JP2005354388A

JP2005354388A - 光制御型フェーズドアレイアンテナ装置

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Publication number: JP2005354388A
Application number: JP2004172833A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Akiyama; 智浩秋山; Yoshihito Hirano; 嘉仁平野; Nobuyasu Takemura; 暢康竹村; Masato Sato; 正人佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-06-10
Filing date: 2004-06-10
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2024-06-10
Also published as: JP4140724B2

Abstract

【課題】所望の方向にヌルを形成することができる光制御型フェーズドアレイアンテナ装置を得る。
【解決手段】信号光、ローカル光を出力する光源１、光分配器２、光周波数変換器２０、マイクロ波信号源２１と、信号光ビームを空間に出射するビーム光出射装置４ａと、信号光ビームの空間強度分布に強度変調を行う空間光変調器１１と、信号光ビームをフーリエ変換するフーリエ変換レンズ１２と、ローカル光ビームを空間に出射するビーム光出射装置４ｂと、前記ローカル光ビームの空間位相分布を二分した領域間で１８０度の位相差を重畳する空間光位相分布変換器２３と、信号光ビームとローカル光ビームを重ね合わせ合成ビームとするビーム合成器１５と、前記合成ビームをサンプリングする光ファイバアレイ３１と、前記アレイ３１の出力をヘテロダイン検波し、マイクロ波信号に変換する光電変換器３２などを設けた。
【選択図】図１

Description

この発明は、アレイアンテナから放射、または受信するマイクロ波ビームを、光波により制御する光制御型フェーズドアレイアンテナ装置に関するものである。

従来の光制御型マイクロ波位相形成装置として、マイクロ波信号の周波数だけ周波数が異なる第１と第２のビーム光を放射し、第１のビーム光を信号光として、空間光変調器によりアレイアンテナからの放射ビームのパターンに対応した分布の信号光ビームに変換し、フーリエ変換レンズにより空間的にフーリエ変換するとともに、第２のビーム光を、ローカル光ビームとし、前記の信号光ビームと空間的に重ね合わせ、重ね合わされた合成ビーム光を光ファイバアレイにより空間的にサンプリングし、そのサンプリング光を複数の光電変換器によるヘテロダイン検波により、複数のマイクロ波信号に変換した後、各々のマイクロ波信号をアレイアンテナを用いて空間に放射するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平３−４４２０２号公報（第１図）

アレイアンテナからの送信もしくは受信ビームにより、目標の方位測定するレーダ装置などでは、高精度な方位測定を行うために、アンテナビームの強度分布が急峻に変化するヌル（零点）近傍の利用は有効である。

従来の光制御型フェーズドアレイアンテナ技術においては、空間光変調器で形成したパターンがアンテナ放射パターンとなるので、アンテナ放射パターンまたは受信パターンにヌルを形成するには、空間光変調器上にヌルを含んだ強度分布を形成する。しかしながら、従来の構成では、空間光変調器の空間分解能が有限であること、サンプリング用光ファイバアレイおよびアレイアンテナの素子数及びサイズが有限であること、かつ各ファイバ及びアンテナ素子が離散的に設置されていることから、急峻なヌルを形成することができず、方位測定精度を高められないという課題があった。

さらに、上記のような課題があるために、単一の応答パルスにより方位測定を行うモノパルスレーダに必要な、Δパターンビーム及びΣパターンビームを同時に形成できないという課題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、所望の方向にヌルを形成することができ、さらに、モノパルスレーダの実現に必要なビームパターンを形成することができる光制御型フェーズドアレイアンテナ装置を得るものである。

この発明に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置は、マイクロ波周波数で離調した信号光及びローカル光の二つのレーザ光を出力する光出力装置と、前記光出力装置から出力された信号光を信号光ビームとして空間に出射する第１のビーム光出射装置と、前記信号光ビームの空間強度分布に強度変調を行う空間光変調器と、前記空間光変調器で変調された信号光ビームを空間的にフーリエ変換するフーリエ変換レンズと、前記光出力装置から出力されたローカル光をローカル光ビームとして空間に出射する第２のビーム光出射装置と、前記ローカル光ビームの空間位相分布を二分した領域間で１８０度の位相差を重畳する空間光位相分布変換器と、前記フーリエ変換レンズからの信号光ビーム及び前記空間光位相分布変換器からのローカル光ビームを空間的に重ね合わせ合成ビームとするビーム合成器と、前記合成ビームを空間的にサンプリングする光ファイバアレイと、前記光ファイバアレイの出力をヘテロダイン検波することにより、マイクロ波信号に変換する光電変換器と、前記光電変換器により変換されたマイクロ波信号を空間に放射するアレイアンテナとを設けたものである。

