アクティブ​フェーズ​ドア​レ​ー​アンテナ​制御​用​擬似​無線​装置

日本​無線​株式会社 須田 保​氏、​太陽​計測​株式会社, 秋山 日出夫氏

"この​擬似​無線​機​を​使う​こと​で、​機能​確認​の​ため​の​48​素子​APAA​で、​通信​実験​を​行い​当初​の​設計​目標​を​満足​する​結果​を​得​ま​した。" ​

- 日本​無線​株式会社 須田 保​氏、​太陽​計測​株式会社, 秋山 日出夫氏

課題:

車載​の​移動​体​衛星​通信​装置​は、​アンテナ​を​静止​衛星​方向​に​向ける​ため​に​従来​は、​電気​モーター​による​機械​駆動​を​採用​し​てい​た。​車載​用途​で​要求​さ​れる​低​姿勢​化​や、​高信頼​性、​さらに​高​価格​という​課題​に対して、​全​電子​追尾​の​アクティブ​フェーズ​ドア​レ​ー​アンテナ​(APAA)​を​低​価格​で​実現​する​こと​で、​これら​を​ブレーク​スルー​する​こと​を​目指す。 ​

ソリューション:

PXI​シャー​シ​に​CPU​ボード​(NI PXI-8196)、​高速​デジタル​IO(NI PXI-6534)​を​搭載​し、​移​相​器​制御​用​の​シリアル​信号​を​生成​し、​被​試験​装置​の​APAA​へ​送る。​さらに​任意​波形​発生​器​(NI PXI-5422)​で​変調​器​を、​デジタイザ​(NI PXI-5124)​で​復調​器​を​構成​し、​ビット​エラー​レート​を​測定​する​こと​で、​通信​品質​を​評価​する​構成​で​ある。 ​

【背景】

近年​の​情報​通信​分野​の​めざましい​発展​により、​ワイヤレス​ブロード​バンド​通信​が​普及​し​て​いる​が、​それ​は​都市​部​など​人口​密集​地域​に​限​ら​れ​て​いる​の​が​現状​で​あり、​山間​部、​離島​など​において​は​未だ​普及​の​段階​に​至って​い​ない。

 

一方で​ワイヤレス​ブロード​バンド​の​活用​法​の​一つ​に​救急車​で​搬送​中​の​患者​の​医療​画像​(動画)​を​高​精細​で​病院​の​医師​に​送る​こと​が​ある。​これ​が​でき​れ​ば​救命​率​の​飛躍​的​向上​が​見込​ま​れる。​この​高​精細​動画​伝送​に​は​1Mbps​以上​の​通信​速度​が​要求​さ​れる​ので、​現在​普及​し​て​いる​L​帯​や​S​帯​では​帯域​不足​で​あり、​Ku​帯​以上​の​通信​回線​が​必須​と​なる。​これらの​ブロード​バンド​通信​環境​の​要求​に​答え​られる​ため​に、​Ku​帯​移動​体​衛星​通信​装置​を​安価​に​提供​する​ため​の​研究​開発​を​進​め​て​いる。

 

 

 

【課題】

車載​の​移動​体​衛星​通信​装置​は、​アンテナ​を​静止​衛星​方向​に​向ける​ため​に​従来​は、​電気​モーター​による​機械​駆動​を​採用​し​てい​た。​車載​用途​で​要求​さ​れる​低​姿勢​化​や、​高信頼​性、​さらに​高​価格​という​課題​に対して、​全​電子​追尾​の​アクティブ​フェーズ​ドア​レ​ー​アンテナ​(APAA)​を​低​価格​で​実現​する​こと​で、​これら​を​ブレーク​スルー​する​こと​を​目指す。

 

APAA​に​は、​数百​個​の​デジタル​移​相​器​が​組み​込​まれ​て​おり、​それら​を​制御​する​信号​を​生成​する​必要​が​ある。​また、​送受信​中​に​その​移​相​器​を​制御​した​場合​の​通信​品質​を​評価​する​ため​に、​変調​信号​を​生成​し、​送信​する​こと​と、​その​信号​を​受信​し​て​復調​する​こと​で、​ビット​エラー​レート​測定​による​回線​品質​の​評価​を​行う​システム​を​構築​する。

 

 

 

【ソリューション】

PXI​シャー​シ​に​CPU​ボード​(NI PXI-8196)、​高速​デジタル​IO(NI PXI-6534)​を​搭載​し、​移​相​器​制御​用​の​シリアル​信号​を​生成​し、​被​試験​装置​の​APAA​へ​送る。​さらに​任意​波形​発生​器​(NI PXI-5422)​で​変調​器​を、​デジタイザ​(NI PXI-5124)​で​復調​器​を​構成​し、​ビット​エラー​レート​を​測定​する​こと​で、​通信​品質​を​評価​する​構成​で​ある。

