無線システムの進展の基盤となるアンテナ・伝搬技術論文特集

招待論文

JEM/SMILES 用サブミリ波アンテナ・受信機光学系
真鍋 武嗣† a)

西堀 俊幸††

瀬田 益道††††

大嶺 裕幸†††††

菊池 健一†††

落合啓†††

Submillimeter-Wave Antenna and Receiver Optics for JEM/SMILES
Takeshi MANABE†a) , Toshiyuki NISHIBORI†† , Ken-ichi KIKUCHI††† ,Satoshi OCHIAI††† , Masumichi SETA†††† , and Hiroyuki OHMINE†††††
あらまし 超伝導サブミリ波リム放射サウンダ (SMILES) は，成層圏のオゾン及びオゾン破壊に関連する微量成分分子の放射する 640 GHz 帯のサブミリ波を観測するヘテロダイン分光放射計であり，2009 年 9 月に国際
宇宙ステーション日本実験棟「きぼう」の船外実験プラットホームに取り付けられて，約半年間にわたって成層
圏大気の観測を行った．本論文では，SMILES のサブミリ波アンテナ・受信機光学系について，その構成と機能の概要，及び，SMILES の大気観測性能を決定する重要な設計要素である，熱膨張に対する相似変形を取り入れたアンテナ鏡面とビーム伝送系の設計コンセプト，定在波抑圧のための設計，外部雑音に対する電磁適合性設計などの設計と，それらによって得られた性能の概要について紹介する．
キーワード

サブミリ波アンテナ，リム放射サウンダ，オフセットカセグレンアンテナ，準光学ビーム伝送系にはなったが，オゾン層が以前の状態に戻るのは今世

1. ま え が き

紀の中頃以降と予測されている．

1980 年代中頃に南極上空のオゾンホールが観測さ超伝導サブミリ波リム放射サウンダ (Superconduct-

れて以来，成層圏オゾン層の破壊は地球規模の環境問

ing Submillimeter-Wave Limb-Emission Sounder:

題となっている [1]．成層圏オゾン破壊には一酸化塩素

SMILES) は，機械式冷凍機によって極低温に冷却し(ClO)，塩化水素 (HCl)，一酸化臭素 (BrO) などの大た超伝導サブミリ波検出器により，成層圏のオゾン及気微量分子が関与していることが知られており，これびオゾン破壊に関連する微量分子の放射する 640 GHz

らの源となるフロンやハロンなどの化学物質の生産や帯サブミリ波を計測する地球大気観測センサであり，排出が国際条約に基づく議定書などで規制されるよう2009 年 9 月に H-IIB ロケットにより打ち上げられ，
国際宇宙ステーション (International Space Station:†

大阪府立大学大学院工学研究科航空宇宙工学分野，堺市
Department of Aerospace Engineering, Graduate Schoolof Engineering, Osaka Prefecture University, 1–1 Gakuencho, Naka-ku, Sakai-shi, 599–8531 Japan††

2–1–1 Sengen,Tsukuba-shi, 305–8505 Japan†††

的は，絶対温度 4 K 級の極低温冷凍機の宇宙軌道上で情報通信研究機構，小金井市
National Institute of Information and Communications

機による軌道上からの成層圏大気観測の世界に先駆け

8795 Japanた実証であり，従来の観測では困難であった成層圏微筑波大学，つくば市

量成分分子のグローバルな分布や日周変動などの高精University of Tsukuba, 1–1–1 Tennodai, Tsukuba-shi,

度な観測による大気化学過程の解明とオゾン層の将来

305–8577 Japan†††††れた後，2009 年 10 月から約半年間にわたって軌道上の技術実証と，それにより冷却されたサブミリ波受信Technology, 4–2–1 Nukui-kitamachi, Koganei-shi, 184–††††

Module: JEM) 船外実験プラットホームに取り付けらからの観測を行った [2], [3]．SMILES ミッションの目

宇宙航空研究開発機構，つくば市
Japan Aerospace Exploration Agency,ISS) の日本実験棟「きぼう」(Japanese Experiment

予測への貢献などが期待されている．

三菱電機，鎌倉市
Mitsubishi Electric Corporation, Kamakura-shi, 247–8520
Japana) E-mail: manabe@ieee.org

990

電子情報通信学会論文誌

SMILES では，高度 10〜60 km の成層圏大気の高度分布を高い高度分解能で観測するために，高度約c 一般社団法人電子情報通信学会 2012
B Vol. J95–B No. 9 pp. 990–1002 

招待論文／JEM/SMILES 用サブミリ波アンテナ・受信機光学系

400 km の ISS 軌道上から地球周縁を接線方向から観測するリム放射観測 [2] という手法を用いている．この手法では，軌道上から成層圏大気の接線方向に鋭い

2. SMILES サブミリ波アンテナ・受信機
光学系の構成アンテナビームを指向させて約 2000 km 先に位置する

SMILES のサブミリ波アンテナ・受信機光学系の接線高度を走査することにより，この付近の大気が放概略の構成を図 1 に示す．サブミリ波アンテナ・受射する微弱な 640 GHz 帯のサブミリ波の放射輝度を信機光学系は，主鏡・副鏡部 (REF)，ビーム伝送系

超伝導技術を用いた受信機により高度分解能 3〜4 km(TRN)，常温光学系 (AOPT)，冷却光学系 (COPT)

で超高感度に観測する．SMILES の観測システムの全に大別される．

体の概要については文献 [2]〜[4] などを参照されたい．

REF と TRN は，SMILES のペイロード構体パネ

サブミリ波アンテナ・受信機光学系は，SMILES

ルの外に配置され，オフセットカセグレン・アンテナのサブミリ波受信機システムの中で，成層圏大気かを構成する主鏡・副鏡に入射したサブミリ波放射を，らの 640 GHz 帯の放射をアンテナで受信し，受信しRM1〜RM4 の 4 枚の鏡面から構成される準光学集束

た信号を受信機のフロントエンド初段の超伝導 SIS

ビーム伝送系を通して構体内部へ低損失に導く部分で(superconductor-insulator-superconductor) ミ ク サあり，主鏡・副鏡，RM1 鏡を回転駆動してアンテナ[26]（以下では SIS ミクサと呼ぶ）へ低損失で準光ビームを仰角方向に走査することにより観測大気の接学的に導く部分であり，観測接線高度のポインティン

線高度を走査する．AOPT は，構体パネルを貫通する

グや，高度分解能のみならず，雑音特性やサイドバン

コルゲート導波管 (BBH) を通して入射したビームに，

ド分離特性などを通して微量分子の検出感度に影響す

ヘテロダイン受信のための局部発振信号の結合とサる．このため SMILES の観測性能に大きな影響を及

イドバンド分離を施して，COPT に導く部分である．

ぼす部分であり，観測要求条件を満たすためには，鋭COPT は，冷却受信機系を極低温に冷却するためにクい指向性と高いビーム効率，低サイドローブ特性，低ライオスタットと呼ばれる断熱真空冷却容器 [5], [6] に損失特性が要求されるのはもちろんであるが，これら収容されており，上下の側波帯に偏波分離された入射をペイロード内の限られた空間と重量制限と，ISS の

信号を SIS ミクサ (SMX) の給電ホーンに導く部分で軌道上における厳しい温度条件や外来雑音に対する電ある．なお，AOPT 入口の BBH は，後述のように，磁適合性などの環境条件のもとで実現する必要がある．

