双方向型共同研究『GAMMA10ダイバータ模擬実験のためのマイクロ波イメージング干渉計用１次元アンテナアレイの開発』
進捗報告
東京農工大学 桑原大介
研究代表者：
桑原 大介
センター世話人：吉川 正志
NIFS世話人：長山 好夫
研究協力者：
土屋 隼人
小波蔵 純子森川 裕亮
長谷川 裕平
間瀬 淳
伊藤 直樹
近木 祐一郎2013/08/29（東京農工大学）（筑波大学）（NIFS）（NIFS）（筑波大学）（筑波大学）（筑波大学）（九州大学）（宇部高専）（福岡工大）

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11. 目的GAMMA10/PDXにおいてダイバータプラズマ電子密度イメージング計測を目指したマイクロ波イメージング干渉計が開発されているが、E-ダイバータ部のような真空容器内の狭い領域で使いやすい１次元アンテナアレイは開発されていない
真空容器で使用可能なコンパクトかつ高性能な１次元アンテナアレイを開発する。

Fig.1 GAMMA10-PDX
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筑波大学プラズマ研究センターシンポジウム22-1. 背景

ミリ波干渉計Ø ミリ波干渉計
プラズマによるマイクロ波位相の変化(φ)を観測することにより電子密度(ne)を計測

高い周波数であり直接観測が困難

Fig.2 直接計測型干渉計

Ø ヘテロダイン位相干渉計
LO信号とミキサを用いてより低い周波数のIF信号を生成し、この位相を観測することで高感度な電子密度計測が可能

Fig.4 導波管素子(例)
Fig.3 ヘテロダイン干渉計
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筑波大学プラズマ研究センターシンポジウム32-2. 背景 –イメージング反射計Ø イメージング干渉計
多チャンネル受信アンテナによる画像的計測

Fig.5 GAMMA10ダイバータ部イメージング干渉計

回路系簡略図Ø GAMMA10 E-ダイバータ用イメージング反射計
Ø NIFS開発の1次元アンテナアレイを使用した１次元7ch計測
Ø 照射波: 60.150 GHz LO: 60 GHz IF: 150 MHz
Ø 4逓倍ヘテロダイン方式
Ø 直交検出器による高感度位相計測
Ø ビームスプリッターによるLO供給
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42-3. 背景

ミリ波干渉計 –LO供給法-Ø ビームスプリッター(B.S.)によるLO供給の問題点①強力なミリ波アンプが必要（極めて高価）
・低LO反射率による効率低減
LO反射率 〜5% (RF透過率 〜95%)
・LO電力の不均一による周辺部chの感度低下○各ch要求LO電力：+10 dBm (10 mW)○減衰(B.S., アンテナ, 拡散等)：-30 dB(NIFS MIRアンテナ端部)

Fig.6 真空容器内装置
中心：0 dBm

LO供給電力：+40 dBm (10 W以上) ?
②LO光学系による装置容積増加（邪魔）・ミラー・導波管・アンテナ・ビームスプリッター

端部：-10 dBm

Ø 解決策HMA内アンテナ素子毎にLO供給
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Fig.7 LHD MIR装置におけるアンテナアレイ上LO電力分布(供給：24 dBm)

筑波大学プラズマ研究センターシンポジウム53-0. Horn-Antenna Mixer Array (HMA) (1/2)Ø ３次元マイクロ波イメージング反射計用に開発された２次元アンテナアレイを構成可能な１次元アンテナアレイ
LO供給：外部照射供給
ミキサ：シングルダイオードミキサ
周波数帯域：50 – 120 GHz
IF帯域：DC – 12 GHz
Fig.8 HMA外観

Fig.10 6x7ch ２次元アンテナアレイ（HMA 6層スタック）
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Fig.9 HMA（上側フレーム除去）

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63-0. Horn-Antenna Mixer Array (HMA) (2/2)

Fig.11 HMA（上側フレーム除去）詳細
遮断周波数(導波管)40 GHz

導波管長辺(H)×短辺(E)

