JP2005136712A

JP2005136712A - 光制御型アレーアンテナ及び光制御型アレーアンテナ測定方法

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Publication number: JP2005136712A
Application number: JP2003370726A
Authority: JP
Inventors: Nobuyasu Takemura; 暢康竹村; Tomohiro Akiyama; 智浩秋山; Masato Sato; 正人佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2005-05-26
Anticipated expiration: 2023-10-30
Also published as: JP4121084B2

Abstract

【課題】従来は、各素子アンテナに対応した移相器の位相を変化させて各素子アンテナの振幅・位相を測定したが、光制御型アレーアンテナでは移相器がない故、従来法では測定できない。
【解決手段】光波分配器で分配された光波発生手段からの一方の光波の周波数を周波数シフタにより入力される無線信号の周波数だけ偏移させて変調し、変調した光波を所定のアンテナ放射パターンの形状に対応したビーム形状に変換した後、振幅分布と位相分布を第２の変換手段でフーリエ変換する。一方光波分配器からの他方の光波の位相を自在に可変可能な第３の変換手段を備え、第３の変換手段からの光波と第２の放射手段からの光波とを合成手段で合成し、放射される光波をサンプリング手段でサンプリングし複数の光波に変換して、それぞれを光電変換手段で無線信号に変換し複数の素子アンテナで空間に放射する。
【選択図】図１

Description

この発明は、全素子アンテナの動作状態において各素子アンテナの励振振幅・位相が測定可能な光制御型アレーアンテナとその光制御型アレーアンテナを用いた光制御型アレーアンテナ測定方法に関するものである。

図４は例えば、特公平１−３０１１２号公報に示された従来のアンテナ測定装置の概略構成図である。この図において２１は送信機、２２は電力分配器、８１、８２、８３、…８Ｎは素子アンテナ、９１、９２、９３、…９Ｎは移相器、２５は電力分配器２２、移相器９１、９２、９３、…９Ｎ、素子アンテナ８１、８２、８３、…８Ｎによって構成されるフェーズドアレーアンテナ、２６はプローブアンテナ、２７は受信機、２８は演算手段である。
また、図５は図４における初期状態の振幅および位相を示す合成電界ベクトル図である。

次に動作について説明する。各移相器９１、９２、…９Ｎはある基準の励振位相状態、例えば全ての移相器が位相０°に設定されているものとする。また、プローブアンテナはある位置Ｐ_１にあるものとする。このとき、各素子アンテナ８１、８２、…８Ｎからの放射電界ｅ_１、ｅ_２、…の合成されたものがプローブアンテナ２６によって受信され、その受信信号は受信機２７に入り、その信号が演算手段２８に入力され、計算、処理される。着目する素子アンテナ、例えば素子アンテナ８１について、これに接続されている移相器９１の設定位相を０°から変化させていく。この結果、プローブアンテナ２６で受信される合成電界は、この素子アンテナ８１の放射電界の位相変化Δにしたがって変化する。この合成電界の振幅Ａの変化を受信機２７によって測定し、演算手段２８によって振幅Ａの最大値と最小値との比ｐ、および振幅Ａを最大にする位相変化量Δ＝Δ_０を求め、各素子アンテナの振幅・位相を算出する。

特公平１−３０１１２号公報

従来の測定装置は、全素子アンテナの動作状態において各素子アンテナの移相器の位相を変化させて各素子の励振振幅・位相を測定していたが、移相器の無いアレーアンテナ、例えば光制御型アレーアンテナの場合には移相器が存在しないため、各素子アンテナに接続された移相器の位相を変化させて各素子アンテナの振幅・位相を測定することができないという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、移相器の無い光制御型アレーアンテナの場合にも、従来の移相器の存在するアレーアンテナと同様に全素子アンテナの動作状態において各素子アンテナの励振振幅・位相を測定できる光制御型アレーアンテナおよびその光制御型アレーアンテナを用いた励振振幅・位相の測定方法の提供を目的とする。

