宇宙航空研究開発機構(JAXA)ならびに産業技術総合研究所(産総研)は、GaNダイオードとSi整合回路を混成した「HySIC(Hybrid Semiconductor Integrated Circuit)構造」の整流回路を開発し、マイクロ波から直流への電力変換動作の実証に成功したと発表した。
同成果は、産総研 物理計測標準研究部門 電磁気計測研究グループの岸川諒子 主任研究員、堀部雅弘 研究グループ長、JAXA宇宙科学研究所の川﨑繁男 教授らの共同研究グループによるもの。詳細は、2018年11月6～9日に京都市の京都国際会館で開催された「2018 Asia-Pacific Microwave Conference(APMC 2018)」にて発表された。
人工衛星や探査機など、多くの宇宙機では、安全かつ確実なミッション遂行に向け、機体の各所にガスセンサや振動センサなど、ざまざまなセンサを取り付け、機体や装置の状態を常時監視している。従来、こうしたセンサの駆動には電力線から駆動電力が供給されてきたが、宇宙機やロケットはできる限り軽量化をしたい、というニーズがあったほか、配線の取りまわしによる機体形状の制限という課題などがあった。
HySICは、複数種類の半導体を組み合わせた回路で、今回、研究グループは宇宙機内のセンサに対し、無線で給電するためのHySIC整流回路の開発に挑んだという。宇宙空間では、地上に比べ、多くの宇宙放射線などが飛来することから、マイクロ波からセンサ駆動用の直流へ電力変換するダイオードには宇宙線に対して強い耐性があるGaNを、マイクロ波を高効率でGaNダイオードへ入力するための整合回路にSi整合回路をそれぞれ採用することで実現したという。
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今回開発されたHySIC整流回路の写真(左)と概略図(右) (出所:産総研Webサイト)
具体的には、制御ユニットのアンテナからマイクロ波を空間に放射。そのマイクロ波を各センサに取り付けたアンテナで受け取り、センサ駆動用の電力として活用するというもの。
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センサへの無線給電システムの概要とHySIC整流回路 (出所:産総研Webサイト)
電力損失の少ない高機能のHySIC整流回路を開発するためには、マイクロ波領域でGaNダイオードのインピーダンス特性を測定する必要があるが、その最適な測定方法と特性の補正技術の組み合わせがよく分かっておらず、今回の研究では、その調査などを実施。GaNダイオード単体のインピーダンス特性の正確な測定などを可能としたことで、例えば100mW程度の直流電力により、宇宙機内に設置した8個の温度センサを動作させることができるといったことが確認できたとする。
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GaNダイオードと伝送線路補正用のデバイス (出所:産総研Webサイト)
なお、研究グループでは今後、HySIC整流回路のさらなる高性能化を目指すとするほか、HySIC整流回路を用いた無線給電システムを実際に宇宙機へ搭載することを目指した研究開発も進めていくとしている。
