航空機用高速インターネット実現に向けたアンテナシステム開発
2021/02/12
大倉 拓也
国立研究開発法人情報通信研究機構 ワイヤレスネットワーク総合研究センター 宇宙通信研究室

謝辞
本研究は、総務省「電波資源拡大のための研究開発（JPJ000254）」の「小型旅客機等に搭載可能な電子走査アレイアンテナ(AESA)による周波数狭帯域化技術の研究開発」で実施している．
関係各位に深謝する．

NICT ワイヤレスネットワーク総合研究センター オープンラボ2021(2021/02/12)

1

現在、こんな評価実験やっています！
航空機を用いた送信用512素子アレイアンテナの性能評価実験
https://cessna.txtav.com/en/turboprop/caravan

送信用512素子アレイアンテナ
NICT ワイヤレスネットワーク総合研究センター オープンラボ2021(2021/02/12)

2

航空機インターネット（機内Wi-Fi）の仕組み
静止衛星
航空機内でも地上と同じようなインターネットサービスが利用可能に！

衛星と地球局の間はKu帯*またはKa帯*で接続

航空機地球局
地上インターネット網
NICT ワイヤレスネットワーク総合研究センター オープンラボ2021(2021/02/12)＊Ku帯とKa帯は衛星通信に割り当てられている周波数帯
Ku帯は12GHz〜18GHz、Ka帯は27GHz〜40GHz
3

航空機での高速インターネットの実現に向けてKu帯衛星（シングルビーム）
https://www.flightradar24.com/2019-12-27/03:30/12x/35.38,133.73/5

Ka帯衛星（マルチビーム）
高周波化・
帯域幅の拡大https://www.flightradar24.com/2019-12-27/03:30/12x/35.38,133.73/5

スポットビームによる高利得化

2019年12月27日午前12時30分の航空機運航状況

中継器のフレキシブル化

2019年12月27日午前12時30分の航空機運航状況

 通信速度は1機あたり約10Mbps／1Mbps

 通信速度は1機あたり約40Mbps／4Mbps

 一つのビームでエリア内の航空機と通信

 複数ビームで各エリア内の航空機と通信

航空機インターネットのさらなる高速化の実現には・・・

航空機搭載用通信アンテナの高性能化が必要不可欠
NICT ワイヤレスネットワーク総合研究センター オープンラボ2021(2021/02/12)

4

航空機搭載用通信アンテナの技術課題（主に小型・中型旅客機用）
 従来アンテナ（機械駆動型）の問題点

 通信性能の向上には開口面積の拡大が必要
 開口面積は反射鏡のサイズに依存 反射鏡の拡大によりサイズが立体的に大きくなり搭載性が悪化
 燃費の悪化と航続距離に影響
機械駆動型反射鏡アンテナ

空気抵抗

搭載できる場所が限定される
NICT ワイヤレスネットワーク総合研究センター オープンラボ2021(2021/02/12)

機体サイズに対しアンテナのカバーが非常に大きくなる
5

航空機搭載用電子走査アレイアンテナとその目標
 電子走査アレイアンテナ（平面アンテナ）の利点

 電子的にビーム走査により衛星を追尾することが可能（機械的な駆動機構が不要）
 通信性能を向上させるためにアンテナ開口面積を拡大しても高さが変わらない（立体的に大きくならない）

電子走査アレイアンテナ

要求性能に応じてアンテナ面積を変更可能

各アンテナの振幅位相を制御することで任意の方向へビーム形成が可能

機体搭載イメージ

周波数資源の有効利用への貢献

 航空機への搭載性を損なわず，薄型でスケーラブルな電子走査アレイアンテナ技術の確立
 変調方式の多値化に対応可能なアンテナの実現により周波数利用効率を30 %以上改善
NICT ワイヤレスネットワーク総合研究センター オープンラボ2021(2021/02/12)

