JP2972142B2 - 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、複数の無線信号を
それぞれ所定の方向に放射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１６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１６において、光放射器
１０１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】しかしながら従来例の光制御型フェーズド
アレーアンテナは、（１）複数の無線信号をそれぞれ所
定の方向に放射することができないという問題点があっ
た。また、（２）ビーム合成器１０を用いてビーム光１
０９と基準ビーム光とを合成しているので、合成光のう
ち一部分は、図１６に示すように、漏洩光１１２として
放射されて、損失が大きいという問題点があった。さら
に、（３）ビーム合成器１０を用いて、ビーム光１０９
と基準ビーム光とを合成しているので、ビーム光１０９
の光軸と基準ビーム光１３２の光軸とを一致させるため
のアライメント調整が難しいという問題点があった。ま
たさらに、（４）フーリエ変換レンズ８と分布調節器１
３１とビーム合成器１０とを用いて光学系を構成してい
るので、光学系が複雑になり光制御型フェーズドアレー
アンテナを小型にできないという問題点があった。そこ
で、本発明者らは、先に特願平７−２９６７２２号公報
において、上述した（１）の問題点を解決するために、
従来例の光制御型フェーズドアレーアンテナのイメージ
マスク１０６に代えて、放射レンズアレーを設けること
により複数の無線信号をそれぞれ所定の方向に放射する
ことができる光制御型フェーズドアレーアンテナを提案
した。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、提案し
た光制御型フェーズドアレーアンテナは、従来例と同
様、ビーム合成器１０を用いて基準ビーム光と混合ビー
ム光とを合成しているので、損失が大きいという問題点
と、アライメント調整が難しいという問題点とを依然と
して有していた。また、提案した光制御型フェーズドア
レーアンテナは、従来例の分布調節器１３１に代えてレ
ンズを用いているが、やはり光学系が複雑であり、小型
にできないという問題点を有していた。

【０００７】本発明の目的は、以上の問題点を解決し
て、複数の無線信号をそれぞれ所定の方向に放射するこ
とができ、アライメント調整が簡単でかつ損失が小さく
しかも小型の光制御型フェーズドアレ−アンテナを提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】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、所定の第１
の周波数を有する第１のビーム光と、上記第１の周波数
からそれぞれ入力される複数Ｎ個の第１の無線信号の各
周波数だけ異なる周波数を有する複数Ｎ個の第２のビー
ム光とを出力する光放射手段と、上記光放射手段から出
力された上記第１のビーム光と上記複数Ｎ個の第２のビ
ーム光とをそれぞれ所定のビーム幅に広げて放射する放
射手段と、上記放射手段から放射される上記複数Ｎ個の
第２のビーム光と上記第１のビーム光とを所定のサンプ
リング面で重なるように集光する集光手段と、上記集光
手段によって集光された集光ビーム光を、上記サンプリ
ング面において空間的にサンプリングして、サンプリン
グした複数Ｍ個の第３のビーム光を出力するサンプリン
グ手段と、上記サンプリング手段から出力される複数Ｍ
個の第３のビーム光をそれぞれ光電変換して、光電変換
した複数Ｍ個の第２の無線信号を出力する光電変換手段
と、上記光電変換手段から出力される複数Ｍ個の第２の
無線信号をそれぞれ空間に放射することにより、上記複
数Ｎ個の第１の無線信号をそれぞれ所定の方向に放射す
る複数Ｍ個のアンテナ素子とを備えたことを特徴とす
る。

【０００９】また、請求項２記載の光制御型フェーズド
アレーアンテナは、請求項１記載の光制御型フェーズド
アレーアンテナにおいてさらに、上記複数Ｎ個の第１の
無線信号の放射方向が変化するように、上記複数Ｎ個の
第２のビーム光を移相する複数の光移相手段を備えたこ
とを特徴とする。

【００１０】さらに、請求項３記載の光制御型フェーズ
ドアレーアンテナは、請求項１記載の光制御型フェーズ
ドアレーアンテナにおいてさらに、上記放射手段を移動
させる移動手段を備えたことを特徴とする。

【００１１】さらにまた、請求項４記載の光制御型フェ
ーズドアレーアンテナは、請求項１、２又は３記載の光
制御型フェーズドアレーアンテナにおいて、上記複数Ｎ
個の第１の無線信号は、入力される信号に従って所定の
変調方式で変調されていることを特徴とする。

【００１２】

【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。 ＜第１の実施形態＞図１は、本発明に係る第１の実施形
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。当該第１の実施形態の光制御型フェー
ズドアレーアンテナは、図１６の従来例の光制御型フェ
ーズドアレーアンテナから光放射器１０１と高周波発振
器１０２とミラー１０５とイメージマスク１０６と分布
調整器１３１とビーム合成器１０とを取り除いて、位相
同期型光放射器１と高周波発振器４−１乃至４−Ｎと変
調器５−１乃至５−Ｎと光移相器５６−１乃至５６−Ｎ
と位相制御器５５と光ファイバケーブル３−１乃至３−
Ｎと放射レンズアレー２０とを備え、複数Ｎ個の無線信
号Ｓ１乃至ＳＮを所定の方向に放射する。

