薄型合成開口レーダー衛星を実現する展開型スロットアレーアンテナ
Deployable Slot Array Antenna for Quasi- Two Dimensional Radar

ナの電気設計を行い、線膨張率がアルミニウムの 1/10程度である炭素繊維強化プラスチック(CFRP)にて部材製造した。絶縁物であるＣＦＲＰ表面に、表面導電性を与えるためのめっき処理の技術開発を行った。複雑表面形状を持つ CFRP アンテナの電解めっき処理で様々な技術的困難に遭遇した結果、設計値より 4dB 劣化したアンテナ利得が計測された。めっき工程が簡単

齋藤 宏文 (Hirobumi Saito , Ph. D.)

な無電解めっきだけを用いる方法も試みて、部分的な早稲田大学理工学術院改善を得た。

客員教授

工学博士

(Faculty of Science and Engineering, Waseda University, Visiting

本研究に用いている展開式スロットアレーアンテナ

Professor, Dr. Engineering)

は、薄型のレーダー衛星（SAR DiskSat）を可能にする

電子情報通信学会、日本航空宇宙学会

ものである。令和 4 年度後半から、本研究の成果を生受賞：電子情報通信学会論文賞（論文誌Ｂ、2016 年）,小型衛星搭

かして、高分解能化が容易である高度 350ｋｍ程度の載用の省電力高速送信機の開発、第 19 回日本航空宇宙学会

超低高度軌道で、大気抵抗が小さい薄型レーダー衛星

技術賞 「小型科学衛星“れいめい”」2010 年、宇宙航空

SAR DiskSat 開発に着手する。

研究開発機構理事長表彰，「放射線耐性強化半導体集積回路の開発」、2010 年、2012 年度科学技術分野の文部科学大臣表

１．研究の目的彰，科学技術賞，開発部門， 「宇宙と民生に共通的に利用

本研究では、小型衛星に搭載できる全天候型の地球できる耐放射線性集積回路の開発」、2007 年 IEEE Nuclear

センサーであるマイクロ波合成開口レーダーに関して、

and Space Radiation Effects Conference, Outstanding

サブメートル級の地上分解能に対応する形状安定性に

Conference Paper Award，IEEE (The Institute of

優れた全 CFRP 製 SAR アンテナの研究を行う。その技

Electrical and Electronics Engineers)

術を利用する事により多数機の小型レーダー衛星によ著書：アメリカにおける小型衛星開発の動向」 日本ロケット協会

る高分解能で高頻度の全天候型地球観測が可能となり、モノグラフ１ 1995、（共著）Small Satellites, Past,

我が国の新たなビジネス機会の創生と社会の安全安心

Present, and Future（AIAA）、Henry Helvajian, Siegfriedに貢献する。

W. Janson, Hirobumi Saito(分担執筆), et. al., American
Institute of Aeronautics and Astronautics （AIAA),

２．研究の背景Japan's Small Scientific Satellite, INDEX (Reimei),

近年の宇宙開発では、多数の小型衛星からなる衛星

pp.449-485, 2009、（共著）自由電子レーザとその応用群ミッションの台頭が著しい。米国 Planet Labs 社は、電気学会 コロナ社, 1990.

観測により、昼間晴天領域の全地球モニタを高い観測研究専門分野：宇宙電子工学、小型衛星工学

頻度で実施している[1]。これにより、地球上のいかなる場所でも、昼間の晴天であれば、１日以下の間隔で光学画像情報を商業的に入手できる。このように小型衛星による地球観測は、フィジカル空間から様々な地あらまし球規模の地表情報を収集してサイバー空間に情報を入小型衛星に搭載できる全天候型の地球センサーであ力することができるセンシングツールとなっている。

るマイクロ波合成開口レーダーに関して、サブメート

しかし、光学観測では晴天域の昼間だけの観測となり、ル級の地上分解能に対応する形状安定性に優れた全グローバルな準リアルタイム情報とはならない。天候

CFRP 製 SAR アンテナの研究を行った。Ｘ帯で周波数帯と昼夜を問わず高頻度な地表観測を行うためには、マ域 600MHz を持つ２次元導波管スロットアレーアンテ

