移動体衛星通信用アクティブフェーズドアレーアン …...3...
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高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
移動体衛星通信用アクティブフェーズドアレーアンテナ
JAXA / 東京大学 / 京都大学 / 日本無線
平成22年6月24日
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1.目的・概要2.アンテナ素子(JAXA)3.移相器
①RF-MEMSスイッチ(東京大学)②LTCC移相線路(京都大学)③移相器制御IC(JAXA)
4.増幅器(京都大学)5.偏波追尾(日本無線)6.サブアレー構成法(日本無線)7.評価8.まとめ
高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
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目的:電波資源の有効活用を目的として、Ku帯移動体衛星通信用アクティブフェーズ
ドアレーアンテナを小型化し、低価格で提供するための技術開発をする。
概要:低価格化の手段として、まず配列素子の半分を無給電素子とすることでアンプ
と移相器の数を半減する間引き給電方式を採用する。次に回路素子を低損失、
高効率化することで、配列を小型化し、低価格化に寄与する。
高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
アンテナ
グランド
電源
移相器制御
グランド
IF信号
ローカル信号
グランド
移相器・アンプ
のブロック
分配器
φ LNA
φ LNA
φ LNA
分配器
φ HPA
φ HPA
φ HPA
受信IF
送信IF
ローカル
移相器 アンテナ素子増幅器
アンテナ層
グランド層
増幅器層
移相器層
分配器層
制御層
電源層
タイルアレー薄型多層構造
移相器と増幅器を間引き配置
Ku帯移動体衛星通信用アクティブフェーズドアレーアンテナ
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高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
代表研究責任者:高野 忠(宇宙航空研究開発機構 名誉教授)
ア アンテナに関する研究開発
・担当:独立行政法人宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究本部
イ 小型高性能移相器に関する研究開発
イ-1 RF-MEMSデバイスに関する研究開発・担当:国立大学法人東京大学 生産技術研究所
イ-2 高性能移相器に関する研究開発・担当:国立大学法人京都大学 生存圏研究所
ウ 高密度実装RF回路に関する研究開発
・担当:国立大学法人京都大学 生存圏研究所
エ アクティブ集積アンテナ(AIA)による省スペースAPAAの研究開発
エ-1 アンテナと高密度実装回路の一体化AIAによる研究開発・担当:日本無線株式会社
エ-2 省スペースAPAAの制御に関する研究開発・担当:独立行政法人宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究本部
オ 実用システムへの組み込みに関する研究開発
・担当:日本無線株式会社
研究体制
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高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
2.アンテナ素子日本国内等の中緯度地域から静止衛星を見る仰角が45度前後で
あることから、不要な天頂方向の指向性を低減し、必要な仰角45度方向に最大利得を持つコニカルビームの素子アンテナを開発した。
指向性(計算値)クロスダイポールの計算モデル
高さ≒0.5λ
天頂方向45度方向
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高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
電界面ビーム走査時の指向性(実測値)
磁界面ビーム走査時の指向性(実測値)
給電素子
無給電素子
0.5λ
給電素子
無給電素子
クロスダイポール19素子配列アンテナ
素子配列
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高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
3.移相器①挿入損失0.5dBのRF-MEMSスイッチを開発した。
東大内のマイクロメカトロニクス製造設備を用いてKu帯用のDual-SPDTスイッチを製作し、RF-MEMSの設計チップ単体の特性として、駆動電圧40V、応答速度42us、挿入損失0.5dB@12GHz、チップ面積1.5mm×3.2mmを得た。なお、チップ型のDual-SPDT型のMEMSスイッチとして、本研究の試作結果は世界最小である。
