JP2007318493A - 光制御型フェーズドアレーアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速ビーム走査可能な光制御型フェーズドアレーアンテナ装置を得る。
【解決手段】マイクロ波周波数で離調した信号光およびローカル光の２つのレーザ光を出力する光出力部１と、信号光を信号光ビームとして空間に出射する信号光ビーム出射部２と、ローカル光をローカル光ビームとして空間に出射するローカル光ビーム出射部３と、信号光ビームの方向を反射面の回転により変化させる第１のポリゴンミラー１０と、反射した信号光ビームと、ローカル光ビームとを空間的に重ね合わせて合成ビーム光を得る光ビーム合成器４と、合成ビーム光を空間的にサンプリングする光サンプリングアレー５と、光サンプリングアレー５でサンプリングされた光をヘテロダイン検波することでマイクロ波信号に変換し、マイクロ波信号をアレーアンテナ７の各アンテナ素子に給電する複数の光電変換器６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、アレーアンテナに給電するマイクロ波信号を形成する光制御型フェーズドアレーアンテナ装置に関し、特に、μｓｅｃオーダの高速ビーム形成が要求される用途に適用可能な光制御型フェーズドアレーアンテナ装置に関する。

従来の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置では、アレーアンテナから放射させるマイクロ波周波数相当の周波数がオフセットした信号光ビームおよびローカル光ビームにおいて、信号光ビームに対し空間位相変調器により空間的な位相分布を形成し、ローカル光ビームと空間的に合波、サンプリングした後、ヘテロダイン検波することにより、マイクロ波信号の位相分布を形成し、アレーアンテナへの給電信号としていた（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−２０２５４７号公報

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。従来技術では、空間位相変調器により空間の位相分布を形成しているため、ビーム形成にかかる時間は、空間位相変調器の応答速度で制限されていた。空間位相変調器としては、液晶などが一般的であるが、これらの応答時間は、早いものでもｍｓｅｃオーダであり、例えば、μｓｅｃオーダの高速ビーム形成が要求される用途には適用できないという問題があった。

本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、高速ビーム走査可能な光制御型フェーズドアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。

本発明に係る光制御型フェーズドアレーアンテナ装置は、マイクロ波周波数で離調した信号光およびローカル光の２つのレーザ光を出力する光出力部と、光出力部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信号光ビーム出射部と、光出力部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ローカル光ビーム出射部と、信号光ビーム出射部から出射された信号光ビームの方向を反射面の回転により変化させる第１のポリゴンミラーと、第１のポリゴンミラーで反射した信号光ビームと、ローカル光ビーム出射部から出射されたローカル光ビームとを空間的に重ね合わせて合成ビーム光を得る光ビーム合成器と、合成ビーム光を空間的にサンプリングする光サンプリングアレーと、光サンプリングアレーでサンプリングされた光をヘテロダイン検波することでマイクロ波信号に変換し、マイクロ波信号をアレーアンテナの各アンテナ素子に給電する複数の光電変換器とを備えたものである。

本発明によれば、ローカル光ビームに対して、高速回転可能なポリゴンミラーによりビーム方向を変化させた信号光ビームを空間的に重ね合わせることにより得られた合成ビーム光に基づいて、各アンテナ素子に給電するマイクロ波信号を形成することにより、高速ビーム走査可能な光制御型フェーズドアレーアンテナ装置を得ることができる。

以下、本発明の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
本発明の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置は、光ビーム合成器に与える信号光ビームの方向を、高速回転可能なポリゴンミラーを用いて変化させることを技術的特徴としており、例えば、μｓｅｃオーダの高速ビーム形成が要求される用途に適用できる光制御型フェーズドアレーアンテナ装置を実現するものである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の構成図である。この光制御型フェーズドアレーアンテナ装置は、光出力部１、信号光ビーム出射部２、ローカル光ビーム出射部３、光ビーム合成器４、光サンプリングアレー５、光電変換器６、アレーアンテナ７、および第１のポリゴンミラー１０で構成される。

図１において、光出力部１は、マイクロ波周波数で離調した信号光とローカル光を出力する。信号光ビーム出射部２は、光出力部１から出力された信号光を、光ファイバなどの伝送路を介して、所定のビーム幅の信号光ビーム２１に変換し、空間に出射する出射部であり、レンズなどにより構成される。

同様に、ローカル光ビーム出射部３は、光出力部１から出力されたローカル光を、所定のビーム幅のローカル光ビーム３１に変換し、空間に出射する。ここで、光出力部１は、例えば、レーザ光源と、レーザ光を変調する光変調器と、変調光から信号光成分とローカル光成分をその波長により分波する波長フィルタとから構成することが可能である。

