博 士 （ 工 学 ） 中 原 和 彦

博 士 （ 工 学 ） 中 原 和 彦

学 位 論 文 題 名

衛 星 通 信 用マ イク ロ 波モ ジュ ー ル及 びデ バ イス に関 す る研 究 学 位 論 文 内 容 の 要 旨

本 論 文 は 、 APAA (Active Phased Array Antenna)を 搭 載 し た 衛 星 に よ る 通 信 シ ス テ ム に 用 い る マ イ ク ロ 波 モ ジ ュ ー ル 及 び デ バ イ ス に 関 し て 、 回 路 設 計 の 観 点 よ り 小 型 ・ 軽 量 化 お よ び 低 コ ス ト 化 の 課 題 に 対 し て 筆 者 が 行 っ た 研 究 成 果 を ま と め た も の で あ る 。

近 年 に お い て は 、 携 帯 電 話 な ど の 移 動 体 通 信 の 急 速 な 普 及 に 伴 い 、 限 ら れ た 周 波 数 資 源 を 有 効 活 用 す る こ と が 重 要 な 課 題 で あ る 。 そ の た め に 多 数 の 加 入 者 の 端 末 に ア ク セ ス 可 能 な 、 衛 星 を 利 用 し た マ ル チ ビ ー ム に よ る 通 信 サ ー ビ ス が 検 討 さ れ て い る 。 マ ル チ ビ ー ム を 形 成 す る た め に は 、 衛 星 に 数 十 〜 数 千 の ア ン テ ナ 素 子 と マ イ ク ロ 波 送 受 信 モ ジ ュ ー ル で 構 成 さ れ るAPAAを 搭 載 す る こ と が 必 要 で あ る 。 APAAは 衛 星 に 搭 載 で き る 電 源 容 量 の 制 限 や 、 輸 送 ロ ケ ッ ト で 打 ち 上 げ ら れ る 衛 星 の 重 量 に 制 限 が あ る た め 、APAAを 構 成 す る ア ン テ ナ 素 子 と マ イ ク ロ 波 送 受 信 モ ジ ュ ー ル お よ び マ イ ク ロ 波 送 受 信 モ ジ ュ ー ル を 構 成 す る 低 雑 音 増 幅 器 、 高 出 力 増 幅 器 や ア ン テ ナ の ビ ー ム を 制 御 す る た め の 移 相 器 等 の 小 型 ・ 軽 量 化 ・ 低 消 費 電 力 化 が 重 要 な 課 題 と な る 。

  1970年 の 中 頃 か ら マ イ ク ロ 波 回 路 の 小 型 ・ 軽 量 化 を 図 る た め にMMIC (MonolithicMicrowave Integrated Circuit)の 開 発 が 開 始 さ れ た 。MMICと し て 主 に 用 い ら れ て い るGaAsは 、 放 射 線 に 対 し て 強 い こ と か ら 、 宇 宙 環 境 に お い て 、 高 い 信 頼 性 が あ り 、 衛 星 搭 載 用 マ イ ク ロ 波 機 器 に 盛 ん に 用 い ら れ て い る 。 一 方 、MMICは 高 価 なGaAs基 板 上 に ト ラ ン ジ ス タ と と も に 受 動 回 路 素 子 も 形 成 す る た め チ ッ プ サ イ ズ の 縮 小 化 と と も に 特 性 の 均 一 化 を 図 る こ と で 製 造 コ ス ト を 低 減 す る 必 要 が あ る 。 従 来 のAPAA用 の マ イ ク ロ 波 受 信 モ ジ ュ ー ル で は 、 ア ン テ ナ 素 子 と 低 雑 音 増 幅 器 間 の 多 重 反 射 に よ る り ッ プ ル の 発 生 を 防 ぐ た め に 従 来 ア イ ソ レ ー タ を 挿 入 す る 必 要 が あ り 、 モ ジ ュ ー ル が 大 型 化 す る 問 題 が あ っ た 。 ま たAPAAの ビ ー ム 制 御 の た め に 必 要 な 移 相 器 に つ い て は 、 従 来 の 多 ヒ ゛ ッ ト 移 相 器 は 、 主 に 単 ヒ ゛ ッ ト 移 相器 を 直列 接続 し た構 成 され る ので 、 ヒ゛ ット 数 に応 じ てチ ッ プサ イズ が 大型 化 する 問 題 が あ っ た 。