サブミリ波観測信号を低損失で構体内に導きつつマイ

具体的には，厳しい温度環境に対しては相似変形を

クロ波帯以下の外来雑音を遮断するために設けられて取り入れた新たな設計コンセプトの導入によりアンテナ特性の温度変動を抑える設計とした．一方，外来雑音に対しては，準光学集束ビーム伝送系の途中で，いったん，マイクロ波帯を遮断するコルゲート導波管
モードに変換することにより対策したが，これにより，
準光学ビーム伝送系は複雑な構成となっている．このような複雑な準光学ビーム伝送系を構成するコンポー
ネント間の反射により定在波が生じると大気観測スペ
クトルにリプルが重畳するため，定在波の抑圧が観測性能を左右する重要な設計課題となる．
本論文では，SMILES のアンテナ・受信機光学系の全体の構成と各部の機能と設計の概要について，特にその設計を特徴づけている，相似変形を取り入れたア
ンテナ鏡面とビーム伝送系の設計，定在波抑圧設計，
電磁適合性 (EMC) 設計などに重点を置いて述べる．

図 1 SMILES サブミリ波アンテナ・受信機光学系の構成．
REF：主鏡・副鏡部，TRN：ビーム伝送系，BBH：
プロファイル付きコルゲート導波管，AOPT：常温光学系，COPT：冷却光学系，MR：主鏡，SR：
副鏡，RM1〜6：反射鏡（常温）．CM1〜2：反射鏡（極低温），WG1〜WG3 及び CG：ワイヤグリッド，
SLO：サブミリ波局部発振器，SMI：サブミリ波アイ
ソレータ，SMX(T), SMX(R)：超伝導 SIS ミクサ．
Fig. 1 Conﬁguration of submillimeter-wave antenna
and receiver optics.

991

電子情報通信学会論文誌 2012/9 Vol. J95–B No. 9

いるものである．このように，SMILES サブミリ波ア
ンテナ・受信機光学系は，構体外部のアンテナ主鏡に入射したサブミリ波放射を構体内部のクライオスタット内の SIS ミクサホーンまで導くために，SIS ミクサ
ホーンを一次放射器と見た場合，主鏡と一次放射器の間に 13 枚の鏡面を有する非常に複雑な準光学ビーム
給電系となっている．
サブミリ波アンテナ・受信機光学系には，図 1 には煩雑さを避けるために示していないが，常温校正用
雑音源 (CHL) を有しており，TRN の RM1-RM2 間に設けたスイッチング鏡（平面鏡）により，アンテナの一走査周期 (53 s) ごとにビームを CHL 側に切り換

図 2 主鏡・副鏡部 (REF) とビーム伝送系 (TRN) の概観
Fig. 2 Conﬁguration of main and sub reﬂectors andbeam transfer section.

えることにより観測大気放射の輝度の常温校正を行う機能を有している [7], [8]．また，これも図 1 には示し

RM2，回転双曲面鏡の RM3，平面鏡の RM1, RM4ていないが，口径約 50 mm のオフセットパラボラ鏡の 4 枚の鏡面から構成される．RM1〜RM2 の光軸をからなるコールドスカイ終端器 (cold-sky terminator:

回転軸として主鏡，副鏡，RM1 を駆動するナスミス

CST) が構体パネル外側のアンテナ側に設置されてお焦点構成とすることで，高度方向のビーム走査を行っ

り，AOPT 側からもう一本の BBH を介して取り出さても放射性能の変化しない構成となっている [13]．主れたサイドバンド分離によるイメージ周波数帯を，天鏡・副鏡部とビーム伝送系の概観を図 2 に示す．ビー

頂方向の深宇宙に終端している [8], [9]．
以下，3.，4.，5. でそれぞれ REF と TRN, AOPT,

COPT の設計と性能の概要を述べた後，大気観測性能

ム効率の劣化とサイドローブの上昇を抑えるために，

RM1〜RM4 のエッジレベルは −50 dB 以下，副鏡・主鏡のエッジレベルは −30 dB とした．

に重大な影響を及ぼす，外部電磁環境に対する EMC

3. 2 相似変形を取り入れた熱構造設計

設計，及び定在波抑圧設計の詳細について 6.，7. で主鏡・副鏡部とビーム伝送系はペイロード構体パネ

述べる．

3. 主鏡・副鏡部 (REF) とビーム伝送系(TRN)

ルの外側に宇宙空間に直面して設置されるため，高低差 150 ◦ C にも及ぶ厳しい温度環境に曝される，サブミリ波帯においては，このような環境の中でのアンテ
ナ鏡面や構造部材の熱変形は，放射パターン，ビーム

3. 1 鏡 面 構 成

効率，ビームポインティング等の電気性能の大きな劣SMILES のリム放射観測では，2000 km 先の成層圏化を引き起こす可能性がある．

大気接線高度において 3〜4 km の高度分解能で観測す

このような熱変形に対する対策として，炭素繊維強るため，アンテナの放射特性には，−20 dB 以下の低化プラスチック (CFRP) 等の低熱膨張材料の使用もいサイドローブ特性と 90 %以上の高いビーム効率が要考えられるが，SMILES は ISS の安全・信頼性要求

求されている．これらの要求条件を，ペイロード・エと開発コストの関係で，アンテナ鏡面をアルミ合金でンベロープ内の狭小なスペースと厳しい重量制限のも製作する選択を行った．しかし，上記のようにアンテとで実現するために，主鏡面形状を仰角方向を長軸とナ鏡面とビーム伝送系の熱変形は避けられない．そこする 400 mm×200 mm の楕円開口とし，副鏡によるで，熱変形の内，アンテナ系全体の熱による規則的な

ブロッキングの生じないオフセット・カセグレン方式

変形（相似変形）を許容する新たな設計手法を導入しとすることにより，仰角方向 0.09◦ , 方位方向 0.18◦ のた [14]．すなわち，鏡面のみならず，アンテナ支持構

半値幅の楕円ビームを −30 dB 以下の低サイドローブ

造も含めたアンテナ系全体の構造部材を同一の合金でで形成している．また，主鏡と副鏡は，幾何光学的な製作することにより，これらが一様に温度変化した場

交差偏波消去条件を満たす設計とし [10], [11]，楕円率合に，全体の系が温度変化に比例して基準点を中心との大きい楕円形状の主鏡面を照射するための鏡面修整

して相似的な熱変形を生じるように設計し，これを許を施してある [12]．ビーム伝送系は，回転楕円面鏡の容するものである．SMILES では，アンテナ鏡面のみ992

招待論文／JEM/SMILES 用サブミリ波アンテナ・受信機光学系

アンテナ系の熱変形のアンテナの仰角放射パターンへの影響 [14]．
Fig. 3 Eﬀects of thermal deformation on the antenna
elevation radiation pattern [14].

図 4 遠方界仰角カット面パターン [16]．実線はフェーズ
リトリーバルによる実測結果，点線は物理光学 + 物
理光学的回折理論による計算結果．
Fig. 4 Far-ﬁeld elevation-cut pattern [16]. Solid curve:
result of phase retrieval measurement, dottedcurve: result of PO and PTD calculations.