信号光ビーム出射部２により空間に出射された信号光ビーム２１は、第１のポリゴンミラー１０に入射する。第１のポリゴンミラー１０は、図１のように多面体のミラーで構成されたものであり、多面体の中心を軸にして回転させることにより、高速に反射面の向きを変えることができる。図１では、８面体のポリゴンミラーを示しており、その内の２つの面をミラー１０（１）、１０（２）として示している。

このとき、第１のポリゴンミラー１０の一面のミラー１０（１）に入射した信号光ビーム２１の反射方向は、第１のポリゴンミラー１０の回転角に従って傾く。そして、第１のポリゴンミラー１０の回転角がさらに大きくなると、信号光ビーム２１は、第１のポリゴンミラー１０の一面のミラー１０（１）の隣の面のミラー１０（２）に入射する。

隣の面のミラー１０（２）に入射した信号光ビーム２１も、同様に、第１のポリゴンミラー１０の回転角に従って、その反射方向が傾く。以上のように、第１のポリゴンミラー１０の回転により、反射光（図１における信号光ビーム２２に相当）は、多角形の辺の数で決まる反射角の範囲で繰り返し走査される。

図１においては、８面のポリゴンミラーを示しているが、例えば、３６面のポリゴンミラーを用いた場合には、ポリゴンミラーが回転することにより、ミラー１面毎に反射光の方向を２０度変化させることが可能である。

次に、ビームスプリッタなどによる光ビーム合成器４は、第１のポリゴンミラー１０で反射した信号光ビーム２２と、ローカル光ビーム出射部３により変換されたローカル光ビーム３１とを空間的に合成し、合成ビーム光を生成する。そして、合成ビーム光は、所定の間隔で配された光ファイバや光導波路をアレー状に配した光サンプリングアレー５にて空間的にサンプリングされ、光ファイバ中を伝搬した後、光電変換器６でヘテロダイン検波され、マイクロ波に変換される。

各光電変換器６で変換されたマイクロ波信号の位相は、信号光とローカル光との位相差になる。そして、各光電変換器６で光電変換されたマイクロ波信号は、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナ７から空間に放射される。

ここで、第１のポリゴンミラー１０の回転と、アレーアンテナ７から放射されるマイクロ波の関係について説明する。前述の第１のポリゴンミラー１０にて反射した信号光ビーム２２の方向を、光軸を基準にθとおき、ローカル光ビーム３１を平行光とする。

ここで、光サンプリングアレー５の各サンプリング素子の隣接素子間隔をｄｏとおき、光の波長をλｏとおくと、光サンプリングアレー５の隣接素子間の信号光の位相差Δφは、
（２π／λｏ）・ｄｏ・ｓｉｎθ
となる。

各光電変換器６で発生するマイクロ波（波長λｍ）の、隣接する光電変換器６間の位相差もこれに等しいため、素子間隔ｄｍのアレーアンテナ７から放射されるマイクロ波ビームの方向Θは、
ｓｉｎΘ＝λｍ／（２π・ｄｍ）Δφ＝（ｄｏ／λｏ）／（ｄｍ／λｍ）×ｓｉｎθ
となる。

上式のように、アンテナ放射マイクロ波ビームの方向ｓｉｎΘは、第１のポリゴンミラー１０により反射した信号光ビーム２２の方向であるｓｉｎΘに比例する。なお、第１のポリゴンミラー１０の面の傾き角θｐと反射した信号光ビーム２２の傾き角θの関係は、θ＝２θｐである。

次に、第１のポリゴンミラー１０の回転およびアンテナ放射マイクロ波ビームの方向Θの計算例を示す。光サンプリングアレー５の素子間隔を６λｏ、アレーアンテナ７の素子間隔を１．０λｍとする。第１のポリゴンミラー１０の面数を３６面とすると、反射光の方向を１面あたり２０度（±１０度）変化させることができるため、アンテナ放射ビームの方向を２０×６／１．０＝１２０度（±６０度）変化させることが可能となる。