(裏)導波路面
(表)アクチュエータ面
基板裏面にはCPW型の可動導波路を配置
アクチュエータ拡大
接点部分
50μm厚SOI基板の表面はスイッチ開閉駆動用静電アクチュエータを配置
東京大学
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東京大学高周波特性
導通時 開放時
挿入損失の改善履歴
長期耐久試験
大きさの比較
高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
@12.5GHz 2009.1 2009.7 2009.10
挿入損失 3dB 0.9dB 0.5dB
リターンロス 12dB 12dB 19dB
アイソレーション 30dB 29dB 51dB
変更点スパッタ
道波路
メッキ
導波路
メッキ導波路
寸法微調整
メーカー 方式 デバイス寸法
A社 SPDT 通電加熱4.0×5.0mm
モノシリックMEMS
O社
SPST静電駆動
1.8×1.8mmモノシリックMEMS
SPDT3.0×5.2mm
MEMS2個入りパッケージ
本研究
SPDT静電駆動
1.5×1.5mmモノシリックMEMS
DualSPDT
1.5×3.2mmモノシリックMEMS
JAXA製作高耐圧MEMS制御IC使用
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高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
3.移相器②挿入損失0.5dBのLTCC移相線路を開発した。
LTCC技術を用いた4ビット移相器(RF-MEMSスイッチを除く)
H20年度試作12.5GHz受信用移相器
H21年度試作14.25GHz送信用移相器
大きさ:8mmx8mmx0.6mm/挿入損:Av. 0.4dB/bit(SWなし@12.5GHz)
表
京都大学
22.5°
-0.33~-0.33dB
経路②
経路①
-0.42~-0.46dB
|S21|
23.9 °
45°
-0.54~-0.58dB
-0.41~-0.44dB59.3 °
90°
-0.30~-0.33dB
-0.51~-0.54dB100.2 °
180°
-0.32~-0.34dB
-0.63~-0.66dB173.4°
移相差 移相誤差
1.4 °
14.3 °
11.3 °
6.6°
6.4 %
31.7 %
11.3 %
3.7 %
経路②
経路①
経路②
経路①
経路②
経路①
22.5°
-0.33~-0.33dB
経路②
経路①
-0.42~-0.46dB
|S21|
23.9 °
45°
-0.54~-0.58dB
-0.41~-0.44dB59.3 °
90°
-0.30~-0.33dB
-0.51~-0.54dB100.2 °
180°
-0.32~-0.34dB
-0.63~-0.66dB173.4°
移相差 移相誤差
1.4 °
14.3 °
11.3 °
6.6°
6.4 %
31.7 %
11.3 %
3.7 %
経路②
経路①
経路②
経路①
経路②
経路①
大きさ:7mmx7mmx0.55mm/挿入損:Av. 0.5dB/bit(SWなし@14.25GHz)
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高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
3.移相器③高速位相制御が可能な高耐圧MEMS制御専用ICを開発した。
SOI-CMOSの適用を検討し、X-FAB社の0.35um高耐圧CMOSにより試作した。48pin、 7mm角のパッケージ、チップサイズ:2mm角
高耐圧DATA
WRITE
STRBQ8
入力シリアル信号出力パラレル信号
入力は、高速シリアル信号20MHzクロック
出力は、高耐圧パラレル信号40V、16本
4bit移相器を8本で制御するので、2組の移相器を1個の制御ICで駆動、256素子配列アンテナなら128個を使用
制御装置 RF-MEMS移相器
MEMS制御専用IC
GPSによる位置情報方位情報
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高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
移相器LTCC基板
中継LTCC基板
中継LTCC基板
RF-MEMS導波路
アクチュエータ
金ボール
金ワイヤ
RF-MEMSスイッチをLTCC移相線路上にフリップチップ実装を実現した。
LTCC移相線路上に実装した4個のRF-MEMSスイッチ
中継LTCC基板でサンドイッチしたRF-MEMSスイッチ
試験用基板 位相切換実測データ(f0=12.5GHz)
中継LTCC基板でMEMSをサンドイッチしてフリップチップ実装アクチュエータ駆動配線はワイヤーボンディングで接続
-360
-270
-180
-90
0
1 3 5 7 9 11 13 15
周波数(GHz)
移相
量(d
eg.
