折り紙にヒントを得た小型衛星用アンテナ技術
韓国と米国の科学者たちは、6G通信のような最先端の通信システムを使用したCubeSatの超小型衛星で使用するための新しいアンテナ設計を、真新しい研究で明らかにした。研究者たちは、折り紙理論、機械力学、アンテナアレイの原理に基づいた理論的知識を用いて、CubeSat用の小型軽量で再構成可能なアンテナを、選択した運用モードに応じて構築した。これは、衛星通信の新時代の幕開けとなる可能性を秘めている。
現代の通信システムは、衛星を使って世界中の信号を迅速かつ確実に中継し、世界中にメッセージを送ったり、テレビの生放送を見たり、最近ではキッチンのテーブルから世界中のパートナーと電話会議をしたりすることができる。
通信衛星は、高周波の電波を利用してデータを送信する。アンテナは、送信機からの電流を電波に変換し、受信機とペアになった場合はその逆を行う双方向のインターフェースとして機能する。このように、アンテナは衛星や地上の受信機がなければ実質的に役に立たない重要な機器だ。しかし、衛星の設計や性能が進歩したとはいえ、6Gなどの次世代通信では、アンテナ技術は依然として制約要因となっている。エンジニアは、コストや性能に妥協することなく、超小型衛星用のアンテナを小型化しようと奮闘している。
例えば、CubeSatsのような超小型衛星は、10cm3の立方体のように小さくすることができるが、打ち上げや飛行中にその中に収納できるほど小さい通信アンテナを製造するのは、高価で技術的にも困難だ。「CubeSatシステム用に報告されている高性能アンテナの多くは、展開可能、折りたたみ可能、またはインフレータブルである」と、韓国の釜山国立大学のSangkil Kim博士は説明している。
最近、Kim博士と釜山国立大学と米国アラバマ大学の同僚は、低地球軌道（LEO）で使用されるCubeSat用の新しい展開可能なアンテナを開発した。興味深いことに、彼らのデザインは「折り紙」という日本の芸術、特に空間マッピングと呼ばれる分野の数学に触発されており、折り畳み式の展開可能なアンテナに最適な形状を決定することができた。紙に書いた設計図をもとに、アンテナの製造とテストを開始した。
折り畳んだときの寸法は32.5mm3、重さはわずか5gという驚くべき大きさで、試作アンテナはキューブサットにぴったりと収まった。研究者たちは、安価な材料を使ってアンテナの大部分を作り、特殊な接合部を使って四角い板を立方体に折りたたんで、打ち上げや飛行中に簡単に収納できるようにした。軌道に乗れば、アンテナはキューブサットの外側に展開され、データの受信と送信の準備が整う。
Kim教授と彼のチームはさらに一歩進んで、衛星が互いに通信する必要があるか、地球と通信する必要があるかに応じて、異なる展開モードを設定した。「アンテナの体積、放射パターン、偏光は、必要な動作モードに応じて再構成可能だ」とKim博士は説明する。この構成により、研究者たちは、通信の種類に応じてアンテナの性能を最適化することができた。
このような有望な結果が得られたことで、研究者たちは、今回の試作品の設計が、将来の超小型衛星アンテナ技術の展開可能な設計を刺激し、6Gのような次世代通信システムへの道を開くことを期待している。今回の試作品は、将来の超小型衛星のコストを削減し、全体的な性能を向上させるだけでなく、静止軌道上の大型衛星や地球上の他の通信プラットフォームへのスケールアップも可能だ。
参考文献
“Origami-Inspired Radiation Pattern and Shape Reconfigurable Dipole Array Antenna at C-band for CubeSat Applications” by Myeongha Hwang, Gyoungdeuk Kim, Sangkil Kim and Nathan Seongheon Jeong, 20 October 2020, IEEE Transactions on Antennas and Propagation. DOI: 10.1109/TAP.2020.3030908
※本稿は釜山国立大学の発表を基にしています。
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