【００１３】以下、図１を参照して第１の実施形態の光
制御型フェーズドアレーアンテナの構成を説明する。図
１において、高周波発振器４−１乃至４−Ｎはそれぞれ
予め決められた互いに異なる所定の各周波数を有する高
周波信号Ｓｏ１乃至ＳｏＮを発生して、それぞれ変調器
５−１乃至５−Ｎに出力する。ここで、高周波信号Ｓｏ
１乃至ＳｏＮの各周波数は、好ましくは所定の周波数間
隔で設定する。変調器５−１乃至５−Ｎはそれぞれ、入
力される高周波信号Ｓｏ１乃至ＳｏＮの周波数を、例え
ばＰＳＫ、ＱＡＭなどの所定の変調方式で入力されるベ
ースバンド信号Ｂ１乃至ＢＮに従って変調し、それぞれ
周波数ｆｍ１乃至ｆｍＮを有する変調後の無線信号Ｓ１
乃至ＳＮをそれぞれ位相同期型光放射器１に出力する。
ここで、ベースバンド信号Ｂ１乃至ＢＮは互いに異な
る。位相同期型光放射器１は、詳細後述するように所定
の周波数ｆ₀を有する参照ビーム光を光ファイバケーブ
ル６を介して放射レンズアレーに出力する一方、参照ビ
ーム光の周波数ｆｏからそれぞれ入力される複数Ｎ個の
無線信号Ｓ１乃至ＳＮの各周波数だけ異なる複数Ｎ個の
ビーム光Ｌ１乃至ＬＮをそれぞれ光移相器５６−１乃至
５６−Ｎに出力する。

【００１４】そして、各光移相器５６−１乃至５６−Ｎ
はそれぞれ、位相制御装置５５からの制御移相量信号に
基づいて、入力されたビーム光Ｌ１乃至ＬＮをそれぞ
れ、ビーム光Ｌ１乃至ＬＮの各等位相面（光軸に対して
垂直な面）に対してアンテナ素子１７−１乃至１７−Ｍ
から放射される各無線信号Ｓ１乃至ＳＮの放射方向が変
化するように位相の傾斜（位相分布）をつけて移相させ
た後、光ファイバケーブル３−１乃至３−Ｎを介して放
射レンズアレー２０に出力する。ここで、位相制御装置
５５に入力される制御信号はアレーアンテナから放射さ
れる複数Ｎ個の無線信号Ｓ１乃至ＳＮの放射ビームの各
放射方向を示す信号であって、位相制御装置５５は入力
される制御信号に基づいて、無線信号Ｓ１乃至ＳＮの放
射ビームの各放射方向に対応した移相量分布を示す制御
移相量信号を各光移相器５６−１乃至５６−Ｎに出力す
る。ここで、光ファイバケーブル３−１乃至３−Ｎの各
長さは、各光移相器５６−１乃至５６−Ｎの各制御移相
量が０の場合に、各ビーム光Ｌ１乃至ＬＮを放射レンズ
アレー２０に伝送するように互いに同一に設定され、こ
れにより、位相同期型光放射器１から出力される各ビー
ム光Ｌ１乃至ＬＮの位相同期型光放射器１から放射レン
ズアレー２０までの間のビーム光の各遅延量は同一に設
定される。

【００１５】放射レンズアレー２０は、図３に示すよう
に、複数（Ｎ＋１）個の勾配屈折率レンズ（以下、本明
細書においてはＧＲＩＮレンズと称する）２−１乃至２
−Ｎ，２−ｒが後述するフーリエ変換レンズ８の光軸３
０に対して垂直な１次元方向に配列されてなる。そし
て、ＧＲＩＮレンズ２−１乃至２−Ｎはそれぞれ、入力
されるビーム光Ｌ１乃至ＬＮを、後述する入力面Ｐ１２
においてビーム径がω₁になるように所定のビーム幅に
広げて、ガウス分布ビーム光ＧＢ１乃至ＧＢＮとして、
ガウス分布ビーム光ＧＢ１乃至ＧＢＮの各軸が互いに平
行になるようにフーリエ変換レンズ８に放射する。ま
た、ＧＲＩＮレンズ２−ｒは、入力される基準ビーム光
を入力面Ｐ１２においてビーム径がω₁になるように所
定のビーム幅に広げて、ガウス分布ビーム光ＧＢｒとし
て、当該ビーム光ＧＢｒ１の軸がガウス分布ビーム光Ｇ
Ｂ１乃至ＧＢＮの各軸と平行になるようにフーリエ変換
レンズ８に放射する。ここで、放射レンズアレー２０は
ＧＲＩＮレンズ２−１乃至２−Ｎ，２−ｒの各出力面が
フーリエ変換レンズ８の一方の焦点面Ｐ２０に一致する
ように、かつ放射レンズアレー２０の中央に設けられた
ＧＲＩＮレンズ２−ｎの光軸が光軸３０と一致するよう
に設けられる。また、ＧＲＩＮレンズ２−１乃至２−
Ｎ，２−ｒは、屈折率が半径方向に連続的に変化するよ
うな分布を有する円柱形のレンズであって、その円形の
出力面の直径は放射するガウス分布ビームのビームウエ
スト径ω₀である。光ファイバケーブル３−１乃至３−
Ｎ，３−ｒはそれぞれ、コア３ａ−１乃至３ａ−Ｎ，３
ａ−ｒとクラッディング３ｂ−１乃至３ｂ−Ｎ，３ｂ−
ｒからなり、コア３ａ−１乃至３ａ−Ｎ，３ａ−ｒの軸
がＧＲＩＮレンズ２−１乃至２−Ｎ，２−ｒの各光軸に
一致するように接続される。

