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国立研究開発法人情報通信研究機構

高出力中継器性能評価実験
川崎和義

2006年 12月に打ち上げられた技術試験衛星Ⅷ型（きく 8号、ETS−Ⅷ）は、Ka帯及び S帯の実験用通信機器を搭載している。この実験用通信機器の経年変化を調査するために、5回の性能評価実験を行った。
本実験結果は、軌道上での衛星搭載機器の経年変化に対する評価であり、今後、衛星搭載機器を設計・製作する上で一助となるものである。

1 まえがき多様な実験を行うことが出来る。また中継方式として、交換機を介して信号を中継する再生中継と、交換機を介さず無処理で信号を中継するベントパイプモードを選択出来る。
本稿では、初期性能評価実験及び定期性能評価実験の概要と、実験で得られたデータから中継器の性能及び機能についての評価結果を述べる。

技術試験衛星Ⅷ型（以下、ETS−Ⅷ）は、衛星搭載用大型展開アンテナ及びそれを使用した小型移動体地球局との間の衛星通信に必要な技術開発とその実証を目的とした衛星で、2006年 1
2月 18日に HIIAロケット
11号機によって打ち上げられた。
この衛星には、地上基地局と衛星間を結ぶフィーダリンク用として Ka帯（30GHz/20GHz帯）、小型移動体地球局と衛星間を結ぶサービスリンク用として S帯（2.
6GHz/2.
5GHz帯）の通信機器が搭載されており、これらの通信機器の接続経路を変えることにより多種

［1］－
［3］

2 高出力中継器の概要

高出力中継器は、フィーダリンク装置（FLCE）、パケット交換機（PKT）、オンボードプロセッサ（OBP）、

図 1 中継器構成

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高出力中継器性能評価実験

波数可変機能を持つ［5］。

表 1 中継器サブシステムの機能概要

サブシステムLDAFは、マルチビーム用フェーズドアレイアンテ
ナを実現するために送信用・受信用それぞれ 2組のビーム形成回路（BFN）や 31台の固体電力増幅器（SSPA）等で構成されている。SSPAは 20W 級が 8台、10W 級が 23台の合計 31台が搭載されており、合計で355W の送信出力を得ている［6］。また、給電素子として送信用・受信用それぞれに 31個のカップ・マイクロストリップアンテナ（MSA）が搭載されている。
LDRは、世界最大級の大きさ（外形約 19m×17m、開口径約 13m）のものを送信用・受信用にそれぞれ 1面ずつ搭載している。

機能概要

フィーダリンク装置（FLCE）

Ka帯送受信、周波数変換

パケット交換機（PKT）

パケット交換制御、変復調

オンボードプロセッサ（OBP）

音声通信用交換機能

S帯コンバータ部（SCNE）

S帯周波数変換、経路切換

大型展開アンテナ給電部（LDAF） S帯送受信
アンテナ・リフレクター
大型展開アンテナ反射鏡部（LDR）（送受別に 2面）

表 2 中継器の主要諸元

フィーダリンク

サービスリンク30.
6GHz帯（Uplink） 2.
6GHz帯（Uplink）
RF周波数
20.
8GHz帯（Downlink） 2.
5GHz帯（Downlink）
I
F周波数偏波アンテナ

3 実験の概要

140MHz帯
右旋円偏波（Uplink）

左旋円偏波
左旋円偏波
（Downlink）

中継器性能評価実験として Ka帯（30GHz/20GHz帯）及び S帯（2.
6GHz/2.
5GHz帯）用通信機器の基本性能評価データを取得するため、定期的に各通信機器の入出力特性、振幅周波数特性、スプリアス特性、周波数可変特性等の測定を行い、得られたデータから各通信機器の性能及び経年変化について評価を行った。
実験は、衛星打ち上げ直後の 2007年 2月に初期性能評価実験を行い、その後 200
8年 9月に第 1回、2010
年 1月に第 2回、201
1年 1月に第 3回、201
2年 4月に第 4回の定期性能評価実験を行った。
な お、S帯 受 信 用 LNA（Low NoiseAmplifier）であるが、電源系で発生した不具合が回復せず、この装置を使った実験は未実施のままである。そのため、この装置の代替として、高精度時刻基準装置（HAC：
HighAccuracyClock）の S帯 RF部を使用して実験を行っている［7］。

