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本研究 宇 機 中 大規模 消費電力 放熱 観点 機器 自体 大型化 いう課題 持 速通信や超遠距 通信等 大電力化要求 大 制約 送信用電力増幅器 象 宇 環境耐性 向 型軽 効率化 目的
GaN HEMT 用い X帯 世 固体電力増幅器 世界初 宇 実証 向 宇 用電力増幅
回路 設計 作製 評価 実施
既存 搭載用電力増幅器 性能比較 実施 設計目標 決 効率 機 環境耐性や動作電 放電 EMC 問題等 課題 抱え 進行波管増幅器 TWTA 同等 効率 固体電力増幅器 SSPA 設計条件 信 電 力増幅器 実現 目指 電力増幅回路 用い 増幅素子 化 物半 体 中
周波 出力素子 指標 知 ン ン指数 比較 宇 用
広く用い GaAs 100倍優 数値 示 GaN 着目 GaN GaAs 耐 熱伝 率等 物性値 優 同 大電力 扱い 期 更 HEMT 構造 電流密度 大 く 効率化 期 一素子 出力 効率 増幅回路 設計 期 GaN 用い 増幅回路 関 研究 多数報告 い
主 出力化 周波化 効率化 目指 宇 適用 いう観点 抜 落 い 本研究 宇 用電力増幅回路 実現 向 X帯搭載用GaN HEMT 遥 方法 確立 設計値 実測値 誤差 少 く 産性 い 宇 用 信 確度 X帯 効率増幅回路設計評価手法 確立 宇 特 厳 い環境 考慮 実装方法 確立 いう課題 組
X帯搭載用GaN HEMT 遥 方法 確立 い 体的 う
X帯搭載用 遥 い 効率 内部 型 ッ 品 多数
存 制約 無い 並列大出力化 能 豊富 排熱環境 熱伝 率等 物性値 関 制約 少 い S帯地 用 全く異 考え方 必要 X帯搭 載用 目標性能 足 電力増幅回路 実現 外部 型 ッ 中
熱伝 率 ワ ン ッ い 優 物性値 持 SiC基板 用い GaN HEMT
遥 型軽 化 単素子 大電力 扱う 能 用 提案
遥 方法 評価 S帯地 用 放射線試験 熱真空試験 通 宇 環 境耐性評価 比較 行 -20度 +60度 範 熱真空試験 X帯搭載用 S帯 地 用 共 良好 特性 示 大 差異 見 60Co 用い 総照射線
320 krad 試験 い 差異 確 GaN HEMT 実施
RF出力中 試験 照射直 結果 SiC基板 用い X
帯搭載用 ン 特性 外 放射線 劣化 見 Si基板 用
い S帯地 用 出力電力1.37 dB PAE 21.7% 劣化 確 宇 実運用
考慮 提案 X帯搭載用 遥 手法 効 あ 確
設計値 実測値 誤差 少 く 産性 い 宇 用 信 確度 X帯 効 率増幅回路設計評価手法 確立 関 信 増幅回路設計 加え 遥
RF DC特性 実測値 基 い Angelov GaAs非線形
出 構築 GaN HEMT 非線形 大信 増幅回路設計 行い 作製
評価 行 作製 回路 8.4 GHz い 信 利得10.1 dB 大出力
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42.6 dBm 大PAE 47.3% いう優 性能 示 構築 非線形 基 く設計値
比較 場 同等 振 舞い 示 信 利得 値 2.2 dB 周波数
129 MHz 誤差 生 大信 特性 い 8.4 GHz い 大出力 0.3 dB
大PAE 4.4% 誤差 生 確度 い設計 い い 回路
い ッ ッ 化 う ン ン ワ 設計値 実測値 誤差 実
装 ン ン ワ 長 変更 推 加え 実装 生 寄生容
寄生 ン ン 等 確 要素 実測値 設計値 誤差 非線形 内 調
信 利得 値 0.5 dB 周波数 18 MHz 8.4 GHz 大信
特性 大出力 0.2 dB 大PAE 1.2% 各 目 い 実測値 誤差 減
う 提供 い ッ ッ 化 う 非線形
実測値 基 い 構築 調 自 度 持 実装 生 確
要素 実測値 基 い 推 調 宇 用 信 確度 設計評価手法 実現 従来 一般的 増幅回路 設計評価 供給 提供 非線
形 用い ッ ッ 化 調 実施 い
うい い 仮 構築 調 実
施 状況 あ ワ 確 生 実装ワ 長 周波数
設計値 一般 実施 周辺 ッ 線路 回路 ン
修正 施 う 回路 ン 変更 う 設計 実測 間 正当
評価 く 調 困 あ 本研究 提案
課題 解決 信 確度 設計評価手法 確立 言え
宇 特 厳 い環境 考慮 実装方法 確立 い 凸型 加 底面 銅
熱伝 率 Sn-3.0Ag-0.5Cu 用い GaN HEMT 直接実装
搭載用 CW 出力動作 優 放熱特性 宇 特 振動や衝撃 真空 影響 放熱特性 変化 い実装方法 提案 提案手法 既存 実装方法 い 熱 解析 行い 放熱特性 優 確 実装 回路 用い 評価 行
素子 用い 大気中 温動作 底面温度 73.3 度 い 増幅回路部 温 度 85.5度 温度差 12.2度 温度 衡点 遉 1 間 連続動作 い 出力
変動0.1 dB いう安 動作 実現 放熱特性 優 実装方法 効性 確
熱真空試験 い 底面温度 増幅回路部 温度 昇 温側 -20度 温側
+60度 い い 12.0度 真空環境 い 放熱特性 変化 生
