JP2968488B2 - 光制御型フェーズドアレーアンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光空間において無
線信号を処理することにより、所定の方向に電波を送信
する光制御型フェーズドアレーアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】図９は、特開平０３−０４４２０２号公
報に開示された従来例の光制御型フェーズドアレーアン
テナのブロック図である。図９において、光放射器１０
１は、光放射器１０１の内部に設けられたレーザダイオ
ードから放射されるビーム光を２つの分岐光に分岐し、
一方の分岐光をそのまま第１のビーム光１０３として出
力し、他方の分岐光の周波数を発振器１０２から入力さ
れる無線信号の周波数だけ偏移させてビーム幅ｄの第２
のビーム光１０４として出力する。

【０００３】光放射器１０１から放射された第１のビー
ム光１０３は、ミラー１０５を介してイメージマスク１
０６に入射され、イメージマスク１０６を透過する。イ
メージマスク１０６は、入射された第１のビーム光１０
３を扇形ビームパターンなどの所望のアンテナ放射パタ
ーンのビーム形状に対応したビーム光１０７に変換し
て、フーリエ変換レンズ８に放射する。次いで、フーリ
エ変換レンズ８は、入射されたビーム光１０７を空間的
にフーリエ変換して、変換後のビーム幅ｄのビーム光１
０９をビーム合成器１０に放射する。一方、光放射器１
０１から放射された第２のビーム光１０４は分布調整器
１３１に放射され、分布調整器１３１は、第２のビーム
光１０４を所定のビーム幅に調整し、調整後の第２のビ
ーム光を基準ビーム光１３２としてビーム合成器１０に
放射する。ビーム合成器１０は、フリーエ変換レンズ８
からのビーム光１０９と分布調整器１３１からの基準ビ
ーム光１３２とを混合して合成した後、ビーム幅ｄの合
成光１１１をファイバアレー１２に放射する。

【０００４】ファイバアレー１２は、所定の間隔を置か
れてサンプリング光ファイバの長手方向が平行になるよ
うに、ある平面に並置された複数Ｍ本のサンプリング光
ファイバからなり、このファイバアレー１２に入射され
る合成光１１１は、空間的にサンプリングされ各サンプ
リング光ファイバに入射される。各サンプリング光ファ
イバに入射された各ビーム光は、それぞれＭ本の光ファ
イバケーブル１３−１乃至１３−Ｍを介して、各光電変
換器１４−１乃至１４−Ｍに入射される。光電変換器１
４−１乃至１４−Ｍはそれぞれ、入射されたビーム光を
上記第１のビーム光１０３と上記第２のビーム光１０４
の差の周波数であって、入力されるビーム光の振幅に比
例しかつその位相に一致した無線信号に光電変換した
後、電力増幅器１５−１乃至１５−Ｍと給電線１６−１
乃至１６−Ｍとを介して直線上又は平面上で並置される
アンテナ素子１７−１乃至１７−Ｍに出力する。これに
よって、無線信号がアンテナ素子１７−１乃至１７−Ｍ
から上記イメージマスク６で設定される放射パターンで
空間に放射されるというものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図９に
示した従来例の光制御型フェーズドアレーアンテナは、
イメージマスクを用いているために、マスクのパターン
によって、ビームの形成方向が決定され、ビームの走査
ができないという問題点があった。

【０００６】本発明の目的は、以上の問題点を解決し
て、アレーアンテナから放射される無線信号のビームを
２次元でかつ高速で走査することができ、構成が簡単な
光制御型フェーズドアレーアンテナを提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の目的を
達成するために、光領域で信号処理をすることにより所
定の方向にビームを形成して無線信号を放射する光制御
型フェーズドアレーアンテナにおいて、上記無線信号で
変調した信号ビーム光の放射位置を１次元的に変化さ
せ、かつ基準となる参照ビーム光の放射位置を１次元的
に変化させることにより、上記無線信号のビーム形成方
向を２次元的に設定することができることを見いだして
完成させたものである。

【０００８】すなわち、本発明の光制御型フェーズドア
レーアンテナは、所定の平面内に、２次元的に配列され
た複数Ｍ個のアンテナ素子を備えたアレーアンテナと、
基準光周波数を有する参照ビーム光を発生して出力する
第１の光発生手段と、上記基準光周波数から、入力され
る無線信号の周波数だけ異なる信号光周波数を有する信
号ビーム光を発生して出力する第２の光発生手段と、上
記第１の光発生手段から入力される上記参照ビーム光を
放射する少なくとも１つの第１の光放射部を備え、当該
参照ビーム光を放射する放射位置を、第１の方向で変化
させて、上記参照ビーム光を空間に放射する第１の光放
射手段と、その一方の焦点面に上記第１の光放射部が位
置するように設けられた第１のフーリエ変換レンズと、
上記第２の光発生手段から入力される上記信号ビーム光
を放射する少なくとも１つの第２の光放射部を備え、当
該信号ビーム光を放射する放射位置を、上記第１の方向
と交差する第２の方向で変化させて、上記信号ビーム光
を放射する第２の光放射手段と、その一方の焦点面に上
記第２の光放射部が位置するように設けられた第２のフ
ーリエ変換レンズと、上記第１の光放射手段から放射さ
れ、上記第１のフーリエ変換レンズを介して入力された
上記第１のビーム光と、上記第２の光放射手段から放射
され、上記第２のフーリエ変換レンズを介して入力され
た上記第２のビーム光とを合成して合成ビーム光を放射
する合成手段と、上記合成手段から放射される合成ビー
ム光を、上記第１のフーリエ変換レンズの他方の焦点面
であってかつ上記第２のフーリエ変換レンズの他方の焦
点面であるサンプリング平面において、上記各アンテナ
素子に対応する複数Ｍ個の位置でサンプリングして、サ
ンプリングした複数Ｍ個のサンプリング光を出力するサ
ンプリング手段と、上記各サンプリング光に対応して設
けられ、上記サンプリング手段から出力された上記各サ
ンプリング光を、無線信号に光電変換して、対応する各
アンテナ素子に出力する複数Ｍ個の光電変換手段を備
え、上記各光電変換手段から出力された複数Ｍ個の無線
信号を、それぞれ対応するアンテナ素子から放射するこ
とにより、所望の方向にビームを形成して無線信号を放
射することを特徴とする。