このとき、第１のポリゴンミラー１０を１００００ｒｐｍの速度で回転させると、１回のビーム走査を１６７μｓｅｃで行うことができる。１度あたり約１．４μｓｅｃとなる。

以上のように、実施の形態１によれば、ローカル光ビームに対して、ポリゴンミラーによりビーム方向を変化させた信号光ビームを空間的に重ね合わせることにより得られた合成ビーム光に基づいて、各アンテナ素子に給電するマイクロ波信号を形成することができる。ポリゴンミラーは、高速回転が可能であるとともに、所望の面数を有するポリゴンミラーを所望の回転数で回転させることにより、アンテナ放射ビームの方向を高速に変化させた高速ビーム形成が可能となる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２における光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の構成図である。先の実施の形態１における図１と同一の部分に関しては、同一の符号を付し、説明を省略する。本実施の形態２における図２の構成は、第１のポリゴンミラー１０と光ビーム合成器４との間に、ビーム拡大光学系１１をさらに備えている点が異なっている。

ここで、ビーム拡大光学系１１の倍率をｍとおく。第１のポリゴンミラー１０を反射した信号光ビーム２２の反射方向をθ（光軸を基準）とおくと、ビーム拡大光学系１１を透過した信号光ビーム２３のビームサイズは、反射した信号光ビーム２２のｍ倍となり、ビーム方向の光軸に対する傾き角は、θ／ｍとｍ分の１に小さくなる。

このとき、アレーアンテナ７から放射するマイクロ波ビームの方向Θは、
ｓｉｎΘ＝（ｄｏ／λｏ）／（ｄｍ／λｍ）×ｓｉｎ（θ／ｍ）
となる。

θ／ｍが小さいとすると、上式は、
ｓｉｎΘ＝（ｄｏ／λｏ）／（ｄｍ／λｍ）×θ／ｍ
＝（ｄｏ／ｍ／λｏ）／（ｄｍ／λｍ）×θ
となる。このことから、ビーム拡大光学系１１を備えない場合と比較して、同じ方向Θのアンテナ放射ビームを得るのに必要な光サンプリングアレー５の素子間隔を、ｍ倍にすることが可能となる。

実施の形態１で示した計算例において、λｏ＝１．５μｍとすると、光サンプリングアレー５の素子間隔は、６λｏ＝９μｍであった。ここで、１０倍のビーム拡大光学系１１を適用した場合、光サンプリングアレー５の素子間隔は６０λｏ＝９０μｍとすることができるため、光サンプリングアレー５の製造が容易になる。

また、同一の光サンプリングアレー５を用いるとした場合、第１のポリゴンミラー１０へ入射させる信号光ビーム２１のビームサイズを１／ｍに細くできる。これにより、第１のポリゴンミラー１０を小さくすることができ、第１のポリゴンミラー１０の回転速度の高速化が容易になる。

以上のように、実施の形態２によれば、第１のポリゴンミラーと光ビーム合成器との間に、ビーム拡大光学系を備えることにより、光サンプリングアレーの素子間隔を広くすることができ、光サンプリングアレーの製造が容易となる。さらに、第１のポリゴンミラーへ入射させる信号光ビームのビームサイズを細くでき、第１のポリゴンミラーの小型化に伴う高速回転を実現できる。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３における光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の構成図である。先の実施の形態１における図１と同一の構成に関しては、同一の符号を付し、説明を省略する。本実施の形態３における図３の構成は、ローカル光ビーム出射部３と光ビーム合成器４との間に、ローカル光ビーム３１の位相分布に位相変調を行うための空間光位相変調器１２をさらに備えている点が異なっている。

ローカル光ビーム出射部３より空間に出射したローカル光ビーム３１は、空間光位相変調器１２に入力する。そして、空間光位相変調器１２は、入射したローカル光ビーム３１に対し、光サンプリングアレー５の各サンプリング素子（各光電変換器、アレーアンテナの各アンテナ素子に対応）のサンプリング位置を空間光位相変調器１２上に投影した領域毎に、ローカル光ビーム３１の位相分布を空間的に位相変調する。

空間光位相変調器１２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。なお、図３では、透過型の空間光位相変調器１２を図示しているが、反射型でもよいことは言うまでもない。

空間光位相変調器１２により空間的に位相変調されたローカル光ビーム３２は、第１のポリゴンミラー１０で反射した信号光ビーム２２と、光ビーム合成器４により合成され、光サンプリングアレー５に空間的にサンプリングされる。光サンプリングアレー５の各素子でサンプリングされた合成光は、各々光電変換器６にてヘテロダイン検波され、マイクロ波に変換され、アレーアンテナ７から放射される。

各光電変換器６で発生するマイクロ波信号の位相分布は、第１のポリゴンミラー１０の回転による位相勾配をもつ信号光と、空間光位相変調器１２により与えたローカル光の位相分布の差分となる。