ならず駆動系と支持構造を含めた全体（駆動軸のベアと 1 μm (rms) のホーニング（サンドブラスト）加工

リングを除く）を同一なアルミ合金で製作し，副鏡焦を行っている．ホーニング加工により鏡面の面粗度を点を中心として相似的に膨張・収縮させる構造とする

悪くしているのは，サブミリ波に対する反射率を保っことにより，鏡面開口径の膨張・収縮による極微小なたまま可視光に対して光学的に粗面とすることにより

図3◦

ビーム幅の変化（150 C の温度変化でも 0.4 %以内）

太陽光の熱放射が受信機内部へ流入するのを阻止するはあるが，ビーム効率やビームポインティングへの影ためである．

響を極力抑える設計とした．また，鏡面を熱伝導率が3. 4 地上試験結果

良いアルミ合金とすることで，鏡面内の温度分布を少アンテナ系の開発では ISS 搭載のための環境試験のなくすることができ，鏡面の局所的な熱変形による性

ほかに，1) 焦点位置確認試験（温度変動によるアンテ

能劣化を抑制することも可能になる．

ナ系の相似変形の確認），2) サブミリ波近傍界測定試

図 3 は，軌道上で予測される最高温度 (+85 ◦ C) 及験（利得，ビーム幅，ビーム効率，サイドローブレベ

び最低温度 (−70 ◦ C) についての REF 及び TRN のル，ポインティングの確認）[15]，3) サブミリ波近傍界

全体構造の熱構造変形解析の結果に基づいて遠方界仰フェーズリトリーバル法による遠方界の推定（サブミ角パターンの変化の計算結果を示したものである．こリ波受信機とアンテナ系を結合した状態でのアンテナの計算の結果，ビーム効率の劣化は 1 %以下であり，光学系の総合性能の確認）[16], [17] を実施した．この放射パターンに及ぼす影響が十分小さいことを確認し

内，焦点位置確認試験では，主鏡に残した 17 箇所の研ている [14]．

磨面を使用して，レーザ平行光を主鏡に入射させ，焦3. 3 鏡面材料と鏡面精度

点位置前後に設置した CCD により，常温から 81 ◦ C

反射鏡は全てアルミ合金（超々ジュラルミン：7075-までの変化で焦点位置の移動が熱解析値の予測範囲内

T7351）で製造し，鏡面の鏡面精度と同時に鏡面粗であることを確認した．2)，3) の詳細については引用

度を製造管理した．グレーティングローブの発生を文献を参照されたい．

−40 dB 以下のレベルまで抑えるため，鏡面に波長の図 4 は，SMILES アンテナ系のフライトモデルの

1/2 以上の周期性ひずみが生じない加工方法を採用し，遠方界仰角放射パターンを近傍界フェーズリトリーバ

主鏡の鏡面精度は 5 μm (rms) 以下，鏡面粗度は 1 μm

ル法により推定した結果を，主鏡・副鏡面の鏡面誤差(rms) 以下で製作した．表面処理については，サブミの三次元測定機による測定データに基づいて物理光学

リ波の反射率を 99 %以上になるように設計し，主鏡と(PO) と物理光学的回折理論 (PTD) を用いて計算しCST の鏡面については厚さ 5 μm の陽極酸化皮膜処理た結果を比較して示したものである [16]．これらの測993

電子情報通信学会論文誌 2012/9 Vol. J95–B No. 9の間に設置したワイヤグリッド (WG1) を介して，アンテナ側からの入射ビームに重畳される．

4. 1 サイドバンド分離
SMILES で は ，約 24 GHz 離 れ た ，下 側 波 帯(624.32 GHz〜626.32 GHz) と上側波帯 (649.12 GHz〜650.32 GHz) を，単一の局部発振信号 (637.32 GHz)を用いて，2 台の SIS ミクサにより同時に単側波帯(single sideband: SSB) 受信し，第一中間周波数帯（11 GHz〜13 GHz 及び 11.8 GHz〜13 GHz）に変換
する．サイドバンド分離には，ミクサと導波管回路のFig. 5図 5 常温光学系 (AOPT)
Ambient Temperature Optics (AOPT).

組み合わせにより二つのサイドバンドを分離するサ
イドバンド分離ミクサ (2SB) 方式 [21] などもあるが，SMILES では，サブミリ波アンテナにより受信された信号をサブミリ波 SIS ミクサにより第一中間周波数帯定の結果，仰角方向 0.089 ◦ , 方位角方向 0.173 ◦ の半に変換する前に AOPT において，準光学的なサイド

値幅の楕円ビームで，ビーム効率（半値幅の 2.5 倍のバンド分離器 (sideband separator) により，上下の側領域で定義）94.1 %，サイドローブレベル −30 dB 以

波帯にサイドバンド分離する．

下の性能が実現できていることを確認している．

サブミリ波帯における準光学的サイドバンド分離

4. 常温光学系 (AOPT)

器としては，従来，2 光路型偏波干渉計の一種である

AOPT は，サブミリ波アイソレータ (SMI)，サブいるが，SMILES では，後に 7. 4 で述べる定在波抑Martin-Puplett 型干渉計 [22], [23] がよく用いられて

ミリ波局部発振器 (SLO)，サイドバンド分離器と，こ圧のための低後方反射特性のほか，機械的精度の実現

れらのコンポーネントの間を準光学集束ビーム伝送系

容易性，設計の自由度などの観点から，図 6 に示すで結合するための集束鏡，平面鏡，ワイヤグリッド，

ような新しいタイプのサイドバンド分離器を提案してTRN 及び CST からのビームを結合するための入力用いている [24]．このサイドバンド分離器は，平面反ポートである 2 本のプロファイル付き円筒コルゲート

射鏡の前面に平行に間隔を空けてワイヤグリッドを配導波管 [18]（SMILES ではこれを Back-to-Back Horn

した周波数選択偏波器 (frequency selective polarizer:(BBH) と呼んでいる [19], [20]）から構成される．常FSP) を 2 組，図 6 (a) のように配置したものであり，

温光学系は，冷却光学系を収容するクライオスタット

2 組の FSP の反射鏡とワイヤグリッドの間隔をそれぞと一体となって外部の電磁環境に対してシールド構造

れ適切に設定することにより，入射側の 45◦ ワイヤグとするため導電性チューブによって密閉されたアルミ

リッド（図 5 の WG1）を通過して入射する直線偏波のケースに収容されている．図 5 はケースの蓋を取りに対して，上側波帯と下側波帯を互いに直交する 2 直外して見た内部の写真である．

線偏波に変換して出力するものである．ヘテロダイン

アンテナ側から入射した準光学ビームはオーバーサ

検波により発生するイメージ周波数帯は，受信機側かイズのコルゲート導波管である BBH でいったん導波

ら見たときに入射側の 45◦ ワイヤグリッド WG1 及び管モードに変換されたのち，AOPT 側の BBH 開口

WG3 により反射された後 CST 側の BBH を通して物で再び準光学ビームに変換され，SMI を経て，サイド

理温度 2.7 K の深宇宙に終端されることにより，入力バンド分離器に導かれる．ここで，入射ビームは，そ雑音を抑圧している．

れぞれ上側波帯と下側波帯に対応した直交した 2 直

図 7 は，SMILES サブミリ波受信機系のフライト

線偏波に分離され，冷却光学系に導かれる．一方，ヘモデル地上試験で取得された，観測上側波帯に対するテロダイン受信のための局部発振信号は，AOPT 内

下側波帯イメージのイメージ抑圧比の実測結果であり，に設置したサブミリ波局部発振器において位相同期

SMILES 観測上側波数帯 (649.12 GHz〜650.32 GHz)

Gunn 発振器の 100 GHz 帯出力を 6 逓倍して得られの全域で 20 dB 以上のイメージ抑圧比がサイドバンド

る 637.32 GHz の信号を，SMI とサイドバンド分離器

分離により得られていることが分かる．

994

招待論文／JEM/SMILES 用サブミリ波アンテナ・受信機光学系

図 7(a) 概念図

上側波帯観測スペクトルへ下側波帯イメージのイ
メージ抑圧比の受信機フライトモデルでの実測結果．
下の周波数軸はスペクトル観測周波数，上の周波数
軸はイメージ帯の周波数
Fig. 7 Image rejection ratio of the upper-sideband
image to the lower-sideband measured for theﬂight model.