この発明に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置は、所望の方向にヌルを形成することができ、さらに、モノパルスレーダの実現に必要なビームパターンを形成することができるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置について図１から図３までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す図である。また、図２は、この発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の空間光位相分布変換器上の領域を簡易的に示す図である。さらに、図３は、この発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の指向性を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置は、マイクロ波周波数で離調した信号光とローカル光の二つのレーザ光を出力する光出力装置（光源１、光分配器２、光周波数変換器２０、マイクロ波信号源２１）と、上記光出力装置から出力された信号光を信号光ビーム１０として空間に出射するビーム光出射装置４ａと、上記信号光ビーム１０の空間強度分布に強度変調を行う空間光変調器１１と、上記空間光変調器１１で変調された信号光ビーム１０を空間的にフーリエ変換するフーリエ変換レンズ１２と、上記光出力装置から出力されたローカル光をローカル光ビーム２２として空間に出射するビーム光出射装置４ｂと、上記ローカル光ビーム２２の空間位相分布を二分した領域間で１８０度の位相差を重畳する空間光位相分布変換器２３と、上記信号光ビーム１０とローカル光ビーム２２とを空間的に重ね合わせ合成ビームとするビーム合成器１５と、上記合成ビームを空間的にサンプリングする光ファイバアレイ３１と、上記光ファイバアレイ３１の出力をヘテロダイン検波することにより、マイクロ波信号に変換する複数の光電変換器３２と、光電変換されたマイクロ波信号を空間に放射する複数のアンテナ素子からなるアレイアンテナ３５とが設けられている。

つぎに、この実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、光源１から放射される光を光分配器２により二つに分岐し、一方を信号光として、例えば光ファイバ、レンズなどにより構成されたビーム光出射装置４ａを介して、所定のビーム幅の信号光ビーム１０に変換して、空間に出射する。

空間に出射した信号光ビーム１０は、空間光変調器１１に入力する。この空間光変調器１１は入射した信号光ビーム１０を、アレイアンテナ３５から放射させるマイクロ波ビームの方向に対応した強度分布の信号光ビーム１０に変換し、再び空間に出射する。空間光変調器１１としては、例えば液晶を用いたものが既に実用化されている。

フーリエ変換レンズ１２は、空間光変調器１１のビーム出射面がフーリエ変換レンズ１２の前側焦点面となる位置に設置される。空間光変調器１１を出射した信号光ビーム１０は、フーリエ変換レンズ１２を透過、回折し、ビーム合成器１５に入射する。このとき、信号光ビーム１０は、フーリエ変換レンズ１２により、その振幅分布及び位相分布は空間的にフーリエ変換される。なお、信号光ビーム１０の等位相面１４は、太線で表わす。

一方、光源１から放射し、光分配器２により分岐した他方の分岐光は、光周波数変換器２０により、マイクロ波信号源２１によるマイクロ波周波数相当で周波数偏移させて、ローカル光として出力する。このような、光周波数変換器２０として、音響光学効果を用いた光周波数シフタなどがある。ローカル光は、光ファイバ、レンズなどにより構成されたビーム光出射装置４ｂを介して、所定のビーム幅のローカル光ビーム２２に変換して、空間に出射する。

空間に出射したローカル光ビーム２２は、空間光位相分布変換器２３に入力する。この空間光位相分布変換器２３を出力したローカル光ビーム２２は、ビーム合成器１５に入射し、信号光ビーム１０と空間的に重ね合わされ、合成ビーム光となる。なお、空間光位相分布変換器２３の入力前後のローカル光ビーム２２の等位相面２５および等位相面２６は、太線で表わす。

合成ビーム光は、上記のフーリエ変換レンズ１２の後側焦点面を入射面とする光ファイバアレイ３１の各光ファイバに入射し、空間的にサンプリングされる。光ファイバアレイ３１は、所定の間隔をおいて、光ファイバの長手方向が平行になるように、並置された複数本の光ファイバから構成される。光ファイバアレイ３１の入射端には、各光ファイバへの合成ビーム光の結合効率を高めるためにレンズアレイを備えても良い。

光ファイバアレイ３１を構成する各光ファイバに入射した各合成光は、光ファイバ中を伝搬し、各光ファイバの出射端側に接続した各光電変換器３２に入力され、ヘテロダイン検波によりマイクロ波信号に変換さる。なお、光電変換マイクロ波信号の等位相面３３は、太線で表わす。マイクロ波信号の周波数は、マイクロ波信号源２１の周波数に対応する。マイクロ波信号は必要に応じて、マイクロ波増幅器などを介してアレイアンテナ３５の各アンテナ素子に給電し、マイクロ波５となる。

以上の構成において、アレイアンテナ３５から放射するマイクロ波ビーム５の形状について１次元の場合について説明する。

図２は、空間光位相分布変換器２３の出射面における、光ファイバアレイ３１の空間光位相分布変換器２３への投影部分５０を示したものである。図２では、４素子のリニアアレイアンテナ及びそれに対応する４素子の光ファイバアレイ３１で説明する。

光ファイバアレイ３１の各光ファイバが並ぶ方向をＸ軸とおき、光ファイバアレイ３１の中心及び光軸２７を原点とする。空間光位相分布変換器２３では、等位相分布２５で入射したローカル光ビーム２２の位相分布を、領域１（Ｘ＞０、図２中の５１）と、領域２（Ｘ＜０、図２中の５２）間で１８０度の位相差をもつ位相分布２６のローカルビーム光２２に変換する。

空間光位相分布変換器２３を実現する手段としては、光源の波長の２分の１÷透明板屈折率の厚み段差をもつ透明板にビーム光を透過させる装置や、光源の波長の４分の１の段差をなすミラーに垂直方向からビーム光を入射、反射させる装置などにより実現できる。