【００１６】フーリエ変換レンズ８は、放射レンズアレ
ー２０から放射された複数（Ｎ＋１）個のガウス分布ビ
ーム光ＧＢ１乃至ＧＢＮ，ＧＢｒを、フーリエ変換レン
ズ８の他方の焦点面で重ね合わせるように集光させて、
ガウス分布ビーム光ＧＢ１乃至ＧＢＮ，ＧＢｒが集光さ
れて合成された合成ビーム光１１をファイバアレー１２
に入射する。これによって、ガウス分布ビーム光ＧＢ１
乃至ＧＢＮは空間的にフーリエ変換されて、ガウス分布
ビーム光ＧＢ１乃至ＧＢＮの各放射位置に対応する位相
傾斜を有するフーリエ変換ビーム光に変換される。従っ
て、合成ビーム光１１は、複数Ｎ個のフーリエ変換ビー
ム光と参照ビーム光とからなる。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。

【００１７】ファイバアレー１２は、複数Ｍ本のサンプ
リング光ファイバ１２−１乃至１２−Ｍからなり、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る。サンプリ
ング光ファイバ１２−１乃至１２−Ｍは、図４に示すよ
うに、サンプリング光ファイバ１２−１乃至１２−Ｍの
各軸が互いに平行になるように、かつサンプリング光フ
ァイバ１２−１乃至１２−Ｍの検出面がファイバアレー
１２の入力面Ｐ１２に位置するように所定の間隔ｄ₁を
隔てて直線上に並置されている。そして、ファイバアレ
ー１２は、その中央に位置するサンプリング光ファイバ
１２−ｍの軸が光軸３０と一致するようにかつサンプリ
ング光ファイバ１２−１乃至１２−Ｍの配列方向が放射
レンズアレー２０のＧＲＩＮレンズ２−１乃至２−Ｎの
配列方向と互いに平行となり一致するように設けられ
る。

【００１８】これによって、ファイバアレー１２は、各
サンプリング光ファイバ１２−１乃至１２−Ｍの検出面
によって、入射される合成ビーム光１１をファイバアレ
ー１２の入力面Ｐ１２において空間的にサンプリングし
て、サンプリングされた各サンプリングビーム光を、そ
れぞれ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に出力する。こ
こで、サンプリングビーム光は空間的にサンプリングさ
れた複数Ｎ個のフーリエ変換ビーム光と空間的にサンプ
リングされた参照ビーム光とからなる。

【００１９】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ビーム光を、参照ビーム
光の周波数ｆｏから複数Ｎ個のフーリエ変換ビーム光の
各周波数だけ異なる周波数をそれぞれ有し、各フーリエ
変換ビーム光の振幅に比例しかつその位相に一致した複
数Ｎ個の無線信号からなる多重無線信号に光電変換した
後、当該多重無線信号を、それぞれ帯域通過フィルタ１
８−１乃至１８−Ｍ、電力増幅器１５−１乃至１５−Ｍ
及び給電線１６−１乃至１６−Ｍとを介して直線上に並
置されたアンテナ素子１７−１乃至１７−Ｍに出力す
る。ここで、帯域通過フィルタ１８−１乃至１８−Ｍは
それぞれ、周波数ｆｍ１乃至ｆｍＮを有する高周波信号
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、周波数ｆｍ１乃至ｆｍＮを有する
高周波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、各多重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、複数Ｎ個の無線
信号Ｓ１乃至ＳＮの各放射ビームがそれぞれ、後述する
ように所定の放射方向で空間に放射される。

【００２０】次に、位相同期型光放射器１の構成をその
ブロック図である図２を用いて説明する。位相同期型光
放射器１は、図２に示すように、レーザダイオード１８
−１乃至１８−Ｎ，１９と、光分配器２１−１乃至２１
−Ｎ，２２，２３と、ビーム合成器３３−１乃至３３−
Ｎと、光電変換器３４−１乃至３４−Ｎと、信号比較器
３５−１乃至３５−Ｎとを備える。図２において、送信
信号である無線信号Ｓ１乃至ＳＮはそれぞれ信号比較器
３５−１乃至３５−Ｎに入力される。位相同期型光放射
器１において、各レーザダイオード１８−ｋ（ｋ＝１，
２，…，Ｎ、以下本明細書において特に断らない限りｋ
＝１，２，…，Ｎを表すものとする。）は、所定の周波
数を有するビーム光を発生して出力する。光分配器２１
−ｋは、例えばビームスプリッタ等からなり、レーザダ
イオード１８−ｋから出力されるビーム光を２分配し
て、一方の分岐ビーム光をビーム光Ｌｋとして位相同期
型光放射器１に接続された光移相器５６−ｋに出力し、
他方の分岐ビーム光をビーム合成器３３−ｋに出力す
る。