0.
8mφオフセットパラ l.
0mφパラボラ（HAC）（Uplink）
大型展開アンテナ（Downlink）
ボラ給電方式

31素子フェーズドアレイ

ビーム数

最大 3ビームS帯コンバータ部（SCNE）、大型展開アンテナ給電部（LDAF）、大型展開アンテナ反射鏡部（LDR）から構成されている。図 1に中継器の構成を、表 1に各中継器サブシステムの機能概要を、表 2に中継器の主要諸元を示す。
FLCEは、30GHz帯の受信信号を低雑音増幅器（FLLNA）で増幅後、ダウンコンバータ（FLDNC）により140MHz帯の中間周波数信号（IF信号）に周波数変換し、パケット交換機、オンボードプロセッサ、及び S帯コンバータ部へ出力する機能、並びにパケット交換機、オンボードプロセッサ、及び S帯コンバータ部から出力された IF信号を、アップコンバータ（FLUPC）により 20GHz帯の送信信号に周波数変換し、進行波管増幅器（FLTWTA）で電力増幅を行った後、地球局へと送信する機能を持つ。FLTWTAは 8W の送信出力を持つ。FLUPC及び FLDNCは利得可変機能を持つ。また、FLUPC及び FLDNC用の局部発振［4］器は周波数可変機能を持つ 。
PKT及び OBPは、衛星上でパケットや音声信号の交換処理を行う機能を持つ。
SCNEは、S帯受信信号を 140MHz帯の IF信号へ周波数変換するダウンコンバータ（SRX）、及び I
F信号を S帯送信信号へ周波数変換するアップコンバータ（STX）、並びに経路切換を行う 10個の IFスイッチ（IFSW）で構成される。STX及び SRXは利得可変機能を持つ。また、STX及び SRX用の局部発振器は周4 実験システムの構成
地 球 局 と し て、鹿 島 宇 宙 技 術 セ ン タ ー の Ka帯
フィーダリンク地球局と S帯基準地球局を使用し、測定用の信号としては無変調波（CW）を用いた。
中継器内の経路（以下、中継リンク）は、図 1で示す SCNEにある 10個の IFスイッチ（IFSW1～ 10）を用いて設定した。また S帯の送信に使用した LDAFと HAC装置の S帯送信部の切換は、S帯用アップコンバータ（STX2）の出力側にあるミッション計装部の RFスイッチ SW2を用いた。S帯の受信には LNAの不具合により大型展開アンテナが使用出来ないため、HAC装置の S帯受信部を使用した。経路の切換には、S帯用ダウンコンバータ（SRX2）の入力側にあるミッション計装部の RFスイッチ SW4を用いた。

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高出力中継器性能評価実験

4.
1 中継リンク
実験で使用する中継方式はベントパイプモードとし、中継リンクは次に示す 5つの経路を用いた。
4.
1.
1 フィーダリンク・クロスリンク
アップリンク（地上から衛星方向のリンク）及びダウンリンク（衛星から地上方向のリンク）の両方に Ka
帯フィーダリンクを用いるフィーダリンク・クロスリンク（FLCRS）は、主に FLCEの性能評価実験で使用した。図 2にフィーダリンク・クロスリンクの経路を示す。
4.
1.
2 フォワードリンク
アップリンクに Ka帯、ダウンリンクに S帯の大型展開アンテナを用いるフォワードリンク（FWD）は、主に S帯送信部の性能評価実験で使用した。図 3にフォワードリンクの経路を示す。
4.
1.
3 フォワードリンク (HAC送信 )アップリンクに Ka帯、ダウンリンクに HAC装置の S帯 RF部を用いるフォワードリンク（HAC送信）は、主に HAC装置の S帯 RF部の性能評価実験で使用した。
図 4にフォワードリンク（HAC送信）の経路を示す。
4.
1.
4 サービスリンク・クロスリンク
アップリンクに HAC装置の S帯 RF部、ダウンリンクに S帯の大型展開アンテナを用いるサービスリン
ク・クロスリンクは、主に S帯受信部の性能評価実験で使用した。図 5にサービスリンク・クロスリンクの経路を示す。
4.
1.
5 リターンリンク
アップリンクに HAC装置の S帯 RF部、ダウンリンクに Ka帯を用いるリターンリンクも、主に S帯受信部の性能評価実験で使用した。図 6にリターンリンクの経路を示す。

