宇宙アプリケーションにおける電子回路の課題

2015年の衛星産業の収益は2,080億ドルでした。衛星産業には、衛星の製造、衛星用打ち上げ機器、地上局用機器、および衛星サービスという4つの分野があります。現時点では衛星サービスが最大の分野であり、今後も衛星産業全体の推進役となる重要な要素であり続けるものと予想されます。それでは、最近の衛星はどのような役割を果たしているのでしょう。現代の生活がどれだけ衛星サービスに依存しているのかを知れば、ほとんどの人が驚くに違いありません。もし、現在運用されている1,381機の衛星が期せずしてその活動を停止したら、現代生活は大混乱に陥るでしょう。国際金融、電気通信、輸送、気象、国防、航空、その他多くの分野は、衛星サービスに大きく依存しています。衛星サービス市場には大きく分けて3つの分野があります。衛星航法、衛星通信、そして地球観測です。航法衛星は、位置確認、位置特定、および計時サービスの提供を目的として、航法用の信号とデータを世界のあらゆる場所へ配信するために使われます。利用可能なサービスの例としては、交通の管理、観測およびマッピング、運用機材や資産の管理、および自動運転技術などが挙げられ、無人自動車やトラックは次の大きな核心技術になると目されています。電気通信衛星（SATCOM）の例は、テレビ、電話、ブロードバンド・インターネット、衛星無線などです。これらのシステムは、地上に設定された通信ネットワークに損害を与えるような災害が発生した場合でも、途切れることなく通信サービスを提供することができます。企業や航空会社の運航する航空機が飛行中に利用できるインターネットやモバイル・エンターテイメントは、この市場の成長分野です。環境データの送信には地球観測衛星が使われます。宇宙からの地球観測はサステナブルな農業を促進し、気候変動への対応、土地や野生生物の管理、エネルギー資源管理などの助けとなります。地球観測衛星は水資源確保の助けとなり、気象予報を改善します。したがって衛星サービスの範囲は非常に広く、その範囲は更に広がりつつあります。

では、衛星にはどのような電子システムが使われているのでしょうか。宇宙船の基本要素は、プラットフォーム（またはバス）とペイロードの2つに分けられます。プラットフォームは、ペイロードを支援する5つの基本サブシステムで構成されます。すなわち、構造サブシステム、テレメトリ・トラッキングおよびコマンド・サブシステム、電源および給電サブシステム、熱制御サブシステム、および姿勢および速度制御サブシステムです。構造サブシステムは機械的な構造で、応力と振動に耐えるための剛性を提供します。また、放射線から電子機器を遮蔽する役割も果たします。テレメトリ、トラッキング、およびコマンド・サブシステムには、レシーバー、トランスミッタ、アンテナと、温度、電流、電圧、タンク圧力用のセンサーが含まれます。また、様々な宇宙船サブシステムのステータスも提供します。電源および給電サブシステムは太陽エネルギーを電力に変換して、宇宙船のバッテリを充電します。熱制御サブシステムは、極端な高温や低温から電子機器を保護する助けとなります。そして最後に、姿勢および速度制御サブシステムは軌道制御システムで、船体の方向を測定するためのセンサーとアクチュエータ（リアクション・ホイールやスラスタ）から構成されており、船体を正しい軌道位置へ乗せるためのトルクと力を発生させます。姿勢および制御システムの代表的なコンポーネントには、太陽および地球センサー、恒星センサー、モーメンタム・ホイール、慣性計測ユニット（IMU）、および信号を処理して衛星位置を制御するために必要な電子機器が含まれます。

ペイロードは本来のミッションに使われる装置です。GPS航法衛星の場合、これには、原子時計、航法信号発生器、そして高出力RFアンプとアンテナが含まれます。電気通信システムの場合、ペイロードには、アンテナ、トランスミッタとレシーバー、低ノイズ・アンプ、ミキサーとローカル発振器、復調器と変調器、パワー・アンプが含まれます。地球観測ペイロードには、気象予報用のマイクロ波および赤外線観測装置、可視赤外イメージング放射計、オゾン全量分光計、可視光および赤外線カメラ、および各種センサーが含まれます。