イ ク ロ 波 合 成 開 口 レ ー ダ ー （ Synthetic Aperture1薄型合成開口レーダー衛星を実現する展開型スロットアレーアンテナ
Deployable Slot Array Antenna for Quasi- Two Dimensional Radar

Radar、SAR）*1 搭載の低コストな小型衛星を実現し、とアルミスキンを利用した展開式 2 次元スロットアレ

多数の小型 SAR 衛星からなる衛星群ミッションが有望ーアンテナ*2視されており、欧米の複数の企業（Iceye 社[2]、ハニカムコアや接着剤の誘電体効果がアンテナ特性にCapella Space 社[3]）は数機から 20 機以上の小型 SAR影響を与えるため、製造再現性にやや問題がある。 ま衛星を軌道上に配置している。

たスキンは熱膨張率が大きいアルミ合金、ハニカムコ

わが国では本研究グループが 2013-18 年に地上分解能

アは熱伝導率の悪いアラミド紙であることから、衛星１m の小型衛星搭載用マイクロ波合成開口レーダーを軌道上での熱変形を抑制するためにサポートパネルが研究開発した[4]。その SAR システムを搭載した小型必要である。

衛星は、小型 SAR 衛星群を運用して SAR 画像情報を高今後は、安全保障ミッションにも対応出来るサブメー度処理し販売するスタートアップの民間会社

トル級の地上分解能の全天候型準リアルタイム観測セSynspective により、2020 年以来合計３機の小型 SARンサー、及び高度３５０km 以下の超低高度軌道からの衛星が打ち上げられた[5]。

高分解能地球観測への需要が急速に高まると予想され現在運用中の小型 SAR 衛星では、図 1 に示すような、ている。

が利用されている。このアンテナは、展開後には 5mx0、7m になるアラミド紙ハニカムコア

(a)

(b)

図１(a) 開発済の 100kg 級小型 SAR 衛星のロケット収納状態(b)展開された 5mx0.7m のアンテナ
３．研究の方法と結果用いた。 比帯域 6.2%の広帯域化を実現するために二３－１

衛星搭載用の展開式平面 CFRP アンテナつの方法を取った。 i) 給電部、及び放射部導波管の上記の誘電体効果の問題、熱歪の問題への対策とし高さ b を規格導波管(WR-90、 b=10、16mm)よりも低くて、アンテナ全体を熱膨張率がアルミのほぼ 1/10 でb=5mm にして、スロット共振 Q 値を低く設定する。 ii)

ある炭素繊維強化プラスチック(CFRP)*3製にした 2

放射スロットの幅は、給電側からの距離に応じて 6～次元導波管スロットアレーアンテナの 1/4 部分にあた10mm として、スロット共振 Q 値を低くした。 終端部るサブパネル(350mmx350mm)を試作した[6-10]。これをに近い数個の強結合の放射スロットは、導波管軸から４枚組み合わせることで１枚のアンテナパネルが構成離れているため磁界の軸方向成分が支配的であり、幅できる。衛星からの SAR 観測の地上分解能を 0、5m と広のスロットでも交差偏波放射が抑圧される。

するために、 アンテナの周波数帯域は 600MHz とし、設計したアンテナの反射係数 S11 は周波数 9.3-9.9GHz

比帯域は 6、2%である。 中心周波数を 9、6GHz とする。

（周波数帯域 600MHz）においては-17dB 以下である。

アンテナの設計には電磁界解析ソフトウェア HFSS を

ピーク方向の開口効率は 9.7GHｚにおいて約 88%を達
2

薄型合成開口レーダー衛星を実現する展開型スロットアレーアンテナ
Deployable Slot Array Antenna for Quasi- Two Dimensional Radar成している。方向性利得の解析値は図４に実測値とと実際のアンテナ部材のめっき工程では、i)複雑な配置もに示されている。のめっき電極でのショート事故、 ii)めっき液の注入ホースの折れ曲がりによる注入量の不足、

３－２

CFRP アンテナ部材の試作iii)複雑なめっき治具の絶縁処置などの不具合が発生した。こ

前項までのアンテナ設計過程を経て、CFRP アンテナのため、めっき層を硝酸にて剥離し、２回目のめっきの部材製作を行った。図２は２次元スロットアレー(約処理を行った。しかし、めっき層の剥離処理がエポキ350x350mm、 14x14 アレー)の CFRP 製部材である。後シ樹脂に過酷すぎた結果、エポキシ表面層が溶解して、処理であるめっき厚みの予想値として 20um を考慮し表面が荒れて機械精度が失われ、更に炭素繊維がほつた製造寸法を設定した。仕上がり寸法精度は、中子寸れ出る状態となった。