【００２１】一方、レーザダイオード１９は、所定の周
波数ｆｏを有する参照ビーム光を発生して出力する。光
分配器２２は、例えばビームスプリッタ等からなり、レ
ーザダイオード１９から出力される参照ビーム光を２分
配して、一方の分岐参照ビーム光を参照ビーム光として
光ファイバケーブル６を介してＧＲＩＮレンズ２−ｒに
出力し、他方の分岐参照ビーム光を光分配器２３に出力
する。光分配器２３は、光分配器２２から出力された他
方の分岐参照ビーム光を複数Ｎ個に分配して、分配した
分岐参照ビーム光をそれぞれビーム合成器３３−１乃至
３３−Ｎに出力する。

【００２２】ビーム合成器３３−ｋは、光分配器２３か
ら入力された分岐参照ビーム光と光分配器２１−ｋから
入力された分岐ビーム光とを合成して、合成後の合成ビ
ーム光を光電変換器３４−ｋに出力する。光電変換器３
４−ｋは、入力された合成ビーム光を分岐ビーム光と分
岐参照ビーム光との差の周波数を有する無線信号に光電
変換して信号比較器３５−ｋに出力する。信号比較器３
５−ｋは、光電変換器３４−ｋから入力される無線信号
と、変調器５−ｋから入力される無線信号Ｓｋとを比較
し、２つの信号の周波数差に比例した誤差電圧信号Ｃｋ
をレーザダイオード１８−ｋに出力する。この誤差電圧
信号Ｃｋに応答してレーザダイオード１８−ｋの励起電
流が変化し、これによりレーザダイオード１８−ｋの発
振周波数が変化する。

【００２３】以上のように構成された位相制御型光放射
器１においては、信号比較器３５−ｋに入力される２つ
の無線信号の各周波数が一致するように、レーザダイオ
ード１８−ｋの発振周波数が制御される。従って、光分
配器２１−ｋから出力されるビーム光Ｌｋの周波数ｆｏ
＋ｆｍｋと、光分配器２２から出力される参照ビーム光
の周波数ｆｏとの差の周波数は、変調器５−ｋから出力
される無線信号Ｓｋの周波数ｆｍｋに一致するように制
御される。

【００２４】次に、以上の様に構成された光制御型フェ
ーズドアレーアンテナの動作を説明する。図１におい
て、高周波発振器４−１乃至４−Ｎによって発生された
高周波信号Ｓｏ１乃至ＳｏＮは、それぞれ変調器５−１
乃至５−Ｎによってベースバンド信号Ｂ１乃至ＢＮに従
って変調されて、無線信号Ｓ１乃至ＳＮとして位相同期
型光放射器１に出力される。そして、位相同期型光放射
器１によって、所定の周波数ｆｏを有する参照ビーム光
が光ファイバケーブル６を介してＧＲＩＮレンズ２−ｒ
に出力される一方、参照ビーム光の周波数ｆｏからそれ
ぞれ入力される複数Ｎ個の無線信号Ｓ１乃至ＳＮの各周
波数だけ異なる周波数（ｆｏ＋ｆｍ１）乃至（ｆｏ＋ｆ
ｍＮ）を有する複数Ｎ個のビーム光Ｌ１乃至ＬＮがそれ
ぞれ光移相器５６−１乃至５６−Ｎに出力される。

【００２５】そして、ビーム光Ｌ１乃至ＬＮはそれぞ
れ、光移相器５６−１乃至５６−Ｎによって所定の制御
移相量だけ移相された後、光ファイバケーブル３−１乃
至３−Ｎを介して放射レンズアレー２０に入力され、Ｇ
ＲＩＮレンズ２−１乃至２−Ｎ，２−ｒによってそれぞ
れ、所定のビーム幅に広げられて、それぞれビーム光Ｌ
１乃至ＬＮに対応するガウス分布ビーム光ＧＢ１乃至Ｇ
ＢＮとガウス分布ビーム光ＧＢｒとがフーリエ変換レン
ズ８に放射される。

【００２６】複数（Ｎ＋１）個のガウス分布ビーム光Ｇ
Ｂ１乃至ＧＢＮ，ＧＢｒはそれぞれ、フーリエ変換レン
ズ８によってファイバーアレー１２の入力面Ｐ１２に集
光される。これによって、ガウス分布ビーム光ＧＢ１乃
至ＧＢＮが空間的にフーリエ変換された複数Ｎ個のフー
リエ変換ビーム光と参照ビーム光とが合成された合成ビ
ーム光１１がファイバアレー１２に放射される。

【００２７】合成ビーム光１１はファイバアレー１２の
入力面Ｐ１２において、各サンプリング光ファイバ１２
−１乃至１２−Ｍの検出面によって、空間的にサンプリ
ングされて、サンプリングされた各サンプリングビーム
光がそれぞれ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に出力さ
れる。

【００２８】各サンプリングビーム光はそれぞれ、光電
変換器１４−１乃至１４−Ｍによって、参照ビーム光の
周波数ｆｏから複数Ｎ個のフーリエ変換ビーム光の各周
波数だけ異なる周波数をそれぞれ有し、各フーリエ変換
ビーム光の振幅に比例しかつその位相に一致した複数Ｎ
個の無線信号からなる多重無線信号に光電変換されて、
それぞれ電力増幅器１５−１乃至１５−Ｍを介してアン
テナ素子１７−１乃至１７−Ｍに出力される。これによ
って、各多重無線信号がそれぞれアンテナ素子１７−１
乃至１７−Ｍから放射されて、複数Ｎ個の無線信号Ｓ１
乃至ＳＮの各放射ビームがそれぞれ、後述するように所
定の放射方向でアレーアンテナから空間に放射される。

