鈴木 義規

Japanese

application/pdf博士学位論文の要旨及び審査結果の要旨 (Summary of Thesis(DR))874505 bytesothe

鈴木, 義規

Tohoku University Repository (TOUR) / 東北大学機関リポジトリ

衛星搭載用マルチビームフェーズドアレーアンテナ給電装置の小形・軽量化の研究著者 鈴木 義規号 50学位授与番号 3482URL http://hdl.handle.net/10097/37150馨妻華薬嚢§甕暴行攻置専装浦学電杉工給 信ナ授 通テ教 ・ン学 気ア大電一北 )レ東 程ア 課ド 士ズ男一博一邦泰 (工 科フ男谷辻 究ム邦澤尾項研一究 日1学ビ研谷授授 り14第工チの澤教教 の規月条院ル化学学 し)94学マ量授大大 よ義学年悌大用軽教北北 きに7貝学載.学東東 木1規大搭形大 ず士成位北星小北査 す鈴博平学東衛の東主名位日規称目員員月猫題委学年根攻文教査 与の専 与授与'論導審位難位文氏授学学研学指論華華鼕鼕論文内容要旨 本論文では,衛星通信システムにおける衛星搭載アンテナの性能向上要求に対して,最優先に解決すべき 課題である搭載機器の小形・軽量化を実現する手法について検討した.衛星搭載アンテナの構成として,性 能・機能の両面から検討した結果,フェーズドアレー給電反射鏡アンテナを選択し,アンテナ実現のキーコンポ ー ネントであるアンテナ給電装置について,小形・軽量化技術を提案し,試作および解析により提案手法を検 証した. 第1章は緒言であり,衛星搭載アンテナ技術の変遷と本研究の課題について述べている. 衛星搭載アンテナは,衛星通信システム黎明期のシングルビームの時代から,大容量化・高速化を実現する ために,高利得スポットビームを用いたマルチビームシステムヘと発展してきた.さらに,展開型の反射鏡の開発 により,反射鏡の大開口化が実現され,アンテナ利得・ビーム数ともに増大しつつある.一方,性能面の観点か らは,軌道.ヒにおいてビーム走査のみならず零点制御といった高度なビーム形成の実現,時々刻々と変化する 通信トラフィック状況に応じて,RF電力をビーム毎に効率よく分配する機能などが求められる.高度なビーム形 成の実現には,有効に複数の放射素子でアンテナ給電部を構成し,形成ビームに応じて各放射素子の励振振 幅・位相分布を適切に制御する必要がある.この励振分布制御を担うビーム形成装置(B鰍mfbm圭ng network:BFN)は,ビーム数×放射素子数分の極めて多くの振幅・位相制御機能を備える必要となる.RF電 力配分実現に関しては,複雑な電力増幅部構成が要求され,ビーム数の増大に応じて急激に重量が増大する. したがって,マルチビームシステムにおいてはBFNを含めたアンテナ給電装置の小形軽量化が解決すべき課 題となる. 第2章では,BFNの小形・軽量化実現に向けて,その機能要素回路であるウイルキンソン型電力分配合成 回路,90。ハイブリッド回路,可変減衰回路,可変移相回路の小形構成法について述べている.回路の小形化 手法として,集中定数素子を用いた回路構成を選択し,集中定数素子の中で特に占有面積の大きなインダクタ に関して,インダクタンス値とその数を減らす回路構成法を提案し,試作によりその動作を確認している,さらに 回路面積を維持しつつ,制御性を改善する手法を提案し,試作により動作の確認を行っている.これらの回路 構成法は,以降で述べるBFNを構成する際の回路ライブラリとして有用である. 第3章では,BFNの小形・軽量化実現に向けて,第2章で提案した機能要素回路を大規模に集積すること により,32素子アレーの振幅・位相制御を行うための分配合成機能および振幅・位相制御機能を有するMMIC を実現し,動作を確認している.開発したMMICの概観を図1に示す.また,BFNに適用するために, 萎. 一85一 MMIC(MonolithicMicrow&veIntegr3tedCircuiも)を実 装したBFN-MMICモジュールを開発している. 開発したBFNMMICモジュールは,小形化の追求によ り,回路問の相互干渉の影響や温度変動特性といった振 幅・位相制御精度を劣化する要因が予想される.そこで,こ れらを考慮した振幅・位相制御法を新たに提案している.