以上のように、実施の形態３によれば、ローカル光ビームの空間位相分布を制御可能としていることから、アレーアンテナから放射するマイクロ波ビームは、空間光位相変調器で設定した位相分布により決まる放射パターンを、第１のポリゴンミラーで反射した信号光ビームにより走査することが可能となる。これにより、例えば、第１のポリゴンミラーによりアンテナ放射ビームの走査を行い、空間光位相変調器にて、アレー素子間の位相の校正をおこなうことが可能となる。

さらに、光制御型フェーズドアレーアンテナ装置が揺動などで動いた場合、揺動方向をモニタし、その方向に応じて、空間光位相変調器で揺動を打ち消す方向の位相分布を重畳することで、揺動によるアンテナ放射ビームの変動を補正することが可能となる。

さらに、水平方向のビーム走査を第１のポリゴンミラーにより行い、垂直方向のビーム走査を空間光位相変調器により行うことなども可能になる。

実施の形態４．
図４は、本発明の実施の形態４における光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の構成図である。先の実施の形態１における図１と同一の部分に関しては、同一の符号を付し、説明を省略する。本実施の形態４における図４の構成は、ローカル光ビーム出射部３と光ビーム合成器４との間に、ローカル光ビーム３１の強度分布に強度変調を行うための空間光強度変調器１３、および変調されたローカル光ビーム３３を空間的にフーリエ変換するフーリエ変換レンズ１４をさらに備えている点が異なっている。

ローカル光ビーム出射部３より空間に出射したローカル光ビーム３１は、空間光強度変調器１３に入力する。そして、空間光強度変調器１３は、入射したローカル光ビーム３１を、アレーアンテナ７から放射させるマイクロ波ビームの形状に対応した強度分布の形状に変換し、ローカル光ビーム３３として再び空間に出射する。空間光強度変調器１３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１４は、空間光強度変調器１３のビーム出射面がフーリエ変換レンズ１４の前側焦点面となる位置に設置される。空間光強度変調器１３を出射したローカル光ビーム３３は、フーリエ変換レンズ１４を透過、回折してローカル光ビーム３４となり、光ビーム合成器４を介して、光サンプリングアレー５に入射する。

このとき、光サンプリングアレー５の入射面上でのローカル光ビーム３４の振幅分布及び位相分布は、フーリエ変換レンズ１４により、空間光強度変調器１３で与えた強度分布が空間的にフーリエ変換されたものとなる。

フーリエ変換されたローカル光ビーム３４は、第１のポリゴンミラー１０で反射した信号光ビーム２２と、光ビーム合成器４により合成され、光サンプリングアレーに入射する。光サンプリングアレー５の各素子に入射した合成光は、各々光電変換器６にてヘテロダイン検波され、マイクロ波に変換され、アレーアンテナ７から放射される。

このような構成を有することから、アレーアンテナ７から放射するビーム形状は、空間光強度変調器１３で変調した強度分布を、第１のポリゴンミラー１０での反射した信号光ビーム２２で走査したものとなる。

以上のように、実施の形態４によれば、ローカル光の強度変調機能を備えることにより、例えば、空間光強度変調器で与える強度分布によりアンテナ放射ビームの幅を制御し、第１のポリゴンミラーの走査によりビーム走査を行うこと、あるいは、水平方向のアンテナ放射ビーム走査を第１のポリゴンミラーにより行い、垂直方向のビーム走査を空間光強度変調器により行うことなどが可能になる。

なお、図４では透過型の空間光強度変調器１３を図示しているが、反射型でもよいことは言うまでもない。

実施の形態５．
図５は、本発明の実施の形態５における光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の構成図である。先の実施の形態１における図１と同一の部分に関しては、同一の符号を付し、説明を省略する。本実施の形態５における図５の構成は、ローカル光ビーム出射部３と光ビーム合成器４との間に、ローカル光ビーム出射部３から出射したローカル光ビーム３１のビーム方向を、反射した信号光ビーム２２と直交する方向に傾ける第２のポリゴンミラー１５をさらに備えている点が異なっている。

なお、図５においては、信号光ビーム２１を走査する第１のポリゴンミラー１０とローカル光ビーム３１を走査する第２のポリゴンミラー１５を同一平面上で、同一方向に回転するように記述しているが、実際には、第１のポリゴンミラー１０と第２のポリゴンミラー１５は、互いに直交する方向に設置する。

ローカル光ビーム出射部３から出射したローカル光ビーム３１は、第１のポリゴンミラー１０に対し直交した方向を回転方向とする第２のポリゴンミラー１５に入射する。第２のポリゴンミラー１５で反射したローカル光ビーム３５は、信号光ビームの走査方向と直交する方向に走査し、光ビーム合成器４により、反射した信号光ビーム２２と合成され、光サンプリングアレー５にて空間的にサンプリングされる。

