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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℃ﾊﾟｯｹｰｼﾞ端：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。