以上により、各光電変換器３２へ入射する信号光の位相分布は、空間光変調器１１で与えた強度分布で決まる位相勾配をなす。この位相勾配は、アレイアンテナ３５から放射するビーム方向に対応する。

一方、ローカル光の位相分布は、アレイアンテナ３５の中心素子に対して、１８０度の位相差をなす。従って、各光電変換器３２でヘテロダイン検波されたマイクロ波信号の位相分布は、アレイアンテナ３５を構成する中心のアンテナ素子で信号光の位相分布（ビーム方向に対応した位相勾配）に１８０度のオフセットを与えた分布をなす。

このように、アレイアンテナ３５の中心素子を基準に、各アンテナ素子から放射するマイクロ波信号の位相は反転しているため、主ビーム方向で打ち消し合いヌルが形成され、図３のように空間光変調器１１で定めた方向でヌル（極小）をなす指向性４０となる。

以上のように、ローカル光ビーム２２の空間位相でヌル形成に必要な位相分布を形成し、信号光ビーム１０を形成する空間光変調器１１で設定した強度分布によりビームの方向を制御するので、アレイアンテナ３５から放射するマイクロ波ビーム５に対し、ヌルの形成、方向を独立に制御することができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置について図４を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態２に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す図である。

図４において、この実施の形態２に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置は、上記実施の形態１の構成の他に、上記複数の光電変換器３２と複数のアンテナ素子の間に設けられ、アンテナで受信したマイクロ波信号の周波数及び位相を中間周波数信号に変換する複数のマイクロ波ミキサ３４と、周波数及び位相が変換された複数の中間周波数出力信号をベクトル加算する中間周波数信号合成器３６と、ＩＦ信号の出力端子３８とが設けられている。

上記の実施の形態１は、アレイアンテナ３５からヌルを含むマイクロ波ビームを送信する構成に関するものであるが、この実施の形態２では、受信ビーム指向性の特定方向にヌルを形成させる構成について図４を用いて説明する。なお、上記実施の形態１と同一の構成要素については説明を省略する。

アレイアンテナ３５を構成する各アンテナ素子と、光電変換器３２間に設置したマイクロ波ミキサ３４により、各アンテナ素子が受信したマイクロ波信号をＲＦ入力とし、各光電変換器３２の出力信号をローカル信号入力として、ＩＦ（中間周波数）信号を出力する。ＩＦ信号の周波数は、アンテナ受信マイクロ波信号の周波数と、光電変換信号（ローカル信号）の周波数との差になる。なお、ローカル信号の周波数は、マイクロ波信号源２１の周波数に相当する。

ＩＦ信号の位相は、アンテナ受信マイクロ波信号の位相と、ローカル信号の位相差となる。各ミキサ３４から出力したＩＦ信号をＩＦ信号合成器３６に入力しベクトル加算する。このとき、アレイアンテナ３５の各アンテナ素子で受信した各マイクロ波信号の位相勾配と、各光電変換器３２の出力信号の位相勾配が同じときにＩＦ信号合成器３６からの出力信号は同相加算され最大となり、それ以外のときには打ち消しあい小さくなる。

従って、空間光変調器１１で設定した強度分布に対応した方向から、マイクロ波ビームがアレイアンテナ３５に入射したとき、ＩＦ信号合成器３６の出力は最大となり、それ以外のときには出力は小さくなる。

このとき、前述の実施の形態１と同様に、ローカル光ビーム２２に対し空間光位相分布変換器２３により光電変換器３２の出力位相勾配に、中心の素子を基準に１８０度の位相オフセットを与えたビーム光に変換すると、受信ビームの指向性にヌルの形成、方向制御をすることができる。なお、空間光位相分布変換器２３の入力前後のローカル光ビーム２２の等位相面２５および等位相面２６は、太線で表わす。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置について図５から図７までを参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態３に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す図である。また、図６は、この発明の実施の形態３に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置のＩＦローカル信号のスペクトル分布を簡易的に示す図である。さらに、図７は、この発明の実施の形態３に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の指向性を示す図である。

図５において、この実施の形態３に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置は、信号光と、信号光に対して第１のマイクロ波周波数で離調した第１のローカル光（Σビーム用ローカル光）と、第２のマイクロ波周波数で離調した第２のローカル光（Δビーム用ローカル光）の三つのレーザ光を出力する光出力装置（光源１、光分配器２、光周波数変換器２０ｂ、２０ｃ、マイクロ波信号源２１ｂ、２１ｃ）と、上記光出力装置から出力された信号光を信号光ビーム１０として空間に出射するビーム光出射装置４ａと、上記信号光ビーム１０の空間強度分布に強度変調を行う空間光変調器１１と、上記空間光変調器１１で変調された信号光ビーム１０を空間的にフーリエ変換するフーリエ変換レンズ１２と、上記光出力装置から出力された第１のローカル光を第１のローカル光ビームとして空間に出射するビーム光出射装置４ｂと、上記光出力装置から出力された第２のローカル光を第２のローカル光ビームとして空間に出射するビーム光出射装置４ｃと、上記第２のローカル光ビームの空間位相分布を二分した領域間で１８０度の位相差を重畳する空間光位相分布変換器２３ｃと、上記信号光ビーム１０と上記第１のローカル光ビームと上記第２のローカル光ビームとを空間的に重ね合わせ合成ビームとするビーム合成器１５ａ、１５ｂと、上記合成ビームを空間的にサンプリングする光ファイバアレイ３１と、光ファイバアレイ３１の出力をヘテロダイン検波することにより、第１のマイクロ波信号（Σビーム用信号のマイクロ波信号（周波数ｆ１））と第２のマイクロ波信号（Δビーム用信号のマイクロ波信号（周波数ｆ２））に変換する複数の光電変換器３２と、上記複数の光電変換器３２とアレイアンテナ３５を構成する複数のアンテナ素子の間に設けられ、各アンテナ素子で受信したマイクロ波信号の周波数及び位相を、第１のマイクロ波信号により第１の中間周波数信号に変換し、かつ第２のマイクロ波信号により第２の中間周波数信号に変換する複数のマイクロ波ミキサ３４と、周波数変換された複数の中間周波数信号をベクトル加算する中間周波数信号合成器３６と、ベクトル加算された第１の中間周波数信号と第２の中間周波数信号とを周波数により分離するバンドパスフィルタ（周波数分離装置）３７と、出力端子３８ａ及び３８ｂとが設けられている。