)
S21(45deg)
S21(90deg)
S21(135deg)
S21(180deg)
S21(225deg)
S21(270deg)
S21(315deg)
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高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
4.増幅器受信用としてNF1.6dB、利得31.6dBの高利得低雑音増幅器を開発した。
低雑音3段MMIC増幅回路の省面積化チップサイズ:2.0mmx2.65mm(’08年度)
2007年度、2008年度 LNA 測定値比較雑音指数
0.5
1
1.5
2
2.5
11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5 15
周波数[GHz]
雑音
指数
[dB
]
測定値('07年度: 3.3mm X 1.8mm)
測定値('08年度: 2.7mm X 2.0mm)
2007年度、2008年度 LNA 測定値比較利得
20
25
30
35
40
45
50
11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5 15
周波数[GHz]
利得
[dB
]
測定値('07年度: 3.3mm X 1.8mm)
測定値('08年度: 2.7mm X 2.0mm)
測定値 12.5GHz
’07年度雑音指数[dB] 1.779
利得[dB] 29.32
’08年度雑音指数[dB] 1.574
利得[dB] 31.62
LNAパッケージ:5mm角
京都大学
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高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
4.増幅器送信用として出力400mW、ドレイン効率40%の高効率増幅器を開発した。
Input Output14.25GHz(1.5 x 1.5mm)
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
-5 -2.5 0 2.5 5 7.5 10
Pin[dBm]
出力
[dB
m],
Gai
n[dB
], D
rain
効率
[%]
出力[dBm]
Gain[dB]
Drain効率[%]
Input Output14.25GHz(3.0 x 3.0mm)
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
45.0
-5 -2.5 0 2.5 5 7.5 10 12.5
Pin[dBm]
出力
[dB
m], G
ain
[dB
], ド
レイ
ン効
率[%
]
出力[dBm]
Gain[dB]
Drain効率[%]14GHz帯単段増幅回路
出力電力:40mW, 利得:9dB,ドレイン効率:27.9%
14GHz帯2段増幅回路
出力電力:420mW, 利得:17.21dB,ドレイン効率:40.38%
14GHz帯パッケージ(5.0 mm × 5.6 mm × 4.0mm)
ベアチップ パッケージ封入 差
出力電力[dBm] 26.66 26.23 -
出力電力[mW] 463.45 419.76 43.69
Gain[dB] 17.66 17.23 0.43
Drain効率[%] 42.24 40.95 1.29
1.5 x 3.0 mmPin=9.0[dBm]
14.50GHz
送信用2段増幅器MMICの熱解析
100mWトランジスタ部:最高温度82.0℃150mWトランジスタ部:最高温度75.9℃パッケージ端:最低温度(65.9℃)
京都大学
14
-35
-20
-5
10
-90 -45 0 45 90
位相 [deg]
振幅
[dB
]
0
30
60
90
偏波
角 [
deg]
Ex Ey Eθ
高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
5.偏波追尾
可変電力分配器
EyEx
静止衛星に対する地球局(移動体)の位置、向きにより偏波面を一致させる必要があるので、偏波合成を実現した。
実験用48素子配列
-60
-55
-50
-45
-40
-35
-30
0 15 30 45 60 75 90
偏波角
am
p [
dB
]
co-pol.
x-pol.