数年前のアナログ・デバイセズとヒッタイト・マイクロウェーブの統合により、現在ではDC～110GHzの周波数域に対応することが可能です。アナログ・デバイセズのソリューションは、航法、レーダー、6GHz未満の通信システム、衛星通信、電子戦、マイクロ波帯のレーダー・システム、レーダー・システム、ミリ波帯の衛星画像などの範囲に及んでいます。アナログ・デバイセズは、すべてのRFおよびマイクロ波シグナル・チェーンとアプリケーションをカバーする1000種類以上の部品を提供しています。ヒッタイトのあらゆるRFファンクション・ブロック、アッテネータ、LNA、PA、RFスイッチと、アナログ・デバイセズが提供する高性能リニア製品、高速ADC、DAC、アクティブ・ミキサー、そしてPLLのポートフォリオを組み合わせれば、エンドtoエンドのシステム・ソリューションを提供することができます。

TIDは時間に依存した、ミッションの寿命全般にわたってデバイス内に蓄積される電荷です。トランジスタを通過する粒子は、熱酸化物の内部に電子と正孔のペアを発生させます。蓄積された電荷は漏れ電流を発生させたり、デバイスのゲイン低下、タイミング特性への影響、更に場合によっては完全な機能喪失などを招いたりする可能性があります。合計蓄積ドーズ量は、軌道と時間によって異なります。LEOにおける主要な放射線源は電子と陽子（内帯）で、GEOの場合は電子（外帯）と太陽陽子です。デバイスのシールディングを使用してTIDの放射線量蓄積を効果的に削減できることは、注目に値します。

SEEは、1個の高エネルギー粒子がデバイスを通過して回路に電荷を注入することにより生じます。通常、SEEはソフト・エラーとハード・エラーに分けられます。

JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council）では、ソフト・エラーを、エネルギー・イオンの衝突によって生じる非破壊的な機能的エラーと定義しています。ソフト・エラーはSEEのサブセットであり、シングル・イベント・アップセット（SEU）、マルチビット・アップセット（MBU）、シングル・イベント・ファンクショナル・インタラプト（SEFI）、シングル・イベント・トランジェント（SET）、およびシングル・イベント・ラッチアップ（SEL）を含みます。SELが発生するとCMOSウェルに寄生バイポーラ動作が生じ、電源とグラウンドの間に低インピーダンス・パスが誘導されて大電流状態になります。したがって、SELは潜在的なハード・エラーを引き起こす可能性があります。

ソフト・エラーの例としては、ビット・フリップや、メモリ・セルまたはレジスタの状態変化などが挙げられます。SETは、高エネルギー粒子からデバイスに注入される電荷によって生じるトランジェント電圧パルスです。これらのトランジェント・パルスはSEFIを引き起こすことがあります。SEFIは、コンポーネントのリセット、ロックアップ、その他の機能不良を検出可能な形で引き起こすソフト・エラーですが、機能を回復するために電源のオン／オフを行う必要はありません。多くのSEFIは制御ビットやレジスタの異常に関係しています。

JEDECではハード・エラーを、通常はデバイスまたは回路の1つまたは複数の要素の恒久的損傷に関係するような不可逆的な動作の変化、と定義しています（例えばゲート酸化物の破損や破壊的なラッチアップ現象）。このエラーが「ハード」と呼ばれるのは、データが失われて、電源をリセットしてもそのコンポーネントやデバイスが正しく動作しなくなるからです。SEEハード・エラーは破壊的な結果を招くおそれがあります。ハード・エラーの例は、シングル・イベント・ラッチアップ（SEL）、シングル・イベント・ゲート・ラプチャ（SEGR）、およびシングル・イベント・バーンアウト（SEB）です。SEEハード・エラーはデバイスを破損させたりバス電圧を低下させたりするほか、場合によってはシステム電源を破損させる可能性もあります。