川﨑 繁男

PROCYONは,超小型衛星による小惑星フライバイ探査ミッションを目的として,はやぶさ2のピギーバック搭載機会である2014年12月の打ち上げを目指している.超小型衛星による深宇宙探査ミッションは,大型衛星とは異なる信頼性基準,コストのバランスによって成立させる必要がある.特に搭載重量や発生電力の制約条件は大きく,従来の宇宙用通信コンポーネントの設計概念を大きく変えて積極的な民生部品の活用と小型軽量化に最適な技術の導入が不可欠である.本稿では,PROCYON通信系構成,並びに,各コンポーネントの詳細を紹介する.

This research proposes an X-band high efficiency onboard SSPA (solid-state power amplifier) for deep space missions by focusing on GaN (gallium nitride) HEMT (high electron mobility transistor) whose remarkable material properties, such as high thermal conductivity, wide band gap, and high breakdown voltage, are suitable for high power and high efficiency applications. Developing a high efficiency onboard SSPA is one of the great issues when we consider some missions toward Mars, Jupiter, and much farther planets because of the requirements of both ultra-long distance communication and low power consumption. As a first step toward developing a SSPA for deep space, a breadboard model is fabricated based on preliminary design. It consists of a buffer amplifier, a driver amplifier unit, a high power amplifier unit, an automatic level control unit, a variable attenuator, DC/DC convertors, and an over current protection unit. Here, GaN HEMT is used in both driver amplifier and high power amplifier units. RF (radio frequency) characteristics of these amplifier units are evaluated in experiments. The driver amplifier unit achieves output power of 31.5 dBm with power gain of 33.5 dB and less than -26 dBc of IM3 (third order intermodulation distortion) at P1dB (1dB compression point) at 8.425 GHz. Moreover, the maximum efficiency is up to 35.2%. On the other hand, the high power amplifier unit achieves 42.3 dBm of output power with 46.1% of PAE (power added efficiency) at P3dB (3dB compression point) at 8.40 GHz. In addition, the integrated GaN SSPA bread board model achieves the maximum output power of 41.9 dBm and the maximum total efficiency of 31.0% at 8.40 GHz. At least more than 5% total efficiency improvement can be seen compared to the previous onboard SSPAs. Moreover, space applicability of GaAs (gallium arsenide) MMIC (monolithic microwave integrated circuit), GaN HEMT and DC/DC convertor that are expected to be used in the SSPA are confirmed in total ionizing dose test.

GaN HEMT has been expected to satisfy requirements being used in space as amplifying devices of future high-efficiency onboard SSPAs due to its excellent properties such as robustness in a harsh environment, applicability to high frequency and high power operation. However, in X-band, the most important frequency band for space communication at this moment, evaluation of GaN HEMT to prove the space usage has not been conducted yet because ensuring a steady supply of X-band GaN HEMT devices is still difficult due to current collapse phenomena. Therefore, in this research, evaluation of RF characteristics affected by operational conditions and space environmental testing of X-band HPA using COTS GaN HEMT was conducted to secure the space usage.

本論文では,挿入損の低下とデバイス面積の小型化に有用なエア分離コプレーナ導波路について電磁界シミュレーションを行い,また,実際にMEMS (Micro electro mechanical systems)技術で作製した導波路の測定により,その有効性を検証した結果を報告する.信号線と接地面との間を空気で絶縁したエア分離コプレーナ導波路では,通常型コプレーナ導波路のように情報伝搬を担う高周波信号(RF : Radio frequency)の電界分布が誘電体内へ浸透する割合が少なく,導波路近傍の空気中に電界を閉じ込める効果が確認できた.この結果,従来設計よりも小さな占有面積内で作製した導波路においても,挿入損やアイソレーションの点でより優れたRF特性を示すことが明らかになった.また,本研究のエア分離コプレーナ導波路と静電駆動型マイクロアクチュエータを組み合わせることにより,機械的に導波路を駆動可能なRF-MEMSスイッチや可動導波路型の移相器などの様々なRF-MEMS受動素子の設計に応用可能であることを示した.

技術の進歩と共に小型衛星に求められるミッション要求は高度化し,衛星は軽量化,低コスト化が求められている.カテゴリ-Aに属する月周回,ハロー軌道,ラグランジュ点などミッションでもより高性能な通信機器が要求されている.本研究では,カテゴリ-Aミッションの小型衛星に向けた,Sバンドトランスポンダを開発している.重量約1kg,寸法110×110×90mm^3,消費電力10w以下,ラグランジュ点でトランスポンダの検波を維持する.本開発により,カテゴリ-Aミッションの小型衛星設計に重要な役割を与える.本稿では開発している月・ラグランジュ点ミッションに向けた小型Sバンドトランスポンダを報告する.