図 2 フィーダリンク・クロスリンク

図 3 フォワードリンク

図 4 フォワードリンク（HAC送信）

5 実験内容図 5 サービスリンク・クロスリンク

5.
1 入出力特性フィーダリンク・クロスリンク（図 2）、フォワードリンク（図 3）、フォワードリンク（HAC送信）（図 4）の各中継リンクについて入出力特性を測定した。
実験では、CW を衛星へ送信し、衛星からの受信信号の強度をスペクトラムアナライザで測定した。この測定を送信信号レベルを変えながら繰り返し行い、測定結果の値を換算することにより衛星入力電力と衛星出力電力を求めた。なお、フォワードリンクでは、31台ある SSPA全てについて 1台ずつ測定を行った。

図 6 リターンリンク

5.
2 利得

サービスリンク・クロスリンク（図 5）、リターンリンク（図 6）の各中継リンクについて利得を測定した。
実験では CW を用い、衛星中継器で折り返されてくフィーダリンク・クロスリンク（図 2）、フォワードリンク（図 3）、フォワードリンク（HAC送信）（図 4）、
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高出力中継器性能評価実験

る信号の強度を測定した。 にその値を使って衛星入力電力と衛星出力電力にし、その差を中継器利得とした。
なお、フォワードリンクでは、31台ある SSPA全てについて、またサービスリンク・クロスリンクでは、3組ある S帯用 STX全てについて 1台ずつ測定を行った。

発信周波数の可変機能が備わっており、Ka帯、S帯でそれぞれ独立に周波数を可変することが可能である。
実験では、この周波数可変機能を用い、局部発振器の出力周波数を変化させた時の受信周波数を測定し、周波数変化量を求めた。
［8［9］ ］

6 実験結果と評価
5.
3 振幅周波数特性
6.
1 入出力特性フィーダリンク・クロスリンク（図 2）、フォワードリンク（図 3）、フォワードリンク（HAC送信）（図 4）、
サービスリンク・クロスリンク（図 5）、リターンリンク（図 6）の各中継リンクについて振幅周波数特性を測定した。
実験では、中継器雑音の受信スペクトルをスペクトラムアナライザ上で 100回平均をとり平滑化したものを取得し、このデータを用いて振幅周波数特性の評価を行った。

図 7にフィーダリンク・クロスリンク（図 2）を用いた時の測定結果の一例を、図 8にフォワードリンク（図 3）で S帯送信に 20W 級 SSPAを用いた時の測定結果の一例を、図 9にフォワードリンク（図 3）で S帯送信に 10W 級 SSPAを用いた時の測定結果の一例を示す。図の横軸は LNAへの入力電力を、縦軸は電力増幅器（Ka帯： TWTA、S帯： SSPA）の出力電力を表す。
図 7より、フィーダリンク・クロスリンク（図 2）の入出力特性はリニアであり、初期性能評価実験結果と比べてもばらつきが少なく良好な特性を示していることが分かる。しかし、図 8及び図 9よりフォワードリンク（図 3）の入出力特性では、測定年でデータにばらつきが見られる。これは、フィーダリンク・クロスリンク（図 2）の入出力特性でのばらつきが少ないことから、LDRで時間帯によってゆがみが生じたた

5.
4 スプリアス特性
フィーダリンク・クロスリンク（図 2）、フォワードリンク（図 3）、フォワードリンク（HAC送信）（図 4）、サービスリンク・クロスリンク（図 5）、リターンリンク（図 6）の各中継リンクについてスプリアス特性を測定した。
実験では、CW を衛星へ送信し、その受信スペクトルを測定することにより、不要スプリアス発射の有無を評価した。

5.
5 利得可変特性
フォワードリンク（図 3）、リターンリンク（図 6）の各中継リンクについて利得可変特性を測定した。
ETS−
Ⅷの中継器には、Ka帯及び S帯用にそれぞれアップコンバータ（Ka帯： FLUPC,S帯： STX）及びダウンコンバータ（Ka帯： FLDNC,S帯： SRX）が搭載されている。また、それぞれのアップコンバータ及びダウンコンバータには利得可変機能（ステップアッテネータ）を備えており、地上からのコマンドにより利得を可変することが可能である。
実験では、この利得可変機能を用い、各設定値での受信信号強度を測定した。

