUIにはまだ改善の余地があるようです。

AGC（自動利得制御）が実装されれば、さらに直感的に使えるようになるでしょう。

QuadRFの開発者Martin McCormick氏は、かつてSpaceXでStarlink端末「Dishy」の設計に携わった人物。

今回のプロジェクトには、複数台を連結して月面反射通信（EME）や電波天文学に使う壮大なビジョンがあります。

スケーラブルな位相制御アレイというアイデアは、オープンソースならではの広がりを持っています。

現時点ではUIに粗さはあるものの、Wi-Fiの電波強度をARで可視化するアプリや、GNU Radioとの連携など、実験の土台は十分。

$499からのクラウドファンディングも順調で、量産に向けた改良が進んでいるそうです。

さて、電波は目に見えませんが、それを可視化し、操る技術はどんどん身近になっています。

技術とは本来中立的なもの。

使い方次第で監視の道具にも、未知の探求の相棒にもなる。

QuadRFは、そんなことをしみじみ考えさせる、小さくて大きなガジェットです。

月と交信する日が来るかもしれない、そう想像すると、なんだかワクワクしませんか。