JP2012080341A

JP2012080341A - 指向性制御基地局アンテナ

Info

Publication number: JP2012080341A
Application number: JP2010223910A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Sakai; 和弘逆井
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2010-10-01
Publication date: 2012-04-19

Abstract

【課題】接続損失を低減することができる指向性制御基地局アンテナを提供する。
【解決手段】光源２と、光源２から出射された光を強度変調し、光変調信号を生成する光変調器３と、光変調器３から出射された光変調信号を分波する光分波器４と、光分波器４で分波された各分波光を異なる伝搬遅延を持って伝搬する複数の遅延用光ファイバ５ａ〜ｎと、複数の遅延用光ファイバ５ａ〜ｎから出射された各分波光を検出すると共に位相差を有する複数の電気信号に変換する光検出器６と、位相差を有する複数の電気信号を所定の放射角を有する電波として放射する複数のアンテナ素子７ａ〜ｎと、を備え、複数の遅延用光ファイバ５ａ〜ｎは、コアとクラッドの屈折率差がそれぞれ制御されたファイバ長の同じ複数のホーリファイバからなるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、高速な信号処理を行い、且つ、所望の指向性（水平面指向性など）を持たせることができる指向性制御基地局アンテナに関するものである。

現状の基地局アンテナは、アレイアンテナの各アンテナ素子に供給する電気信号に位相差を持たせることで各アンテナ素子から放射される電波を互いに干渉させ、指向性を得てきた。しかし、電気信号に位相差を持たせる電気位相回路は構成が複雑であるため、経済性や運用性に問題があった。

そこで、光による位相制御方法が考えられている。この光による位相制御方法は、多波長光源と高分散光ファイバを用いて高分散光ファイバのファイバ長を変えることで伝搬遅延を発生させ、干渉により位相制御を行う方法である。

図４は、従来の光による位相制御方法を用いた指向性制御基地局アンテナを示す模式図である。指向性制御基地局アンテナ４０では、多波長可変光源４１から出射された所定波長の光を光変調器４２を用いて強度変調し、光変調信号を生成する。この光変調信号は、光伝送路４３を介して伝送されると共に光分波器４４によりファイバ長の異なる各高分散光ファイバ４５ａ〜ｎへ分配され、それぞれ異なる伝搬遅延を持って光導波路４６ａ〜ｎを介して各光検出器４７ａ〜ｎに入射される。そして、各光検出器４７ａ〜ｎにて、位相差を有する複数の電気信号に変換されて各アンテナ素子４８ａ〜ｎに供給され、所定の放射角を有する電波として放射される。放射された各電波が互いに干渉することで、所望の指向性が得られる。

特許第４２４６７２４号公報

前述の構成では、高分散光ファイバで伝搬遅延を発生させる都合上、発生させる伝搬遅延に応じて各高分散光ファイバのファイバ長が固定されており、光分波器と光検出器との間のファイバ全長をそれぞれ同じ長さに調整するために、別途、光導波路（通常の光ファイバ）を用いている。

そのため、高分散光ファイバと光導波路の異種光ファイバ間における接続が必要であり、接続点での接続損失が増加してしまう問題があった。

そこで、本発明の目的は、接続損失を低減することができる指向性制御基地局アンテナを提供することにある。

この目的を達成するために創案された本発明は、光源と、前記光源から出射された光を強度変調し、光変調信号を生成する光変調器と、前記光変調器から出射された光変調信号を分波する光分波器と、前記光分波器で分波された各分波光を異なる伝搬遅延を持って伝搬する複数の遅延用光ファイバと、前記複数の遅延用光ファイバから出射された各分波光を検出すると共に位相差を有する複数の電気信号に変換する光検出器と、前記位相差を有する複数の電気信号を所定の放射角を有する電波として放射する複数のアンテナ素子と、を備え、前記複数の遅延用光ファイバは、コアとクラッドの屈折率差がそれぞれ制御されたファイバ長の同じ複数のホーリファイバからなる指向性制御基地局アンテナである。

前記複数のホーリファイバの屈折率差の制御は、所定の空孔径を有する基準ホーリファイバにアーク放電又はレーザ照射を施し、空孔径を縮径させることにより行われると良い。

前記光源は、単波長光源であると良い。

前記光分波器は、ホーリファイバを用いた分波器からなると良い。

本発明によれば、接続損失を低減することができる。

本発明の一実施の形態に係る指向性制御基地局アンテナを示す模式図である。ホーリファイバの屈折率差の違いに基づいた臨界角の違いを説明する図である。臨界角の違いに基づいた光路長の違いを説明する図である。従来の指向性制御基地局アンテナを示す模式図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な実施の形態に係る指向性制御基地局アンテナを示す模式図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る指向性制御基地局アンテナ１は、光源２と、光変調器３と、光分波器４と、複数の遅延用光ファイバ５ａ〜５ｎと、光検出器６と、複数のアンテナ素子７ａ〜ｎと、を備える。