3.8 × 1.9 mm

ホーン開口長辺(H)×短辺(E)13 × 13 mm

ホーン角(H), (E)51°, 51°

アンテナ間隔14 mm

Fig.12 HMA寸法詳細
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73-1. 新型１次元アンテナアレイ –開発要素–
Ø 新型HMA
従来型HMAのLO供給を内部供給に①アンテナアレイ１台につき１個のLO入力②LOは1/4周波数(15 GHz)をSMA入力③アンテナアレイ内にLO分配器（8way）設置 ④各Ch.LO用4逓倍器(15GHz 60GHz)設置⑤真空容器内設置対応⑥チャンネル数：8ch(RF: 60.150 GHz, LO: 60 GHz, IF: 150 MHz)

Fig.13 新型HMA模式図（2ch版）
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筑波大学プラズマ研究センターシンポジウム83-2. 新規開発要素 –WG-MSL変換器Ø ホーンアンテナに入射したRFを高周波基板上のミキサへ伝達するための導波管-マイクロストリップライン変換器
Ø 高効率なフィンライン変換器を採用
Ø 試験器を製作し変換効率を評価
低損失（-1.65 dB）かつ 使用帯域で平坦な特性
タイプ2  WG-‐‑‒MSL変換器
挿⼊入損失

0

表面60GHz

Insertion Loss (dB)

-2-4

裏面-6-8-1045

S2 (dB)
L2 (dB)

5055

6065707580

Frequency (GHz)

Fig.15 フィンライン変換器周波数特性
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Fig.14 フィンライン変換器試験器筑波大学プラズマ研究センターシンポジウム

93-3. 新規開発要素 –LO逓倍器–
Ø チャンネル毎でミキサにLO(60 GHz)を供給
4逓倍MMICを採用Ø チップ入手済み
Ø ワイヤボンディング手法＆評価基板を現在開発中
住友電工デバイス・イノベーション(Eudyna)社
57-64GHz出力４逓倍MMIC FMM5125X (10,000円程度)

0.940 mm

入力(15 GHz) : +10 dBm
出力(60 GHz) : +5 dBm (変換損失: 5 dB)
電源電圧: +5V

2.315 mmFig.16 FMM5125X 外観
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Fig.17 入力-出力特性

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103-4. 新規開発要素 –LO分配器–Ø チャンネル毎のLO逓倍器に1/4周波数LOを8wayに分配し供給する
Ø 評価基板製作済み
Ø 現在評価用フレームを製作中
Ø 2wayウィルキンソン分配器3段で8way分配器を構成(周波数のズレを考慮し14, 15, 16 GHz三種設計・製作)
Ø １段辺り-4 dB、合計-12 dBの減衰を想定

S21
S11Port2S23

Port1Port3Fig.18 LO分配器試験基板
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Fig.19 15GHz PWD 設計値

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113-5. 新規開発要素 –ミキサ–Ø チャンネル毎にミキサを設置
V-bandダブルバランスドミキサMMICを採用Ø チップ手配中Ø ワイヤボンディング手法＆評価基板を
現在開発中

1.000 mm

Hittite社 ダブルバランスドミキサ
HMC-MDB169 (3,000円程度)
RF周波数：54-64GHz, IF周波数：DC-5 GHz
変換損失：-8 dB, LO入力レベル：+13 dBm

Fig.21 MDB169 ボンディング模式図0.900 mmFig.20 MDB169 外観&模式図

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123-6. 新規開発要素 –真空対応–
Ø E-ダイバータ部光学系に結合させるためアンテナアレイは真空容器内に設置する
Ø テストチャンバー内試験（今期中）
・回路動作
・真空度
・熱

Ø 各チャンネルは連結した小部屋構造
ホーン開口部から排気可能Ø アンテナアレイ全体の電力は5W程度
・アンテナ固定具経由でどの程度除熱されるかショット時のみの間欠動作もFig.22 旧アンテナアレイ外観