  こ れ ら の MMICを 実 装 し た 送 受 信 モ ジ ュ ー ル はAF AAの 各 ア ン テ ナ 素 子 に 接 続 さ れ る 。APAAで は ア ン テ ナ 素 子 数 が 数 千 と な る 可 能 性 も あ る た め 、 輸 送 ロ ケ ッ ト に 大 型 展 開 ア ン テ ナ を 折 り た た ん で 格 納 す る こ と を 想 定 す る と 、 送 受 信 モ ジ ュ ー ル の 小 型 ・ 軽 量 ・ 薄 型 化 が 必 要 と な る 。 ま た ア ン テ ナ が 大 型 化 し た 場 合 、 各 送 受 信 モ ジ ュ ー ル と 衛 星 本 体 と の 信 号 の 伝 送 に お い て 、 ケ ー ブ ル に よ る 損 失 や 重 量 が 増 大 す る の で 、 低 損 失 で 軽 量 な 伝 送 方 法 が 必 要 と な る 。

  本 論 文 で は 、 ま ずMMIC増 幅 器 の 低 コ ス ト 化 を 図 る た め の 設 計 方 針 を 示 し た 。 次 に マ イ ク ロ 波 受 信 モ ジ ュ ー ル の 小 型 ・ 軽 量 化 の た め の 低 反 射 ・ 低 雑 音 増 幅 器 の 設 計 方 法 お よ び 移 相 器 の 回 路 構 成 を 示 し た 。 マ イ ク ロ 波 デ バ イ ス を 実 装 す る モ ジ ュ ー ル に 関 し て も 小 型 ・ 軽 量 ・ 薄 型 化 の た め の 構 造 と 、 ア ン テ ナ が 大 型 化 し た 場 合 の マ イ ク ロ 波 モ ジ ュ ー ル と 衛 星 本 体 間 の た め の 軽 量 ・ 低 損 失 な 信 号 伝 送 方 式 を 提 案 し た 。 こ れ ら マ イ ク ロ 波 デ バ イ ス お よ び モ ジ ュ ー ル を 試 作 し 、 小 型 ・ 軽 量 化 ・ 低 コ ス ト 化 に 有 効 で あ る こ と を 示 し た 。

―187―

以 下 ， 本 論 文 に よ っ て 得 ら れ た 結 果 を 各 章 に 分 け て 要 約 し ， そ の 内 容 を 述 べ る 。 第

章 は 、 序 論 で あり 、 研 究 の 背景 と 目 的 、 検討 課 題 に つ い て述 べ る と 共 に本 論 文 の 概 要に っ い て述べ る。

第

章 は 、 広 帯 域 設 計 に よ り 回 路 素 子 の ば ら っ き を 吸 収 し 得る 増 幅 器

の 設 計と 、 設 計 精 度 向 上 の た め の 素 子 モ デ リ ン グ に つ い て 述 べ た。14GHz 帯 中 出 力 増 幅器 の 設 計 に 関し て 、

、 抵 抗 な ど の 回 路 構 成 要 素 の 不 均 一 性 に 起 因 す る素 子 特 性 の 変 動を 吸 収 し 得 る広 帯 域 設 計 を行 い 、 バ イア ホ ー ル の イン ダ ク タ ン ス値 を 評 価 し 設 計精 度 の 向 上 を図 っ た 。 そ の結 果 、 使 用周波 数帯域

〜

に お い て 、 直 線 利 得

以 上 、 入 力

以 下 、 出 力

以 下 な ど の シ ミ ュ レ ー シ ョ ンと ほ ば 一 致 する 良 好 な 特 性 を得 、 同 時 に

圧 縮 点出 カ も 本 帯 域 で20mW 以上 を実現 した 。

第

章 は 、ミ リ 波 低 雑 音 増幅 器

の 小 型 ・ 低雑 音 ・ 高 利 得化 のため の設計 につい て述 べた。 ミ リ 波 に お い て 、 低 雑 音 で か つ 高 利 得 で 動 作 す る ゲ ー ト 長

を 開 発 し 、 そ の

を 用 い て

帯 お よ び

帯 ミ リ 波 低 雑 音 増 幅 器 の 開 発 を 行っ た 。 低 雑 音増 幅 器 の 設 計に お い て 小 型 ・低 雑 音 ・ 高 利得 化 を 図 る ため に

のゲ ート 幅の 選 定 を 行 い 、 入 出 力整 合 回 路 は 低損 失 を 図 る た めに 分 布 定 数 回路2 素 子 の みで 構 成 し た 。そ の 結 果 ，