光源２は、レーザダイオード（ＬＤ：ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）などの単波長光源である。多波長可変光源を用いることもできるが、多波長可変光源は高価であり、また、多波長の扱いは制御困難であるため、単波長光源を用いることが好ましい。

光変調器３は、光源２から出射された光を強度変調し、光変調信号を生成するものであり、光分波器４は、光変調器３から出射された光変調信号を分波するものである。光変調器３と光分波器４とは、ホーリファイバにて接続されると良い。

なお、光分波器４は、遅延用光ファイバ５ａ〜５ｎとの接続損失を低減することを目的として、遅延用光ファイバ５ａ〜５ｎと同種の光ファイバ（ホーリファイバ）を用いた分波器からなることが好ましい。

複数の遅延用光ファイバ５ａ〜５ｎは、光分波器４で分波された各分波光を異なる伝搬遅延を持って伝搬するものである。この複数の遅延用光ファイバ５ａ〜５ｎは、コアとクラッドの屈折率差がそれぞれ制御されたファイバ長の同じ複数のホーリファイバからなる。

光検出器６は、複数の遅延用光ファイバ５ａ〜５ｎから出射された各分波光を検出すると共に位相差を有する複数の電気信号に変換するものである。

複数のアンテナ素子７ａ〜ｎは、位相差を有する複数の電気信号を所定の放射角を有する電波として放射するものである。

さて、本発明においては、光分波器４と光検出器６との間を同種の光ファイバで構成すべく、複数の遅延用光ファイバ５ａ〜５ｎとして、コアとクラッドの屈折率差がそれぞれ制御されたファイバ長の同じ複数のホーリファイバを用いている。

この屈折率差の制御は、所定の空孔径を有する基準ホーリファイバにアーク放電又はレーザ照射を施し、空孔径を縮径させることにより行われる。

より具体的には、予め作製しておいた基準ホーリファイバを用い、この基準ホーリファイバを同じファイバ長に切断すると共にそれぞれにアーク放電又はレーザ照射を施し、空孔径を所望の伝搬遅延を生ずるように適宜縮径させる。

なお、空孔径の縮径は、ホーリファイバの全長に亘って行われる必要はなく、長手方向の一部分のみに施されていても良い。例えば、空孔径を縮径させる範囲を各ホーリファイバ毎に変えることで、各ホーリファイバ毎に異なる伝搬遅延を発生させることが可能になる。この場合、空孔径を縮径させる範囲を広くするほど伝搬遅延を大きくすることができる。

従来の高分散光ファイバを用いた指向性制御基地局アンテナにおいても、各高分散光ファイバの分散を異ならせることで、光分波器と光検出器との間を同種の光ファイバで構成することができるものの、この場合、材料組成比などを変えて分散の異なる高分散光ファイバを都度作製する必要があるので、１本の基準ホーリファイバから異なる伝搬遅延のホーリファイバを得られる本発明に比べると手間も費用もかかってしまう。

ここで、ホーリファイバの屈折率差を変化させることで、伝搬遅延を変化させることができるメカニズムを図２，３を用いて説明する。ここでは、ホーリファイバの材料をガラス（石英）とし、伝送損失の無い波長λ＝１．５５μｍの場合を考える。

図２は、ホーリファイバの屈折率差の違いに基づいた臨界角の違いを説明する図であり、図３は、臨界角の違いに基づいた光路長の違いを説明する図である。

図２に示すように、空孔径ｄ₁が９μｍのホーリファイバと、空孔径ｄ₂が１μｍのホーリファイバとを比較する。空孔間距離Λは、ともに１０μｍである。

各ホーリファイバについて臨界角θ_m1，_m2を求めると、スネルの法則より、空孔径ｄ₁が９μｍの場合は臨界角θ_m1が約７５°、空孔径ｄ₂が１μｍの場合は臨界角θ_m2が約４５°となる。

図３に示すように、これら各臨界角θ_m1，_m2についてホーリファイバ１ｍあたりの光路長Ｌ₁，Ｌ₂を求めると、臨界角θ_m1が約７５°の場合は光路長Ｌ₁が約１．０４ｍ、臨界角θ_m2が約４５°の場合は光路長Ｌ₂が約１．４０ｍとなり、約４０ｃｍの光路長差が生じ、この分だけ遅延時間、即ち伝搬遅延が発生する。