【００２９】次に、以上のように構成した第１の実施形
態において、複数Ｎ個の無線信号Ｓ１乃至ＳＮに対応し
て、アレーアンテナから放射されるの各放射ビームの放
射方向について説明する。図５は、放射レンズアレー２
０から放射されるガウス分布ビーム光ＧＢｋがフーリエ
変換レンズ８によってファイバーアレー１２の入力面Ｐ
２０に集光される様子を示す図である。図５では、簡単
に示すために、中央に基準のガウス分布ビーム光ＧＢｒ
を放射するＧＲＩＮレンズ２−ｒを設けた放射レンズア
レー２０ａを用いて示し、３つのＧＲＩＮレンズ２−
１，２−ｒ，２−Ｎから、ガウス分布ビーム光ＧＢ１，
ＧＢｒ，ＧＢＮを放射した場合について示している。各
ＧＲＩＮレンズ２−１，２−ｒ，２−Ｎはそれぞれ、Ｇ
ＲＩＮレンズ２−１，２−ｒ，２−Ｎの各軸がフーリエ
変換レンズ８の光軸に平行になるように設けられている
ので、ＧＲＩＮレンズ２−１，２−ｒ，２−Ｎからそれ
ぞれ放射されるガウス分布ビーム光ＧＢ１，ＧＢｒ，Ｇ
ＢＮは、各ビームの各軸ＧＡ１，ＧＡｒ，ＧＡＮが互い
に平行になるように放射されてフーリエ変換レンズ８に
入射される。

【００３０】従って、フーリエ変換レンズ８に入射され
たガウス分布ビーム光ＧＢ１，ＧＢｒ，ＧＢＮは、フー
リエ変換レンズ８の他方の焦点面である入力面Ｐ１２に
おいて、ガウス分布ビーム光ＧＢ１，ＧＢｒ，ＧＢＮの
各軸が一致するように集光されて、入力面Ｐ１２に干渉
縞を形成する。ここで、ガウス分布ビーム光ＧＢ１，Ｇ
Ｂｒ，ＧＢＮはそれぞれ、入力面Ｐ１２において、後述
の数７で表されるω₁のビーム径を有するので、干渉縞
は入力面Ｐ１２において光軸３０を中心とする径がω₁
の集光部分に形成される。図５において、Ｇｐ１、Ｇｐ
ｒ及びＧｐＮを付して示す直線はそれぞれ、入力面Ｐ１
２におけるガウス分布ビーム光ＧＢ１，ＧＢｒ，ＧＢＮ
の位相傾斜を示す。この位相傾斜ついては、図６を用い
て後述する。

【００３１】次に、周波数ｆｍを有する無線信号によっ
て変調されたガウス分布ビーム光ＧＢｍ（ｍは、１又は
Ｎである。）と基準のガウス分布ビーム光ＧＢｒとによ
って形成される干渉縞について説明する。ここで、ガウ
ス分布ビーム光ＧＢｍは、光軸３０からｒｏだけ離れた
位置から放射されるものとし、ガウス分布ビーム光ＧＢ
ｒは、光軸３０上のＧＲＩＮレンズ２−ｒから放射され
るものとすると、ガウス分布ビーム光ＧＢｒとガウス分
布ビーム光ＧＢｍとがそれぞれ入力面Ｐ１２上の光軸３
０から距離ｘの位置に励起する電界ベクトルＥ_r，Ｅ
_mは、次の数１、数２で表される。ここで、第１の実施
形態の光制御型フェーズドアレーアンテナにおいて、ビ
ーム光を用いて無線信号を安定してかつ効率よく処理す
るためには、異なる入射角で入力面Ｐ１２に入射する２
つのビーム光は、同一の偏波面を持つように設定される
ので、電界ベクトルＥ_r，Ｅ_mは、光軸３０に対して垂直
の同一方向を有する。

【００３２】

【数１】Ｅ_r＝Ａ_rｅｘｐ（ｊ・２π・ｆｏ・ｔ）

【数２】Ｅ_m＝Ａ_mｅｘｐ（ｊ・２π・ｆ１・ｔ＋ｊ・ｋ・ｘ・
ｓｉｎθ）

【００３３】ここで、入射角θは、ガウス分布ビーム光
ＧＢｍの入射方向と光軸３０との間の角度であり、ｋは
当該ビーム光ＧＢｍの波長λを用いてｋ＝２π／λで表
される波長定数である。従って、入力面Ｐ１２における
光軸３０から距離ｘの位置での合計の電界ベクトルＥ_T
は、数１で表される電界ベクトルＥ_rと数２で表される
電界ベクトルＥ_mとの和として次の数３で表すことがで
き、当該位置における干渉縞の光の強度は、電界ベクト
ルＥ_Tと電界ベクトルＥ_Tの共役ベクトルＥ_T*を用いて次
の数４で表すことができる。

【００３４】

【数３】 Ｅ_T ＝Ｅ_m＋Ｅ_r ＝Ａ_mｅｘｐ(ｊ・2π・ｆｏ・ｔ)＋Ａ_rｅｘｐ(ｊ・2π・ｆ１・ｔ＋ｊ・ｋ・ｘ・sinθ)