この発明に係る光制御型アレーアンテナは
光波を発生する光波発生手段と、
光波発生手段から発生した光波を分配する光波分配器と、
光波分配器から分配された光波の周波数から入力される無線信号の周波数だけ偏移させた周波数を有する第１の光波に変調する周波数シフタと、
周波数シフタからの第１の光波を所定のアンテナ放射パターンのパターン形状に対応したビーム形状を有する光波に変換する第１の変換手段と、
上記第１の変換手段から放射される光波の振幅分布および位相分布を空間的にフーリエ変換する第２の変換手段と、
上記光波分配器から分配された他方の光波の位相を自在に可変可能な第３の変換手段と、
上記第３の変換手段からの光波と上記第２の放射手段からの第２の光波とを合成する合成手段と、
上記合成手段から放射される光波を空間的にサンプリングし複数の光波に変換するサンプリング手段と、
上記サンプリング手段から放射される複数の光波をそれぞれ無線信号に光電変換して出力する光電変換手段と、
上記光電変換手段からの複数の無線信号をそれぞれ空間に放射する複数の素子アンテナとを備えたものである。

また、この発明に係る光制御型アレーアンテナ測定方法は、
段落番号０００７に記載の光制御型アレーアンテナに対向して設置されたプローブアンテナと、
上記プローブアンテナに接続された受信機および演算手段とを備え、
上記第３の変換手段により、上記第２の放射手段から放射される第２の光波の位相を各素子アンテナに対応して変化してアレーアンテナの合成振幅変化を測定し、これらの測定結果から素子アンテナのそれぞれについて放射電界の相対振幅および相対位相を演算手段により求めるものである。

この発明に係る光制御アレーアンテナを用いることにより、素子アンテナに対応する光サンプリング素子に対応した部分の第３の変換手段の設定位相を０°から変化させていき、そのときの合成電界の振幅を測定し、演算手段によって演算処理を行えば移相器の無い光制御型アレーアンテナであっても各素子アンテナの合成電界に対する相対振幅および相対位相を求めることが可能となる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による光制御アレーアンテナ装置を示す概略構成図である。
図において、１は光波を発生する光波発生手段、２は光波発生手段からの光波を分配する光波分配器、３は光波分配器２からの一方の光波の周波数を偏移させる光周波数シフタ、４は光周波数シフタ３からの光波を放射する第１の放射手段、５は第１の放射手段４より放射される第１の光波、６は第１の光波のビーム形状を変換する第１の変換手段、７は第１の変換手段６からの光波をフーリエ変換する第２の変換手段、８はフーリエ変換後の第２の光波、１０は光波分配器２で分配された他方の光波を放射する第２の放射手段、１３は第２の放射手段１０から放射された第３の光波、１１は第３の光波を位相変換する第３の変換手段、１２は第３の変換手段１１により位相変化された第４の光波、９は第２の光波８と第４の光波１２を合成する合成手段である。

１４は合成手段９からの光波を空間的にサンプリングし光サンプリング素子４１，４２，・・・，４Ｎに対応した複数の光波に変換する光サンプリングアレー、６１，６２，・・・，６Ｎは光ファイバ５１，５２，・・・，５Ｎによって伝送された光サンプリング素子４１，４２，・・・，４Ｎからの光波をそれぞれ無線信号に光電変換する光電変換手段、７１，７２，・・・，７Ｎは光電変換手段６１，６２，・・・，６Ｎからの無線信号を増幅する増幅器、８１，８２，・・・，８Ｎは増幅器７１，７２，・・・，７Ｎからの無線信号を空間に放射する素子アンテナである。

２６は素子アンテナ８１，８２，・・・，８Ｎからの電波を受信するプローブアンテナ、２７はプローブアンテナ２６の受信信号を合成して測定する受信機、受信機２７からの信号を演算処理する演算手段である。
また、図３は第３の変換手段１１と光サンプリングアレー１４との対応を示した図である。図において、１１は第３の変換手段、４１，４２，・・・，４Ｎは光サンプリング素子、１９は第３の変換手段１１による位相変化である。

次に動作について説明する。
光波発生手段１から発生した光波は光波分配器２により２つの光波に分配される。一方の光波は光周波数シフタ３により、光波発生手段１で発生した光波の周波数から入力される無線信号の周波数だけ偏移させた周波数を有する第１の光波５に変換される。このとき無線信号が光波に外部変調される。第１の光波５は第１の放射手段４により方形の面を有する光波に変換されて放射され、第１の変換手段６により、所定のアンテナ放射パターンのパターン形状に対応したビーム形状を有する光波に変換される。第１の変換手段６により変換された光波は第２の変換手段７により、光波の振幅分布および位相分布を空間的にフーリエ変換される。