経て深宇宙に終端され，残りの 5 %がサブミリ波局部
発振器の出力ホーンに終端されることになり，局部発振信号の結合によるイメージ帯への付加雑音は，サブ
ミリ波局部発振器から放射される雑音の輝度温度を300 K 程度とした場合，15 K 程度に抑えることができる．
(b) 外観図6
Fig. 6

サイドバンド分離器
Sideband separator.

SIS ミクサ 1 台当りに必要とされる局部発振入力信号は，0.6 μW 程度であるため，サブミリ波局部発振器の出力の 5 %のみがミクサに向かう準光学ビームに結合されることを考慮すると，2 台の SIS ミクサを駆動

4. 2 局部発振信号の準光学的結合するためにはサブミリ波局部発振器出力信号は 24 μW

更に，SMILES のサイドバンド分離器では SIS ミク(= 0.6 μW ÷ 0.05 × 2) 程度以上必要となる．このため，

サへ供給するための局部発振信号の分配も担っている．

SMILES ではコマンドにより出力を 4 μW〜40 μW で

入力側の 45◦ ワイヤグリッド WG1 を介して CST 側

調整可能なサブミリ波局部発振器を用いている．

のポートからサブミリ波局部発振器出力を入射ビーム

局部発振周波数の変動は大気観測スペクトルの周波に準光学的に重畳することにより，冷却光学系に設置

数決定精度を劣化させる大きな要因となるため，後段した SIS ミクサに供給を行うが，この際に，上側波帯の電波分光計の周波数分解能（約 0.8 MHz）より十分と下側波帯に対応した直交 2 偏波の透過特性のクロス良い必要があり，SMILES の局部発振信号の周波数安オーバ周波数を局部発振周波数 637.32 GHz に設定す

定度は，Gunn 発振器の位相同期回路により −10 ◦ C〜

ることにより，1 台のサブミリ波局部発振器からの出40 ◦ C の温度範囲で 2 × 10−8 以内に保たれている．

力を，2 台の SIS ミクサによるヘテロダイン受信のための局部発振信号として等分に供給する [25]．ここで，

5. 冷却光学系

ワイヤグリッド WG2 と WG3 の WG1 に対する相対

SIS ミクサ [26] は，クライオスタット内の，4 K レ

的な偏波角度を調整することによりサブミリ波局部発

ベルの極低温に冷却される冷却ステージ上に配置され振器の出力の 5 %のみを COPT に向かう準光学ビー

る [5], [6]．常温光学系を通過したサブミリ波信号は，ムに結合させている．これにより，WG1 から CST 側

クライオスタットと外界とを隔てる真空窓と放射によ

ポートをのぞむ準光学ビームの電力の 95 %が CST をる熱流入を抑制する赤外窓，及び冷却ステージ上の光995

電子情報通信学会論文誌 2012/9 Vol. J95–B No. 9

学系を経て，SIS ミクサのコルゲートホーンへと導かれる．
真空窓は 500 μm 厚の PFA (perﬂuoroalkoxy ﬂu-に戻すことにより，これを実現している [30]．

7. 定在波抑圧設計

orocarbon) フィル ム ，赤 外 窓 は 3 層 の 200 μm 厚

SMILES のようなごく微弱なスペクトルを検出するの多孔質 PTFE (poly-tetraﬂuoroethylene) フィルム

分光放射計において，アンテナの準光学ビーム給電系

R(Zitex-G108) [27] で構成されている．これらのフィのコンポーネント間の反射により定在波が生じると，

ルムは反射による定在波の発生を抑制するために法線

これにより観測されるスペクトルの周波数軸上にリプ方向がビーム軸に対して 3◦ の角度をなすように取りルが重畳し微弱なスペクトルの検出感度を著しく劣化付けられている．SMILES 観測周波数帯のサブミリ波させる [31]．SMILES のアンテナ準光学ビーム給電系

信号に対する損失は，真空窓は 0.14 dB 以下，赤外窓を構成するコンポーネントのうち，アンテナ主鏡・副は 3 層合計で 0.1 dB 以下である．

鏡を含む全ての収束鏡，平面鏡，ワイヤグリッドはそ

冷却ステージ上にはワイヤグリッドが設置されていれぞれの法線をビーム軸に対して傾けたオフセット構る．常温光学系のサイドバンド分離器により偏波分離

成とすることにより原理的に後方反射が生じないようされた信号のうち上側波帯はワイヤグリッドに反射さに設計されているが，BBH 開口，CHL 終端，SIS ミ

れ，下側波帯はワイヤグリッドを通過し，それぞれ独クサホーン開口，SLO ホーン開口については，その動立した 2 台の SIS ミクサに導かれ，そこで常温光学系

作原理上の制約からビーム軸に正対させて配置せざるにおいて準光学的に重畳された局部発振信号と乗積検を得ず，大きな定在波発生を発生させる可能性がある．

波することにより 11 GHz〜13 GHz 帯の第一中間周

SMILES の準光学系におけるこのような定在波が大気波信号に変換される．

観測に及ぼす影響の詳細については付録 1 に記した．

6. EMC 設計

付録の議論から，SMILES の受信機の校正周期 (53 s)
内の温度安定度が 0.5 K 以内，SIS ミクサホーンの反SMILES の受信機は，サブミリ波帯の大気放射スペ

射損を 10 dB 以上とし，準光学系における付加雑音

クトルに含まれる輝度温度 0.5 K 以下のごく微弱な微量が 50 K 以内と仮定した場合，BBH 及び CHL にはそ

成分分子スペクトルをもマイクロ波帯にダウンコンバー

れぞれ 50 dB 及び 60 dB 以上の反射損が要求される．

トして検出するが，このとき第一 (11 GHz〜13 GHz)，

これを実現するために，BBH を含む常温光学系及び第二 (1.55 GHz〜2.75 GHz) 中間周波数帯及び前者

CHL についてそれぞれ以下のような設計を施した．

のイメージ周波数帯 (6.7 GHz〜7.9 GHz, 16.1 GHz〜

7. 1 BBH 開口

17.3 GHz) に外部の妨害電磁波の混入があると微弱なBBH の AOPT 側開口端は，AOPT 側から見た場

スペクトルの観測が困難となる．そこで，受信機内部

合，SIS ミクサホーンからの準光学ビームモードと機器の放射イミュニティ測定結果と ISS における電界

BBH の導波管モードがインタフェースする部分であ

放射感受性 (RS03) 基準 [28] から，冷却受信機系を極り，この二つのビームモードの整合が不完全な場合に低温に保持するクライオスタットと常温光学系のケーは大きな反射の生じる可能性のある部分である．そこ