段 増 幅 器

チ ッ プ を 用 い た

段 増 幅 器 で 構 成 し た

帯 低 雑 音 増 幅 器 モ ジ ュ ー ルの 性 能 は 、

に お い て 、 雑 音 指 数

、 利 得

で あ っ た 。 ま た

段 増 幅 器MMIC3 チ ッ プ を用 い た6 段 増 幅 器 で 構 成 し た

帯 低 雑 音 増 幅 器 モ ジ ュ ー ル の 性 能 は 、91GHz に お い て 、 雑 音 指 数

、利得

であ った。

第

章 は 、 多段 低 雑 音 増 幅 器の 低 反 射 化 のた め の 設 計 方法 に つ い て 述べ て い る 。 低 雑音 で か つ 低反射 を実 現する 手法と して、 ソース イン ダクタ 装荷に よる低 雑音 増幅器 が提案 されて いる。 しかし 多 段ソ ー ス イ ン ダク タ 装 荷 低 雑音 の 設 計に 際して 、各 段に装 荷する ソース インダ クタ 値の決 定方法 に つい て は 明 確 にさ れ て い な い。 こ こ で は 、FET が 決 めら れ た 場合に 要求 仕様に 応じて 各段の ソー ス イ ン ダ ク タ 値 を 決定 す る 設 計 手法 を 開 発 し 、Ka 帯

段 低雑 音

増 幅 器 の 試 作を 行 っ た 。 その 結 果 、

で 利 得

， 入 力 反射 損

， 出力 反 射 損

， 雑 音 指 数

以 下 の性能 が得 られた 。

第

章 は 、 複数 の 移 相 量 を 有す る 移 相 器 の回 路 構 成 に つい て 述 べ て いる 。 従 来 の 反 射型 移 相 器 お よび 口 ー デ ッ ドラ イン型 移相器 にスイ ッチ を付加 し、切 り替え る2 状態の 位相量 を3 状態、

状 態に 増やし た移 相器を 提案す る。こ の移相 器を

個直 列接 続することで、従来の3 ヒ゛ット移相器と同じ動作 を実現 でき ることを示した。上位3 ヒ゛ットに本構成を用いたX 帯5 ヒ゛ット移相器を試作し、比帯域10% に お い て 、 位 相 量 誤 差 （

．

．

） は

、 挿 入 損 失

以 下 の 性 能 が 得 ら れ た 。

第6 章は、 小型 ・軽量 ・薄型 化を図 った 光マイ クロ波 受信モ ジュー ルに っいて述ぺている。マイクロ 波 モ ジ ュ ー ル の 薄 型 化 を 図 る た め にGrounded CPW を 基 に し た

線 路を 提 案 し 、 本線 路 構 造 が マイ ク ロ スト リップ 線路 やコプ レーナ 線路に 比べて 主線 路と接 地導体 間に電 磁界 が閉じ 込めら れるこ とより 、パ ッケー ジの蓋 を主線 路に 近づけ られる ことを 実験あ るいは 計算結 果に より検 証し、 薄型化 に有効 であ ること を示した。またモジュールに光・マイクロ波変換機能 をもた せ光 ファイ バによ るマイ クロ波 伝送 を採用 することにより、アンテナの軽量化、信号伝送の低損 失 化 を 実 現 し た 。 モ ジ ュ ー ル の サ イ ズ はiox30xl.5mrr13 で 重 量 は2g と な り 、 本 モ ジ ュ ール が 小型・ 軽量 ・薄型 化に有 効であ ること が確 認でき た。

  7

章 は結論 であ り、本 研究成 果の全 体を 要約し ている 。

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学 位 論 文 審 査 の 要 旨 主 査    教 授    伊 藤 精 彦 副 査    教 授    小 柴 正 則 副 査    教 授    小 川 恭 孝 副 査    教 授    宮 永 喜 一

学 位 論 文 題 名

衛星通信用マイクロ波モジュール及びデバイスに関する研究

本論文は、APAA (Active Phased Array Antenna) を搭載した衛星通信システムに用い られるマイクロ波モジュール及びデバイスに関して、回路設計の観点より小型・軽量化 お よ び 低 コ ス ト 化 の 課 題 に 対 し て 行 わ れ た 研 究 成 果 を ま と め た も の で あ る 。

携帯電話などの移動体通信の急速な普及に伴い、限られた周波数資源を有効活用する ことが重要な課題となっている。そのため に多数の加入者の端末にアクセス可能な、

APAA

を搭載した衛星を利用したマルチビー ムによる通信サービスが検討されている。

APAA

の開発においては、構成するアンテナ 素子とマイクロ波送受信モジュールおよび マイクロ波送受信モジュールを構成する低雑音増幅器、高出力増幅器やアンテナのビー ムを制御するための移相器等の小型・軽量化・低消費電力化が重要な課題となる。これ らの課題を満足するためには、MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) を用 いる こと が有 効で ある 。MMIC は高 価な

