考案された円偏波補償回路は、円偏波の精度を決める2つの直交信号の振幅および位相を正確にIC内部で検出することが可能だという。2つの直交信号それぞれに対して同じ電圧検出回路を用いて振幅を検出し、再度同じ電圧検出回路を利用して2つの信号の位相差を検出するといった同じ検出回路を用いることで、回路間におけるミスマッチなく、精度の高い振幅および位相情報を得ることができ、高精度の円偏波の実現を達成したという。

また考案されたインピーダンスチューナ回路は、ビームステアリングによるアンテナインピーダンス変化をフェーズドアレイIC側で補償することで、どのビーム角においても高い電力効率で通信することを可能にするというもの。人工衛星のアンテナにおけるインピーダンスは、ビームステアリングの設定される角度によってのみ変化することから、比較的狭い範囲でのインピーダンス変化となる。そのことから、今回の研究では、人工衛星のビームステアリングに特化したインピーダンスチューナ回路を新たに開発し、フェーズドアレイICに集積化することに成功したという。

  • 試作されたKa帯フェーズドアレイ無線機およびIC

    試作されたKa帯フェーズドアレイ無線機およびIC (出所:東工大Webサイト)

プロトタイプのKa帯フェーズドアレイ無線機は、8個のフェーズドアレイICと32素子のアレイアンテナで構成。フェーズドアレイICは、シリコンCMOSプロセスを用いて製造され、1チップあたり8系統のトランシーバを集積し、4素子の両円偏波対応アンテナを駆動させることを可能としたという。また、1系統あたりの面積は、0.38mm2と小さく、出力電力と消費電力で定義される送信電力効率は14.4％と、ほかの衛星搭載向けの無線機と比べても高い効率を達成したとする。

  • 考案されたインピーダンスチューナおよび円偏波補償回路の効果

    考案されたインピーダンスチューナおよび円偏波補償回路の効果。ビーム角-60度条件(LT・PC機能なし)では通信精度が劣化するが、LT・PC機能ありの場合、0度の場合と同程度の精度を保つことに成功したという(OTA測定評価結果) (出所:東工大Webサイト)

実際に、同無線機と測定評価用のアンテナを用いたOver The Air(OTA)測定による、無線通信特性の評価が行われたところ、新開発の円偏波補償回路およびインピーダンスチューナ回路を利用することで、1.39倍の電力効率の改善、ならびに右旋・左旋の両円偏波で16APSK変調時に14.8dB以上のEVMの改善効果が確認されたとする。

なお研究チームでは、今回開発したKa帯フェーズドアレイ無線機を、数年以内に小型衛星に搭載して実際に打ち上げ、宇宙実証を行う計画だとしており、今後の衛星コンステレーション時代の到来を加速させるとしている。