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4. 開発スケジュールØ 今年度の予定
開発要素

8月

WG-MSL変換器完了

9月

LO逓倍器

基板設計

LO分配器

フレーム製作

ミキサ

基板設計

真空対応

10月

11月

12月

ボンディング

評価

1月

2月

3月

評価
ボンディング

評価

テストチャンバ試験

2ch試験アンテナ製作

基板・フレーム設計

実装

評価Ø 今年度目標
・2ch程度の試験アンテナアレイを製作・評価※スケジュールが合えば空ポートから反射計的な試験計測を実施し、実際のプラズマ計測で支障ないか試験8ch完成版製作の準備を完了する。
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145. まとめØ GAMMA10/PDX Eダイバータマイクロ波イメージング干渉計用1次元アンテナアレイ開発Ø アンテナ毎にLO用ミリ波4逓倍器を内蔵①強力なミリ波パワーアンプが不要（コスト大幅カット）②LO光学系による供給損失・LO供給の不均一が発生しない（高感度化・均一な視野）③MMICミキサ（高感度化）④LO光学系が不要なコンパクトなシステム⑤旧アンテナと同様に2次元アンテナアレイを構成可能
Ø 開発要素①WG-MSL変換器③LO分配器②MMIC LO逓倍器④MMIC ミキサ

⑤真空対応

Ø 今年度目標
・2ch試験アンテナアレイを製作・評価※スケジュールが合えば空ポートから反射計的な試験計測を実施し、プラズマ計測が可能か否かも試験8ch完成版製作の準備を完了する。
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添付資料

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LHDマイクロ波イメージング計測
MIR
照射マイクロ波 4周波数（60.41, 61.81, 63.01, 64.61 GHz）
受信アンテナアレイ
6 × 7 チャンネル検出方法
位相検出・強度検出
サンプリング
1 µs
計測領域
120 × 120 mm

ECEイメージング
計測周波数
周波数チャンネル数
受信アンテナアレイ
検出方法
サンプリング計測領域

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97 – 104 GHz (第二高調波)
8 チャンネル
１ × 7 チャンネル
BPF, 半導体検出器
1 µs
20 × 120 mm (ポロイダル断面)

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LHD マイクロ波イメージング反射計

Ø マイクロ波反射計
単一照射周波数, 単一受信アンテナ→ プラズマのカットオフ面の一点の変動を検出Ø マイクロ波イメージング反射計①複数照射周波数 ②2次元受信アンテナアレイ ③イメージング光学系④周波数分離器→ 複数のカットオフ面上の複数点の変動を検出

計測空間内の電子密度揺動分布・揺動波動の進行方向（波数）を観測
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LHD ECEイメージング計測

Ø ECEラジオメータ
単一受信アンテナ→ １視線上の1次元電子温度分布Ø ECEイメージング計測①1 or 2次元受信アンテナアレイ ②マイクロ波イメージング光学系→ 複数視線上の2 or 3次元電子温度分布
計測空間内の電子温度分布・温度揺動の進行方向（波数）が計測できる
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LHDにおけるマイクロ波イメージング計測器開発
MIR・ECEIマイクロ波光学系① 全体図

光学系
・計測位置を可変する可動ミラー
MIR

ECEイメージング

・照射波をプラズマに照射する・反射波を受信アンテナアレイに結像・LO波を受信アンテナに均一に照射・ECEを受信アンテナアレイに結像・LO波を受信アンテナに均一に照射・アンテナ前でECEI低周波側をH.P.Fで遮断2013/08/29

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IFアンプ＆位相検出器
MIR高周波回路④チャンネル数が140chと多い為、回路を内製

110MHz IFアンプ

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検出回路

110MHz パワーディテクタ

110MHz 位相検出器

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E-Div マイクロ波干渉計概略図
Microwave	  interferometer	
Waveguide	
Mirror	
YAG	  Laser	
真空外からの高速カ
メラの視線を塞がないようにミラーを設置する。	

E-Div-Imaging interferometer
カメラの視線には入らないようにミラーを設置する。	
ミラー	

マイクロ波ビームの視線	

E-Div-Imaging interferometer
Horn	  mixer	  antenna	  array	• Φ15cm程度のビームとして入射する。
Reference	  beam	• 受光面は、8チャンネル受光モジュールを使用。
Probe	  beam	 • 本年度は1チャンネルのみ取り込む予定。

E-Div-Imaging interferometer• ミラー、ホーン関係支え• アルミアング
ルでエンド部上部のアングルからつりさげる。

E-Div-Imaging interferometer

導波管	  SMAケーブル	

エンドタンク上部のアングルを利用してImaging用のホーン、ミラー、検出器を設置する。