図 7 入出力特性 （フィーダリンク・クロスリンクの一例）

5.
6 周波数可変特性
フィーダリンク・クロスリンク（図 2）、フォワードリンク（図 3）、サービスリンク・クロスリンク（図 5）の各中継リンクについて周波数可変特性を測定した。
ETS−
Ⅷの中継器には、Ka帯及び S帯用にそれぞれ局部発信器が搭載されており、アップコンバータ及びダウンコンバータで使用されている。局部発信器には、

図 8 入出力特性 （フォワードリンク、20W 級 SSPAの一例）

4

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高出力中継器性能評価実験

6.
3 振幅周波数特性

め［10］、受信信号強度が変化したものと推定される。
以上より、経年変化による入出力特性の劣化はほとんど起きていないが、S帯送信に大型展開アンテナを使用する場合は、時間帯による受信信号強度の変化に注意が必要である。

図11にフォワードリンク（図 3）における振幅周波数特性の測定結果の一例を示す。図の横軸は周波数を、縦軸は受信信号強度を表す。
図11より、異常な振幅変化は見られず、良好な特性を示していることが分かる。したがって、経年変化による振幅周波数特性の劣化は起きておらず、また中継器の振幅周波数特性としてフラットで良好な特性を有していることが実証された。

6.
2 利得
図10にフォワードリンク（図 3）での S帯用 SSPA
31台（20W 級 8台、10W級23台）における利得の測定結果を示す。図の横軸は 31台の SSPAを、縦軸は対応する SSPAの利得を表す。
図10より、各 SSPAとも初期性能評価実験に比べ大きな利得の劣化はみられず良好であることが分かる。
これより経年変化による中継器利得の劣化は起きていないことが分かった。また、中継器として十分な利得を有しており、中継器利得としてシステム要求を満たしていることが実証された。
なお、SSPAによって利得に差があるのは、20W級
SSPAと 10W 級 SSPAとでは増幅度に 3dBの差がある
上、アレーアンテナのため、実験を行った鹿島宇宙技術センター（茨城県鹿嶋市）でのアンテナ利得が 31個のアンテナ素子で異なるためである。
また、SSPA毎の測定年による利得のばらつきは、入出力特性のところでも述べたように S帯送信に使用した大型展開アンテナのゆがみによる受信信号強度の変化も影響しているものと思われる。

6.
4 スプリアス特性
図12にフォワードリンク（図 3）におけるスプリアス特性の測定結果の一例を示す。図の横軸は周波数を、縦軸は受信信号強度を表す。
ETS−
Ⅷの帯域外スプリアス特性は、フォワードリンク（図 3）の場合で D/U値が 50dBc以上となっている［4］が 、実験では地球局受信雑音によってノイズフロアが上昇してしまい正確な D/U値は測定出来ない。そ図 11 振幅周波数特性（フォワードリンクの一例）

図 9 入出力特性 （フォワードリンク、10W 級 SSPAの一例）

図 12 スプリアス特性 （フォワードリンクの一例）

図 10 中継器利得 （フォワードリンク）

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高出力中継器性能評価実験の周波数設定値を、縦軸はその時の周波数可変量を表す。
図14より、特性にほとんど劣化は見られず良好であることが分かる。また初期性能評価実験データとの比較でも、測定データは良く一致しており所期の機能及び性能を維持していることが分かる。
以上より、局部発振器の周波数可変機能は、経年変化による性能の劣化も起きておらず、設計どおり動作していることが確認できた。のためノイズフロアを上回る不要なスプリアス発射がないかどうかで評価した。
図12より不要なスプリアス発射は見られず、スプリアス特性は良好であることが分かる。ETS−Ⅷの中継器においては経年変化によるスプリアス特性の劣化は起きておらず、中継器として良好なスプリアス特性であることが実証された。

6.
5 利得可変特性
図13にフォワードリンク（図 3）における S帯用アップコンバータ No.
2（STX2）の利得可変機能についての測定結果を示す。図の横軸は S帯用アップコンバー
タの利得設定値を、縦軸はそれぞれの設定値（STX2GAIN STS）での利得可変量を表す。
図13より、特性にほとんど劣化は見られずリニアで良好な特性を示していることが分かる。また初期性能評価実験データとの比較でも、それぞれのデータは良く一致しており、利得可変機能は所期の機能及び性能が維持されていることが実証できた。