【０００９】また、本発明の光制御型フェーズドアレー
アンテナにおいては、上記参照ビーム光を放射する放射
位置を変化させる上記第１の方向と、上記信号ビーム光
を放射する放射位置を変化させる上記第２の方向とが、
直交することが好ましい。

【００１０】また、本発明の光制御型フェーズドアレー
アンテナにおいてさらに、上記参照ビーム光を放射する
放射位置と、上記信号ビーム光を放射する放射位置と
を、所望のビーム形成方向に基づいて制御する光放射位
置制御手段を備えることが好ましい。

【００１１】さらに、本発明の光制御型フェーズドアレ
ーアンテナにおいて、 上記第１の光放射手段は、上記
第１の光発生手段から入力される上記参照ビーム光を複
数の参照ビーム光に分配して出力する第１の光分配器
と、上記第１の光分配器で分配された各参照ビーム光に
対応して設けられ、上記第１の光分配器から入力される
各参照ビーム光をオン・オフする複数の第１の光スイッ
チと、上記第１の方向に配列され、かつそれぞれ上記各
第１の光スイッチに対応して設けられ、上記第１の光ス
イッチを介して入力される参照ビーム光を放射する複数
の第１の光放射部を備え、上記第２の光放射手段は、上
記第２の光発生手段から入力される上記信号ビーム光を
複数の信号ビーム光に分配して出力する第２の光分配器
と、上記第２の光分配器で分配された各信号ビーム光に
対応して設けられ、上記第２の光分配器から入力される
各信号ビーム光をオン・オフする複数の第２の光スイッ
チと、上記第２の方向に配列され、かつそれぞれ上記各
第２の光スイッチに対応して設けられ、上記第２のスイ
ッチを介して入力される信号ビーム光を放射する複数の
第２の光放射部を備え、上記光放射位置制御手段が、上
記所望のビーム形成方向に基づいて、上記複数の第１の
スイッチ及び上記複数の第２のスイッチをそれぞれ、オ
ン・オフさせることにより、上記複数の第１の光放射部
のうちの１つから上記参照ビーム光を放射し、かつ上記
複数の第２の光放射部のうちの１つから、上記信号ビー
ム光を放射することが好ましい。これによって、上記参
照ビーム光を放射する上記第１の光放射部の位置と、上
記信号ビーム光を放射する上記第２の光放射部の位置
を、機械的に移動させることなく、変化させることがで
きる。

【００１２】また、本発明においては、上記参照ビーム
光を放射する放射位置と、上記信号ビーム光を放射する
放射位置とを、所定の組合せで順次に変化させることに
より、上記アレーアンテナから放射される無線信号のビ
ームを走査することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る実施の形態について説明する。 ＜実施形態＞図１は、本発明に係る実施形態の光制御型
フェーズドアレーアンテナの構成を示すブロック図であ
る。図１の光制御型フェーズドアレーアンテナは、
（１）詳細後述するように、光分配器６１と光スイッチ
６３−１〜６３−Ｎと光放射部６５−１〜６５−Ｎとを
備え、光スイッチ６３−１〜６３−Ｎのオン・オフを外
部から制御して、光放射部６５−１から６５−Ｎのうち
の１つからビーム光を放射することにより、ビーム光の
放射位置を１次元方向に変化させて、無線信号で変調さ
れた信号ビーム光を放射することができる光放射集積回
路６と、（２）光分配器と複数Ｎ個の光スイッチと光放
射部７５−１〜７５−Ｎとを備え、複数Ｎ個の光スイッ
チのオン・オフを外部から制御して、光放射部７５−１
から７５−Ｎのうちの１つからビーム光を放射すること
により、光放射集積回路６の放射位置を変化させる方向
と直交する１次元方向に放射位置を変化させて、基準と
なる参照ビーム光を放射することができる光放射集積回
路７と、（３）所望のビーム形成方向に基づいて、光放
射集積回路６の光スイッチ６３−１〜６３−Ｎと光放射
集積回路７の複数Ｎ個の光スイッチのオン・オフを制御
する光放射位置制御装置とを備え、詳細後述するよう
に、所望のビーム形成方向に一義的に対応した放射位置
から信号ビーム光と参照ビーム光とを放射して当該ビー
ム光を光学的に処理をすることにより所定の位相傾斜を
有する複数Ｍ個の無線信号を生成し、上記複数Ｍ個の無
線信号をそれぞれ、対応する各アンテナ素子１７−ｍ
（ｍ＝１，２，３，…，Ｍ、以下、本明細書において同
様とする。）から放射することにより、所望の方向にビ
ームを形成して無線信号を放射することを特徴とする。
ここで、複数Ｍ個のアンテナ素子１７−１〜１７−Ｍ
は、互いに、例えば、１／２波長等の所定の距離だけ離
れて、２次元マトリクス状に配列されてアレーアンテナ
１００を構成する。