法や機械加工で規定される部位は 0.05mm 以下である

炭素繊維のほつれを丹念に清掃するなどの措置を行っが、CFRP 積層の加圧工程で規定される CFRP 厚みの精たが、荒れた CFRP 表面にめっき処理が不完全にされ度は 0.1mm 程度である。放射スロットのある広い面積ている状態であり、表面の荒れ、めっき層の不均一、の放射面は加圧されにくいため、目標値より 0.2mm 厚炭素繊維の露出ほつれが部分的にみられる。

い出来上がりとなった。
YX

図３ めっき後の CFRP アンテナ.

図２ 試作したアンテナ CFRP 部材

３－４
３－３

X

CFRP アンテナの特性測定以上のようにして問題を抱えつつも試作した CFRP

CFRP アンテナのめっき処理

アンテナに対して、近傍界測定、遠方界計測と反射測本研究で当初から採用したＣＦＲＰアンテナのめっ定を実施した。図４には、遠方界計測によるピークアきでは、ンテナ利得値、近傍界計測による方向性利得の計測値、i)CFRP めっきのアンカー効果*4 のための表面粗しii)無電解ニッケルめっき*5、及び電磁界解析による方向性利得を周波数の関数としiii)無電解銅めっき、 iv)電解銅めっき*6、 v)電解て示した。近傍界計測からの方向性利得は、解析値か銀めっきというプロセスを用いた。電解めっきを複雑

ら約 2dB 程度劣化している。遠方界計測からのアンテ形状の CFRP アンテナに適用すると、i)電極を扁平なナ利得は、近傍界計測の方向性利得と比較して、約 2dB導波管(内径 5mmx20mm)に挿入する複雑さ、ii)めっきの劣化が見られる。

反応が数分で終了するため、新鮮なめっき液を強制的以上のアンテナ特性の劣化は、近傍界分布の乱れ、及に迷路構造に供給する必要性 があり、放電事故や流量びアンテナ内部に抵抗損失が発生しているためである。

不足などのワークマンシップ不具合を誘発しやすい。

CFRP めっき工程に伴う炭素繊維のほつれや炭素繊維エッチング処理、素地の抵抗損失がその原因と推測される。
3

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さまざまな表面状態を含む複雑形状の CFRP のめっき処理では、適切な表面粗し処理は単純なエッチング処理ではできないという事を意味している。この問題がいままで見過ごされてきたのは、CFRP へのめっき条件を探索する試験サンプルが、すべてほぼ均一な表面状態の物であった可能性がある。この問題は、今後に残された課題である。
４．将来展望今後の数１００機以上の小型衛星群ミッションには、ロケットフェアリングに多数機衛星を積み重ねて図４ アンテナの方向性利得の設計解析値(青)、近傍数 10 機の同時打ち上げが可能な、 薄型収納形状の衛界実測値（茶色）、及び遠方界アンテナ利得(薄星が必要であると予測されている. 米国 AeroSpace緑)の周波数依存性。青と灰色の直線は開口効

Corporation は、 CubeSat*7 よりも太陽パネルやアン率 100%、80%を示す。

テナの等 の開口 面積が必 要なミッ ション に適す る
disk 状の衛星 DiskSat を提案している[11、12]. 筆者
らの開発した展開式スロットアレーアンテナを用いた

３－５

CFRP めっき処理工程の課題

小型 SAR 衛星は、薄型収納形状に発展させることが可

この電解めっきの問題を改善するために、上記プロ能である。

セスをすべて無電解めっきで実施する改良を行った。

DiskSat のもう一つの特徴は、薄型の衛星であるた

CFRＰ平板と CFRP 導波管を試験サンプルとした。長さめ、空気抵抗力を小さくできる利点を生かして、250-400mm、 内径 20mmx10mm の CFRP 矩形導波管に全工程350km の低高度の軌道(VLEO、 very low earth orbit)を無電解めっきで処理することとした。電極、及び、に投入し電気推進を用いて軌道を維持することができめっき速度が遅いためめっき液をポンプで強制注入する。SAR 観測では、信号対雑音比(SNR)は、高度の 3 乗る必要がなくなり、めっき工程は非常に簡素になった。に逆比例するため、VLEO での運用は、非常に有利であ