実 験的に検証を行った結果,目標とする一10℃～+40℃の温 度範囲で,制御誤差の指標とした振幅制御誤差0・4dR以 内,位相制御誤差6。以内を実現していることを確認してい る. 第4章では,第3章で開発したBEN-MMICモジュール を衛星搭載用ビーム形成装置へ適用するために,マルチビ ー ム化に適した実装方法を検討するとともに,重量・消費電、 カを抑えるBFN構成および制御方法について検討を行っ ている. 開発したBFN-MMICモジュールや本章における検討…蟹灘灘霧 図1開発したMM[Cの外観 結果は,我が国の技術試験衛星VIII型(Engineering難薦 難難欝徽灘鰯顯. lBFNは,他機関の開発したBFNと比較して,寸法,重量お霧雛、綴 よび消費電力を1/3以下に低減している.なお,電気性能一曲羅 図2 試験等の搭載機器としての認定試験を終えている. 離離鍵き雛総 吾,恥羅鱗-、一・一、、㌧、務～灘縫縮… 麟灘藻.灘鷺鰯 受信用BFNの外観 ETS-VIIIは2006年度に打ち毒げが予定されており(2005年8月現在),移動体衛星通信システム実験に 供するとともに,マルチビーム形成実験を行う予定である. 第5章では,衛星通信システムのさらなる大容量化を実現するために,性能向上が求められる搭載アンテナ について,アンテナ特性を維持しつつ,マルチビーム形成 部の回路規模を大幅に削減できる線形補間方式を提案し ている.その基本となるシングルビーム・線上アレーの給電 装置構成を図3に示す.線形補間方式は,より現実的なマ ルチビーム化,平面アレー化に対応可能であることを確認 しており,全ての素子を制御する従来構成に比較して, BFNの回路規模を約30%に削減できる.本提案方式は, 小形・軽量化,低消費電力化のみならず,部品点数削減 による信頼性の向上の効果も期待でき,大幅なコスト削減 につながる. また,衛星搭載アンテナヘの適用を考慮して,フェーズ ドアレー給電反肘鏡アンテナの設計およびアンテナパター “中妊8冒鞭懲霧醜瓢紛織α ・m一億Oρ、●●●●○● 落㈱ .芒8dh' dlv難0 d呼 wゴ W2 w3 エ』Oタ一ΦZゼOα一〇轟⊆OO 言承。9Φだ煙し三9Φタ●●● 圏BFNw,η1tomdMder●●● 一86一 com二comb由er 図3線形補間型フェーズドアレー 給電装置の構成  、γ囲!o寵 。i蟄饗 ン解析を行い,線形補間方式がマルチビームフェーズドアレーアンテナ用給電装置の構成法として,有効であ ることを確認している. さらに,線形補間の影響を考慮することで,アダプティブアレーの各種アルゴリズムへ適馬可能であること確 認している. 第6章では,ビーム毎の通信容量が時々刻々と変化するような衛星通信システムにおける送信系給電装置 について検討している.この領域は,第5章で述べた手法は対応できないため,新たに給電装置全体の回路規 模を削減しつつ,要求アンテナ性能およびビーム間の電力配分機能を実現できる構成を提案している. まず,全体のサービスエリアを複数の広域エリアを分割し,広域エリア内ではビーム形成に使用する励振振幅 分布を共通化することにより,従来の複雑な電力増幅部構成を採ることなく,広域エリアに属するビームについ て任意の電力配分比が実現できる.さらに,搭載アンテナの利得を最大化する各広域エリアの励振振幅分布の 最適化法を確立している. 次に広域エリアを重複させ,重複したエリアにおいてビーム合成することを提案する.これにより,広域エリア 聞の電力配分が実現できるため,電力配分の自由度が向上する.これら2つの提案技術を実現する給電装置 構成を図4に示す.各広域エリア用のBFNにおける素子毎のoverlapped●● 出力を合成させ,ビーム合成は信号を任意の電力配分比を行 った信号を位相調整した後に,各BFNに入力する. 衛星搭載アンテナヘの適用を考慮して,フェーズドアレー給 電反射鏡アンテナの設計およびアンテナパターン解析を行っ た結果,従来の約半分の装置重量で,利得確保およびビーム  間の電力配分を実現できることを確認しており,本提案手法がx肋B蹴:weightcontrolfor糟be論group 電力配分機能を実現するマルチビームフェーズドアレーアンテ図4ビーム毎の電力配分を実現する ナ用給電装置の構成法として,有効であることを確認していフェーズドアレー給電装置の構成 る. 