宇 宙 機 および 衛 星 のワイヤレス 化 を 支 えるマイクロ 波 半 導 体 デバイス 集 積 回 路 技 術 と 無 線 電 力 伝 送
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- Clyde Berry
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1 第 27 回 マイクロエレクトロニクスワークショップ2014 The 27 th Micro-Electronics Workshop2014 宇 宙 機 および 衛 星 のワイヤレス 化 を 支 えるマイクロ 波 半 導 体 デバイス 集 積 回 路 技 術 と 無 線 電 力 伝 送 Microwave Semiconductor Device / Integrated Circuit Technology Wireless Powering for a Spacecraft a Satellite 川 崎 繁 男 Shigeo KAWASAKI 宇 宙 航 空 研 究 開 発 機 構 宇 宙 科 学 研 究 所, Japan Aerospace Exploration Agency
2 Contents 1. はじめに- 宇 宙 機 衛 星 のワイヤレス 化 Introduction - Wireless Technologies in a spacecraft a satellite 2. 宇 宙 用 電 子 通 信 コンポーネントの 研 究 開 発 development of space electronic components 3. 設 計 製 作 実 装 組 み 立 て 計 測 技 術 Design, fabrication, implementation, assembly measurement technologies 4. マイクロ 波 を 用 いた 無 線 情 報 通 信 送 電 技 術 Microwave devices, IC, modules antennas for Wireless communication, information power transmission 5. システムへの 展 開 System development Demonstration 6. まとめ Summary
3 1. Introduction-Wireless Technologies in a spacecraft a satellite
4 Introduction 宇 宙 機 衛 星 のワイヤレス 化 Wireless technologies in a spacecraft a satellite -Back Ground RF microwave technologies in mobile remote sensing for compact- eco-electronics have been developed. In the wireless technology, highly performed devices integrated circuits using nano-electronics have been applied in order to realize smallsized potentially low cost circuit modules in communication, sensing wireless power transmission systems. Progress on mass-productive highly reliable consumer electronics are different from development of space electronic components with high quality limited production. Highly educational system for RF/microwave researchers engineers in this field is requested as quickly as possible to increase international cooperation competition.
5 Introduction 宇 宙 機 衛 星 のワイヤレス 化 Wireless technologies in a spacecraft a satellite -Expected Outcome Highly performed deep-space satellite can be feasible from compact light components. Satellite production in short-term delivery with low-cost can be realized. As objectives of technical development in JAXA, The leadership revolution in the space engineering for probes large-mass transportation will be progressed by All- Japan organization expected to grow good research engineers. Earth Data Satellite (mother ship) Power generation module Data WPT Data Rover, etc Reusable spacecraft Large-volume transportation rocket Deep space prober rover
6 2. development of space electronics components
7 Component Development 宇 宙 用 電 子 通 信 コンポーネントの 研 究 開 発 development of space electronics components Points of space electronic component development Specific request for space electronic components with high quality limited production (not mass production low cost) Joint research projects collaborated with all Japanese institutes (university, governmental institution private company) for low risk, commonly used facility temporary occupation of the production line Continuous progress on space nano-electronic technologies through JAXA, academic industrial consortium initiative 7
8 ISAS/JAXA Sagamihara Campus The Class 1 clean room (more than 100m2 ) 24 Dust removal hepa filters Design Discussion SEM RIE Measurement
9 Component Development 宇 宙 用 電 子 通 信 コンポーネントの 研 究 開 発 ( 開 発 例 ) development of space electronics components Procedure for practical use 1.Collaboration 2.Production ISAS/JAXA-GaN/amplifier Design NETS-Manufacture NETS-Fabrication ISAS/JAXA -Measurement support GaN HEMT Produced Compact GaN S-b 1kW SSPA (Functions : Auto-leveling hot replace) PROCYON on-board X-b compact 20W GaN/SSPA 9
10 3. Design, fabrication, implementation, assembly measurement technologies