しかし、めっきアンカー効果を高めるために行う表面る。薄型の DiskSat SAR 通常の 500-600km の軌道では粗しエッチング時間の設定は、CFRP 表面のエポキシ層地上分解能 3-1m、高度 350km 程度の VLEO では 1-0.25mの状態に敏感であることが問題となった。エッチングのＳＡＲ観測も可能性がある[13]。本年度後半から、時間が過少であるとめっきが CFRP 表面に食い込む程本研究の成果を活用した薄型の小型 SAR 衛星の開発プ度が不足し、過大であると CFRP 表面が荒れ炭素繊維ロジェクトに着手する予定である。

が露出状態になり、めっきがうまく乗らなくなる。こ図５は、提案する DiskSat の外形形状である。の現象は、本 CFRP アンテナで実施した電解めっき処理でも共通に起きていたと推測される。本 CFRP アン
テナのような複雑な形状の CFRP 製品では、形状や製法に応じて、プレプリグの種類や厚み、剥離フィルム使用の有無、CFRP 成型後の機械切削の有無により、CFRP 表面の炭素繊維の露出状態、エポキシ樹脂層の厚みが微妙に異なり、めっき処理に最適な表面エッチング時間が異なってくる。
この問題は、たとえ無電解めっき工程を採用しても、4

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ンテナとして動作させたスロットアレーアンテナを、多数アレー状に配置して全体として動作させるアンテナ。
*3 炭素繊維強化プラスチック(CFRP)
炭素繊維で樹脂を強化した複合材料であり、マトリックス（母材）にはエポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂が多く用いられる。軽量で高強度な特性を持ち、熱膨張率が非常に小さい。
*4 CFRP めっきのアンカー効果
絶縁物である CFRP のエポキシ樹脂にめっき処理を行うためには、最初に無電解めっきを行う必要がある。
図５

金属表面にめっきする場合では、金属結合によりめっ展開式平面スロットアレーアンテナを搭き層が金属母材に密着する。これに対して CFRP 表面載した薄型レーダー衛星 SAR DiskSat

い無電解めっきをする場合には、金属結合が生じないおわりにため、このままでは密着力が不足する。このため、ま小型衛星に搭載できる全天候型の地球センサーであず CFRP 表面を荒してその凹凸面に無電解めっきを施るマイクロ波合成開口レーダーに関して、サブメートし密着力を増すことを行う。この効果をアンカー効果

ル級の地上分解能に対応する形状安定性に優れた全と呼ぶ。

CFRP 製 SAR アンテナの研究を行った。複雑表面形状を*5 無電解めっき持つ CFRP アンテナの電解めっき処理で様々な技術的電解めっきとは異なり、通電による電子ではなく、困難に遭遇した結果、設計値より 4dB 劣化したアンテめっき液に含まれる還元剤の酸化によって放出されるナ利得が計測された。めっき工程が簡単な無電解めっ電子により、液に含浸することで被めっき物に金属皮きだけを用いる方法も試みて、部分的な改善を得た。

膜を析出させるめっきの一種である。電解めっきのよ引き続き CFRP へのめっき処理の問題の解決を継続しうに通電を必要としないため、素材の形状や種類にかていく。

かわらず均一な厚みの皮膜が得られ、プラスチックや本研究に用いている展開式スロットアレーアンテナは、セラミックスのような不導体にもめっき可能である。

薄型のレーダー衛星（SAR DiskSat）を可能にするもの*6 電解めっきである。令和 4 年度後半から、本研究の成果を生かし電流を使うめっき法であり、めっきしたい物質を含て、高分解能化が容易である高度 350ｋｍ程度の超低む溶液、溶融塩、または、固体電解質からその物質を高度軌道で、大気抵抗が小さい薄型レーダー衛星 SAR還元させ、電導性のある物体にその物質（金属など）