基板 上にト ランジスタとともに受動回路 素子も形成することにより構成される。したがって、チップサイズの縮小化とともに特 性 の 均 一 化 を 図 る こ と に よ り 、 製 造 コ ス ト を 低 減 す る こ と が 重 要 と な る 。

本論文では、初めにMMIC 増幅器の低コスト化を図るための設計方針を示した。次に、

マイクロ波受信モジュールの小型・軽量化のための低反射・低雑音増幅器の設計方法お よび移相器の回路構成を示した。次にマイクロ波デバイスを実装するモジュールに関し て、小型・軽量・薄型化のための構造を提案した。さらに、アンテナが大型化した場合 について、マイクロ波モジュールと衛星本体間のための軽量・低損失な信号伝送方式を 提案した。これらマイクロ波デバイスおよびモジュールを試作し、小型・軽量化・低コ ス 卜 化 に 有 効 で あ る こ と を 明 ら か に し た 。 以 下 、 本 論 文 の 構 成 を 示 す 。

第

章は 、本 論文 の背 景、 意義 と位 置づ け、 本論 文全 体 の構 成に つい て述 べた。

―189 ―

第2 章は、 広帯域設計により回路素子のばらっきを吸収し得る増幅器MMIC の設計と、

設計精 度向上 のための素子モデリングについて提案した。

、抵抗などの回路構成要 素の不均一性に起因する素子特性の変動を吸収し得る広帯域設計を行い、バイアホール の イン ダ ク タン ス 値 を 評価 し 設 計精 度 の向上 を図っ たうえで

帯 中出力増 幅器

の試作を行い、本設計法の有効性を明らかにした。

第

章 で は 、

／

を 用 い た ミ リ 波低 雑 音 増幅器

の小型 ・低雑 音・高利 得化のた めの設計について示した。低雑音増幅器の 設計に おいて 小型・低 雑音・ 高利得化 を図るためにHEMT のゲート幅の選定を行い、入 出力整 合回路 は低損失 を図る ために分 布定数回路

素子のみで構成した。その結果，2 段 増 幅 器

チ ッ プ を用 い た

段 増 幅 器 で構 成 し たW 帯 低 雑音 増 幅 器モ ジ ュ ール で は

に お い て 、 雑 音 指 数

．

、 利 得

．

の 性 能 が 得 ら れ た 。

第

章は、ソースインダクタ装荷による多段低雑音増幅器の低反射化のための設計方法に ついて、各段に装荷するソースインダクタ値の決定方法を提案し、K 二

帯3 段低雑音MMIC 増幅器の試作を行い、その結果、28 （mz で利得

．ldB ，入力反射損15 ．4dB ，出力反射損

．

、雑音指数1 ．

以下の性能が得られたことで本設計手法の有効性を確認した。

第5 章では 、多ビット移相器の小形化に対して、複数の移相量を有する移相器の回路 構成を提案した。従来の反射型移相器およびローデッドライン型移相器にスイッチを付 加 し、 切 り 替える

状態 の位相量 を

状態、4 状態に 増やし 、本構成 の移相 器を

個直 列接続 するこ とで、従来の3 ビット移相器と同じ動作を実現できることを示した。さら に上位

ビ ットに本 構成を 用いたX 帯5 ビット 移相器を 試作し、 本構成 により多ビット 移相器の小形化が可能であることを示した。

第6 章では 、大形平 面APAA アン テナのた めのモ ジュール 衛星本 体間の信号伝送方法 として、光ファイバによるマイクロ波伝送を提案し、アンテナの軽量化、信号伝送の低 損失化が可能であることを実験で示した。またマイクロ波モジュールの薄型化を図るた め に 、

を 基 に し た

（

） 線 路 を 提 案 し 、 本線路構造により、パッケージの蓋を主線路に近づけられることを実験あるいは計算結 果により検証し、薄型化に有効であることを示した。

第

章 で は 、 本 論 文 の 結 諭 を 述 べ 、 論 文 全 体 の 成 果 を 要 約 し た 。

これ を要する に、著者 は、衛 星に搭載 するAPAA 用マイクロ波モジュールおよびデバ イスの小形・軽量・低コスト化に有効な回路構成ならびに設計法を確立したものであり、

衛星通信工学の分野に貢献するところ大なるものがある。

よって著者は、北海道大学博士（工学）の学位を授与される資格あるものと認める。

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