光波分配器２により分配されたもう一方の光波は第２の放射手段１０により方形の面を有する光波に変換されて放射され、第３の変換手段１１により光波の位相が変換される。このとき、第３の変換手段１１により変換される光波の位相は光サンプリングアレー１４の各光サンプリング素子４１，４２，・・・，４Ｎに対応した部分の位相に変換するものとする。

第２の変換手段７から放射された光波と第３の変換手段１１から放射された光波は合成手段９により合成され、光サンプリングアレー１４により光波を空間的にサンプリングし光サンプリング素子４１，４２，・・・，４Ｎに対応した複数の光波に変換して出力される。変換された複数の光波は光ファイバ５１，５２，・・・，５Ｎにより伝送され、光電変換手段６１，６２，・・・，６Ｎにより複数の光波はそれぞれ無線信号に光電変換されて出力される。光電変換された無線信号は増幅器７１，７２，・・・，７Ｎにより増幅され、複数の素子アンテナ８１，８２，・・・，８Ｎから空間に放射される。

素子アンテナ８１，８２，・・・，８Ｎから空間に放射された電波はプローブアンテナ２６により受信され、その受信信号は受信機２７に入り、その信号が演算手段２８に入力され、計算、処理される。

着目する素子アンテナ、例えば素子アンテナ８１について、この素子アンテナ８１に対応する光サンプリング素子４１に対応した部分の第３の変換手段１１の設定位相を０°から変化させていく。この結果、プローブアンテナ２６に接続された受信機２７で測定される合成電力は、この素子アンテナ８１の放射電界の位相変化Δにしたがって変化する。この合成電界の振幅Ａの変化を受信機２７によって測定し、演算手段２８によって振幅Ａの最大値と最小値との比ｐ、および振幅Ａを最大にする位相変化量Δ＝Δ_０を求め、各素子アンテナ８１、８２、…８Ｎの振幅および位相を算出する。

以上のように構成された実施の形態１の光制御アレーアンテナ装置では、素子アンテナに対応する光サンプリング素子に対応した部分の第３の変換手段の設定位相を０°から変化させていき、そのときの合成電界の振幅を測定し、演算手段による演算処理により各素子アンテナの合成電界に対する相対振幅および相対位相を求めることができる。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２による光制御アレーアンテナ装置を示す概略構成図である。
図において、１は光波発生手段、２は光波分配器、３は光周波数シフタ、４は第１の放射手段、５は第１の光波、６は第１の変換手段、７は第２の変換手段、８は第２の光波、９は合成手段、１０は第２の放射手段、１１は第３の変換手段、１２は第３の変換手段により位相変化した第３の光波、１３は第３の光波、１４は光サンプリングアレー、２６はプローブアンテナ、２７は受信機、２８は演算手段、４１，４２，・・・，４Ｎは光サンプリング素子、５１，５２，・・・，５Ｎは光ファイバ、６１，６２，・・・，６Ｎは光検波器、７１，７２，・・・，７Ｎは増幅器、８１，８２，・・・，８Ｎは素子アンテナである。

上記実施の形態１において、第３の変換手段１１は合成手段９に対して第２の放射手段１０と同じ側に設けられているが、この実施の形態２では、第３の変換手段１１は合成手段９に対して第２の放射手段１０の反対側、即ち合成手段９を挟むようにして設けられている。
また、図３は第３の変換手段１１と光サンプリングアレー１４との対応を示した図である。図において、１１は第３の変換手段、４１，４２，・・・，４Ｎは光サンプリング素子、１９は第３の変換手段１１による位相変化である。

次に動作について説明する。
光波発生手段１から発生した光波は光波分配器２により２つの光波に分配される。一方の光波は光周波数シフタ３により、光波の周波数から入力される無線信号の周波数だけ偏移させた周波数を有する第１の光波５を発生する。このとき無線信号が光波に外部変調される。第１の光波５は第１の放射手段４により放射され、第１の変換手段６により、所定のアンテナ放射パターンのパターン形状に対応したビーム形状を有する光波に変換される。第１の変換手段６により変換された光波は第２の変換手段７により、光波の振幅分布および位相分布を空間的にフーリエ変換される。