【００１４】以下、図１を参照して実施形態の光制御型
フェーズドアレーアンテナの構成を詳細に説明する。図
１において、無線信号発生器２は、送信すべき無線信号
の搬送波を発生して、ＰＬＬ回路１に出力する。ＰＬＬ
回路１は、レーザ３ａの発生する信号ビーム光の信号光
周波数が、レーザ３ｂが発生する参照ビーム光の基準光
周波数に比較して、無線信号の周波数だけ高く又は低く
なるように制御する。これによって、レーザ３ｂは、基
準光周波数を有する参照ビーム光を光ファイバケーブル
５を介して光放射集積回路７に出力し、レーザ３ａは、
基準光周波数に比較して、入力される無線信号の周波数
だけ異なる信号光周波数を有する信号ビーム光を光ファ
イバケーブル４を介して光放射集積回路６に出力する。

【００１５】光放射集積回路６は、図２に示すように、
例えばＬｉＮｂＯ₃からなる、方形形状の光学結晶基板
６０上に形成された、光分配器６１と、複数Ｎ個の光ス
イッチ６３−１〜６３−Ｎと、光導波路６２−１〜６２
−Ｎ，６４−１〜６４−Ｎによって構成され、光学結晶
基板６０の１つの側面に、一直線上に配列された、光導
波路６４−１〜６４−Ｎの各端部である光放射部６５−
１〜６５−Ｎから信号ビーム光を放射する。ここで、光
分配器６１は、光ファイバケーブル４を介してレーザ３
ａから入力される信号ビーム光を、複数Ｎ個に分配し
て、分配した各信号ビーム光を、光導波路６２−ｎ（ｎ
＝１，２，３，…，Ｎ、以下同様とする。）を介して光
スイッチ６３−ｎに入力する。各光スイッチ６３−ｎは
それぞれ、光放射位置制御装置１１から入力される制御
信号に従って、オン・オフされる。これによって、光学
結晶基板６０の端面に設けられた光放射部６５−ｎは、
オン状態にある光スイッチ６３−ｎと光導波路６４−ｎ
とを介して伝送された信号ビーム光を、フーリエ変換レ
ンズ８に向けて空間に放射する。従って、以上のように
構成された光放射集積回路６は、光放射位置制御装置１
１から入力される制御信号に従って、信号ビーム光を放
射する位置をｘ方向に変化させて、上記レーザ３ａから
入力される信号ビーム光を放射することができる。

【００１６】また、光放射集積回路７は、光放射集積回
路６と同様に構成され、光放射位置制御装置１１から入
力される制御信号に従って、光ファイバケーブル５を介
してレーザ３ｂから入力される参照ビーム光を、光学結
晶基板の端面に、所定の方向に配列して設けられた所定
の光放射部７５−ｎから、フーリエ変換レンズ９に向け
て空間に放射する。ここで、光放射集積回路６，７は、
光放射部６５−１〜６５−Ｎの配列方向であるｘ方向と
光放射部７５−１〜７５−Ｎの配列方向であるｙ方向と
が、直交するように設けられる。ここで、光放射部７５
−１〜７５−Ｎの配列方向は、実際には図１の紙面に垂
直方向であるが、光放射集積回路７の構成を分かり易く
示すために図１では便宜上紙面に水平な方向に描いて示
している。

【００１７】光放射位置制御装置１１は、入力されるビ
ーム形成方向データに基づいて、光放射集積回路６及
び、光放射集積回路７における信号ビーム光又は参照ビ
ーム光の放射位置を決定し、決定された放射位置に従っ
て、光スイッチ６３−１〜６３−Ｎのうちの１つ、及
び、光放射集積回路７の複数Ｎ個の光スイッチのうちの
１つをオンさせ、他の光スイッチをオフさせる。これに
よって、所望のビーム形成方向に対応した各放射位置か
ら、基準ビーム光及び参照ビーム光を放射させる。

【００１８】フーリエ変換レンズ８は、フーリエ変換レ
ンズ８の一方の焦点面が、上述の光放射部６５−１〜６
５−Ｎが配列された直線を含み、かつ当該焦点面が放射
される信号ビーム光の光軸に対して垂直になるように設
けられ、入射される信号ビーム光をビーム合成器１０に
向けて伝送させる。一方、フーリエ変換レンズ９は、フ
ーリエ変換レンズ９の一方の焦点面が、上述の光放射部
７５−１〜７５−Ｎが配列された直線を含み、かつ当該
焦点面が放射される参照ビーム光の光軸に対して垂直に
なるように設けられ、入射される参照ビーム光をビーム
合成器１０に向けて伝送させる。なお、フーリエ変換レ
ンズについては、例えば、従来技術文献「大越孝敬著
「光エレクトロニクス」電子情報通信学会編，電子情報
通信学会大学シリーズ，Ｆ−１０，５５頁−５８頁，昭
和５７年８月１５日発行」に開示されている。ビーム合
成器１０は、入射される信号ビーム光と参照ビーム光と
を合成して、合成ビーム光をファイバアレー１２に照射
する。

【００１９】ファイバアレー１２は、図３に示すよう
に、入力面Ｐ１２に複数Ｍ個のサンプリング部Ｓ１２−
ｍが２次元のマトリクス状に配列されてなり、各サンプ
リング部Ｓ１２−ｍにおいて、入力面Ｐ１２に入射され
る合成ビーム光を空間的にサンプリングして、サンプリ
ングしたサンプリング光を光ファイバケーブル１３−ｍ
を介して対応する光電変換器１４−ｍに入力する。ここ
で、サンプリング部Ｓ１２−ｍは、図４に示すアレーア
ンテナ１００の各アンテナ素子に対応するように配列さ
れる。また、ファイバアレー１２は、例えば、複数Ｍ本
のサンプリング光ファイバを、その各軸が互いに平行に
なるように設けて、当該各軸に垂直な一平面、すなわち
入力面Ｐ１２でカットし、各光ファイバケーブルの各カ
ット面をサンプリング部Ｓ１２−ｍとして構成すること
ができる。ここで、ファイバアレー１２とフーリエ変換
レンズ８とフーリエ変換レンズ９は、ファイバアレー１
２の入力面Ｐ１２と、フーリエ変換レンズ８の他方の焦
点面と、フーリエ変換レンズ９の他方の焦点面とが一致
するように、設けられる。また、ファイバアレー１２
は、入力面Ｐ１２が光放射集積回路６の光放射部６５−
１〜６５−Ｎの配列方向と、光放射集積回路７の光放射
部７５−１〜７５−Ｎの配列方向の、どちらの方向に対
しても平行になるように配置される。