DiskSat 開発に着手する。の薄い層を形成させる。
*7 CubeSat

用語解説

10×10×10 cm サイズ（重量 1.33kg 以下）の形状の*1 合成開口レーダー(SAR)ユニットを単独もしくはつなぎ合わせた形状の超小型レーダーの一種で、航空機や人工衛星に搭載し、移な人工衛星である。ピギーバック衛星として打ち上げ動させることによって仮想的に大きな開口面（レーダられることを前提としており、打ち上げ費用を極力抑ーの直径）として働くレーダー。

えることができる。近年、多数の CubeSat が開発され、*2 スロットアレーアンテナ

打ち上げらえるようになり、共通化された各種の搭載導波管や平面平板などの導体で包まれた導波路や共機器が販売されえるようになり、宇宙開発の敷居を著振器の一部に複数のスロットを切り、それらを素子アしく下げる貢献をしている。
5薄型合成開口レーダー衛星を実現する展開型スロットアレーアンテナ
Deployable Slot Array Antenna for Quasi- Two Dimensional Radar

参考文献“ 小 型 SAR 衛 星 用 の 形 状 安 定 性 に 優 れ た 軽 量[1]齋藤宏文、 金岡充晃、"いつでもいどこでも宇宙か

CFRP 製展開パネルスロットアレイアンテナの開ら撮像ーリアルタイムアースイメージー、" 電子情発（その 2）”、 第６５回宇宙科学技術連合講演会

報通信学会誌 Vol.97、 No.7、、 pp.576-581、 電子

４D13、山形、オンライン開催、2021 年 11 月 9-12

情報通信学会、2014.

日[2] O. Antropov、 J. Praks、 M. Kauppinen、 P.

[9] 齋藤宏文、石村康生、廣川二郎、”小型衛星搭載のLaurila 、 V. Ignatenko and R. Modrzewski 、展開式並列給電スロットアレーアンテナによる高"Assessment of Operational Microsatellite Based

分解能、広域な SAR 観測の検討”電子情報通信学会

SAR for Earth Observation Applications、" 2018

宇宙航行エレクトロニクス研究会、旭川、2022 年

2nd URSI Atlantic Radio Science Meeting (AT-7 月 27-29 日RASC)、 Meloneras、 pp. 1-1、 2018.
[3][10] 齋藤宏文、石村康生、戸村崇、廣川二郎、 小型合

G. Farquharson、 W. Woods、 C. Stringham、

成開口レーダ衛星用の CFRP 製 2 次元スロットア

N. Sankarambadi and L. Riggi、 "The Capella

レーアンテナの試作、電子情報通信学会アンテナ電Synthetic Aperture Radar Constellation 、 "波伝搬研究会IGARSS

2022 年 12 月 15 日

2018

-2018

IEEEInternational

機械振興会館、及びオンライン併催、Geoscience and Remote Sensing Symposium 、Valencia、 pp. 1873-187、 2018.

関連文献[4] B. Pyne 、 Hirobumi Saito 、 Prilando Rizikiなし

Akbar、 Jiro Hirokawa、 Takashi Tomura、 andKoji Tanaka、 “Development and Performance

この研究は、令和元年度ＳＣＡＴ研究助成の対象としEvaluation of Small SAR System for 100-kgて採用され、令和２～３年度に実施されたものです。

Class Satellite、 “IEEE J. Selected Topics in Appl.
Earth Observation and Remote Sensing、 vol.13、p.3879、 2020.
[5] K. Orzel、 S. Fujimaru、 T. Obata、 T.Imaizumi、and M. Arai、 “The On-orbit Demonstration ofthe Small SAR Satellite. Initial Calibration andObservations、” 2022 IEEE Radar Conference、Mar. 2022.
[6]

齋藤宏文、石村康生、戸村崇、広川二郎、田中孝治、”小型 SAR 衛星用の形状安定性に優れた 軽量
CFRP 製展開パネルスロットアレイアンテナの開発（その１）”。

2L12。

第 64 回宇宙科学技術連合講演会、2020 年 10 月 27―31 日[7] 齋藤宏文、石村康生、戸村崇、廣川二郎、田中孝治“小型 SAR 衛星用の形状安定性に優れた CFRP 製展開パネルスットアレーアンテナの開発”電子情報通信学会アンテナ電波伝搬研究会 AP2021-1、オンライン開催、2021 年 4 月 16 日
[8] 齋藤宏文、広川二郎、戸村崇、石村康生、田中孝治、
6