つぎに、この実施の形態３に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の動作について図面を参照しながら説明する。

上記の実施形態２では、アレイアンテナ３５の受信ビームに対し、特定方向にヌルをなす指向性を形成するものであるが、この実施の形態３では、単一の受信ビームにより、受信ビームの方位測定するモノパルス受信方式を実現する構成について図５を用いて説明する。なお、上記実施の形態１及び２と同一の構成要素については説明を省略する。

光分配器２から出力したローカル光を二分岐し、一方をΣビーム用ローカル光と、他方をΔビーム用ローカル光とする。Σビーム用ローカル光は、上記実施の形態１及び２と同様に、第１の光周波数変換器２０ｂにより第１のマイクロ波信号源２１ｂから出力したマイクロ波の周波数ｆ１相当で周波数偏移させた後、ビーム光出射装置４ｂを介して、所定のビーム幅のΣビーム用ローカル光ビーム２２ｂに変換して空間に出射する。

一方、Δビーム用ローカル光は、第２の光周波数変換器２０ｃにより、第２のマイクロ波信号源２１ｃから出力した第１のマイクロ波周波数と異なる第２のマイクロ波周波数ｆ２相当で周波数偏移させた後、ビーム光出射装置４ｃを介して、所定のビーム幅のΔビーム用ローカル光ビーム２２ｃに変換して空間に出射する。

空間に出射したΔビーム用ローカル光ビーム２２ｃを、空間光位相分布変換器２３ｃにより、ビーム光内で空間位相分布に１８０度の位相オフセットが付加されたビーム光に変換する。なお、なお、空間光位相分布変換器２３ｃの入力前後のΔビーム用ローカル光ビーム２２ｃの等位相面２５および等位相面２６は、太線で表わす。

変換後のΔビーム用ローカル光ビーム２２ｃは、ビーム合成器１５ｂによりΣビーム用ローカル光ビーム２２ｂと合成され、この合成ビーム光は、ビーム合成器１５ａにより信号光ビーム１０と合成され、合成ビーム光として、光ファイバアレイ３１により空間的にサンプリングされ、各光電変換器３２によりヘテロダイン検波され、マイクロ波信号を発生する。

各光電変換器３２では、Σビーム用ローカル光２２ｂと信号光１０とがヘテロダイン検波されたΣビーム用信号のマイクロ波信号（周波数ｆ１）と、Δビーム用ローカル光２２ｃと信号光１０とがヘテロダイン検波されたΔビーム用信号のマイクロ波信号（周波数ｆ２）が発生する。

アレイアンテナ３５の各アンテナ素子により受信したマイクロ波信号（周波数ｆｒとする）は、各ミキサ３４によりΣビーム用信号によるΣビーム用ＩＦ信号（周波数ｆ１−ｆｒ）と、Δビーム用信号によるΔビーム用ＩＦ信号（周波数ｆ２−ｆｒ）の２つのＩＦ信号に変換される。各ＩＦ信号はＩＦ信号合成器３６により、各々ベクトル加算する。

ＩＦ信号合成器３６の出力のスペクトルの配置を模式的に図６に示す。図６のように、Σビーム用ＩＦ信号４５とΔビーム用ＩＦ信号４６は異なる周波数となるので、周波数領域で分離することができる。

ＩＦ信号合成器３６の出力をバンドパスフィルタ３７に入力し、周波数ｆ１−ｆｒ成分を第１の出力端子３８ａに、周波数ｆ２−ｆｒ成分を第２の出力端子３８ｂに出力する。

以上のように、Σビーム用、Δビーム用の指向性を同時に形成し、分離出力することができるので、第１の出力端子３８ａ及び第２の出力端子３８ｂの出力をモニタすることにより、図７に示すような指向性４１のΣビームと、指向性４２のΔビームを同時に受信することができる。

これにより、例えば、一回の送信電波に対する反射波のΣビーム用受信信号及びΔビーム用受信信号の出力信号の強度差から目標の方位を測定する、所謂モノパルスレーダ機能をもつ光制御型フェーズドアレイアンテナ装置を実現できる。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置について図８から図１０までを参照しながら説明する。図８は、この発明の実施の形態４に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す図である。また、図９は、この発明の実施の形態４に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の空間光位相分布変換器上の領域を簡易的に示す図である。さらに、図１０は、この発明の実施の形態４に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置のＩＦローカル信号のスペクトル分布を簡易的に示す図である。

