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

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
(NIFS13KUGM078)※2013年度開始
代表者：農工大桑原大介
センター世話人：筑波大吉川正志
NIFS世話人：NIFS 長山好夫共同研究者：NIFS
土屋隼人
宇部高専伊藤直樹筑波大小波蔵純子, 王小龍, 森川裕亮, 菅野傑
福岡工大近木祐一郎
九大間瀬淳
目次
1.  背景・目的
Ø  ダイバータ模擬モジュールにおける電子密度空間分布計測
Ø  マイクロ波イメージング干渉計
Ø  従来型受信アンテナアレイの問題点
2. LO内蔵型アンテナアレイ（LIAA: LO Integrated Antenna Array）
Ø  原理
Ø  2ch LIAA試験機
Ø  8ch LIAA（完成品）
3. Gamma 10 設置
Ø  計測視線
4. まとめ
8ch LIAA 高周波基板
2015/07/31
H27 筑波大学プラズマ研究センターシンポジウム
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1. 背景・目的
LO光学系が不要なミリ波帯1次元アンテナアレイ開発
GAMMA10 Side view
GAMMA 10ダイバータモジュールにおけるプ
ラズマ流束空間分布の把握
E-Diverter
マイクロ波イメージング干渉計による
多視線計測電子密度計測
利点：
・電子密度絶対値計測・非接触計測
・高時間分解能・空間分布計測
問題点：周波数変換のためのLO(局発)信号供給
・供給用光学系のサイズ
・結像光学系による損失、感度低下
・高価な強力ミリ波源
D-Module
LO内蔵型1次元アンテナアレイの開発が必要
2015/07/31
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マイクロ波干渉計原理
ダイレクトコンバージョン方式
1. 背景・目的
プラズマ中のマイクロ波 f の屈折率 N
𝑁=√⁠1−(𝑓↓p /𝑓 )↑2 マイクロ波の位相変化量 𝜙
𝜙=(𝑁−1)𝑑/𝜆 [-]
プラズマ周波数 fp
𝑓↓p =1/2𝜋 √⁠𝑛↓e 𝑒↑2 /𝑚↓e 𝜀↓0 ≈8.98√⁠𝑛↓e 𝑛↓e : 電子密度 [m-3]
𝑑 : プラズマ長 [m]
𝜆 : マイクロ波真空波長 [m]
60 GHz
Ø  位相変化φ から視線上の電子密度𝑛↓e (視線上平均)を算出
Ø  高密度プラズマでは照射波はミリ波を使用オシロスコープによる計測は困難
2015/07/31
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1. 背景・目的
マイクロ波干渉計原理
スーパーヘテロダイン方式
Ø  ミキサ、中間周波数(IF: Intermediate Frequency)、局発(LO: Local Oscillation)
により位相検出が容易なMHz帯程度まで周波数変換
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マイクロ波イメージング干渉計
従来型イメージング干渉計
1. 背景・目的
従来マイクロ波イメージング干渉計概略図
②
[1]
①
③
問題点：周波数変換のためのLO(局発)信号供給
①LO供給用光学系のサイズ
②LO供給用光学系による干渉波減衰＆LO波減衰
③LO供給強度の空間分布によるチャンネル間感度差
④高価な強力ミリ波源
[1] D. Kuwahara et al., Rev. Sci. Instrum. 81, 10D919 (2010)
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1. 背景・目的
マイクロ波イメージング干渉計
新規提案型イメージング干渉計
ミリ波逓倍器MMICを使用したLO内蔵アンテナによるマイクロ波イメージング干渉計概略図
内部でLO: 60GHzを生成
問題解決
①LO供給用光学系のサイズ LO光学系不要
②LO供給用光学系による干渉波減衰＆LO波減衰 BS除去により減衰無し
③LO供給強度の空間分布によるチャンネル間感度差十分な強度を均一供給
④高価な強力ミリ波源安価なミリ波逓倍器MMIC
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2. LO内蔵型アンテナアレイ
LO供給機構を備えたアンテナアレイ
方式
LIAA: LO Integrated Antenna Array
局部発振周波数内蔵型アンテナアレイ [1]
①1/4周波数LO信号を供給
②分配器で各Chに分配
④
③各Chの逓倍器でLO信号生成
④生成したLO信号で周波数変換
⑤位相信号は取扱いの容易な中
間周波数(150 MHz)として出
力される
③
特長
①LO光学系が不要
(干渉波の減衰無し)
②
②LO信号を同軸線伝送可能
(導波管不要)
①
③全Chの感度が均一
(端部Chでも十分な感度有)
④積層により2次元構成可能
[1] D. Kuwahara et al., Rev. Sci. Instrum., 85, 11D805 (2014).