【００２０】光電変換器１４−１乃至１４−Ｍはそれぞ
れ、入射される各サンプリング光を、参照ビーム光の基
準光周波数と信号ビーム光の信号光周波数との差の周波
数、すなわち無線信号発生器２が発生する無線信号の周
波数を有し、かつ信号ビーム光の放射位置と参照ビーム
光の放射位置とに対応した位相を有する無線信号に光電
変換した後、当該無線信号を、それぞれ帯域通過フィル
タ１６−１乃至１６−Ｍ、電力増幅器１５−１乃至１５
−Ｍを介して各アンテナ素子１７−１乃至１７−Ｍに出
力する。ここで、帯域通過フィルタ１６−１乃至１６−
Ｍはそれぞれ、各無線信号を通過させるように構成さ
れ、電力増幅器１５−１乃至１５−Ｍはそれぞれ、各無
線信号を電力増幅するように構成されている。これによ
って、所定の位相傾斜を有する無線信号がそれぞれアン
テナ素子１７−１乃至１７−Ｍから放射されるので、当
該無線信号の放射ビームが、後述するように所定の放射
方向で空間に放射される。

【００２１】次に、本実施形態における、所望の方向へ
の無線ビームの形成方法及び原理を説明する。以下の説
明において、光放射集積回路６の光放射部６５−１〜６
５−Ｎの配列方向をｘ方向とし、光放射集積回路７の光
放射部７５−１〜７５−Ｎの配列方向をｙ方向とする。
また、光放射集積回路６における信号ビーム光の放射位
置をｘ１で表し、光放射集積回路７における参照ビーム
光の放射位置をｙ１で表し、フーリエ変換レンズ８の光
軸上及びフーリエ変換レンズ９の光軸上の放射位置をそ
れぞれ、放射位置ｘ１＝０及び放射位置ｙ１＝０とす
る。

【００２２】まず、信号ビーム光の放射位置ｘ１と参照
ビーム光の放射位置ｙ１に対する、ファイバーアレー１
２の入力面Ｐ１２における空間的な位相分布について説
明する。本発明者らは、入力面Ｐ１２における、４×４
のマトリクス状に配列された１６個のサンプリング部Ｓ
１２−１〜Ｓ１２−１６でサンプリングした１６個のサ
ンプリング光をそれぞれ、光電変換して得られる各無線
信号の位相を測定し、各サンプリング位置（ｘ２，ｙ
２）に対応させて図５〜図８に示した。ここで、ｘ２，
ｙ２はそれぞれ、入力面Ｐ１２におけるｘ方向及びｙ方
向の座標であり、各サンプリング位置（ｘ２，ｙ２）と
各サンプリング部Ｓ１２−ｍとは以下のように対応す
る。すなわち、サンプリング位置（ｘ２，１）（ｘ２＝
１，２，３，４）はそれぞれ、サンプリング部Ｓ１２−
１，Ｓ１２−２，Ｓ１２−３，Ｓ１２−４に対応し、サ
ンプリング位置（ｘ２，２）（ｘ２＝１，２，３，４）
はそれぞれ、サンプリング部Ｓ１２−５，Ｓ１２−６，
Ｓ１２−７，Ｓ１２−８に対応し、サンプリング位置
（ｘ２，３）（ｘ２＝１，２，３，４）はそれぞれ、サ
ンプリング部Ｓ１２−９，Ｓ１２−１０，Ｓ１２−１
１，Ｓ１２−１２に対応し、サンプリング位置（ｘ２，
４）（ｘ２＝１，２，３，４）はそれぞれ、サンプリン
グ部Ｓ１２−１３，Ｓ１２−１４，Ｓ１２−１５，Ｓ１
２−１６に対応する。また、図５〜図８において、各サ
ンプリング位置の位相は、ｘ２＝４、ｙ２＝１のサンプ
リング位置を基準とし、すなわち、当該サンプリング位
置の位相を常に０とした時の位相差で表した。

【００２３】図５は、信号ビーム光の放射位置ｘ１＝０
とし、参照ビーム光の放射位置ｙ１＝０とした時の各サ
ンプリング点におけるサンプリング光に対応した各無線
信号の位相を示している。図５から明らかなように、信
号ビーム光の放射位置ｘ１＝０とし、参照ビーム光の放
射位置ｙ１＝０とした時には、各無線信号の間の位相差
は生じない。

【００２４】図６は、信号ビーム光の放射位置ｘ１＝３
６５μｍとし、参照ビーム光の放射位置ｙ１＝０μｍと
した時の各サンプリング点におけるサンプリング光に対
応した各無線信号の位相を示している。図６から明らか
なように、この場合、各無線信号の位相は、ｘ２が減少
するに従って、大きくなる。すなわち、信号ビーム光の
放射位置ｘ１≠０μｍとし、参照ビーム光の放射位置ｙ
１＝０μｍとした時、入力面Ｐ１２の複数のサンプリン
グ点でサンプリングされた複数のサンプリング光から得
られる複数の無線信号は、放射位置ｘ１に対応した、入
力面Ｐ１２のｘ方向に位相傾斜を有する。