図８において、この実施の形態４に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置は、信号光と、信号光に対して第１のマイクロ波周波数で離調した第１のローカル光（Σビーム用ローカル光）と、第２のマイクロ波周波数で離調した第２のローカル光（水平方向Δビーム用ローカル光）と、第３のマイクロ波周波数で離調した第３のローカル光（鉛直方向Δビーム用ローカル光）の四つのレーザ光を出力する光出力装置（光源１、光分配器２、光周波数変換器２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、マイクロ波信号源２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）と、上記光出力装置から出力された信号光を信号光ビーム１０として空間に出射するビーム光出射装置４ａと、上記信号光ビーム１０の空間強度分布に強度変調を行う空間光変調器１１と、上記空間光変調器１１で変調された信号光ビーム１０を空間的にフーリエ変換するフーリエ変換レンズ１２と、上記光出力装置から出力された第１のローカル光を第１のローカル光ビームとして空間に出射するビーム光出射装置４ｂと、上記光出力装置から出力された第２のローカル光を第２のローカル光ビームとして空間に出射するビーム光出射装置４ｃと、上記光出力装置から出力された第３のローカル光を第３のローカル光ビームとして空間に出射するビーム光出射装置４ｄと、上記第２のローカル光ビームの空間位相分布を水平方向で二分した領域間で１８０度の位相差を重畳する空間光位相分布変換器２３ｃと、上記第３のローカル光ビームの空間位相分布を鉛直方向で二分した領域間で１８０度の位相差を重畳する空間光位相分布変換器２３ｄと、上記信号光ビームと、上記第１のローカル光ビームと、上記第２のローカル光ビームと、上記第３のローカル光ビームとを空間的に重ね合わせ合成ビームとするビーム合成器１５ａ、１５ｂ、１５ｃと、上記合成ビームを空間的にサンプリングする光ファイバアレイ３１と、光ファイバアレイ３１の出力をヘテロダイン検波することにより、第１のマイクロ波信号と、第２のマイクロ波信号と、第３のマイクロ波信号に変換する複数の光電変換器３２と、複数の光電変換器３２とアレイアンテナ３５を構成する複数のアンテナ素子の間に設けられ、各アンテナ素子で受信したマイクロ波信号の周波数及び位相を、第１のマイクロ波信号により第１の中間周波数信号に変換し、かつ第２のマイクロ波信号により第２の中間周波数信号に変換し、かつ第３のマイクロ波信号により第３の中間周波数信号に変換する複数のマイクロ波ミキサ３４と、周波数変換された複数の中間周波数信号をベクトル加算する中間周波数信号合成器３６と、ベクトル加算された第１の中間周波数信号（Σビーム用ＩＦ信号）と第２の中間周波数信号（水平方向Δビーム用ＩＦ信号）と第３の中間周波数信号（鉛直方向Δビーム用ＩＦ信号）とを周波数により分離するバンドパスフィルタ（周波数分離装置）３７と、出力端子３８ａ、３８ｂ及び３８ｃとが設けられている。

つぎに、この実施の形態４に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の動作について図面を参照しながら説明する。

上記の実施の形態３は、１次元のモノパルスの形成に関するものであるが、この実施の形態４では、２次元のモノパルス形成させる構成について図８を用いて説明する。なお、既に説明した構成要素と同一の構成要素については説明を省略する。

光分配器２から出力したローカル光を３分岐し、一つをΣビーム用ローカル光と、他の一つを水平方向Δビーム用ローカル光と、他方を鉛直方向Δビーム用ローカル光とする。

Σビーム用ローカル光は、上記実施の形態３と同様に、第１の光周波数変換器２０ｂにより第１のマイクロ波信号源２１ｂから出力した第１のマイクロ波周波数ｆ１相当で周波数偏移させた後、ビーム光出射装置４ｂを介して、所定のビーム幅のΣビーム用ローカル光ビーム２２ｂに変換して空間に出射する。

一方、水平方向Δビーム用ローカル光は、第２の光周波数変換器２０ｃにより、第２のマイクロ波信号源２１ｃから出力した第１のマイクロ波周波数と異なる第２のマイクロ波周波数ｆ２相当で周波数偏移させた後、ビーム光出射装置４ｃを介して、所定のビーム幅の水平方向Δビーム用ローカル光ビーム２２ｃに変換して空間に出射する。空間に出射した水平方向Δビーム用ローカル光ビーム２２ｃは、第１の空間光位相分布変換器２３ｃに入射する。

また、鉛直方向Δビーム用ローカル光は、第３の光周波数変換器２０ｄにより、第３のマイクロ波信号源２１ｄから出力した第１及び第２のマイクロ波周波数と異なる第３のマイクロ波周波数ｆ３相当で周波数偏移せた後、ビーム光出射装置４ｄを介して、所定のビーム幅の鉛直方向Δビーム用ローカル光ビーム２２ｄに変換して空間に出射する。空間に出射した垂直方向Δビーム用ローカル光ビーム２２ｄは、第２の空間光位相分布変換器２３ｄに入射する。