光波分配器２により分配されたもう一方の光波は第２の放射手段１０により放射され、合成手段９を通過した光波は第３の変換手段１１により光波の位相が可変される。このとき、第３の変換手段１１により可変する光波の位相は光サンプリングアレー１４の各光サンプリング素子４１，４２，・・・，４Ｎに対応した部分の位相を可変するものとする。

以上のように構成された実施の形態２の光制御アレーアンテナ装置では、素子アンテナに対応する光サンプリング素子に対応した部分の第３の変換手段の設定位相を０°から変化させていき、そのときの合成電界の振幅を測定し、演算手段による演算処理により各素子アンテナの合成電界に対する相対振幅および相対位相を求めることができる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３による光制御型アレーアンテナ装置を構成する機器は実施形態１および２と同様である。また，動作についても実施形態１および２と同様である。この光制御型アレーアンテナ装置を用いて、光制御型アレーアンテナから遠方Ｒの位置（但しＲ＞２Ｄ^２／λ：Ｄはアンテナ開口径、λは波長）にプローブアンテナを対向して設置し、光制御型アレーアンテナおよびプローブアンテナの相対位置を変化して、光制御型アレーアンテナの遠方界分布を測定し、演算手段による演算処理により各素子アンテナの合成電界に対する相対振幅および相対位相を求めることができる。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４による光制御型アレーアンテナ装置を構成する機器は実施形態１および２と同様である。また，動作についても実施形態１および２と同様である。この光制御型アレーアンテナ装置を用いて、プローブアンテナを遠方より近い有限距離Ｒ（Ｒ＜２Ｄ^２／λ：Ｄはアンテナ開口径、λは波長）に光制御型アレーアンテナに対向するように設け、光制御型アレーアンテナおよびプローブアンテナの相対位置を変化して、光制御型アレーアンテナの有限距離における分布をデフォーカス法により測定し、演算手段による演算処理により各素子アンテナの合成電界に対する相対振幅および相対位相を求めることができる。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５による光制御型アレーアンテナ装置を構成する機器は実施形態１および２と同様である。また，動作についても実施形態１および２と同様である。実施の形態１および２と異なる点はプローブアンテナを光制御型アレーアンテナに対して同一方向に向けたことである。
光制御型アレーアンテナに対して同一方向に向けたプローブアンテナを光制御型アレーアンテナ近傍に設け、光制御型アレーアンテナとプローブアンテナとの相互結合を測定し、演算手段による演算処理により各素子アンテナの合成電界に対する相対振幅および相対位相を求めることができる。

実施の形態６．
この発明の実施の形態６による光制御型アレーアンテナ装置を構成する機器は実施形態１および２と同様である。また，動作についても実施形態１および２と同様である。プローブアンテナをごく近傍に光制御型アレーアンテナに対向するように設け、光制御型アレーアンテナおよびプローブアンテナの相対位置を変化して、光制御型アレーアンテナの近傍界分布を測定し、演算手段による演算処理により各素子アンテナの合成電界に対する相対振幅および相対位相を求めることができる。

移相器のない光制御アレーアンテナであっても、各素子アンテナの合成電界に対する相対振幅および相対位相を求めることができ、レーダ等に適用するとき好適である。

この発明の実施の形態１による光制御アレーアンテナ装置を示す概略構成図である。この発明の実施の形態２による光制御アレーアンテナ装置を示す概略構成図である。第３の変換手段と光サンプリングアレーとの対応を示した図である。従来のアンテナ測定装置の概略構成図である。図４における初期状態の振幅および位相を示す合成電界ベクトル図である。