スを一体とした構造と SMILES 受信機全体を囲う構で，結像集束ビーム給電 (imaging beam-waveguide

体とで 2 重のシールド構造とすることにより，冷却受

feed) の概念 [32]〜[34] を用いて，SIS ミクサホーン

信機内部と外部の間に 0.2 GHz〜26.5 GHz においての HE11 モードの BBH 開口端面における幾何光学的

54 dB のシールドを確保する設計となっている [29]．

なイメージを BBH 開口の HE11 モードと整合させる

このため，アンテナに入射したサブミリ波放射をク

ように，AOPT 内の準光学ビーム伝送系を設計した．

ライオスタット内の SIS ミクサホーンに導く準光学

これにより，BBH と SIS ミクサホーンの間に近似的

ビーム伝送系においても観測周波数帯のサブミリ波はに周波数に依存しない光学系を形成することができ，

通過させつつ 26.5 GHz 以下の周波数を遮断すること

SMILES の観測全帯域幅 (26 GHz) でビームモードのが求められる．SMILES では準光学ビーム伝送系が構不整合による反射を大幅に軽減することができる．

体パネルを通過する際にいったん，導波管モードに変

図 8 は，BBH 開口端における，SIS ミクサホーン

換して，遮断周波数 30 GHz の BBH により構体壁をからの直線偏波ビームの反射係数を BBH 機械軸から通過させた後，構体内の AOPT で再び準光学ビームのビーム軸の横ずれ依存性を，ベクトルネットワーク

996

招待論文／JEM/SMILES 用サブミリ波アンテナ・受信機光学系

波に対して 65 dB 以上の反射損失を，小型軽量な構造で実現している [7]．

7. 4 サイドバンド分離器
サブミリ波帯のヘテロダイン分光放射計において上側波帯と下側波帯のサイドバンド分離を準光学的に行う場合，ルーフトップミラーとワイヤグリッドを組み合わせた従来型の Martin-Puplett 型干渉計 [22], [23]が用いられることが多いが，この型のサイドバンド分離器を用いた場合，ワイヤグリッドのリークによる後方反射を完全に抑圧することはできず受信機の定在波
図 8 リフレクトメータによって測定された BBH の反射による干渉パターンの入射ビーム軸の横ずれ依存性（細線）と，それから求めた BBH の反射係数 (S11 )（太線）[20]．
（測定偏波は直線偏波．
）
Fig. 8 Interference fringe caused by the reﬂection
from BBH measured by a reﬂectometry (thincurve) and the refection coeﬃcient (S11 )(thick curve) for linear polarization [20].

発生の大きな要因となっていた．SMILES ではこのようなサイドバンド分離器による定在波の発生を避けるために，4. 1 で述べた二つの FSP を組み合わせたサイドバンド分離器を新たに開発して用いている [24]．
このサイドバンド分離器はその構造により原理的に後方反射は生じないので [24]，これによる定在波の発生をほぼ完全に抑えることができる．

7. 5 ビームクリアランス
アナライザを用いたリフレクトメータ法により実測し以上に加えて，常温光学系を構成する平面反射鏡，た結果を示したものである [20]．この図より光学系の収束鏡，ワイヤグリッド等の全ての準光学コンポ―ネ

ミスアラインメントによる BBH 開口端でのビームのントについて Gaussian 基本モードで −40 dB 以上の横ずれが 1 mm 以内であれば直線偏波に対する反射損

ビームクリアランス（各光学コンポーネントにおいては 60 dB 以上確保できていることが分かる．

Gaussian 基本モード換算でビーム中心から −40 dB

7. 2 サブミリ波アイソレータ (SMI)

以上の大きさの開口を確保していること）を確保する

SMILES の常温光学系においてはこれに加えて更にことにより，不要な反射の低減を図っている [30]．

反射波抑圧するために，BBH とサイドバンド分離器の間に SMI を挿入している．SMI は，サイドバンド

8. 軌道上性能

分離器で用いているものと同様の構造の FSP におい

SMILES は 2009 年 10 月から 2010 年 4 月まで ISSて，ワイヤグリッドによる反射波と反射鏡による反射の軌道上から地球大気観測を行った [2]．観測した地波の光路差を 1/4 波長に設定した 1/4 波長板 [35] で球大気のリム放射スペクトルの一例を図 9 に示す．

あり，サイドバンド分離器側の直線偏波の向きに対し

SMILES では 0.5 s ごとに接線高度（主鏡ポインティてワイヤグリッドの向きを 45◦ 傾けて，BBH 側を円

ングによる観測視線の海抜高度が最小になる点の高偏波（右旋）で給電することにより反射波を抑圧する

度 [4]) を約 2 km ずつ変えながらスペクトルを取得しものである．SMILES では入射角を 32.62◦ ，グリッドている．図 9 は，見やすいように間引いていくつかのと反射鏡の間隔を 65 μm とすることにより，SMI 単

接線高度のスペクトルを表示した．このときの受信機

体で 624 GHz〜651 GHz の SMILES の観測周波数帯

雑音温度は 333 K 程度，分光計の 1 チャネルの雑音帯の全域で 25 dB 以上の反射波抑圧 (S11 ) 特性を実現し域幅は 2.2 MHz 程度であったので，無信号時のラジている．このため，SMILES では，入射する大気放射

オメータ雑音は約 0.33 K と計算されるが，取得したのうち右旋円偏波成分を観測していることになる．

スペクトルの雑音（図 9 中の拡大図に ΔT で示した）

7. 3 常温校正用雑音源 (CHL)

は，ほぼそれに近い．このラジオメータ雑音に対し

CHL については，直交する 2 直線偏波に対してそて，大気中のオゾン (O3 ), 塩化水素 (HCl)，一酸化塩

れぞれ Brewster 角入射となる 2 枚の鏡面反射平面吸素 (ClO) の放射輝線スペクトルは，微弱な ClO でも収体と終端吸収体によって構成される新しいタイプの

数 K 程度以上あり，これらの分子の高度分布推定に必

サブミリ波常温校正源を用いることにより，任意の偏要とされるより十分高い信号対雑音比で得られている．
997

電子情報通信学会論文誌 2012/9 Vol. J95–B No. 9に抑えられて初めて明瞭に検出できるものである．

9. む す び
本論文では，国際宇宙ステーション日本実験棟「きぼう」船外実験プラットホーム搭載超伝導サブミリ波
リム放射サウンダ (JEM/SMILES) のサブミリ波アン
テナ・受信機光学系の設計と性能について，特にその設計を特徴づけている，相似変形を取り入れた熱構造
設計，定在波抑圧設計，外来雑音に対する EMC 設計などに重点を置いて述べた．これらのうち特に，定在波抑圧設計と EMC 設計は，大気微量成分分子の微弱(a)な線スペクトルを観測する分光放射計としての検出感度を決定する上で，受信機のラジオメータ雑音と並んで重要なファクタである．SMILES ではこれらの適切な設計により，定在波によるスペクトルリプルや不要外来雑音によるスプリアスに煩わされることな
く，従来の衛星観測では詳細観測が困難であった ClO，

HO2 ，HOCl，BrO などの微量分子の詳細な観測が可能となったといえる．

SMILES は，2009 年 10 月に観測を開始した後，2010 年 4 月中旬にサブミリ波局部発振器の不具合により観測が終了するまでの約半年の間軌道上からの観(b)

図 9 SMILES が軌道上で観測した下側波帯 (a) と上側波
帯 (b) のリム放射スペクトルの例．それぞれのスペ
クトル観測時のおよその接線高度は図中に記載（40,44, 50 km の接線高度は記載を省略）．
Fig. 9 Examples of limb-emission spectra in thelower and upper sidebands observed by
SMILES in orbit.