11 Microwave Technologies 設 計 製 作 計 測 実 装 組 み 立 て 技 術 Design, fabrication, measurement, implementation assembly Tools Equipment Design-CAD (Device, circuit, antenna, package, heat, module, subsystem, system / Device, Circuit, Antenna, Heat, System) Fabrication-Process (Crystal growth, chip, circuit, IC) Implementation-Packaging (device, IC, module) Assembly-Connection Alignment (Functional block, connection, cable) Measurement- Evaluation (Characteristics, total performance) Skill Level, Production, Specification
12 Microwave Work Works on Design Passive Component Thermal Analysis of MMIC in Package S11[dB] Frequency[GHz] 不 連 続 なし 不 連 続 あり 市 販 のシミュレータ Antenna EM Analysis
![10 12 14 16 18 20-20 S11[dB] -30-40 -50-60 -70](/docs-images/44/20571556/images/page_12.jpg "Frequency[GHz] 不 連 続 なし 不 連 続 あり 市 販 のシミュレータ Antenna")
13 Microwave Components K-B Double Stacked Flip-Chip Packaging
14 Microwave Components Active Integrated Antenna Arrays cross-over structure Cross-over structure along with planar diplexers The Thin Planar Antenna Array in a Solar Sail Satellite The TRx Stacked Array Antenna
15 Fabrication Technology 設 計 製 作 計 測 実 装 組 み 立 て 技 術 Design, fabrication, measurement, implementation assembly Measurement technologies -Antenna Pattern (Near/Far Field, Circuit characteristic measurement by VNA) -Space Quality Test performance (Heat-vacuum, vibration, radio-isotope tests) 15
16 4. Microwave devices, IC, modules antennas for wireless communication, information power transmission
17 Definition of Power Transfer The Total Power Transmission Modulation Information Demodulation Power transmission DC to RF conversion Propagation RF to DC conversion For MPT, DCin-to-Dcout is important
18 Microwave Components Microwave Communication Power Transmission The MMICs for small size a compact module 3mm Gate bias2nd 3.6mm The C-b 2-stage MMIC power amplifier (25dBm) The V-b 4-stage MMIC LNA (NF: <3 db@60ghz) The Ku-b 3-stage MMIC low noise amplifier (NF=1.7dB) the module
19 Microwave Components Ku-B RF-MEMS (SPDT Switch) Top Side (Actuator) Actuator (zoomed) Bottom Side (Movable Waveguide) Contact Point
20 Microwave Components Microwave Communication / Power Reception Modulation / Demodulation Tx Modulation Spectrum (MSK) Rx Detector Spectrum (MSK) Tx Spectrum (QPSK w/subcarrier ) Rx Constellation (QPSK w/subcarrier)
21 Contents 5. System development Demonstration
22 Wireless Power Transfer The Three Types of Wireless Power Transmission Flux Inside a box Magnetic Field 2nd Coil RF Source 1st Coil Coupling Type LC Resonator Dielectric Resonator Electric Field Resonant Type Antenna Microwave Radiation Type (MPT) DC PA BC Wave Propagation Filter Rectifier DC Output (The Original from NIKKEI Electronics)
23 Wireless Power Transfer Power Reception / DC Power Generation DC (Active EH)
24 Wireless Energy Transmission Harvesting The Wireless Sensor System in a Spacecraft a Rocket Realization of safe transportation for a spacecraft a rocket by a wireless sensor network system. Battery-less health monitoring by multisensors with microwave power transmission energy harvesting in a spacecraft
25 Microwave Power Transmission The WiCoPT to a Rover Hot-Spot Type (Fixed) (a few 10 cm to 10 m) Ler Supply Type (Fixed / moving) (a few 100 m to several km) Orbiter Type (Moving) (more than 100 km)
26 WiCoPT Systems The hot-spot microwave power supply to a rover
27 Wireless Energy Transfer Harvesting The WiSEnT in a Rocket RVT Inner Field Test
28 Summary 宇 宙 機 衛 星 のワイヤレス 化 技 術 の 経 緯 を 紹 介 Wireless Technologies in a spacecraft a satellite were introduced. 宇 宙 用 電 子 通 信 コンポーネントの 研 究 開 発 について 議 論 development of space electronics components were discussed. 設 計 製 作 計 測 実 装 組 み 立 て 技 術 について 説 明 Applicable measurement, implementation assembly technologies were explained. マイクロ 波 を 用 いた 無 線 情 報 通 信 技 術 の 例 の 提 示 Microwave devices, IC, modules antennas for communication, information power transmission were shown. システムへの 展 開 System development were demonstrated. 28
29 ご 清 聴 ありがとうございました Thank you very much for your attention! 29
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