符号の説明

１．光波発生手段
２．光波分配器
３．光周波数シフタ
４．第１の放射手段
５．第１の光波
６．第１の変換手段
７．第２の変換手段
８．第２の光波
９．合成手段
１０．第２の放射手段
１１．第３の変換手段
１２．第３の変換手段により位相変化した第４の光波
１３．第３の光波
１４．光サンプリングアレー
１９．第３の変換手段による位相変化
２１．送信機
２２．電力分配器
２５．フェーズドアレー
２６．プローブアンテナ
２７．受信機
２８．演算手段
４１，４２，・・・，４Ｎ．光サンプリング素子
５１，５２，・・・，５Ｎ．光ファイバ
６１，６２，・・・，６Ｎ．光電変換手段
７１，７２，・・・，７Ｎ．増幅器
８１，８２，８３，…８Ｎ．素子アンテナ
９１，９２，９３，…９Ｎ．移相器

Claims

光波を発生する光波発生手段と、
光波発生手段から発生した光波を分配する光波分配器と、
光波分配器から分配された光波の周波数から入力される無線信号の周波数だけ偏移させた周波数を有する第１の光波に変調する周波数シフタと、
周波数シフタからの第１の光波を所定のアンテナ放射パターンのパターン形状に対応したビーム形状を有する光波に変換する第１の変換手段と、
上記第１の変換手段から放射される光波の振幅分布および位相分布を空間的にフーリエ変換する第２の変換手段と、
上記光波分配器から分配された他方の光波の位相を自在に可変可能な第３の変換手段と、
上記第３の変換手段からの光波と上記第２の放射手段からの第２の光波とを合成する合成手段と、
上記合成手段から放射される光波を空間的にサンプリングし複数の光波に変換するサンプリング手段と、
上記サンプリング手段から放射される複数の光波をそれぞれ無線信号に光電変換して出力する光電変換手段と、
上記光電変換手段からの複数の無線信号をそれぞれ空間に放射する複数の素子アンテナとを備えた光制御型アレーアンテナ。
上記周波数シフタと第１の変換手段との間に、上記周波数シフタからの光波の放射範囲を第１の変換手段の受光面積に拡大する第１の放射手段と、
上記光波分配器と上記第３の変換手段との間に、上記光波分配器からの他方の光波の放射範囲を上記第３の変換手段の受光面積に拡大する第２の放射手段とを備え、
上記第３の変換手段は上記合成手段を挟んで第２の放射手段の反対側に設けられたことを特徴とする請求項１記載の光制御型アレーアンテナ。
請求項１または請求項２記載の光制御型アレーアンテナに対向して設置されたプローブアンテナと、
上記プローブアンテナに接続された受信機および演算手段とを備え、
上記第３の変換手段により、上記第２の放射手段から放射される第２の光波の位相を各素子アンテナに対応して変化し、アレーアンテナの合成振幅変化をプローブアンテナと受信機により測定し、これらの測定結果から素子アンテナのそれぞれについて放射電界の相対振幅および相対位相を演算手段により求めることを特徴とする光制御型アレーアンテナ測定方法。
光制御型アレーアンテナの遠方Ｒの位置（但しＲ＞２Ｄ^２／λ：Ｄは光制御型アレーアンテナのアンテナ開口径、λは測定電波の波長とする）にプローブアンテナを対向して設置し、光制御型アレーアンテナおよびプローブアンテナの相対位置を変化して、光制御型アレーアンテナの遠方界分布を測定し、アレー素子パターンを求めることを特徴とする請求項３記載の光制御型アレーアンテナ測定方法。
光制御型アレーアンテナから有限距離Ｒの位置（但しＲ＜２Ｄ^２／λ：Ｄはアンテナ開口径、λは波長）にプローブアンテナを対向して設置し、光制御型アレーアンテナおよびプローブアンテナの相対位置を変化して、光制御型アレーアンテナからの放射分布をデフォーカス法により測定し、アレー素子パターンを求めることを特徴とする請求項３記載の光制御型アレーアンテナ測定方法。
光制御型アレーアンテナの近傍に同一方向に向けたプローブアンテナを設置し、光制御型アレーアンテナとプローブアンテナの相互結合を測定し、アレー素子パターンを求めることを特徴とする請求項３記載の光制御型アレーアンテナ測定方法。
光制御型アレーアンテナの近傍に対向するプローブアンテナを設置し、光制御型アレーアンテナおよびプローブアンテナの相対位置を変化して、光制御型アレーアンテナの近傍界分布を測定し、アレー素子パターンを求めることを特徴とする請求項３記載の光制御型アレーアンテナ測定方法。