このようにホーリファイバの屈折率差を制御することで、伝搬遅延を発生させると共にその遅延の大小を変化させることができる。

次に、本実施の形態に係る指向性制御基地局アンテナ１の作用を説明する。

先ず、光源２から出射された光が光変調器３に入射し、ここで強度変調されると共に光変調信号が生成される。この光変調信号は、光分波器４に入射して複数の分波光に分波される。

各分波光は、複数の遅延用光ファイバ５ａ〜ｎにそれぞれ入射し、各遅延用光ファイバ５ａ〜ｎにおける光路長の違いにより、異なる伝搬遅延を持って伝搬される。次いで、異なる伝搬遅延を持って伝搬された各分波光は、光検出器６に入射し、位相差を有する複数の電気信号に変換される。

最後に、この位相差を有する複数の電気信号が、所定の放射角を有する電波として各アンテナ素子７ａ〜ｎから放射され、放射された各電波がそれぞれ干渉してビームフォーミングが行われ、所望の指向性が得られる。

以上説明した指向性制御基地局アンテナ１によれば、複数の遅延用光ファイバ５ａ〜ｎが、コアとクラッドの屈折率差がそれぞれ制御されたファイバ長の同じ複数のホーリファイバからなるため、光分波器４と光検出器６との間において異種光ファイバ間の接続が無く、接続損失を無くすことができる。

また、本実施の形態においては、光分波器４を遅延用光ファイバ５ａ〜ｎと同種のホーリファイバにより構成しているため、この接続点における接続損失を最小限に抑えることができ、装置全体における接続損失を従来に比べて低減することができる。

また、異種光ファイバ間の接続を考慮する必要がないため、構成が簡単である。更に、ホーリファイバは曲げに強いので、遅延用光ファイバ５ａ〜ｎを曲げても伝搬遅延が変化しにくいため、自由なレイアウトで配線することが可能である。また、ファイバ長の同じホーリファイバを用いているため、複数のホーリファイバを一括して束ねることが可能である。これらにより、装置全体の小型化にも寄与することができる。

更に、位相制御が予め作製した１本の基準ホーリファイバの空孔径を制御するだけで行えるため、材料組成比を変えた遅延用ファイバを複数本作製する必要がなく、低コスト且つ簡便である。

なお、従来の高分散光ファイバでも、屈折率差によって伝搬遅延を発生させているのは同じであるが、高分散光ファイバで得られる屈折率差には限界があり、大きな伝搬遅延を得るためにはファイバ長を長く取る必要があり、小型化が困難であった。また、従来は高分散光ファイバのファイバ長をできるだけ短くするために、高価な多波長可変光源を用いていた。

これに対して、指向性制御基地局アンテナ１では、高分散光ファイバよりも単位長さあたり伝搬遅延を大きくすることができる、即ち、コアとクラッドの屈折率差をより大きくすることができるホーリファイバを用いているため、高価で制御困難な多波長を扱う必要がなく、小型化及び低コスト化を実現できる。

本実施の形態は、基地局アンテナについてのものであるが、無線伝搬する設備、装置であれば、不感地帯、或いは屋内向けといった中継器（リピータなど）にも応用することができる。また、光変調によって同じデータの光信号を伝搬するため、ＭＩＭＯ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ）通信に適用可能である。

１指向性制御基地局アンテナ
２光源
３光変調器
４光分波器
５ａ〜ｎ遅延用光ファイバ
６光検出器
７ａ〜ｎアンテナ素子

Claims

光源と、
前記光源から出射された光を強度変調し、光変調信号を生成する光変調器と、
前記光変調器から出射された光変調信号を分波する光分波器と、
前記光分波器で分波された各分波光を異なる伝搬遅延を持って伝搬する複数の遅延用光ファイバと、
前記複数の遅延用光ファイバから出射された各分波光を検出すると共に位相差を有する複数の電気信号に変換する光検出器と、
前記位相差を有する複数の電気信号を所定の放射角を有する電波として放射する複数のアンテナ素子と、
を備え、
前記複数の遅延用光ファイバは、コアとクラッドの屈折率差がそれぞれ制御されたファイバ長の同じ複数のホーリファイバからなることを特徴とする指向性制御基地局アンテナ。
前記複数のホーリファイバの屈折率差の制御は、所定の空孔径を有する基準ホーリファイバにアーク放電又はレーザ照射を施し、空孔径を縮径させることにより行われる請求項１に記載の指向性制御基地局アンテナ。
前記光源は、単波長光源である請求項１又は２に記載の指向性制御基地局アンテナ。
前記光分波器は、ホーリファイバを用いた分波器からなる請求項１〜３のいずれかに記載の指向性制御基地局アンテナ。