7 まとめ中継器性能評価実験として、初期性能評価実験（2007年）から第 4回定期性能評価実験（2012年）までの 5年間にわたり入出力特性、振幅周波数特性、スプリアス特性、周波数可変特性等の測定を行い、中継器の特性とその経年変化を評価した結果を述べた。
実験結果は概ね一致しており、初期性能評価実験のデータと比較しても明らかな劣化は見られなかったことより、中継器自体の性能や機能に大きな変化はなく所期の性能を有していることが実証できた。しかし、入出力特性や中継器利得のデータのうち S帯大型展開アンテナを用いる中継リンクでは、LDRのゆがみに起因すると思われるデータのばらつきも認められた。
ETS−
Ⅷで得られた技術成果は、今後、衛星搭載機器を設計・製作する上での一助になるものである。

6.
6 周波数可変特性
図1
4にフォワードリンク（図 3）における S帯 STX用局部発信器（SLO）の周波数可変機能についての測定結果を示す。図の横軸は S帯局部発振器（主系）

謝辞
本実験を行うにあたりご意見・ご協力頂いた関係各位、及び関係機関の方々に深く感謝する次第である。
参考文献
1 平良真一，“移動体衛星通信・放送システム技術の宇宙実証－ETS－Ⅷの概要－，”信学会総合大会，TB13,pp.
“SS4”“－SS5”,March2003.
2 小園晋一，“通信・放送実験用中継器の全体構成，”通信総合研究所季報 技術試験衛星Ⅷ型特集，Vol.49,Nos.3/
4,pp.19－26,Sept.
/
Dec.
,2003.

図 13 利得可変特性（S帯アップコンバータ）

3 川崎富美雄，川上用一，宮内雅夫，“ETS－Ⅷ搭載中継器部の検討，”信学会
ソサイエティ大会，B314,pp.178,Sept.1998.
4 高畑博樹，浜真一，“搭載用Ka帯フィーダリンク装置，”通信総合研究所季報 技 術 試 験 衛 星 Ⅷ 型 特 集，Vol.49,Nos.3/
4,pp.33－
41,Sept
.
/
Dec.
,
2003.
5 橋本幸雄，“S帯コンバータ部，”通信総合研究所季報 技術試験衛星Ⅷ型特集，Vol.49,Nos.3/
4,pp.43－46,Sept.
/
Dec.
,2003.
6 上野健治，“給電部の構造，”通信総合研究所季報 技術試験衛星Ⅷ型特集，Vol.49,Nos.3/4,pp.47－55,Sept.
/
Dec.
,2003.
7 野田浩幸，佐野和彦，浜真一，“高精度時刻基準装置（HAC），”通信総合研
究 所 季 報 技 術 試 験 衛 星 Ⅷ 型 特 集，Vol.49,Nos.3/
4,pp.89－
94,
Sept.
/
Dec.
,2003.
8 小園晋一，平良真一，橋本幸雄，井出俊行，山本伸一，“ETS－Ⅷ搭載移動体 衛 星 通 信 シ ス テ ム － 電 気 性 能 試 験 －，”信 学 会 総 合 大 会，B312,pp.343,March2003.
9 小園晋一，渡邉宏，佐藤正樹，山本伸一，平良真一，“ETS－Ⅷ移動体通信

図 14 周波数可変特性（S帯局部発振器）

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高出力中継器性能評価実験用中継器の軌道上初期性能，”信学会ソサイエティ大会，BS21,pp.”
S12”“－S13”,Aug.2007.
10 佐藤正樹，織笠光明，藤野義之，“軌道上におけるETS－
Ⅷ衛星の大型展開
アンテナ放射パターンの評価，”信学会論文誌（B），Vol.J94B,No.3,pp.344－352,2011.

川崎和義 （かわさき かずよし）
ワイヤレスネットワーク研究所宇宙通信シス
テム研究室主任研究員
衛星通信

国立研究開発法人情報通信研究機構発行の技術情報誌「情報通信研究機構研究報告」
Vol.60 No.1 2014年10月発行の記事を、筆者及び情報通信研究機構の承諾を得て掲載しています。体裁、内容を一部加筆修正しています。

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