6

航空機を用いた送信用512素子アレイアンテナの性能評価実験

送信用アレイアンテナ
0.3~3km

フットプリント（輻射特性）・動揺特性の評価 飛行高度：300m～3000m（小型航空機を想定）
 飛行形態：直線飛行・旋回飛行・八の字飛行
 評価項目：アンテナビームパターン、追尾特性、伝搬特性など（ITU-RやESIM規格への整合性を評価）
NICT ワイヤレスネットワーク総合研究センター オープンラボ2021(2021/02/12)

7

参考資料

NICT ワイヤレスネットワーク総合研究センター オープンラボ2021(2021/02/12)

8

各衛星での諸元
https://www.flightradar24.com/2019-12-27/03:30/12x/35.38,133.73/5

https://www.flightradar24.com/2019-12-27/03:30/12x/35.38,133.73/5

2019年12月27日午前12時30分の航空機運航状況

2019年12月27日午前12時30分の航空機運航状況

Ku帯衛星項目約250機

旅客機数/ビーム

約50機

約40%

サービス搭載割合

約40%

100機

10Mbps(QPSK, 2/3)
9MHz

900MHzサービス機数/ビーム
所要情報速度/1機(変調方式、FECレート)
所要帯域/1機
所要帯域/ビーム

NICT ワイヤレスネットワーク総合研究センター オープンラボ2021(2021/02/12)

Ka帯衛星

Ka帯衛星＋AESA導入

20機

40Mbps(QPSK, 2/3)

40Mbps(8PSK, 2/3)

720MHz480MHz

36MHz

24MHz

[1] http://www.jadc.jp/files/topics/157_ext_01_0.pdf [2]https://www.euroconsult-ec.com/ifec

9移動体衛星通信アンテナの開発動向と本R&Dの位置づけ
Ku
楕円開口 or
平面アンテナKa

高さ：24cm

高さ：19cm

三菱電機

Astronics

高さ：21cm

Viasathttp://www.dailywireless.org/2014/06/09/amtrak-building-broadband-wirelessnetwork/

NICT

http://www.aerosat.com/products/aerosat%206400%20flyer10_2.pdf

高さ：21cm

Panasonic Avionics
http://panasonic.aero/InFlightConnectivity/AntennaTechnology.aspx

高さ：20cm

Honeywell

高さ：26cm
重量：29kg

開口径：30cm

Viasat

開口径：30cm

http://www.dailywireless.org/2012/04/10/viasat-light-aircraft-broadband/

軸対称アンテナ

Viasat

開口径：28cm

Astronics

http://aviationweek.com/nbaa-2015/astronics-panasonic-partner-bringhigh-speed-connectivity

AESA(近年市場参入の動きが加速 )高さ：7cm★開発中★

(2016年)

高さ：3cmPanasonic Avionics*1

Phasor*3 (2017年)*1) http://www.satellitetoday.com/telecom/2014/10/08/panasonic-boeing-lightweight-antenna-to-offer-ifc-reduced-emissions/*3)http://www.satellitetoday.com/technology/2013/10/18/phasor-solutions-demonstrate-ku-band-flat-satellite-antenna-system/

現時点で製品無本案件の開発目標

高さ：
5cm

高さ：
12cm

Thinkom*2

https://www.viasat.com/sites/default/files/media/documents/vmt-1220he_helicopter_mounted_terminal_datasheet_016_web_0_0.pdf

Kymeta*4 (2018年)*2)http://concourse.gogoair.com/technology/onboard-technology-makes-inflight-connectivity-possible*4) http://www.getconnected.aero/2015/09/just-will-kymetas-meta-material-antenna-work/

NICT ワイヤレスネットワーク総合研究センター オープンラボ2021(2021/02/12)

10

AESAのシステムイメージと目標性能
Rx-AESA

レドーム

受信アンテナ

送信アンテナ

受信信号(1 GHz)
DC電源

DC電源

電源ﾕﾆｯﾄシリアル信号(Ethernet)

項目
周波数帯域
瞬時帯域幅
変調方式
EIRP・G/T
軸外輻射偏波仰角範囲

送信29.5 GHz - 30.0 GHz

RX IF(L-band)

目標値
100 MHz以上
8PSK以上航空機電源
AC115V 400Hz
シリアル信号制御ﾕﾆｯﾄTx-AESA

機外
送信信号 機内(1 GHz)