測を続け，オゾンや，HCl，ClO，HO2 ，BrO，HOClなどのオゾン破壊に関連する微量分子の全球分布や，成層圏・中間圏における高度分布の日周変動などの観測データを蓄積しており（例えば [38]），大気科学への貢献が期待されている．
謝 辞 JEM/SMILES は 宇 宙 航 空 研 究 開 発 機 構(JAXA) と情報通信研究機構 (NICT) の共同による研究開発ミッションである．アンテナ・受信機光学系のスペクトルのリプルは，図 9 の例のように SMILES

開発にあたって御議論，御協力頂いた SMILES ミッの観測ではほぼ見られなかった．図 9 (b) の左下の拡

ションチーム並びに三菱電機（株），住友重機械工業

大図で示される 649.26 GHz 付近は，局部発振周波数（株）の各位に感謝致します．また，アンテナ・受信機

637.32 GHz に対して下側波帯（図 9 (a)）のオゾンの光学系の設計及び試験評価法については，現自然科学

強いスペクトルのイメージ周波数に当たる．イメージ研究機構国立天文台教授の稲谷順司氏に負うところ大信号の漏れ込みは雑音レベル以下である．また不要電であり深く感謝致します．
文

磁波の混入によるスプリアス等も観測期間を通してス
ペクトルには現れていない．このように，定在波抑圧[1]tiﬁc Assessment of Ozone Depletion: 2010, WMO

設計，EMC 設計等を含め，サブミリ波アンテナ・受Global Ozone Research and Monitoring Project– Re-

信機光学系に必要な性能が軌道上で満足されていることが確認された [37]．特に，図 9 (b) に見られる ClO
や HO2 などの大気微量成分分子の極微弱な線スペク
トルは，定在波によるリプルや不要電磁波によるスプ
リアスのレベルが輝度温度換算で 0.1 K のオーダ以下
998

献World Meteorological Organization (WMO), Scien-

port No. 52, Geneva, Switzerland, 2011.
[2]

K. Kikuchi, T. Nishibori, S. Ochiai, H. Ozeki,
Y. Irimajiri, Y. Kasai, M. Koike, T. Manabe, K.
Mizukoshi, Y. Murayama, T. Nagahama, T. Sano,
R. Sato, M. Seta, C. Takahashi, M. Takayanagi, H.

招待論文／JEM/SMILES 用サブミリ波アンテナ・受信機光学系
Masuko, J. Inatani, M. Suzuki, and M. Shiotani,

[3]

[4]

[5]

Ochiai, and H. Ohmine, “Measurement of the oﬀsetcassegrain antenna of JEM/SMILES using a near-(SMILES),” J. Geophys. Res., vol.115, D23306,

ﬁeld phase-retrieval method in the 640-GHz band,”doi:10.1029/2010JD014379, Dec. 2010.

IEEE

西堀俊幸，“国際宇宙ステーションからの成層圏オゾン関” 計測と制御，vol.50, no.10, pp.861–868,
連物質の観測，pp.3971–3976, Aug. 2012.

[8]

[9]

[18]

vol.60,no.8,

B. Maﬀei, P.A.R. Ade, C.E. Tucker, E. Wakui, R.J.
corrugated horns for cosmic microwave background

究所季報，vol.48, no.2, pp.9–19, June 2002.
J. Inatani, K. Narasaki, S. Tsunematsu, M. Kyoya, T.
Manabe, M. Seta, T. Iida., and R. Satoh, “Mechanical cooler and cryostat for submillimeter SIS mixer

limeter Waves, vol.21, no.12, pp.2023–2033, Dec.

anisotropy measurements,” Int. J. Infrared and Mil2000.
[19]

中島義人，真鍋武嗣，西堀俊幸，落合 啓，“SMILES サ
ブミリ波帯オフセットカセグレンアンテナ給電系ミスア

K. Otsuka, S. Tsunematsu, A. Okabayashi, K.

ラインメントのアンテナ遠方界特性への影響，” 信学技報，AP2009-3, April 2009.
[20] A. Murk, N. Kämpfer, R. Wylde, J. Inatani, T.

Narasaki, and R. Satoh, “Test results after refurbish

Manabe, and M. Seta, “Characterization of variousof cryogenic system for smiles,” Cryogenics, vol.50,

quasi-optical components for the submillimeter limb-

no.9, pp.512–515, Sept. 2010.

sounder SMILES,” Proc. 12th Int. Symp. Space Ter-

稲谷順司，菊池健一，岡林明伸，真鍋武嗣，“新型サブミ” 第 6 回ミリ波
リ波無反射終端の開発とその反射率測定，
サブミリ波受信機に関するワークショップ，大阪，Marchahertz Technol., pp.426–435, San Diego, USA, Feb.
2001.
[21]

S. Asayama, H. Ogawa, T. Noguchi, K. Suzuki, H.

2006.

Andoh, and A. Mizuno, “An integrated sideband-

SMILES Mission Team, JEM/SMILES Mission Plan,

separating SIS mixer based on waveguide split blockver.2.1, JAXA, CRL, Nov. 2002,

for 100 GHz band with 4.0-8.0 GHz IF,” Int. J. In-

http://smiles.nict.go.jp/Mission Plan/.

frared and Millimeter Waves, vol.25, no.1, pp.107–
117, Jan. 2004.

M. Seta, H. Masuko, T. Manabe, S. Ochiai, Y.
[22]

D.H. Martin and E. Puplett, “Polarised interferomet-

Shi, K. Narasaki, and Y. Abe, “Submillimeter-wave

ric spectrometry for the millimetre and submillimetre

SIS receiver for JEM/SMILES,” Advances in Space

spectrum,” Infrared Phys., vol.10, no.2, pp.105–109,[10]

田中宏和，水沢丕雄，“オフセット複反射鏡アンテナにお[11]ける交差偏波の消去，” 信学論（B），vol.J58-B, no.12,
pp.643–650, Dec. 1975.
牧野 滋，片木孝至，“波面と鏡面，” 信学論（B），vol.J91-

June 1970.
[23]

V. Galindo-Israel, R. Mittra, and A.G. Cha, “Aper-

D.H. Martin, “Polarizing (Martin-Puplett) interferometric spectrometers for the near- and submillimeter
spectra,” Infrared and Millimeter Waves, vol.6, K.J.
Button, ed., pp.65–148, Academic Press, New York,1982.

B, no.9, pp.916–925, Sept. 2008.
[24]

T. Manabe, J. Inatani, A. Murk, R.J. Wylde, M.

ture amplitude and phase control of oﬀset dual reﬂec-

Seta, and D.H. Martin, “A new conﬁguration oftors,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol.27, no.2,

polarization-rotating dual-beam interferometer for

pp.154–164, 1979.

space use,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech.,
vol.51, no.6, pp.1696–1704, June 2003.