これにより、反射した信号光ビーム２２とローカル光ビーム３５を、互いに直交する方向に回転する第１のポリゴンミラー１０及び第２のポリゴンミラー１５を用いてそれぞれ走査できるので、アンテナ放射ビームを２次元的に走査することが可能である。

例えば、第１のポリゴンミラー１０および第２のポリゴンミラー１５が共に３６面のミラーで構成されている場合に、第１のポリゴンミラー１０の回転速度を１００００ｒｐｍ、第２のポリゴンミラー１５の回転速度を１００ｒｐｍとすると、第２のポリゴンミラー１５の反射面が隣のミラー面に切り替る間に、水平方向は１００回転することから、アンテナ放射ビームは、垂直方向で１走査する間に、水平方向を１００走査することとなる。

つまり、アンテナ放射ビームを水平、垂直ともに１００度（±５０度）走査する場合、垂直方向１度走査する間に、水平方向１００度の走査による２次元のビーム走査が可能となる。

以上のように、実施の形態５によれば、信号光およびローカル光をともにポリゴンミラーを用いて走査することにより、高速ビーム形成に対応できるとともに、アンテナ放射ビームを２次元的に走査することが可能となる。

なお、上述の実施の形態１〜５の図１〜図５において、光サンプリングアレー及びアレーアンテナは、１次元で図示しているが、２次元的に配置されていてもいいことは言うまでもない。

本発明の実施の形態１による光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の構成図である。 本発明の実施の形態２による光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の構成図である。 本発明の実施の形態３による光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の構成図である。 本発明の実施の形態４による光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の構成図である。 本発明の実施の形態５による光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の構成図である。

符号の説明

１ 光出力部、２ 信号光ビーム出射部、３ ローカル光ビーム出射部、４ 光ビーム合成器、５ 光サンプリングアレー、６ 光電変換器、７ アレーアンテナ、１０ 第１のポリゴンミラー、１１ ビーム拡大光学系、１２ 空間光位相変調器、１３ 空間光強度変調器、１４ フーリエ変換レンズ、１５ 第２のポリゴンミラー、２１、２２、２３ 信号光ビーム、３１、３２、３３、３４、３５ ローカル光ビーム。

Claims (5)

1. マイクロ波周波数で離調した信号光およびローカル光の２つのレーザ光を出力する光出力部と、
   前記光出力部から出力された前記信号光を信号光ビームとして空間に出射する信号光ビーム出射部と、
   前記光出力部から出力された前記ローカル光をローカル光ビームとして空間に出射するローカル光ビーム出射部と、
   前記信号光ビーム出射部から出射された前記信号光ビームの方向を反射面の回転により変化させる第１のポリゴンミラーと、
   前記第１のポリゴンミラーで反射した信号光ビームと、前記ローカル光ビーム出射部から出射された前記ローカル光ビームとを空間的に重ね合わせて合成ビーム光を得る光ビーム合成器と、
   前記合成ビーム光を空間的にサンプリングする光サンプリングアレーと、
   前記光サンプリングアレーでサンプリングされた光をヘテロダイン検波することでマイクロ波信号に変換し、前記マイクロ波信号をアレーアンテナの各アンテナ素子に給電する複数の光電変換器と
   を備えたことを特徴とする光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
2. 請求項１に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置において、
   前記第１のポリゴンミラーと前記光ビーム合成器との間に、前記信号光ビームを拡大するビーム拡大光学系をさらに備えたことを特徴とする光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
3. 請求項１または２に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置において、
   前記ローカル光ビーム出射部と前記光ビーム合成器との間に、前記ローカル光ビームの空間位相分布に位相変調を行う空間光位相変調器をさらに備えたことを特徴とする光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
4. 請求項１または２に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置において、
   前記ローカル光ビーム出射部と前記光ビーム合成器との間に、
   前記ローカル光ビームの空間強度分布に強度変調を行う空間光強度変調器と、
   前記空間光強度変調器で強度変調されたローカル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
   をさらに備えたことを特徴とする光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
5. 請求項１または２に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置において、
   前記ローカル光ビーム出射部と前記光ビーム合成器との間に、前記ローカル光ビームの方向を前記第１のポリゴンミラーで反射した信号光ビームの変化方向と直交する方向に変化させるように、前記第１のポリゴンミラーの回転方向と直交する方向に回転する第２のポリゴンミラーをさらに備えたことを特徴とする光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。

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