【００２５】図７は、信号ビーム光の放射位置ｘ１＝０
μｍとし、参照ビーム光の放射位置ｙ１＝３６５μｍと
した時の各サンプリング点におけるサンプリング光に対
応した各無線信号の位相を示している。図７から明らか
なように、この場合、各無線信号の位相は、ｙ２が増加
するに従って、大きくなる。すなわち、信号ビーム光の
放射位置ｘ１＝０μｍとし、参照ビーム光の放射位置ｙ
１≠０μｍとした時、入力面Ｐ１２の複数のサンプリン
グ点でサンプリングされた複数のサンプリング光から得
られる複数の無線信号は、放射位置ｙ１に対応した、入
力面Ｐ１２のｙ方向に位相傾斜を有する。

【００２６】図８は、信号ビーム光の放射位置ｘ１＝３
６５μｍとし、参照ビーム光の放射位置ｙ１＝３６５μ
ｍとした時の各サンプリング点におけるサンプリング光
に対応した各無線信号の位相を示している。図８から明
らかなように、この場合、各無線信号の位相は、ｘ２の
減少及びｙ２の増加に従って、大きくなる。すなわち、
信号ビーム光の放射位置ｘ１≠０μｍとし、参照ビーム
光の放射位置ｙ１≠０μｍとした時、入力面Ｐ１２の複
数のサンプリング点でサンプリングされた複数のサンプ
リング光から得られる複数の無線信号は、放射位置ｘ
１，ｙ１の双方に対応した、入力面Ｐ１２のｘ，ｙ方向
に位相傾斜を有する。

【００２７】以上の図５〜図８の説明から明らかなよう
に、ファイバアレー１２の入力面Ｐ１２において、空間
的にサンプリングされた各サンプリング光を光電変換す
ることにより得られた複数の無線信号は、信号ビーム光
の放射位置ｘ１と、参照ビーム光の放射位置ｙ１とに対
応した位相傾斜を有する。

【００２８】すなわち、光放射集積回路６の光放射部６
５−ｎから放射された信号ビーム光は、光放射部６５−
ｎがフーリエ変換レンズ８の一方の焦点面に設けられか
つファイバアレー１２の入力面Ｐ１２がフーリエ変換レ
ンズ８の他方の焦点面に位置するように設けられている
ので、入力面Ｐ１２上にフーリエ変換像（以下、信号フ
ーリエ変換像という。）を結ぶ。この信号フーリエ変換
像は、フーリエ変換レンズ８の他方の焦点面における信
号ビーム光の空間分布であって、よく知られた光学の一
般原理に従って、放射位置ｘ１に対応した位相分布を有
し、当該位相分布は、入力面Ｐ１２のｘ方向に、放射位
置ｘ１に対応した位相傾斜を有する。

【００２９】同様に、光放射集積回路７の光放射部７５
−ｎから放射された参照ビーム光は、光放射部７５−ｎ
がフーリエ変換レンズ９の一方の焦点面に設けられかつ
ファイバアレー１２の入力面Ｐ１２がフーリエ変換レン
ズ９の他方の焦点面に位置するように設けられているの
で、入力面Ｐ１２上にフーリエ変換像（以下、参照フー
リエ変換像という。）を結ぶ。この参照フーリエ変換像
は、フーリエ変換レンズ９の他方の焦点面における参照
ビーム光の空間分布であって、放射位置ｙ１に対応した
位相分布を有し、当該位相分布は、入力面Ｐ１２のｙ方
向に、放射位置ｙ１に対応した位相傾斜を有する。

【００３０】また、上述したように、信号ビーム光と参
照ビーム光とは、ビーム合成器１０によって合成されて
いるので、ファイバアレー１２の入力面Ｐ１２上の像
は、信号フーリエ変換像と参照フーリエ変換像が合成さ
れたフーリエ変換像（以下、合成フーリエ変換像とい
う。）である。従って、合成フーリエ変換像は、光放射
集積回路６の放射位置ｘ１と光放射集積回路７の放射位
置ｙ１とに対応した位相分布を有し、当該位相分布は、
入力面Ｐ１２のｙ方向及びｘ方向に対して、放射位置ｘ
１と放射位置ｙ１とに一義的に対応した位相傾斜を有す
る。従って、この合成ビーム光が空間的にサンプリング
された複数のサンプリング光は、サンプリング位置の
ｘ，ｙ方向に上述の位相傾斜を有するので、当該複数の
サンプリング光を光電変換することにより得られる複数
の無線信号は、上述の、すなわち信号ビーム光の放射位
置ｘ１と、参照ビーム光の放射位置ｙ１とに一義的に対
応した２次元的に設定された位相傾斜を有する。

【００３１】さらに、信号ビーム光と参照ビーム光とは
互いに、無線信号発生器２が発生する無線信号の周波数
だけ異なる光領域の周波数を有するので、信号ビーム光
と参照ビーム光とは互いに干渉して、上記合成フーリエ
変換像の強度は、無線信号の周波数に等しい周波数で振
動する。従って、この合成フーリエ変換像をサンプリン
グすることによって得られるサンプリング光を光電変換
することにより、無線信号発生器２が発生する無線信号
に等しい周波数を有する無線信号を再生することができ
る。これによって、入力面Ｐ１２において、空間的にサ
ンプリングされた複数のサンプリング光を光電変換する
ことにより得られる複数の無線信号は、信号ビーム光の
放射位置ｘ１と、参照ビーム光の放射位置ｙ１とに一義
的に対応した位相傾斜を有し、かつ無線信号発生器２が
発生する無線信号の周波数に等しい周波数を有する。従
って、このような位相傾斜を有するように再生された複
数の無線信号を、それぞれ対応するアンテナ素子１７−
ｍから放射することにより、当該位相傾斜に対応する方
向にビームを形成して、無線信号発生器２で発生した無
線信号を放射することができる。すなわち、所望のビー
ム形成方向に対応して設定された放射位置ｘ１，ｙ１か
らそれぞれ、信号ビーム光及び参照ビーム光を放射する
ことにより、所望のビーム形成方向にビームを形成し
て、無線信号を放射することができる。