い 確 X帯宇 用電力増幅回路 内部 含 SSPA ン ン 振動 衝撃試験 通 出力変動 0.1 dB 機 環境 提案 実装方法 効 あ 確
う ッ 実現 宇 用電力増幅回路 大出力 42.6 dBm 大 PAE
47.3% いう成果 X帯 GaN HEMT 用い 地 用 関連研究 比較 PW動作 関
研究や 調波処理 施 い 研究 外 本研究 成果 出力 効率 成果 報
告 効率 成果 得 言え 加え 宇 通信 い 要 相雑
音特性 評価 い -50 dBc/Hz @1 Hz -68 dBc/Hz @10 Hz -76 dBc/Hz @100 Hz -82
dBc/Hz @1 kHz いう優 信 源 信 純度 劣化 く 望 電力 増幅 能
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あ 確 本研究 成果 あ 宇 用電力増幅回路 用い SSPA 世界初 宇
実証 向 PROCYON 搭載用 開発 SSPA EM 評価結果
ン ン 総 効率33.8% 期 20 26%程度 留 現
状 X帯 搭載系SSPA 比較 世界 性能 示 JAXAやNASA 搭載系TWTA 一
部 総 効率 比較 2 3%程度 差 TWTA 置換 期
う 本研究 世界初 GaN HEMT 用い 宇 用電力増幅回路 設計 作製 評
価 実施 成果 出力化 周波化 効率化 い 限 的 GaN
HEMT 用い 増幅回路 研究 幅 宇 適用 いう方向 大 く広 初 試 本
成果 世界初 GaN HEMT 用い X帯 効率SSPA 宇 実証 繋 型
軽 化 消費電力 送信電力 大電力化 能 放熱特性 耐放射線性 優 ン ン 搭載 置 自 度 大幅 増加 ン 直 搭載 給電損失 化
能 結果的 ン ン 回線 大 く改善 ン ン 回線 性能
改善 数dB ン 得 同距 通信 ッ 2 4
倍程度増加 期 価値 非常 大 い 通信系
常識 覆 世 搭載機器 得 言え PROCYON 宇 実証 経
ン ッ 用い 超 型衛星 深宇 査 標準 役割や 将来的 大 型科学衛星や 査機 機器 役割 大電力化 地 局用 SSPA
役割 担う 期
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謝辞
総 研究大学院大学物理科学研究科宇 科学専攻山本善一教授 著者 指 教員 数 多く 助言 賜 特 宇 通信 関 深い知識や 経験 い 適 指摘 常 本研究 成果 実利用 繋 いく意識 著者 え 論文構成や
発表資料 関 く 助言 心 御礼
総 研究大学院大学物理科学研究科宇 科学専攻川崎繁男教授 著者 指 教員 務 日々 研究 進捗や増幅回路 設計 測 機 扱い 細 い部 数多く
指 研究 板挟 著者 常 激励 い 世界 技術
等 渡 え う 研究者 大 教え い 等 様々 場面 著者 支え 心 御礼
総 研究大学院大学物理科学研究科宇 科学専攻船木一幸准教授 曽根理嗣准教授 鹿児島大学 大学院理 学研究科電気電子 学専攻西川健 郎教授 特別研究Ⅱ 授業や博士論文予備審査
本審査 い 主査や審査員 ン 務 皆様 い 助言や激励
言葉 本研究 進 あ 大 謹 謝意 述
大学 ン 校 伊藤龍男教授 大学Jenshan Lin教授 国立 大
学Tian Wei Huang教授 皆様 主 国 学会 場 川崎教授 通 く 助言
各々 大学 優 学生 相模原 ン 短期留学 い 形 派遣
多く ッ ン 場 持 う 一 一 間 本研究
波 い 価値 あ 成果 結 付 いく 繋 思
く 助言 い 皆様 厚く御礼
宇 航空研究開発機構宇 科学研究 通信 処理 宇 航空研究員 川崎研究室
賢 氏 本研究 進 あ く 助言 賜 国 学会
や論文 投稿 や 研究 方向性 現場 設計 作製 評価作業等 多く 場 面 多大 支援 い 心 御礼 川崎研究室 属 ン 堀正和氏 磯 輔氏 地紘 氏 渋谷賢広氏 宮地 氏 長谷川直輝氏 豪氏 地拓匡氏 斐
誉 朗氏 日 研究活動 共 進 中 く 支援 謝意
示 川崎研秘書 鈴木智美様 水谷 様 著者 研究活動 様々 点 支え
限 間 中 研究 打 込 う 支え あ
確信 感謝
宇 航空研究開発機構宇 科学研究 川 淳一郎教授 川勝康弘准教授 東京大学大学院 学系 研究科航空宇 学専攻船瀬龍准教授 技術実証検討 PROCYON
皆様 特 本研究 成果 適用 様々 助言
や回路 研究 進 終 率直 意見 研究
ン 常 機会 厚く御礼
宇 航空研究開発機構宇 科学研究 戸 知朗准教授 冨木淳 助教 著者 JAXA 入社
OJT 宇 通信や 波 基礎知識 関 教授 修士課程
異 博士 挑戦 い いう気持 引 起 い 思
113 心 御礼
増幅回路作製 関 多大 支援 い 電子株式会社伊東正展氏 山 與慶氏 修氏 仁志氏 DST青木勝氏 土 慎 郎氏 NEC-NETS 樹氏 森 幸男氏 専 氏定 山精 篠原弘治氏 関西電子 業坂梨照久氏 電子河添 氏 大 美氏 場
借 心 感謝 意 述 皆様 協力無く 本研究 遂行
思
慶應義塾大学理 学部 ン 学科 橋正樹准教授 故 和 教授 研究者
基礎 心構え い く 指 人 指 あ
博士課程 ン 思 場 借 心 厚く御礼
