耐放射線Ka帯フェーズドアレイ無線機を開発：低軌道衛星コンステレーション向け

アクセルスペースと東京工業大学は、低軌道通信衛星コンステレーションに向けて「放射線耐性の高いKa帯無線機」を開発した。「Beyond 5G」に向けて、小型衛星の通信速度を大幅に向上させられる技術だという。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

フェーズドアレイICに放射線センサーを搭載し、性能を補償

　アクセルスペースと東京工業大学科学技術創成研究院未来産業技術研究所の白根篤史准教授と同工学院電気電子系の岡田健一教授、戸村崇助教は2023年2月、低軌道通信衛星コンステレーションに向けて「放射線耐性の高いKa帯無線機」を開発したと発表した。「Beyond 5G」に向けて、小型衛星の通信速度を大幅に向上させられる技術だという。

　アクセルスペースは受託研究として、「Beyond 5G次世代小型衛星コンステレーション向け電波・光ハイブリッド通信技術の研究開発」に取り組んでいる。これを実現するため、Ka帯を用いた「電波・光ハイブリッド通信衛星コンステレーションネットワーク」の構築を目指している。東京工業大学と共同で行った「Ka帯フェーズドアレイ無線機および、広帯域Ka帯通信機の研究開発」もその一環である。

次世代小型衛星コンステレーション向け電波・光ハイブリッド通信技術の概要 出所：アクセルスペース、東京工業大学

　フェーズドアレイ無線機は、アレイアンテナとフェーズドアレイICで構成され、小型軽量化に向けて、多くの製品が同一基板上に実装されている。このため、衛星に搭載する場合は筐体外部に設置されることになり、放射線による劣化を考慮する必要があった。

　そこで今回、フェーズドアレイICに放射線センサーを搭載し、全てのアンテナ素子で放射線劣化を検出できるようにした。具体的には、64素子のアレイアンテナと、シリコンCMOSプロセスで製造した16チップのフェーズドアレイICからなる耐放射線Ka帯フェーズドアレイ無線機を試作した。各ICには4個の放射線センサーを搭載し、合計64個の放射線センサーが64個のアンテナ素子に対応している。これによって、アレイ上のあらゆる位置で放射線劣化を検出することができる。

試作したフェーズドアレイ無線機とフェーズドアレイICの外観 出所：アクセルスペース、東京工業大学

　試作したフェーズドアレイ無線機の基本性能を測定したところ、Ka帯の25.9GHzから30.1GHzで動作し、256APSK変調時に右旋・左旋の両円偏波において最大8Gビット/秒の通信速度を達成した。雑音指数は3.6dBであった。消費電力は1系統あたり2.95mWで、この値は従来に比べて5分の1以下だという。

　さらに、東京工業大学にある千代田テクノルコバルト照射施設でコバルト60ガンマ線の照射試験を行った。計算で求めた総電離線量と、放射線センサーで実際に検出した値を比較したところ、開発した放射線センサーで良好な検出特性が得られていることが分かった。しかも、検出値を用いて特性劣化を補償することで、2dB以上の利得性能が改善できたという。

放射線センサーの位置および検出結果 出所：アクセルスペース、東京工業大学

放射線センサーの検出値を用いた性能劣化補償 出所：アクセルスペース、東京工業大学

　アクセルスペースと東京工業大学は、送信向けフェーズドアレイ無線機も開発中である。数年以内には「受信フェーズドアレイ無線機」と「送信系フェーズドアレイ無線機」および、アクセルスペースが開発中の「広帯域Ka帯送受信機」を統合した、高放射線耐性で省電力の「Kaバンド通信サブシステム」を搭載した実証小型衛星の打ち上げを予定している。

　今回の研究成果は、米国サンフランシスコで開催された国際会議「ISSCC 2023」で、その詳細を発表した。また、2023年3月に開催される「Satellite 2023」にも展示する予定。