T. Kitsuregawa, Advanced Technology in Satellite
Communication Antennas: Electrical and Mechani-[14]

Propag.,Wylde, J.A. Murphy, and R.M. Colgan, “Shaped

Research, vol.26, no.6, pp.1021–1024, 2000.

[13]

Antennas

真鍋武嗣，“国際宇宙ステーション搭載超伝導サブミリ波
リム放射サウンダ (JEM/SMILES) の開発，
” 通信総合研

Irimajiri, J. Inatani, H. Harada, T. Noguchi, S.-C.

[12]

Trans.

Oct. 2011.

2001.

[7]

T. Manabe, T. Nishibori, K. Mizukoshi, F. Otsubo, S.

ducting Submillimeter-Wave Limb-Emission Sounderreceiver in space,” Proc. SPIE, vol.4540, pp.197–208,
[6]

[17]

“Overview and early results of the Supercon-[25]

J. Inatani, S. Ochiai, T. Manabe, M. Seta, R.

cal Design, Artech House, 1990.

Wylde, and D.H. Martin, “A new conﬁguration of the

大嶺裕幸，野口憲一，高林幹夫，中川 潤，滝沢直樹，
稲谷順司，西堀俊幸，三浦健史，真鍋武嗣，瀬田益道，Martin-Puplett interferometer with low-reﬂection,”
Proc. 7th IEEE Int. Conf. on Terahertz Electronics“JEM/SMILES 用楕円開口鏡面修正反射鏡アンテナの設[15]” 信学技報，AP2003-126, Aug. 2003.
計，西堀俊幸，水越和夫，真鍋武嗣，大嶺裕幸，滝沢直樹，“近傍界測定による 0.64THz 帯サブミリ波アンテナの性能検

[16]

証法，
” 信学技報，AP2006-64, Aug. 2006.
真鍋武嗣，深見 智，西堀俊幸，水越和夫，大坪史明，落合啓，“近傍界 Phase Retrieval 法によるサブミリ波オフ
セットカセグレンアンテナの遠方界放射パタンの測定，”
2008 信学総大，B-1-143, March 2008.

(THz99), Nara, Nov. 1999.
[26]

K. Kikuchi and Y. Fujii, “Flight model performanceof 640 GHz superconductor-insulator-superconductor
mixers for JEM/SMILES mission,” J. Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, vol.31, no.10, pp.1205–
1211, Oct. 2010.

[27]

D.J. Benford, M.C. Gaidis, and J.W. Kooi, “Opticalproperties of Zitex in the infrared to submillimeter,”Appl. Opt., vol.42, no.25, pp.5118–5122, 2003.

999

電子情報通信学会論文誌 2012/9 Vol. J95–B No. 9
[28]

[29]

[30]

International Space Station Program, Space Sta-

M. Shiotani, “Receiver performance of Supercon-tion Electromagnetic Emission and Susceptibility Re-

ducting Submillimeter-Wave Limb-Emission Sounderquirements, SSP 30237 Revision E, NASA, Sept.

(SMILES) on the International Space Station,” sub-1999.

mitted to IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing.

三浦健史，西堀俊幸，稲谷順氏，瀬田益道，真鍋武嗣，“マイクロ波帯のシールドボックスの性能測定法，” 信学論（B），vol.J86-B, no.7, pp.1081–1088, July 2003.

SMILES 準光学系で生じる定在波の大気観測へのWylde, T. Manabe, T. Nishibori, and SMILES Mis-

影響for International-Space-Station-borne limb-emission
sounder SMILES,” Proc. 14th Int. Symp. Space Ter-

SMILES の受信機光学系において定在波発生の主要要因と考えられる，SIS ミクサホーン，BBH 開口，

ahertz Technol., pp.217–226, April 2003, Tuscon,

CHL による反射を想定して，それらによって発生すUSA, 2004.

る定在波の大気観測への影響について検討する．大気O. Siebertz, C. Honingh, T. Tils, C. Gal, M. Olbrich,
R. Bieber, G. Schmueling, and R. Schieder, “The im-

観測時及び低温校正（深宇宙観測）時には，SIS ミク

pact of standing waves in the LO path of a hetero-

サによる反射と BBH による反射によって発生する定dyne receiver,” Proc. 18th Int. Symp. Space Tera-

在波により，受信電力は次式のような変調をうける．

hertz Technol., pp.117–122, Pasadena, USA, March
2007.
[32]

浦崎修治，片木孝至，水沢丕雄，“集束ビーム給電系のレ” 信学論（B），vol.J64-B,
ンズ系置き換えによる設計法，no.5, pp.441–448, May 1981.

[33]

T.S. Chu, “An imaging beam waveguide feed,” IEEE
Trans. Antennas Propag., vol.31, no.4, pp.614–610,[34]

April 1983.
稲谷順司，真鍋武嗣，“サブミリ波光学系設計におけるイ[35]

メージ整合法の意義，” 第 5 回ミリ波・サブミリ波受信機に関するワークショップ，三鷹，March 2005.
C. Prigent, P. Abba, and M. Cheudin, “A quasi-

MAN T = |1 + rB−S exp(jkLB−S )|2間の光学経路長，rB−S は BBH 及び SIS ミクサによる反射係数の積であり，rB−S  1 と仮定している．
一方，CHL による高温校正時には，BBH-SIS ミクサ
間の反射に，CHL-SIS ミクサ間の反射が重畳され，受信電力が受ける変調は次式で表される．

MCHL = |1 + rB−S exp(jkLB−S )+rC−S exp(jkLC−S )|2

limeter Waves., vol.9, no.5, pp.477–490, May 1988.
A. Murk, N. Kämpfer, R. Wylde, T. Manabe, M.
Seta, and J. Inatani, “Characterization of the am-(A·2)

ここで，LC−S は CHL-SIS ミクサ間の光学経路長，

bient temperature optics of the submillimeter limb-

rC−S は CHL 及び SIS ミクサによる反射係数の積でsounder SMILES,” Proc. 27th Int. Conf. Infrared andある．

Millimeter Waves, pp.33–34, San Diego, USA, Sept.
2002.
[37]

(A·1)

ただし，k = 2π/λ とし，LB−S は BBH-SIS ミクサ

optical polarization rotator,” Int. J. Infrared and Mil[36]録

M. Seta, A. Murk, T. Manabe, J. Inatani, R.
sion Team, “Quasi-optics for 640 GHz SIS receiver

[31]

付

S. Ochiai, Y. Irimajiri, K. Kikuchi, T. Nishibori,

これらの定在波を考慮すると，大気観測時，低温
校正（深宇宙観測）時，高温校正時の受信機の出力

T. Sano, R. Sato, T. Manabe, H. Ozeki, andVa , Vc , Vh は，受信系のシステム利得を G，受信機雑M. Shiotani, “Performance veriﬁcation and calibra-

音温度を Trx とすると，それぞれ，以下のように表さtion of Superconducting Submillimeter-Wave Limb-

れる．

Emission Sounder (SMILES),” Proc. IEEE 2010 Int.
Geosci. Remote Sensing Symp. (IGARSS 2010), Honolulu, July 2010.
[38]

M. Suzuki, C. Mitsuda, C. Takahashi, N. Manago,
Y. Iwata, T. Sano, K. Kikuchi, S. Mizobuchi, T.
Nishibori, K. Imai, H. Hayashi, E. Nishimoto, Y.
Naito, and M. Shiotani, “Diurnal variations of stratospheric/mesospheric trace species, ClO, BrO, andHO2 derived from 4K cooled submm limb sounder[39]
Va = G · {(Ta + Tadd )MAN
T + Trx },(A·3)

Vc = G · {(Tc + Tadd )MAN T + Trx },(A·4)

Vh = G · {(Th + Tadd )MCHL + Trx }.