【数４】 Ｉ ＝Ｅ_T・Ｅ_T* ＝{Ａ_mexp(j・2π・ｆｏ・t)+Ａ_rexp(j・2π・ｆ１・t+j・k・ｘ・sinθ)} ×{Ａ_mexp(-j・2π・ｆｏ・t)+Ａ_rexp(-j・2π・ｆ１・t-j・k・ｘ・sinθ)} ＝２Ａ_m・Ａ_r＋２Ａ_m・Ａ_rｃｏｓ{(2π・ｆｍ・ｔ＋２π・ｒｏ・ｘ／(λ・Ｆ)}

【００３５】ここで、ｆ１はガウス分布ビーム光ＧＢｍ
の周波数であり、ｒｏはガウス分布ビーム光ＧＢｍを放
射するＧＲＩＮレンズの軸から光軸３０までの距離であ
り、ｆｏはガウス分布ビーム光ＧＢｒの周波数である。
すなわち、無線信号の周波数ｆｍ＝ｆ１−ｆｏの関係が
ある。また、λは基準のガウス分布ビーム光ＧＢｒの波
長であり、Ｆは、フーリエ変換レンズ８の焦点距離であ
り、波長λと焦点距離Ｆとはいずれも定数である。数４
から明らかなように、強度Ｉは、無線信号の周波数ｆｍ
と等しい周波数で正弦波振動をする。従って、この混合
された光の信号が光電変換器に入力されると、光電変換
器から、Ａ_mＡ_rに比例する振幅と周波数ｆｍを有する無
線信号を生成するためのビート信号が出力される。

【００３６】ここで、一般的にＧＲＩＮレンズから放射
されるガウス分布ビーム光の断面における振幅は、ガウ
ス分布をしていて、また理想的なレンズはビームサイズ
を変更するだけでビームモードは変化しないので、フー
リエ変換レンズ８を介して伝搬するガウス分布ビーム光
はそのままのガウスモードを保持していく。従って、入
力面Ｐ１２においても、ガウス分布ビーム光ＧＢｍとガ
ウス分布ビーム光ＧＢｒとはガウス分布しているので、
数１，数２の中の振幅Ａ_m，Ａ_rはそれぞれ、次の数５、
数６で表すことができる。ここで、入力面Ｐ１２におけ
る集光部分の径ω₁は数７で表すことができる。

【００３７】

【数５】Ａ_m＝Ａ_m0ｅｘｐ（−ｘ²／ω₁ ²）

【数６】Ａ_r＝Ａ_r0ｅｘｐ（−ｘ²／ω₁ ²）

【数７】ω₁＝λＦ／（πω₀）

【００３８】ここで、ω₀はガウス分布ビーム光ＧＢ
ｍ，ＧＢｒのビームウエストであり、Ｆはフーリエ変換
レンズ８の焦点距離である。ガウス分布ビーム光ＧＢｍ
を放射するＧＲＩＮレンズの軸から光軸３０までの距離
ｒｏがフーリエ変換レンズ８の焦点距離Ｆよりはるかに
短い場合は、ｓｉｎθ＝ｒｏ／Ｆ≒θで表すことができ
る。従って、入力面Ｐ１２における干渉光による光励振
強度分布は、図５において、Ｇｉｎ、Ｇｉ１及びＧｉＮ
の符号を付して示すように位置ｘの関数として表され
る。詳細は、図１１のグラフを用いて後述する。ここ
で、図５において、Ｇｉｎの符号を付して示すパターン
は変化しない固定されたガウス分布を示し、当該固定ガ
ウス分布Ｇｉｎの中にＧｉ１及びＧｉＮの符号を付して
示す点線は、正弦波振動をする光励振強度分布を示して
いる。

【００３９】第１の実施形態において、上述した正弦波
振動をする光励振強度分布を、入力面Ｐ１２において空
間的にサンプリングしているので、サンプリング間隔
は、正弦波振動をする光励振強度に対応する無線信号を
検出するために、少なくとも１つのサンプリング光ファ
イバ１２−ｍが、数４で表される干渉縞の隣接するヌル
の間に位置するように設けることが好ましい。このため
に、我々は、隣接するサンプリング光ファイバ１２−ｍ
の間隔ｄ₁を、数８を満足するように設定した。従っ
て、形成することができるビームの最大数Ｎ_maxは、数
９で表すことができる。

【００４０】

【数８】ｄ₁・ｒｏ／Ｆ≦λ／２

【数９】Ｎ_max＝λＦ／（ｄｏ・ｄ₁）

【００４１】ここで、ｄｏは隣接するＧＲＩＮレンズ間
の間隔である。次に、片側の焦点面に於けるガウス分布
ビーム光の空間的な放射位置が反対側の焦点面に於い
て、距離ｘに対して線形の位相の変化をもたらす、とい
う集束レンズに関する周知のシフト原理を用いると、ガ
ウス分布ビーム光ＧＢｒと任意のガウス分布ビーム光Ｇ
Ｂｍとが混合されて形成された干渉縞に対応して励起さ
れる入力面Ｐ１２に於ける電界である光励振強度分布
は、次の数１０のように表すことができる。