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2. LO内蔵型アンテナアレイ
積層可能な1次元アンテナアレイ
Ø  上下のフレームでプリント基板を挟み込む事で構成
Ø  基板上には導波管-マイクロストリップライン変換器やミキサ、
逓倍器モジュールが搭載される
Ø  積層が可能な1次元アンテナアレイ 2次元アンテナアレイを構成可能
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キーデバイス
60 GHz 4逓倍器モジュール試験
2. LO内蔵型アンテナアレイ
60 GHz帯出力4逓倍器の評価モジュール製作
住友電工デバイス・イノベーション製
4逓倍MMIC: FMM5125X
出力帯域：57~64 GHz
出力強度：~10 dBm（入力10 dBm）
4逓倍器実装図
4逓倍器評価基板
2 mm
1 mm
評価基板
Ø  高精度エッチングによる高周波プ
リント基板製作
Ø  ワイヤボンディング実装
基板図
4逓倍器出力特性
Ø  導波管出力用導波管-マイクロスト
リップライン変換器
57∼63 GHz程度で十分なLO強
度(+10 dBm程度)が得られるこ
とを確認
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2. LO内蔵型アンテナアレイ
筐体背面
筐体前面
RF入力
(WR-15)
2ch LIAA試験機
電源
4V (200 mA)
IF出力
(SMA)
LO入力
(SMA)
Ø  LIAAの実証用として最小構成となる2チャンネルアンテナアレイを試作
Ø  二つのチャンネルで動作を確認
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Ø  動作確認として干渉計計測を行った
Ø  テフロン模擬干渉体（ε=2.2, クサビ形状）
Ø  位相変化は計算値とほぼ一致
Phase Shift [rad]
2. LO内蔵型アンテナアレイ
2ch LIAA試験機
テフロン模擬干渉体による位相検出
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
Theory
Ch1
-40
0
40
80
120 160 200 240
Distance [mm]
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2. LO内蔵型アンテナアレイ
8ch LIAA諸元
受信用ホーンアンテナ
GAMMA 10用8ch LIAAを2台製作
干渉波周波数：60.150 GHz
LO周波数：60 GHz 逓倍前(15 GHz)
IF周波数
：150 MHz
チャンネル数：8
チャンネル間距離：20 mm
WR-15
フランジ
27 mm
19.5 mm
m
m
200
184 mm
20 m
m
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LO入力
(15 GHz)
19.5 mm
IF信号跨線
(セミフレキ)
電源入力
(4 V, 1.2 A)
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2. LO内蔵型アンテナアレイ
8ch LIAA性能評価
完成した2台のLIAAの変換損失を評価
14.975 GHz
(16 dBm)
15 GHz
(25 dBm)
RF Signal
59.89 GHz
(10 dBm)
Conversion Loss (dB)
IF Signal
110 MHz
LIAA Conversion Loss (dB)
0
No.1
-10
No.2
平均変換損失 ~23 dB
-20
干渉計計測には十分な感度
-30
-40
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Channel Number
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Gamma 10 光学系（H26年度、HMA使用）
H26年度 HMA使用8ch 60 GHzマイクロ波イメージング干渉計システム
RFアンテナ
受信アンテナ(HMA)
1x8 ch
LOアンテナ
LO用BS
ダイバータモジュール位置
H27年度 LIAA使用8ch 60 GHzマイクロ波イメージング干渉計システム
※LOアンテナ、LO用BS除去
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3. Gamma 10 設置
GAMMA 10計測計測視線図
Z方向(奥行)チャンネル数：8チャンネル
X方向(高さ)チャンネル数：2チャンネル（2台）
合計16チャンネル (O-mode計測)
Sight Lines
65°
D-Module Top view
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D-Module Side view
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まとめ
Ø  LO光学系による問題を解決するLO内蔵型アンテナアレイ
(LIAA: LO Integrated Antenna Array)を提案・開発
l 
l 
l 
l 
l  LO光学系による干渉波・LO波の減衰
l  LO光学系設置スペース
l  強力・高価なLOミリ波源
ケーブル伝送可能な分周周波数でLO供給
アンテナ内部でLO前駆信号を分配
各チャンネル逓倍器でLO信号生成
各チャンネルミキサに供給
LIAA: Local Integrated Antenna Array