渡 大変 世 成 伸一郎氏 七森泰之氏 中島佑 氏 楠 洋一郎氏 佳彦氏 哉氏 慶應義塾大学 橋研究室 狼研究室 諸 輩方 同輩
輩 皆様 社会人 沢山 刺激 い 刺激 常 著者 支え 厚く御礼
宇 航空研究開発機構 JAXA 2010 入社 皆 同 志 持 同期 熱
く語 い 互い 愚痴 い 磋琢磨 謹 感謝
慶應義塾大学理 学部体育会 ッ 部 輩 同輩 輩 皆 ッ 熱中 学 生 く 社会人 数多く 場面 共 熱い 間 過
多方面 活躍 皆 熱意や 心 常 刺激 い い 場 借 御礼
著者 熱い気持 常 奮い立 く ッ ン 学内外 人 家族 誰 身近 常 著者 支え く 依 希 心 熱く厚く御礼
本論文 謝辞
2014年1月 林定 雄太
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論文 ス
原著論文
林定 山本定 善一 川崎定 繁男 X帯民生GaN HEMT 用い 搭載用固体電力増幅器 動作条件 RF特性 宇 環境耐性評価 航空宇 技術 vol. 12 pp. 1-8 2013
Yuta Kobayashi, Satoshi Yoshida, Zen-ichi Yamamoto, and Shigeo Kawasaki, “S-band GaN on Si Based 1kW-Class SSPA System for Space Wireless Applications,” IEICE Trans. Electron., vol. E96-C, no. 10, pp. 1245-1253, Oct. 2013.
Yuta Kobayashi, Atsushi Tomiki, Tomoaki Toda, Takehiko Kobayashi, “Onboard Ka-band Extender for Future JAXA Deep Space Missions," Trans. JSASS Aerospace Tech. Japan, vol. 10, no. ists28, pp. Tj_1-Tj_7, 2012.
Satoshi Yoshida, Takumasa Noji, Goh Fukuda, Yuta Kobayashi, and Shigeo Kawasaki,
“Experimental Demonstration of Coexistence of Microwave Wireless Communication and Power Transfer Technologies for Battery-free Sensor Network Systems,” IJAP special issue on Wireless Powering of Sensors and Biochemical Devices, volume 2013 (2013), Article ID: 357418, pp. 1-10, 2013. http://dx.doi.org/10.1155/2013/357418
Jan 09, 2014 Accepted Trans. JSASS Aerospace Tech. Japan
Yuta Kobayashi, Atsushi Tomiki, Shinichiro Narita, and Shigeo Kawasaki, "Experimental Evaluation of an X-band GaN High Effiiency Onboard SSPA for Deep Space Missions”
国 会議 査 あ
Yuta Kobayashi, Atsushi Tomiki, Tomoaki Toda, and Takehiko Kobayashi, “Onboard Ka-band Extender for JAXA Future Deep Space Missions,” ISTS2011, pp1-6, Okinawa, Japan, June 2011.
Yuta Kobayashi, Masakazu Hori, Hirofumi Noji, Goh Fukuda, and Shigeo Kawasaki, “The S-band GaN-Based High Power Amplifier and Rectenna for Space Energy Transfer Applications,” IMWS-IWPT2012, pp.271-274, Kyoto, Japan, May 2012.
Yuta Kobayashi, Satoshi Yoshida, Yusuke Maru, Kentaro Nishimori, Naoki Honma, Kenjiro Nishikawa, Tomohiko Sakai, Satoshi Nonaka, Yoshihiro Naruo, Yoshifumi Inatani, and Shigeo Kawasaki, “A Wireless Health Monitoring Sensor System in RVT Using Wireless Communication and Energy Transmission,” FBW2012, pp.1-2, Otawa, Canada, Aug. 2012.