アンテナ状態航空機
姿勢情報(ARINC429)

DC電源(電源ユニット)

モデム指令
衛星位置、周波数等

Modem

受信
19.7 GHz - 20.2 GHz

44 dBW以上@仰角30 deg
10 dB/K以上@仰角30 deg
ITU-R ESIM規定に準拠
右旋円偏波、左旋円偏波切替え可能
下限：30deg以下上限：90deg

NICT ワイヤレスネットワーク総合研究センター オープンラボ2021(2021/02/12)

11512素子アレイアンテナの目標性能
512素子アレイアンテナ

64素子アレイアンテナ #1

項目
送信周波数
アンテナ素子間隔仕様

29.5 － 30.0 GHz

5.60 mm × 4.85 mm

基板厚(放射、増幅、位相／偏波制御
10 mm以下の機能を含む)
ビーム走査角θ : -65° ～ +65°

φ : 0° ～ 360°

EIRP @ θ ＝ ±65deg

31.0 dBW以上

偏波

右旋・左旋円偏波切替可能

軸比(走査角範囲内)
消費電力(64素子あたり)
IF信号周波数

3 dB以下280 W以下

950 － 1450 MHzFE-IC(移相器/増幅器)
FE-IC(移相器/増幅器)
FE-IC(移相器/増幅器)

FE-IC(移相器/増幅器)
FE-IC(移相器/増幅器)
FE-IC(移相器/増幅器)
FE-IC(移相器/増幅器)

FE-IC(移相器/増幅器)
FE-IC(移相器/増幅器)
FE-IC(移相器/増幅器)

FE-IC(移相器/増幅器)
FE-IC(移相器/増幅器)
FE-IC(移相器/増幅器)
FE-IC(移相器/増幅器)

FE-IC(移相器/増幅器)
FE-IC(移相器/増幅器)

A

A

A

A
分配器
A

A

電源入力

A

制御信号

A

A

A
分配器

A

分配器
A

A
分配器
A

A

分配器

Ka帯信号

BUC

IF信号

A

A

64素子アレイアンテナ #2
64素子アレイアンテナ #3
64素子アレイアンテナ #464素子アレイアンテナ #564素子アレイアンテナ #664素子アレイアンテナ #7

分配器

64素子アレイアンテナ #8

NICT ワイヤレスネットワーク総合研究センター オープンラボ2021(2021/02/12)12512素子アレイアンテナの設計：素子配置と基板構成
項目
アンテナ素子間隔仕様

10 mm
以下5.60 mm × 4.85 mm

基板厚(放射、増幅、位相／10 mm以下偏波制御の機能を含む)

4.85 mm5.60 mm

RFIC64素子アレイ
アンテナ

アンテナ素子-RFIC間接続(2ポート／アンテナ素子)

 64素子アレイアンテナをサブアレイとし，2×4で512素子アレイアンテナを形成
 1サブアレイに8個のFE-ICRFIC

NICT ワイヤレスネットワーク総合研究センター オープンラボ2021(2021/02/12)

13512素子アレイアンテナの設計結果：放射パターン
Φ=0°-10-15-20-25-30-35-40-90

Normalized Amplitude[dB]030.0 GHz

Normalized Amplitude[dB]-50θ=0, φ=0
θ=30, φ=0
θ=65, φ=0[deg.]-5-10-15-60-300Angle[deg.]

3060

90-10-15

θ=0, φ=0
θ=30, φ=0
θ=65, φ=0[deg.]-25-30-35-60-300Angle[deg.]

3060NICT ワイヤレスネットワーク総合研究センター オープンラボ2021(2021/02/12)90θ=0, φ=90
θ=30, φ=90
θ=65, φ=90[deg.]-20-25-30-350-20-40-90-5-40-90

Normalized Amplitude[dB]

Normalized Amplitude[dB]29.5 GHz0Φ=90°-5-10-15-60-300Angle[deg.]

3060

900Angle[deg.]

3060

90

θ=0, φ=90
θ=30, φ=90
θ=65, φ=90[deg.]-20-25-30-35-40-90-60-3014