【００４２】

【数１０】Ｅ₀（ｘ）＝Ａ_m0Ａ_r0exp(−２ｘ²／ω₁ ²)・ex
p｛ｊ・2π・ｘ・ｒｏ/（λ・F)｝

【００４３】ここで、数１０は数４から導くこともで
き、数１０の虚数部は、２つのビーム光の間の周波数差
に等しい周波数で時間とともに変化する干渉縞の瞬時値
に関連する。また、混合ビームの約９５％のエネルギー
は、径ω₁の集光部に集中しているので、サンプリング
光ファイバ１２−ｍの数Ｍ、すなわちアンテナ素子数Ｍ
は次の数１１を用いて決定される。

【００４４】

【数１１】Ｍ＝２ω₁／ｄ₁＝２λ・Ｆ／（π・ｄ₁・ω₀）

【００４５】ファイバアレー１２によって検出された干
渉縞の瞬間のパターンは、光電変換器１４−１乃至１４
−Ｍによって、ガウス分布として時間平均されるので、
アレーアンテナの遠視野放射パターンは次の数１２で表
すことができる。

【００４６】

【数１２】

【００４７】ここで、ｄ_mは隣接するアレーアンテナ素
子間の間隔である。すなわち、以上の原理を用いると、
ガウス分布ビーム光ＧＢｍを放射する位置の光軸３０か
らの距離ｒｏに対応して数１２で表されるビームを所定
の方向に形成することができる。

【００４８】次に、以上の原理に基づいて、数値的に評
価した結果を説明する。図６は、フーリエ変換レンズ８
の一方の焦点面Ｐ２０において、光軸からの距離ｒｏ＝
０、ｒｏ＝１２５μｍ及びｒｏ＝２５０μｍの位置から
それぞれ、ガウス分布ビーム光を放射したときの入力面
Ｐ１２における、各ガウス分布ビーム光の位相傾斜を示
すグラフである。図６から明らかなように、光軸上（ｒ
ｏ＝０μｍ）でビーム光を放射した場合は、入力面Ｐ１
２上のどの位置においても位相は等しくなる。また、ビ
ーム光の放射位置を光軸３０から離すと（図６において
はｒｏ＝１２５μｍとｒｏ＝２５０μｍの場合）入力面
Ｐ１２において光軸３０からの距離ｘに対して位相は直
線的に変化し、ビーム光の放射位置を光軸３０から離す
程、距離ｘに対する位相の傾きは大きくなることがわか
る。

【００４９】図１１は、ガウス分布ビーム光ＧＢｒの放
射位置を光軸３０からの距離ｒｏ＝０μｍに設定し、ガ
ウス分布ビーム光ＧＢｍの放射位置を光軸３０からの距
離ｒｏ＝１２５μｍ及びｒｏ＝２５０μｍに設定した場
合の干渉パターンを示すグラフである。図１１のグラフ
は、数１０を用いて計算し、距離ｒｏ以外の主要なパラ
メータは、ガウス分布ビームのビームウエスト径ω₀＝
６２．５μｍ、フーリエ変換レンズ８の焦点距離Ｆ＝１
２０ｍｍ、ビーム光の波長λ₀＝１．３μｍに設定し
た。図１１において、ｒｏ＝０μｍを付して示している
実線は、干渉パターンの包絡線で、ガウス分布として時
間平均されたものを示している。また、ｒｏ＝１２５μ
ｍを付して示している点線は、光軸３０からの距離ｒｏ
＝１２５μｍの位置から放射されたガウス分布ビーム光
ＧＢｒとガウス分布ビーム光ＧＢｒとの時間的に変化す
る干渉パターンを示し、ｒｏ＝２５０μｍを付して示し
ている点線は、光軸３０からの距離ｒｏ＝２５０μｍの
位置から放射されたガウス分布ビーム光ＧＢｒとガウス
分布ビーム光ＧＢｒとの時間的に変化する干渉パターン
を示す。図１１のグラフから明らかなように、入力面Ｐ
１２において、ガウス分布ビーム光ＧＢｍの放射位置に
対応した光励振強度を有する干渉パターンが得られるこ
とがわかる。

【００５０】また、図１２は、ガウス分布ビーム光の放
射する位置を焦点面Ｐ２０において変化させたときの、
アレーアンテナから放射される放射ビームの放射角度に
対する相対振幅を示すグラフである。図１２のグラフ
は、数１２を用いて、光軸３０からの距離ｒｏ＝０μ
ｍ、ｒｏ＝１２５μｍ及びｒｏ＝２５０μｍの３つの異
なる位置からガウス分布ビームＧＢｍの放射した場合に
ついてシミュレーションをして示している。当該シミュ
レーションでは、基準のガウス分布ビーム光ＧＢｒは、
光軸３０から離して放射したものとし、距離ｒｏ以外の
主要なパラメータは、アンテナ素子数Ｍ＝９、サンプリ
ング光ファイバ間の間隔ｄ₁＝１２５μｍ、ガウス分布
ビームのビームウエスト径ω₀＝６２．５μｍ、フーリ
エ変換レンズ８の焦点距離Ｆ＝１２０ｍｍ、ビーム光の
波長λ₀＝１．３μｍに設定し、アンテナ素子間の間隔
は放射する無線信号の波長の１／２に設定した。また、
図１２において、相対振幅は光軸上（距離ｒｏ＝０μ
ｍ）から放射したガウス分布ビームに対応する放射ビー
ムの最大振幅を基準にして規格化して示している。図１
２のグラフから明らかなように、ガウス分布ビームの放
射する位置が焦点面Ｐ２０において光軸３０から離れる
ほど、アレーアンテナから放射される放射ビームのビー
ム角は大きくなることがわかる。すなわち、ガウス分布
ビームの放射する位置を所定の位置に設定することによ
り、アレーアンテナから放射される放射ビームのビーム
角を所定の値に設定することができることを示してい
る。ここで、ビーム角とは、放射ビームの主ビームの方
向とアレーアンテナの放射面の垂直方向との間の角度の
ことをいう。