【００３２】以上のように構成された実施形態の光制御
型フェーズドアレーアンテナにおいて、例えば、光放射
集積回路７において、複数Ｎ個の光スイッチのうちの所
定の１つをオンさせることにより参照ビーム光の放射位
置を固定して、光放射集積回路６において、複数Ｎ個の
光スイッチ６３−１〜６３−Ｎのうちオンさせる光スイ
ッチを順次切り替えて、信号ビーム光の放射位置を走査
することにより、アレーアンテナ１００から放射する無
線信号のビームを１次元で走査することができる。ま
た、例えば、光放射集積回路７において、複数Ｎ個の光
スイッチのうちの所定の１つをオンさせることにより参
照ビーム光の放射位置を固定して、光放射集積回路６に
おいて、複数Ｎ個の光スイッチ６３−１〜６３−Ｎのう
ちオンさせる光スイッチを順次切り替えて、信号ビーム
光の放射位置を走査し、次に、光放射集積回路７におい
て、オンさせる光スイッチを切り替えて、参照ビーム光
の放射位置を変化させて固定して、光放射集積回路６に
おいて、複数Ｎ個の光スイッチ６３−１〜６３−Ｎのう
ちオンさせる光スイッチを順次切り替えて、信号ビーム
光の放射位置を走査し、以下同様の動作を繰り返すこと
により、アレーアンテナ１００から放射する無線信号の
ビームを２次元で走査することができる。また、複数の
送信方向を時間的にランダムに切り替えるランダム走
査、ある方向の回りを円錐状に走査する円錐走査など
も、各放射方向に対応する光放射集積回路６，７の光ス
イッチを適当に組み合わせて、順次オンにしていくこと
により容易に実現することができる。以上のように、参
照ビーム光を放射する放射位置と、信号ビーム光を放射
する放射位置とを、所定の組合せで順次に変化させるこ
とにより、アレーアンテナ１００から放射される無線信
号のビームを２次元で走査することができる。

【００３３】以上説明したことから明らかなように、本
実施形態の光制御型フェーズドアレーアンテナは、ビー
ム光の放射位置をｘ方向に変化させて信号ビーム光を放
射する光放射集積回路６とビーム光の放射位置をｙ方向
に変化させて参照ビーム光を放射する光放射集積回路７
とを備え、無線信号の所望のビーム形成方向に対応した
位置から、信号ビーム光と参照ビーム光とを放射するこ
とにより光学的に信号を処理しているので、無線信号発
生器２で発生した無線信号を所望の方向にビームを形成
して放射することができる。また、本実施形態では、信
号ビーム光と参照ビーム光とをそれぞれ、１次元で変化
させることにより、無線信号のビームの形成方向を２次
元で変化させることができる。

【００３４】また、本実施形態の光制御型フェーズドア
レーアンテナは、光放射集積回路６，７にそれぞれ、光
スイッチ６５−１〜６５−Ｎ及び光スイッチ７５−１〜
７５−Ｎを備えているので、光放射位置制御装置１１に
よって、各光スイッチ６５−１〜６５−Ｎ及び光スイッ
チ７５−１〜７５−Ｎのオン・オフを制御することによ
り、信号ビーム光の放射位置ｘ１をｘ方向に変化させる
ことができ、参照ビーム光の放射位置ｙ１をｙ方向に変
化させることができる。これによって、信号ビーム光の
放射位置ｘ１と、参照ビーム光の放射位置ｙ１とを容易
に所定の位置に設定することができるので、容易に、２
次元の所定の方向にビームを形成して無線信号を放射す
ることができる。

【００３５】また、本実施形態の光制御型フェーズドア
レーアンテナにおいて、光放射集積回路６，７の光スイ
ッチ６５−１〜６５−Ｎ及び光スイッチ７５−１〜７５
−Ｎのうち、オンさせる光スイッチを順次切り替えるこ
とにより、光放射位置を順次切り替えることができ、無
線信号のビームの形成方向を２次元的に順次切り替えて
走査することができる。

【００３６】さらに、本実施形態の光制御型フェーズド
アレーアンテナにおいて、信号ビーム光及び参照ビーム
光を放射する手段として、光放射集積回路６，７を用い
ているので、スイッチの切換を高速にでき、かつ光放射
回路を小型で、しかも大量生産することにより安価にで
きる。

【００３７】＜変形例＞以上の実施形態の光制御型アレ
ーアンテナは、光放射集積回路６，７を用いて、信号ビ
ーム光及び参照ビーム光の放射位置をそれぞれ、ｘ方
向、ｙ方向に変化させることができるように構成した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではな
く、例えば、一本の光ファイバケーブルを光軸に垂直な
面でカットして、そのカツト面を、所定の移動機構によ
り、ｘ方向又はｙ方向に移動可能なように構成してもよ
い。すなわち、信号ビーム光及び参照ビーム光の放射位
置をそれぞれ、ｘ方向、ｙ方向に変化させることができ
る手段であれば、どのようなものでも使用できる。