(A·5)

ただし，Ta , Tc , Th それぞれ大気観測時，低温校正時，
高温校正時の受信機入力端換算のアンテナ雑音温度，

ISS/JEM/SMILES,” Proc. 91st American Meteorol.

Tadd は光学系における損失や局部発振器からイメー

Soc. Annual Meeting, Seattle, USA, Jan. 2011.

ジ帯へ混入する位相雑音や熱雑音等により受信機雑音

S. Ochiai, K. Kikuchi, T. Nishibori, T. Manabe,

温度に付加される雑音温度である．ここでは，大気観

H. Ozeki, S. Mizobuchi, Y. Irimajiri, R. Sato, and

1000

測時と低温校正時及び高温校正時の間の光学系の温度

招待論文／JEM/SMILES 用サブミリ波アンテナ・受信機光学系

ΔG/G = 0.02 程度の変動を想定した場合（注 1），T̂aの校正誤差を，Ta > 10 K で 1 %以内，Ta < 10 K
で 0.1 K 以下に抑えるためには，rB−S < −60 dB,

rC−S < −70 dB が要求されることが分かる．
（平成 24 年 1 月 5 日受付，4 月 25 日再受付）

真鍋

図 A· 1 受信機光学系における定在波リプル (p-p) の観測（Ta = 100 K, Th =大気輝度温度 (Ta ) 依存性．
300 K, Tc = 10 K, Trx = 500 K, Tadd = 15 K,
rC−S = −70 dB, ΔG/G = 0.02, アルミニウ）
ムの線膨張率 2.31×10−5 K−1 を仮定．
Fig. A· 1 Dependence of the ripple due to standing
waves in the receiver optics on the received
atmospheric brightness temperature.

変動による光路長 LB−S の変化を考慮して，大気観測時の利得及び M を，低温校正時及び高温校正時のそれらと区別して，G , MAN
T としている．ここで，大気観測時の観測雑音温度の校正値 T̂a は次式で与えら

武嗣（正員：フェロー）昭 50 京大・工・電子卒，昭 55 同大大学
院博士課程了．同年郵政省電波研究所（現（独）情報通信研究機構）入所．以来，マイクロ波・ミリ波帯の電波伝搬・リモートセンシング，ミリ波通信システムの研究開発に従事．昭 61〜62 米商務省電気通信情報局電気通信科学研究所 (NTIA/ITS) 客員研究員．昭 63〜
平 3（株）ATR 光電波通信研究所に出向．平 17 より，阪府大院工学研究科航空宇宙海洋系専攻航空宇宙工学分野教授．宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所プロジェクト共同研究員．主に，アンテナ，電波伝搬，リモートセンシング，宇宙における電波利用に関する研究等に従事．昭 59 本会学術奨励賞受賞．
平 21 本会通信ソサイエティ優秀論文賞受賞．工博．総務省情報通信審議会 ITU-R 部会電波伝搬委員会専門委員，日本学術会議 URSI-F 委員会委員．IEEE 会員．平 23〜平 24 IEEE
AP-S Kansai Chapter Chair.

れる

T̂a =

V a − Vc
(Th − Tc ) + Tc .
V h − Vc

(A·6)

定在波による変調の効果により，Ta が周波数軸上で一定の場合でも上式で与えられる T̂a にはリプルを生じ，これが大気観測スペクトルのベースラインのリプルとして現れ観測に悪影響を及ぼす．
図 A· 1 は，Th = 300 K, Tc = 10 K, Tadd = 15 K,

Trx = 500 K, rC−S = −70 dB とし，大気観測時と高温・低温校正時の間（53 s 以内）のシステム利得変
動 (ΔG/G) を 0.02，光学系の温度変動を ΔT とした
場合に，大気観測スペクトルに表れる定在波リプルの振幅 (peak-to-peak) を ΔT と rB−S をパラメータとする観測大気輝度温度の関数として示したものである．ただし温度変動により光学系はアルミニウムの線
膨張係数 2.31×10−5 K−1 で伸縮するものと仮定した．
図 A· 1 より，校正周期 (53 s) 内において ΔT = 0.5 K,（注 1）：SMILES の軌道上での運用開始後のデータ解析により，軌道上での光学系の温度は校正周期 (53 s) 内では非常に安定であり，ΔT
は 0.5 K より十分小さく，利得変動も 0.0008 程度以下であることが確認されているが [39]，ここでは，余裕をもって安全側で見積もるため，
ΔT = 0.5 K, ΔG/G = 0.02 として評価した．

西堀

俊幸

（正員）

昭 62 法政大・工・計測制御卒．同年石川島播磨重工（株）（現，IHI）入社．平 4
上智大大学院理工学研究科電気電子工学修士課程了（国内留学）．平 7 同博士課程了．
平 7 東京都立航空高専電子工学科講師を経て，平 10 より宇宙開発事業団（現，宇宙航空研究開発機構）．現在，同機構主任開発員．超伝導サブミ
リ波リムサウンダの開発研究に従事．博士（工学）．共著書「電気電子系教科書シリーズ 7 ディジタル制御」．平 3〜6 文部省
宇宙科学研究所特別研究学生．平 7〜9 文部省宇宙科学研究所共同研究員．平 8〜9 衛星設計コンテスト運営委員．平 23 情報通信研究機構特別研究員．日本航空宇宙学会，日本天文学会
各会員．

菊池

健一

平 6 東京都立大・理卒．平 11 同大大学
院博士課程了．平 11 より宇宙開発事業団（現，宇宙航空研究開発機構）研究員．以来サブミリ波帯受信機の開発・研究に従事．
平 19 より産業技術総合研究所テクニカルスタッフを兼任．平 23 より情報通信研究機構研究員．博士（理学）．日本物理学会，日本天文学会各会員．

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電子情報通信学会論文誌 2012/9 Vol. J95–B No. 9

落合啓

昭 61 京大・工・化学工学卒．昭 63 同大
大学院修士課程了．同年郵政省電波研究所（現（独）情報通信研究機構）入所．以来ミ
リ波・サブミリ波によるリモートセンシン
グの研究に従事．日本気象学会，AGU 各
会員．

瀬田

益道

平 3 国際基督教大・教養卒．平 5 阪大・工・修士課程了．平 8 東大・理・博士課程
了．独国ケルン大学，通信総合研究所（現，
情報通信研究機構）を経て，平 18 より筑波大講師．主に，電波天文学とサブミリ波受信機開発に従事．日本天文学会会員，国際天文学連合会員．博士（理学）．

大嶺

裕幸 （正員）昭 61 北海道大学大学院修士課程了．同
年三菱電機（株）入社．以来，レーダー，
衛星搭載用アンテナ及び機器の研究開発に従事．現在，同社鎌倉製作所技術部主管技
師長．

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