超高利得・小型収納・大型展開可能なリフレクトアレーアンテナシステムの創出

• 研究課題/領域番号: 20H02146
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分21020:通信工学関連
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 戸村 崇 東京工業大学, 工学院, 助教 (10803992)
• 研究分担者: 坂本 啓 東京工業大学, 工学院, 准教授 (40516001)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円); 2022年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2021年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円); 2020年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円)
• キーワード: アンテナ / リフレクトアレー / 展開アンテナ / 折り紙 / 非平面補償

研究開始時の研究の概要

本研究では折り紙技術による小型収納・大型展開可能な膜をアンテナにし，膜の機械的な欠点を電気的に解決することで，超高利得アンテナを実現する．展開後の膜には平面度が低い・折り目にアンテナが配置できないという二つの課題がある．能動素子で反射位相を制御しアンテナ自ら変形を電気的に補償する手法を確立する．折り目によるアンテナ配置の乱れを整える設計論を確立する．本研究課題は機械特性を電気的に補正する従来と逆のアプローチを取るものである．

研究成果の概要

超高利得・小型収納・大型展開可能なリフレクトアレーアンテナシステムの創出を目的とし，下記3つの研究課題に取り組んだ．(1)非平面補償技術ではリジッド基板とフレキシブル基板で実現可能は反射素子構造を見出し，リフレクトアレーアンテナを試作評価し，その有効性を示した．(2)折りパターンを満たす反射素子では折りパターン幅とアレー周期の条件を決定し，あらゆる素子位置で折り線をまたがない素子形状を見出した．(3)以上の技術を集結し，超小型衛星OrigamiSat-2に搭載可能な超高利得・小型収納・大型展開リフレクトアレーアンテナシステムを設計した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究の目的は超高利得・小型収納・大型展開可能なリフレクトアレーアンテナシステムの創出である．アンテナ形状が不定であったり，アンテナを折り紙構造で折りたたむなどの，従来の常識にはない前提条件がスタート地点となっており，学術的には非平面補償技術や折り線を満たす反射素子など多くの知見が得られた．また，多数の低軌道衛星を用いる無線通信網や地球観測網には通信速度や分解能向上のために高利得アンテナが必要になる．本研究で得られたアンテナシステムはこれらに適用可能であり，無線通信速度の要綱や分解能向上に大きく寄与すると考えられる．