第7章では,第2章から第6章までを総括して,結論を述べている. 以上述べたように,本論文では,衛星搭載アンテナの性能向上を目的として,アンテナ給電装置の小形・軽 量化を実現する手法について検討した.本論文で提案した大規模集積MMICによる要素回路の物理寸法を 削減する方法と,特性を維持しながら回路規模を削減する方法は,通信衛星搭載アンテナを構成するマルチビ ー ムフェーズドアレー給電装置の大幅な小形・軽量化に寄与すると考えられる.また,今後の搭載反射鏡の大 形化・軽量化技術との相乗効果により,衛星搭載アンテナの大幅な性能向上に大きく貢献することを期待した い.  UVし開置dPPGUO.beam●.●  input     ●●90Eioo   ●   ■●1thBFN   が●       ●   ●     ●oノthBFN●◎●●●●●●●■●●●∈8∈oo       ■  variabledivier  ●6○ 一87 論文審査結果の要旨 航空機・船舶等の移動体や離島に通信サービスを提供するためには,衛星通信システムが不可欠であ る。また,地上系の通信システムと同等の通信サービスを与えるためには,衛星搭載アンテナ及び給電 装置の性能向上と小形・軽量化を両立させる必要がある。本論文は,S帯の衛星搭載用フェーズドァレ ー アンテナ給電反射鏡アンテナの給電回路について検討を加え,マルチビーム形成回路の小形・軽量化 を図った研究成果をまとめたもので,全編7章よりなる。 第i章は緒書である。 第2章では,ビーム形成装置(BeamFomlingNetwork:BFN)の構成回路の小形化を図るために,電力 分配・合成器,90。ハイブリッド回路,可変減衰回路,及び可変移相回路の小形構成法を提案し,試作 によりその動作を確認している。また,小形回路を維持しながら振幅・位相の制御範囲や制御性を改善 する方法を提案し,実測によりその有効性を示している。これらの小形回路は,小形BFNを構成する ための回路ライブラリとして有用である。 第3章では,第2章で提案した回路を大規模に集積化することにより,32素子アレーアンテナの電力 分配・合成と振幅・位相制御機能を有するBFN-MMIC(Monol紬icMicrowaveIntegr説dClrcuit)モジヂー ルを開発している。また,・回路問の相互干渉及び温度変動の影響を考慮した振幅・位相制御法を提案し ており,一10～40℃の温度範囲で振幅及び位相の誤差がそれぞれ0.4dB以下及び6。以下となることを確 認している。 第4章では,第3章で開発したBFN-MMicモジュールを衛星搭載用アンテナに適用するために,マ ルチビーム化に適した実装法,軽量化・省電力化のためのBFN及びその制御法にづいて検討している。 また,これを技術試験衛星VIII搭載用のBFNに適用した結果,同一仕樺のBFNに比べて面積,重量及 び消費電力を共に半分以下に軽減できることを示している。これは優れた成果である。 第5章では,マルチビームの特性を損なうことなくBFN部の回路規模を大幅に削減できる線形補間 ビーム形成方式を提案している。この方式は回路規模を約30%に低減でき,また,一般のフェーズドア レーアンテナにも適用できる優れた方式である。 第6章では,マルチビームの各ビームに要求される通信容量が時々刻々変化する衛星通信に適した送 信系給電装置について検討している。まず,複数の広域エリアを設定し,各広域エリア内の複数のビー ム形成に要する励振振幅分布を共通化し,次に,広域エリアを重複させて重複エリアの電力分配の自由 度を向上させることにより,素子アンテナの電力増幅器に要求される出力電力のばらつきを低減できる ことを示している。これは,『過大な電力増幅器を不要とする方式であり,給電回路の重量を半分以下に 削減できる優れた成果である。 第7章は結言である。 以上要するに本論文は,S帯の衛星搭載用フェーズドアレーアンテナ給電反射鏡アンテナの給電回路 について検討を加え,マルチビーム形成回路の大幅な小形・軽量化を達成したもので,無線通信工学の 発展に寄与するところが少なくない。 よって,本論文は博士(工学)の学位論文として合格と認める。 一88一 仁ン韮だ}.在一.石,、竺手芸百舞 ノ『謬そヲ梶汐 イ11杉謬勃

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