 

研究​の​初期​段階​において​は、​アンテナ​の​素子​数​が​1​6​で、​移​相​器​の​制御​線​も​6​4​本​と​比較的​少​なか​っ​た​ので、​デジタル​IO(NI PXI-6509)​で​賄う​こと​が​出来​た​が、​その後、​2​5​6​素子​に​拡張​する​ことに​なり、​2​×​4​×​2​5​6​本のパラレル信号線が必要となった。​そんなに​多く​の​制御​線​を​引く​の​は​大変​なので、​シリアル​信号​で​制御​する​ため​に、​高速​デジタル​IO(NI PXI-6534)​を​選択​し、​追加​した。​また​さらに​今後、​処理​速度​向上​の​ため​に​FPGA​ボード​(NI PXI-7813R)​を​用意​し​て​いる。

 

RF​部分​も​当初​は​中間​周波数​を​7​0​MHz​に​設定​し​てい​た​が、​その後、​L​帯​に​中間​周波数​を​上げる​必要​が​生​じ​た​ので、​アップ​コンバータ​(NI PXI-5610)​と​ダウン​コンバータ​(NI PXI-5600)​を​追加​した。

 

 

このように​プロジェクト​の​進捗​状況​に​応​じ​て​PXI​ボード​を​追加​し、​機能​を​高める​こと​が​出来​て、​それに​合わせ​た​プロブラミング​が​LabVIEW​により​迅速​に​可能​と​なる​PXI​システム​は​この​研究​に​最適​で​あっ​た。​図​1​に​最終​的​な​PXI​システム​の​構成​を​示す。

 

図​2​の​①​に​試作​した​4​8​素子​APAA​を​示す。​これ​は​菱形​の​1​6​素子​サブアレー​を​3​組​1​2​0​度​ずつ​回転​配置​し​て​構成​さ​れ​て​いる。​この​サブアレー​は、​②​に​示す​192​素子​の​よう​に​拡張​できる​という​特徴​を​持つ、​つまり​同じ​サブアレー​を​沢山​作​れ​ば​無限​に​大きな​アレー​を​作る​こと​が​できる。

 

 

 

図​3​に​示す​よう​に​移​相​器​を​制御​する​こと​で​良好​に​指向​性​ビーム​パターン​が​形成​できる。

 

図​4​に​ビット​エラー​レート​測定​の​フロント​パネル​を​示す。​ソフトウェア​で​変復調​し​て​いる​ので、​変調​方式​や​変調​速度​等​の​パラメータ​を​自由​に​変​え​られる​という​利点​が​あり、​本​研究​の​用途​に​は​最適​で​ある。

 

図​5​に​示す​よう​に​電波​暗​室内​に​送信​用​APAA​と​受信​用​APAA​を​設置​し、​ループ​テスト​トランスレータ​で​折り返し​する。​擬似​無線​機​は​アップ​コンバータ​と​ダウン​コンバータ​を​介​し​て​APAA​と接続され、​さらに​移​相​器​制御​用​シリアル​信号​も、​接続​さ​れる。

 

 

 

【まとめ】

アクティブ​フェーズ​ドア​レ​ー​アンテナ​を​研究​開発​する​にあたり、​その​評価​実験​の​冶​具​あるいは​測定​器​として​NI PXI​シャー​シ​上​に​ソフトウェア​無線​機​もどき​の​擬似​無線​機​を​構築​し、​フェーズドアレー​の​移​相​器​制御​と​変復調、​ビット​エラー​レート​測定​を​実現​した。

その​擬似​無線​機​を​使う​こと​で、​機能​確認​の​ため​の​4​8​素子​APAA​で、​通信​実験​を​行い​当初​の​設計​目標​を​満足​する​結果​を​得​た。

本​研究​は、​総務​省​の​委託​研究​「高​マイクロ​波​帯​用​アンテナ​技術​の​高度化​技術​の​研究​開発」​により行った。

 

著者​情報:

日本​無線​株式会社 須田 保​氏、​太陽​計測​株式会社
​秋山 日出夫氏

図​4. ​ビット​エラー​レート​測定​の​フロント​パネル
図​1. ​PXI​システム​による​擬似​無線​機
​4​8​素子
​192​素子
図​3. ​4​8​素子​APAA​の​指向​性​ビーム​パターン
図​5. ​総合​評価​(電波​暗室​で​の​通信​実験)