ここで、空間光位相分布変換器２３ｃ及び２３ｄの出射面における、例えば、４×４素子の２次元状に配した光ファイバアレイ３１の空間光位相分布変換器２３ｃ及び２３ｄへの投影部分５０を図９に示す。光軸を原点に、水平方向をＸ軸、鉛直方向をＹ軸とする。

第１の空間光位相分布変換器２３ｃでは、領域１及び３（Ｘ＞０、図９中の５１、５３）と、領域２と４（Ｘ＜０、図９中の５２、５４）との間で、水平方向Δビーム用ローカル光ビーム２２ｃに１８０度の位相差を与えて出力する。

一方、第２の空間光位相分布変換器２３ｄでは、領域１及び２（Ｙ＞０、図９中の５１、５２）と、領域３と４（Ｙ＜０、図９中の５３、５４）との間で、鉛直方向Δビーム用ローカル光ビーム２２ｄに１８０度の位相差を与えて出力する。

空間光位相分布変換器２３ｃから出力した水平方向Δビーム用ローカル光ビーム２２ｃ、及び、空間光位相分布変換器２３ｄから出力した鉛直方向Δビーム用ローカル光ビーム２２ｄ、及び、Σビーム用ローカル光ビーム２２ｂ、及び、信号光ビーム１０は、ビーム合成器１５ａ、１５ｂ、１５ｃにより合成され、合成ビーム光として、入射面を２次元に並んだ光ファイバアレイ３１により空間的にサンプリングされ、光電変換器３２によりヘテロダイン検波され、マイクロ波信号を発生する。

各光電変換器３２では、Σビーム用ローカル光と信号光とがヘテロダイン検波されたΣビーム用信号のマイクロ波信号（周波数ｆ１）と、水平方向Δビーム用ローカル光と信号光とがヘテロダイン検波された水平方向Δビーム用信号のマイクロ波信号（周波数ｆ２）と、鉛直方向Δビーム用ローカル光と信号光とがヘテロダイン検波された鉛直方向Δビーム用信号のマイクロ波信号（周波数ｆ３）が発生する。

アレイアンテナ３５により受信したマイクロ波信号（周波数ｆｒとする）は、各ミキサ３４によりΣビーム用信号によるΣビーム用ＩＦ信号（周波数ｆ１−ｆｒ）と、水平方向Δビーム用信号による水平方向Δビーム用ＩＦ信号（周波数ｆ２−ｆｒ）と、鉛直方向Δビーム用信号による鉛直方向Δビーム用ＩＦ信号（周波数ｆ３−ｆｒ）の３つのＩＦ信号に変換される。各ＩＦ信号はＩＦ信号合成器３６により、各々ベクトル加算する。

ＩＦ信号合成器３６の出力信号のスペクトルの配置を図１０に示す。図１０のように、Σビーム用ＩＦ信号４５と、水平方向Δビーム用ＩＦ信号４６、鉛直方向Δビーム用ＩＦ信号４７は、お互いに異なる周波数となるので、周波数領域で分離することができる。

ＩＦ信号合成器３６の出力をバンドパスフィルタ３７に入力し、周波数ｆ１−ｆｒ成分を第１の出力端子３８ａに、周波数ｆ２−ｆｒ成分を第２の出力端子３８ｂに、周波数ｆ３−ｆｒ成分を第３の出力端子３８ｃに出力する。

以上のように、Σビーム用、水平方向Δビーム用、鉛直方向Δビーム用の指向性を形成し、分離出力することができるので、第１、第２、第３の出力端子３８ａ、３８ｂ及び３８ｃの出力をモニタすることにより、２次元のモノパルスビームを形成することができるので、目標の方位、仰角を同時に測定することが可能な、光制御型フェーズドアレイアンテナ装置を実現できる。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置について図１１を参照しながら説明する。図１１は、この発明の実施の形態５に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す図である。

上記の実施の形態４と同一の構成要素に関しては、説明を省略する。

図１１において、この実施の形態５に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置は、上記実施の形態４の空間光位相分布変換器２３ｃ、及び空間光位相分布変換器２３ｄの代わりに、ビーム光出射装置４ｂとビーム合成器１５ｂとの間に設けられ、第１のローカル光ビームを位相変調して所望の空間位相分布に変換する空間光位相変調器２４ｂと、ビーム光出射装置４ｃとビーム合成器１５ｃとの間に設けられ、第２のローカル光ビームを位相変調して所望の空間位相分布に変換する空間光位相変調器２４ｃと、ビーム光出射装置４ｄとビーム合成器１５ｃとの間に設けられ、第３のローカル光ビームを位相変調して所望の空間位相分布に変換する空間光位相変調器２４ｄとが設けられている。

ビーム光出射装置４ｂによりΣビーム用ローカル光ビーム２２ｂに変換し、空間に出射したΣビーム用ローカル光ビーム２２ｂは、空間光位相変調器２４ｂに入射し、空間位相分布を変換して出力する。

ビーム光出射装置４ｃにより水平方向Δビーム用ローカル光ビーム２２ｃに変換し、空間に出射した水平方向Δビーム用ローカル光ビーム２２ｃは、空間光位相変調器２４ｃに入射し、空間位相分布を変換して出力する。