研究成果

• [雑誌論文] Stretchable-Substrate-Impregnated Fabric: Deployable Reflectarray Antennas for CubeSats (2024)
  • 著者名/発表者名: Machida Masato、Tomura Takashi、Sakamoto Hiraku、Fukao Tomohiro
  • 雑誌名: IEEE Access 巻: 12 ページ: 58562-58572
  • DOI: 10.1109/access.2024.3392562
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Non-flatness compensation reflectarray antennas by varactor diode mounted reflection elements (2024)
  • 著者名/発表者名: T. Tomura
  • 学会等名: Vietnam-Japan Int. Symp. Antennas Propag. (VJISAP)
  • 招待講演
• [学会発表] Space demonstration of two-layer deployable membrane reflectarray antenna with popup book mechanism (2024)
  • 著者名/発表者名: H. Sakamoto, T. Tomura, A. Ochi, K. Nagai, M. Moritani, G. Nakayama, and T. Oshino
  • 学会等名: AIAA Sci. Technol. Forum Expo. (SciTech)
• [学会発表] プリント基板上ビームチルトアレーの内層給電に よる不要放射抑圧設計 (2024)
  • 著者名/発表者名: 黒川晴希，鈴木皓大，中山弦，坂本啓，戸村崇
  • 学会等名: 信学ソ大
• [学会発表] 超小型衛星搭載用展開型直線偏波・円偏波変換リ フレクトアレーアンテナの設計 (2024)
  • 著者名/発表者名: 鈴木皓大，黒川晴希，中山弦，坂本啓，戸村崇
  • 学会等名: 信学ソ大
• [学会発表] Design of C-band foldable reflectarray antennas by flexible textile with copper pattern plating (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Tomura, H. Sakamoto, T. Takeuchi, and T. Takahashi
  • 学会等名: Asia-Pacific Conf. Antennas Propag. (APCAP)
• [学会発表] Design of a planar beam-tilt array for primary radiators of CubeSat-onboard reflectarray (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Kurokawa, G. Nakayama, Y. Takeda, T. Tomura, and H. Sakamoto
  • 学会等名: Int. Symp. Antennas Propag. (ISAP)
• [学会発表] Space demonstration of two-layer pop-up origami deployable membrane reflectarray antenna by 3U CubeSat origamisat-2 (2023)
  • 著者名/発表者名: G. Nakayama, M. Moritani, T. Tomura, H. Sakamoto, S. Koike, T. Oshino, Y. Mitsumoto, K. Nagai, S. Kanamaru, T. Sato, H. Kurokawa, S. Saito, A. Ochi, D. Mitchao, S. Tamura, Y. Takeda, T. Yanagi, K. Kidani, K. Toyoda, S.S. Yeon, M. Yasuhara, K. Suzuki, R. Maeda, S. Kume, A. Shirane, and K. Okada
  • 学会等名: AIAA/USU Conf. Small Satellites
• [学会発表] Design of 5.8-GHz-band deployable reflectarray antennas for cubesat (2023)
  • 著者名/発表者名: G. Nakayama, H. Kurokawa, T. Tomura, and H. Sakamoto
  • 学会等名: IEEE Int. Workshop Electromagnetics: Appl. Student Innovation Competition (iWEM)
• [学会発表] Origami foldable and deployable reflectarray antennas for CubeSats (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Tomura
  • 学会等名: nt. Conf. Antennas Electromagn. Syst. (AES)
  • 招待講演
• [学会発表] Origami folding reflectarray and space multiplexing antennas for 6G (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Tomura
  • 学会等名: KIEES Antenna Technology Workshop
  • 招待講演
• [学会発表] リフレクトアレーアンテナの基礎と小型衛星への適用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 戸村崇
  • 学会等名: 信学技報
• [学会発表] フレキシブル基板一層で構成するリフレクトアレーの反射位相制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 武田裕貴，戸村崇，坂本啓
  • 学会等名: 信学総大
• [学会発表] 折り紙技術を用いた展開式・非平面膜面アレーアンテナの宇宙実証 (2021)
  • 著者名/発表者名: 坂本啓，戸村崇，白根篤史，岡田健一
  • 学会等名: 宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] 大型展開パッチ・リフレクトアレーアンテナの機械的・電気的構成のトレードオフ評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 戸村崇，坂本啓
  • 学会等名: 宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] 折り畳み収納リフレクトアレーアンテナの展開における変形補償の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 武田裕貴，戸村崇，坂本啓
  • 学会等名: 信学技報
• [学会発表] 飛び出す絵本の機構を用いた宇宙展開膜面アレーアンテナ構造の提案 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田村真也，坂本啓，町田理人，戸村崇
  • 学会等名: 日本機械学会年次大会
• [学会発表] Simulation results of a foldable reflectarray composed of four triangular notched patches (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Tomura, M. Machida, and H. Sakamoto
  • 学会等名: Int. Symp. Antennas Propag. (ISAP)
  • 国際学会
• [学会発表] Ultra-lightweight deployable antenna membrane technology for future non-terrestrial 6G network and earth observation (2021)
  • 著者名/発表者名: A. Shirane, T. Tomura, H. Sakamoto, and K. Okada
  • 学会等名: AIAA/USU Conf. Small Satellites
  • 国際学会
• [学会発表] Phase adjustment algorithm for deformation compensation of non-flat reflectarray antenna (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Kato, H. Sakamoto, T. Tomura, and M. Okuma
  • 学会等名: Int. Symp. Antennas Propag. (ISAP)
  • 国際学会
• [学会発表] 折り畳み可能なフレキシブル基板パッシブリフレクトアレーの設計 (2021)
  • 著者名/発表者名: 町田理人，戸村崇，坂本啓
  • 学会等名: 電子情報通信学会総合大会
• [学会発表] 面外変形によるリフレクトアレーアンテナの利得低下量の一検討 (2021)
  • 著者名/発表者名: 戸村崇，坂本啓
  • 学会等名: 電子情報通信学会総合大会
• [学会発表] Simulation of a 5.8-GHz-band active reflectarray for non-flat structures (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Tomura, K. Omoto, and H. Sakamoto
  • 学会等名: IEEE Int. Symp. Antennas Propag. (AP-S)
  • 国際学会
• [学会発表] 非平面アレーアンテナの平面度補償のための位相調整アルゴリズムの検討 (2020)
  • 著者名/発表者名: 加藤雅己，坂本啓，戸村崇，大熊政明
  • 学会等名: 宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] 反射位相制御によるリフレクトアレーアンテナの非平面度補償 (2020)
  • 著者名/発表者名: 戸村崇，大本圭祐，坂本啓
  • 学会等名: 電子情報通信学会ソサイエティ大会