偏波制御実験値偏波制御計算値
P1
P290°ハイブリッド 90°ハイブリッド
φ
φ移相器
P3
P4
v1
v2
偏波制御実験値
主偏波
交差偏波
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高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
6.サブアレー構成法
16素子サブアレー
サブアレー12組で構成した243素子アレー(最外周は無給電素子)
サブアレー3組で構成した75素子アレー(最外周は無給電素子)
●は、X方向給電素子Y方向無給電素子
○は、X方向無給電素子Y方向給電素子
X
Y
サブアレー27組で構成した507素子アレー(最外周は無給電素子)
・二つ飛びの配列でグレーティングローブを抑圧・16素子サブアレーで、無限に拡張可能・最外周の無給電素子で端部効果を軽減
243素子 EL=45deg
-10
-50
510
15
2025
30
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
AZ [deg]
Gai
n [
dBi]
0 10
20 30
40 50
60 70
80 90
100 110
120 130
140 150
160 170
180 190
200 210
220 230
240 250
260 270
280 290
300 310
320 330
340 350 243素子の指向性計算値243素子の指向性計算値
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高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
-25
-15
-5
5
15
25
35-90
-60
-30 0
30
60
90
AZ [deg]
Gai
n [
dBi]
Co-pole X-pole Limit
階層サブアレー数
給電素子数
全素子数アレーファクタ
アンテナ利得
配列長 直径 短径
x =3x^2 =48x^2 =48x^2+24x+3 [dB] [dBi] =8x+2 [cm] [cm]
1 3 48 75 16.8 19.0 10 12.15 10.53
2 12 192 243 22.8 25.0 18 21.88 18.95
3 27 432 507 26.4 28.6 26 31.60 27.37
4 48 768 867 28.9 31.1 34 41.33 35.79
5 75 1200 1323 30.8 33.0 42 51.05 44.21
6 108 1728 1875 32.4 34.6 50 60.77 52.63
1875素子配列
60cm
静止衛星軌道面指向性計算値
試作規模
実用規模
実用規模へ拡張
0
30
60
90
EL
-90 -60 -30 90600 30
AZ
[deg]
[deg]
0 静止衛星軌道面
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高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
48素子
偏波追尾用可変電力分配器
低温焼成セラミック(LTCC)移相器
16素子移相器基板+8分配器×2
16素子増幅器基板
PA-MMIC
アンテナ基板16素子×3
+最外周無給電素子
マザーボード基板+3分配器×2
導波路 金メ ッ キ( 3 ~4 μm)
接点
接点
導波路 金メ ッ キ( 3 ~4 μm)
接点
接点
RF-MEMS双極双投(Dual-SPDT)スイッチ高耐圧(40V)
MEMS制御IC
243素子へ拡張
16素子サブアレー
試作
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高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
7.評価
Ku帯送信APAA
Ku帯受信APAA
ループ テストトランスレータ
擬似無線機
14.25GHz
BER測定
総合評価(電波暗室での通信実験)
12.5GHzDownConv
UpConv
試作した受信APAA試作した送信APAA
衛星を模擬した送受信アンテナ
衛星のトランスポンダを模擬したループテストトランスレータ 擬似無線機
アップコンバータダウンコンバータ
電波暗室で、模擬衛星と対向させてBERを測定し、エラーフリーを確認した。
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高マイクロ波帯用アンテナ技術の高度化技術の研究開発
8.まとめ
1.アンテナ素子仰角30~60度の範囲で利得最大となるビーム走査に適したアンテナ技術を実現した。
2.移相器小型高性能移相器用の、1.5mm×3.2mmで挿入損失0.5dBを実現するDual-SPDT-MEMSスイッチと、平均挿入損失0.5dB、7mm角のLTCC移相線路及び7mm角の高耐圧MEMS制御専用ICを実現した。
3.増幅器高密度実装RF回路として、ドレイン効率40%の高効率増幅器と受信雑音指数2dBで利得30dBの低雑音増幅器のMMIC製作を実現した。
4.サブアレー偏波追尾とグレーティングローブを抑圧するサブアレー構成を実現した。
上記の技術開発により、移動体衛星通信用アクティブフェーズドアレーアンテナを小型化(直径60cm高さ5cm以内)し、低価格で実現する目処を得た。
研究開発の成果がもたらす電波資源拡大への効果として、無線を利用した製品一般にチューナブルデバイスを適用し小型化・広帯域化を行うことで、現在使われていない周波数を動的に利用することを可能とし、周波数利用効率の向上及び高マイクロ波帯の利用促進・移行に貢献する。