さらに、ビーム光出射装置４ｄにより鉛直方向Δビーム用ローカル光ビーム２２ｄに変換し、空間に出射した鉛直方向Δビーム用ローカル光ビーム２２ｄは、空間光位相変調器２４ｄに入射し、空間位相分布を変換して出力する。

それぞれ、空間光位相変調器２４ｂ、２４ｃ、２４ｄから出力した各ビーム光、及び、信号光ビーム１０は、ビーム合成器１５ａ、１５ｂ、１５ｃにより、合成され合成ビーム光として光ファイバアレイ３１により空間的にサンプリングされる。

このとき、空間光位相変調器２４ｃでは、領域１及び３（Ｘ＞０、図９中の５１、５３）と、領域２と４（Ｘ＜０、図９中の５２、５４）との間で、水平方向Δビーム用ローカル光ビーム２２ｃに１８０度の位相差を与えて出力する。

一方、空間光位相変調器２４ｄでは、領域１及び２（Ｙ＞０、図９中の５１、５２）と、領域３と４（Ｙ＜０、図９中の５３、５４）との間で、鉛直方向Δビーム用ローカル光ビーム２２ｄに１８０度の位相差を与えて出力する。

さらに、各空間光位相変調器２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄでは、上記の１８０度の位相差に加えて、各光ファイバ投影部分毎に、サンプリング用光ファイバアレイ３１を構成する各光ファイバの長さ、各光電変換器３２と各ミキサ３４間の各マイクロ波伝送路長、及びアレイアンテナ３５の各アンテナ素子と各ミキサ３４の間の各マイクロ波伝送路長の差異による位相変位相当の位相差を持つ位相分布を付加して出力する。

上記で説明した空間光位相変調器２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄとしては、例えば、液晶により実用化されており、これにより、柔軟な位相分布の制御を行うことができる。例えば、上述のように、各光ファイバ長、マイクロ波伝送路の伝送路長の温度による変動、各ビーム光出射装置の収差を補正することも可能な、モノパルスビーム形成可能な光制御フェーズドアレイアンテナ装置を実現できる。

この発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の空間光位相分布変換器上の領域を簡易的に示す図である。この発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の指向性を示す図である。この発明の実施の形態２に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態３に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態３に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置のＩＦローカル信号のスペクトル分布を簡易的に示す図である。この発明の実施の形態３に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の指向性を示す図である。この発明の実施の形態４に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態４に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の空間光位相分布変換器上の領域を簡易的に示す図である。この発明の実施の形態４に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置のＩＦローカル信号のスペクトル分布を簡易的に示す図である。この発明の実施の形態５に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す図である。

符号の説明

１光源、２光分配器、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄビーム光出射装置、１１空間光変調器、１２フーリエ変換レンズ、１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃビーム合成器、２０、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ光周波数変換器、２１、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄマイクロ波信号源、２３、２３ｃ、２３ｄ空間光位相分布変換器、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ空間光位相変調器、３１光ファイバアレイ、３２光電変換器、３４マイクロ波ミキサ、３５アレイアンテナ、３６中間周波数信号合成器、３７バンドパスフィルタ、３８ａ、３８ｂ、３８ｃ出力端子。