【００３８】また、実施形態の光制御型アレーアンテナ
は、最も好ましい例として、信号ビーム光及び参照ビー
ム光の放射位置をそれぞれ、直交するｘ方向、ｙ方向に
変化させることができるように構成した。しかしなが
ら、本発明はこれに限らず、少なくとも、信号ビーム光
及び参照ビーム光の放射位置を、少なくとも互いに交差
する方向に変化させることができるように構成すれば、
どのようなものでも使用することができる。以上のよう
に構成しても、各移動方向における各放射位置のｘ方向
成分とｙ方向成分に、実施形態で説明した原理を適用し
て考えれば、無線信号を２次元の所定の方向にビームを
形成して放射することができることを容易に理解でき、
このような構成によっても、本実施形態と同様の効果を
有する。

【００３９】また、実施形態の光制御型アレーアンテナ
は、無線信号発生器２の発生する単一周波数の無線信号
を送信するように構成した。しかしながら、本発明はこ
れに限定されるわけではなく、例えば、ベースバンド信
号で変調された無線信号を送信する場合には、レーザ３
ａと光放射集積回路６との間に、レーザ３ａで発生され
た信号光を、入力されるベースバンド信号に従って、例
えばＰＳＫ、ＱＡＭ等の所定の変調方式で変調する変調
器を挿入して構成してもよい。このように構成すること
により、アレーアンテナ１００から、無線信号発生器２
の発生する信号を搬送波とし、所定の変調方式で変調さ
れた成分を有する無線信号を放射することができるの
で、本発明を、例えば、通信や、特殊な変調方式を用い
るレーダ等に適用することができる。

【００４０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る請求項１記載の光制御型フェーズドアレーアンテ
ナは、上記信号ビーム光の放射位置を１次元的に変化さ
せることができる第１の光放射手段と、参照ビーム光の
放射位置を１次元的に変化させることができる第２の光
放射手段を備えて、上記無線信号の２次元でビーム形成
方向を設定しているので、２次元のイメージマスクを必
要とする従来例に比較して、小型で構成が簡単な光制御
型フェーズドアレーアンテナを提供することができる。

【００４１】また、本発明に係る請求項２記載の光制御
型フェーズドアレーアンテナは、上記第１の直線と、上
記第２の直線とが、直角に交差するので、効果的にビー
ムを形成することができる。

【００４２】また、本発明に係る請求項３記載の光制御
型フェーズドアレーアンテナは、上記参照ビーム光を放
射する上記第１の光放射部の位置と、上記信号ビーム光
を放射する上記第２の光放射部の位置とを制御する光放
射位置制御手段を備えているので、逐次、所望の方向に
ビームを形成して無線信号を放射することができる。

【００４３】さらに、本発明に係る請求項４記載の光制
御型フェーズドアレーアンテナにおいては、上記第１の
光放射手段が、上記光分配器と上記複数の第１の光スイ
ッチと上記複数の第１の光放射部を備え、上記第２の光
放射手段が、上記光分配器と上記複数の第２の光スイッ
チと上記複数の第２の光放射部を備え、上記光放射位置
制御手段が、上記第１と第２のスイッチを制御するの
で、上記第１の光放射部の位置と上記第２の光放射部の
位置を、機械的に移動させることなく、変化させること
ができ、容易にかつ高速で無線信号のビームの形成方向
を変化させることができる。

【００４４】また、本発明に係る請求項５記載の光制御
型フェーズドアレーアンテナは、上記第１の光放射部の
位置と、上記第２の光放射部の位置とを、所定の組合せ
で順次に変化させることにより、上記アレーアンテナか
ら放射される無線信号のビームを走査するので、容易に
かつ高速で走査することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る実施形態の光制御型フェーズド
アレーアンテナの構成を示すブロック図である。

【図２】 図１の光放射集積回路６の構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】 図１のファイバアレー１２の平面図である。

【図４】 図１のアレーアンテナ１００の平面図であ
る。

【図５】 図１の光制御型フェーズドアレーアンテナに
おいて、光放射集積回路６，７の放射位置ｘ１，ｙ１を
それぞれ、０μｍ，０μｍに設定したときの、ファイバ
アレー１２の入力面Ｐ１２における位相分布を示すグラ
フである。

【図６】 図１の光制御型フェーズドアレーアンテナに
おいて、光放射集積回路６，７の放射位置ｘ１，ｙ１を
それぞれ、３６５μｍ，０μｍに設定したときの、ファ
イバアレー１２の入力面Ｐ１２における位相分布を示す
グラフである。

【図７】 図１の光制御型フェーズドアレーアンテナに
おいて、光放射集積回路６，７の放射位置ｘ１，ｙ１を
それぞれ、０μｍ，３６５μｍに設定したときの、ファ
イバアレー１２の入力面Ｐ１２における位相分布を示す
グラフである。

【図８】 図１の光制御型フェーズドアレーアンテナに
おいて、光放射集積回路６，７の放射位置ｘ１，ｙ１を
それぞれ、３６５μｍ，３６５μｍに設定したときの、
ファイバアレー１２の入力面Ｐ１２における位相分布を
示すグラフである。

【図９】 従来例の光制御型フェーズドアレーアンテナ
の構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１…ＰＬＬ回路、 ２…無線信号発生回路、 ３ａ，３ｂ…レーザ、 ４，５，１３−１〜１３−Ｍ…光ファイバケーブル、 ６，７…光放射集積回路、 ８，９…フーリエ変換レンズ、 １０…ビーム合成器、 １１…光放射位置制御装置、 １２…ファイバアレー、 Ｓ１２−１〜Ｓ１２−Ｍ…サンプリング部、 １４−１〜１４−Ｍ…光電変換器、 １５−１〜１５−Ｍ…電力増幅器、 １７−１〜１７−Ｍ…アンテナ素子、 ６０…光学結晶基板、 ６１…光分配器、 ６２−１〜６２−Ｎ，６４−１〜６４−Ｎ…光導波路、 ６３−１〜６３−Ｎ…光スイッチ、 ６５−１〜６５−Ｎ，７５−１〜７５−Ｎ…光放射部、 １００…アレーアンテナ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柴田 治 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷 ５番地 株式会社エイ・ティ・アール環 境適応通信研究所内 (72)発明者 吉 宇 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷 ５番地 株式会社エイ・ティ・アール環 境適応通信研究所内 (56)参考文献 電子情報通信学会技術研究報告、信学 技報Ａ．Ｐ95−16（1995−05）、Ｖｏ ｌ．95、Ｎｏ．34、「光制御アレーアン テナ給電系の周波数特性と放射実験」、 1995年５月19日発行 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01Q 3/26