①LO光学系が不要 ②全チャンネルで均一な感度 ③高価な強力ミリ波源が不要
H25
H26
H27
4逓倍モジュール評価
2ch LIAA試験機実証
8ch LIAA量産
Ø  原理実証として2チャンネルLIAAを試作し、模擬干渉体による干渉計試験の結果
から十分な性能を持っていることを確認
Ø  GAMMA 10で使用する8チャンネルアンテナアレイを2台製作
Ø  今期実験では60.150 GHz, 軸方向2 ch, 径方向8 chの合計16ch 干渉計計測を予定
LIAAを使用したECEイメージング開発(NIFS計画共同研究)もH27から開始
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60 GHz帯4逓倍MMIC FMM5125X
入力: 14~16 GHz, ~10 dBm
出力: 56~64 GHz, ~10 dBm
電源: 4 V, 100 mA
60GHz 4逓倍器モジュール
15 GHz
Input
60 GHz
Output
WR-15
Waveguide
DC 4V, 100 mA
Input power sweep @15 GHz input
20
Output Power [dBm]
Output Power [dBm]
Input frequency sweep
15
10
5
No.1(+16dBm入力)
No.2(+16dBm入力)
0
45
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50
55
60
65
70
75
Output Frequency [GHz]
80
20
10
0
-10
No.1[dBm]
-20
No.2[dBm]
-30
-5
0
5
10
15
20
Input Power [dBm]
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8ch LIAA 試験回路
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試験回路(RF回路Box)
DC 12V
RF
LO
IF
2xIF
４逓倍前のヘテロダイン検出用信号
(LO: 15 GHz, RF: 14.975 GHz)および
位相検出用信号(2xIF: 220 MHz)を出力
2015/07/31
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8ch LIAA IF信号跨線部
LO用パワーディバイダ部に影響を
与えずIF信号を後端に伝送するため
セミフレキケーブルによる跨線を採用
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セミフレキ跨線の減衰特性試験
・LO、IF線路の両方で跨線が必要
・LO: ワイヤボンディング業者の取り扱い基板サイズの制限
・IF : LO分配器部分の跨線
・下記のケーブルをLO, IF各MSL線路に接続し跨線部を製作
・LO: 伊藤先生提供極細セミリジッドケーブル
・IF : 0.081インチセミフレキケーブル
・跨線部単体の試験機を製作し減衰特性をベクトルネットワークアナライザで
評価した
比較用MSL(No.1,2)
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LO用極細セミリジッド
(No.1,2)
IF用0.081インチセミフレキ
(No.1)
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セミフレキ跨線の減衰特性試験
Transmission Loss [dB]
比較用MSL(No.1,2)
LO用極細セミリジッド
IF用0.081インチセミフレキ
20
極細セミリジッド2
15
極細セミリジッド1
10
セミフレキ
5
0
比較用MSL1
比較用MSL2
0
5
10
15
20
Frequency [GHz]
25
30
35
Ø  LO用セミリジッドはLO周波数15 GHzに置いて6 dB程度の減衰
Ø  IF用セミフレキはIF周波数110 MHzにおいては0.18 dB、LO周波数15 GHzに
おいて1 dBと低損失
両方共セミフレキを使用したほうが良い
2015/07/31
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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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従来のミリ波イメージング用アンテナアレイ
Ø  MIR・ECEI用2次元アンテナアレイ素子に求められる性能
l  ワイドバンド（50 – 110 GHz）かつ均一な周波数特性
l  高感度
l  開口面積約14 × 14 mm
l  2次元配置可能
Ø  アンテナアレイの方式
単放射型平面アンテナであれば
容易に2次元配置が可能
TEXTOR用1次元ECEIアンテナアレイ
(U. C. Davis)
2015/07/31
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HMA: Horn Antenna Mixer Array
IF out
IF Amplifier
Reflected
wave
Single diode mixer
SMT GaAs Schottky diode
Working freq. 20-100GHz
Skyworks, DMK2783
LO wave
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