Claims

マイクロ波周波数で離調した信号光及びローカル光の二つのレーザ光を出力する光出力装置と、
前記光出力装置から出力された信号光を信号光ビームとして空間に出射する第１のビーム光出射装置と、
前記信号光ビームの空間強度分布に強度変調を行う空間光変調器と、
前記空間光変調器で変調された信号光ビームを空間的にフーリエ変換するフーリエ変換レンズと、
前記光出力装置から出力されたローカル光をローカル光ビームとして空間に出射する第２のビーム光出射装置と、
前記ローカル光ビームの空間位相分布を二分した領域間で１８０度の位相差を重畳する空間光位相分布変換器と、
前記フーリエ変換レンズからの信号光ビーム及び前記空間光位相分布変換器からのローカル光ビームを空間的に重ね合わせ合成ビームとするビーム合成器と、
前記合成ビームを空間的にサンプリングする光ファイバアレイと、
前記光ファイバアレイの出力をヘテロダイン検波することにより、マイクロ波信号に変換する光電変換器と、
前記光電変換器により変換されたマイクロ波信号を空間に放射するアレイアンテナと
を備えたことを特徴とする光制御型フェーズドアレイアンテナ装置。
前記光電変換器と前記アレイアンテナの間に設けられ、前記アレイアンテナで受信したマイクロ波信号の周波数及び位相を中間周波数信号に変換するマイクロ波ミキサと、
前記マイクロ波ミキサにより変換された複数の中間周波数信号をベクトル加算する中間周波数信号合成器と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の光制御型フェーズドアレイアンテナ装置。
信号光、前記信号光に対して第１のマイクロ波周波数で離調した第１のローカル光、及び前記信号光に対して第２のマイクロ波周波数で離調した第２のローカル光の三つのレーザ光を出力する光出力装置と、
前記光出力装置から出力された信号光を信号光ビームとして空間に出射する第１のビーム光出射装置と、
前記信号光ビームの空間強度分布に強度変調を行う空間光変調器と、
前記空間光変調器で変調された信号光ビームを空間的にフーリエ変換するフーリエ変換レンズと、
前記光出力装置から出力された第１のローカル光を第１のローカル光ビームとして空間に出射する第２のビーム光出射装置と、
前記光出力装置から出力された第２のローカル光を第２のローカル光ビームとして空間に出射する第３のビーム光出射装置と、
前記第２のローカル光ビームの空間位相分布を二分した領域間で１８０度の位相差を重畳する空間光位相分布変換器と、
前記第１のローカル光ビーム及び前記第２のローカル光ビームを空間的に重ね合わせ第１の合成ビームとする第１のビーム合成器と、
前記フーリエ変換レンズからの信号光ビーム及び前記第１のビーム合成器からの第１の合成ビームを空間的に重ね合わせ第２の合成ビームとする第２のビーム合成器と、
前記第２の合成ビームを空間的にサンプリングする光ファイバアレイと、
前記光ファイバアレイの出力をヘテロダイン検波することにより、第１のマイクロ波信号及び第２のマイクロ波信号に変換する光電変換器と、
前記光電変換器とアレイアンテナの間に設けられ、前記アレイアンテナで受信したマイクロ波信号の周波数及び位相を、前記第１のマイクロ波信号により第１の中間周波数信号に変換し、かつ前記第２のマイクロ波信号により第２の中間周波数信号に変換するマイクロ波ミキサと、
前記マイクロ波ミキサにより変換された前記第１及び第２の中間周波数信号をベクトル加算する中間周波数信号合成器と、
前記中間周波数信号合成器によりベクトル加算された第１及び第２の中間周波数信号を周波数分離する周波数分離装置と
を備えたことを特徴とする光制御型フェーズドアレイアンテナ装置。
信号光、前記信号光に対して第１のマイクロ波周波数で離調した第１のローカル光、前記信号光に対して第２のマイクロ波周波数で離調した第２のローカル光、及び前記信号光に対して第３のマイクロ波周波数で離調した第３のローカル光の四つのレーザ光を出力する光出力装置と、
前記光出力装置から出力された信号光を信号光ビームとして空間に出射する第１のビーム光出射装置と、
前記信号光ビームの空間強度分布に強度変調を行う空間光変調器と、
前記空間光変調器で変調された信号光ビームを空間的にフーリエ変換するフーリエ変換レンズと、
前記光出力装置から出力された第１のローカル光を第１のローカル光ビームとして空間に出射する第２のビーム光出射装置と、
前記光出力装置から出力された第２のローカル光を第２のローカル光ビームとして空間に出射する第３のビーム光出射装置と、
前記光出力装置から出力された第３のローカル光を第３のローカル光ビームとして空間に出射する第４のビーム光出射装置と、
前記第２のローカル光ビームの空間位相分布を水平方向で二分した領域間で１８０度の位相差を重畳する第１の空間光位相分布変換器と、
前記第３のローカル光ビームの空間位相分布を鉛直方向で二分した領域間で１８０度の位相差を重畳する第２の空間光位相分布変換器と、
前記第２のローカル光ビーム及び前記第３のローカル光ビームを空間的に重ね合わせ第１の合成ビームとする第１のビーム合成器と、
前記第１のローカル光ビーム及び前記第１の合成ビームを空間的に重ね合わせ第２の合成ビームとする第２のビーム合成器と、
前記フーリエ変換レンズからの信号光ビーム及び前記第２のビーム合成器からの第２の合成ビームを空間的に重ね合わせ第３の合成ビームとする第３のビーム合成器と、
前記第３の合成ビームを空間的にサンプリングする光ファイバアレイと、
前記光ファイバアレイの出力をヘテロダイン検波することにより、第１のマイクロ波信号、第２のマイクロ波信号、及び第３のマイクロ波信号に変換する光電変換器と、
前記光電変換器とアレイアンテナの間に設けられ、前記アレイアンテナで受信したマイクロ波信号の周波数及び位相を、前記第１のマイクロ波信号により第１の中間周波数信号に変換し、前記第２のマイクロ波信号により第２の中間周波数信号に変換し、かつ前記第３のマイクロ波信号により第３の中間周波数信号に変換するマイクロ波ミキサと、
前記マイクロ波ミキサにより変換された前記第１、第２及び第３の中間周波数信号をベクトル加算する中間周波数信号合成器と、
前記中間周波数信号合成器によりベクトル加算された第１、第２及び第３の中間周波数信号を周波数分離する周波数分離装置と
を備えたことを特徴とする光制御型フェーズドアレイアンテナ装置。
前記第１及び第２の空間光位相分布変換器の代わりに、
前記第２のビーム光出射装置と前記第２のビーム合成器の間に設けられ、前記第１のローカル光ビームを位相変調して所望の空間位相分布に変換する第１の空間光位相変調器と、
前記第３のビーム光出射装置と前記第１のビーム合成器の間に設けられ、前記第２のローカル光ビームを位相変調して所望の空間位相分布に変換する第２の空間光位相変調器と、
前記第４のビーム光出射装置と前記第１のビーム合成器の間に設けられ、前記第３のローカル光ビームを位相変調して所望の空間位相分布に変換する第３の空間光位相変調器と
を備えたことを特徴とする請求項４記載の光制御型フェーズドアレイアンテナ装置。