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の平面内に、２次元的に配列された
   複数Ｍ個のアンテナ素子を備えたアレーアンテナと、 基準光周波数を有する参照ビーム光を発生して出力する
   第１の光発生手段と、 上記基準光周波数から、入力される無線信号の周波数だ
   け異なる信号光周波数を有する信号ビーム光を発生して
   出力する第２の光発生手段と、 上記第１の光発生手段から入力される上記参照ビーム光
   を放射する少なくとも１つの第１の光放射部を備え、当
   該参照ビーム光を放射する放射位置を、第１の方向で変
   化させて、上記参照ビーム光を空間に放射する第１の光
   放射手段と、 その一方の焦点面に上記第１の光放射部が位置するよう
   に設けられた第１のフーリエ変換レンズと、 上記第２の光発生手段から入力される上記信号ビーム光
   を放射する少なくとも１つの第２の光放射部を備え、当
   該信号ビーム光を放射する放射位置を、上記第１の方向
   と交差する第２の方向で変化させて、上記信号ビーム光
   を放射する第２の光放射手段と、 その一方の焦点面に上記第２の光放射部が位置するよう
   に設けられた第２のフーリエ変換レンズと、 上記第１の光放射手段から放射され、上記第１のフーリ
   エ変換レンズを介して入力された上記第１のビーム光
   と、上記第２の光放射手段から放射され、上記第２のフ
   ーリエ変換レンズを介して入力された上記第２のビーム
   光とを合成して合成ビーム光を放射する合成手段と、 上記合成手段から放射される合成ビーム光を、上記第１
   のフーリエ変換レンズの他方の焦点面であってかつ上記
   第２のフーリエ変換レンズの他方の焦点面であるサンプ
   リング平面において、上記各アンテナ素子に対応する複
   数Ｍ個の位置でサンプリングして、サンプリングした複
   数Ｍ個のサンプリング光を出力するサンプリング手段
   と、 上記各サンプリング光に対応して設けられ、上記サンプ
   リング手段から出力された上記各サンプリング光を、無
   線信号に光電変換して、対応する各アンテナ素子に出力
   する複数Ｍ個の光電変換手段を備え、 上記各光電変換手段から出力された複数Ｍ個の無線信号
   を、それぞれ対応するアンテナ素子から放射することに
   より、所望の方向にビームを形成して無線信号を放射す
   ることを特徴とする光制御型フェーズドアレーアンテ
   ナ。
2. 【請求項２】 上記参照ビーム光を放射する放射位置を
   変化させる上記第１の方向と、上記信号ビーム光を放射
   する放射位置を変化させる上記第２の方向とが、直交す
   る請求項１記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ。
3. 【請求項３】 上記光制御型フェーズドアレーアンテナ
   はさらに、上記参照ビーム光を放射する放射位置と、上
   記信号ビーム光を放射する放射位置とを、所望のビーム
   形成方向に基づいて制御する光放射位置制御手段を備え
   た請求項１又は２記載の光制御型フェーズドアレーアン
   テナ。
4. 【請求項４】 上記光制御型フェーズドアレーアンテナ
   において、 上記第１の光放射手段は、 上記第１の光発生手段から入力される上記参照ビーム光
   を複数の参照ビーム光に分配して出力する第１の光分配
   器と、 上記第１の光分配器で分配された各参照ビーム光に対応
   して設けられ、上記第１の光分配器から入力される各参
   照ビーム光をオン・オフする複数の第１の光スイッチ
   と、 上記第１の方向に配列され、かつそれぞれ上記各第１の
   光スイッチに対応して設けられ、上記第１の光スイッチ
   を介して入力される参照ビーム光を放射する複数の第１
   の光放射部を備え、 上記第２の光放射手段は、 上記第２の光発生手段から入力される上記信号ビーム光
   を複数の信号ビーム光に分配して出力する第２の光分配
   器と、 上記第２の光分配器で分配された各信号ビーム光に対応
   して設けられ、上記第２の光分配器から入力される各信
   号ビーム光をオン・オフする複数の第２の光スイッチ
   と、 上記第２の方向に配列され、かつそれぞれ上記各第２の
   光スイッチに対応して設けられ、上記第２のスイッチを
   介して入力される信号ビーム光を放射する複数の第２の
   光放射部を備え、 上記光放射位置制御手段が、上記所望のビーム形成方向
   に基づいて、上記複数の第１のスイッチ及び上記複数の
   第２のスイッチをそれぞれ、オン・オフさせることによ
   り、上記複数の第１の光放射部のうちの１つから上記参
   照ビーム光を放射し、かつ上記複数の第２の光放射部の
   うちの１つから、上記信号ビーム光を放射する請求項３
   記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ。
5. 【請求項５】 上記参照ビーム光を放射する放射位置
   と、上記信号ビーム光を放射する放射位置とを、所定の
   組合せで順次に変化させることにより、上記アレーアン
   テナから放射される無線信号のビームを走査することを
   特徴とする請求項１〜４のうちの１つに記載の光制御型
   フェーズドアレーアンテナ。