【００５１】また、図１３は、図１２と同様、ガウス分
布ビームの放射する位置を焦点面Ｐ２０において変化さ
せたときの、アレーアンテナから放射される放射ビーム
の放射角度に対する相対振幅を示すグラフである。図１
３のグラフは、数１２を用いて、光軸３０からの距離ｒ
ｏ＝１２５μｍ、ｒｏ＝２５０μｍ及びｒｏ＝３７５μ
ｍの３つの異なる位置からガウス分布ビームの放射した
場合についてシミュレーションをして示している。当該
シミュレーションでは、基準ガウス分布ビーム光は、光
軸３０から放射したものとし、距離ｒｏ以外の主要なパ
ラメータは、図１２のシミュレーションと同様に設定し
た。図１２に示すｒｏ＝１２５μｍ及びｒｏ＝２５０μ
ｍに設定した場合のグラフと、図１３に示すｒｏ＝１２
５μｍ及びｒｏ＝２５０μｍに設定した場合のグラフと
を比較することにより、基準ガウス分布ビーム光の放射
位置に拘わらず、距離ｒｏのみに依存して所望の方向に
放射ビームを形成することができることがわかる。

【００５２】図１４は、数９を用いて計算した結果を示
すグラフである。すなわち、図１４は、サンプリング光
ファイバ１２−ｍの間隔ｄ₁に対する、形成することが
できるビームの最大数Ｎmaxを示している。また、図１
４では、フーリエ変換レンズ８の焦点距離Ｆを２０ｍ
ｍ、４０ｍｍ及び６０ｍｍに設定した場合についてそれ
ぞれ示している。図１４から明らかなように、サンプリ
ング光ファイバ１２−ｍの間隔を狭く設定する程、形成
することができるビームの最大数Ｎmaxを大きくできる
ことがわかる。また、焦点距離Ｆを長く設定するほど、
形成することができるビームの最大数Ｎmaxを大きくで
きることがわかる。

【００５３】以上、説明したように、無線信号に従って
変調されたガウス分布ビーム光ＧＢｍと基準のガウス分
布ビーム光ＧＢｒとが重ね合わされて形成された入力面
Ｐ１２における干渉縞の強度Ｉを、空間的に異なる各位
置で検出してそれぞれ光電変換することにより、ガウス
分布ビーム光ＧＢｒの放射位置に対応した位相傾斜を有
する複数の無線信号に変換することができる。従って、
サンプリング位置に対応して設けられた各アンテナ素子
から、対応する各無線信号を放射することにより、上記
位相傾斜に対応する方向にビームを形成するように無線
信号を放射することができる。

【００５４】すなわち、光移相器５６−１乃至５６−Ｎ
における各制御移相量が０であるとすると、図１の光制
御型フェーズドアレーアンテナにおいて、ＧＲＩＮレン
ズ２−ｋから放射されてフーリエ変換レンズ８に入射さ
れるガウス分布ビームＧＢｋは、フーリエ変換レンズ８
によって１回フーリエ変換されて、入力面Ｐ１２におけ
るガウス分布ビームＧＢｋのフーリエ変換像（すなわ
ち、フラウンホーファ回折像）となり、当該フーリエ変
換像がファイバアレー１２によって、空間的にサンプリ
ングされる。その後、アンテナ素子１７−１乃至１７−
Ｍからなるアレーアンテナから放射されることにより、
当該アレーアンテナの放射パターンは、当該アレーアン
テナの開口における振幅位相分布のフーリエ変換像（す
なわち、フラウンホーファ回折像）となる。すなわち、
フーリエ変換レンズ８に入射されるガウス分布ビームＧ
Ｂｋの振幅位相分布は２回フーリエ変換されるので、公
知の通り、フーリエ変換レンズ８に入射されるガウス分
布ビームＧＢｋの振幅位相分布は、アレーアンテナによ
って放射された遠方界の無線信号Ｓｋの振幅位相分布に
一義的に対応することになる。

【００５５】ここで、フーリエ変換レンズ８に入射され
るガウス分布ビームＧＢｋの振幅位相分布は、ガウス分
布ビームＧＢｋを放射するＧＲＩＮレンズ２−ｋの光軸
３０からの距離ｒｏに一義的に対応する。これによっ
て、ＧＲＩＮレンズ２−ｋから放射されるガウス分布ビ
ームＧＢｋに対応してアレーアンテナから放射される無
線信号Ｓｋの放射ビームは、ＧＲＩＮレンズ２−ｋの光
軸３０からの距離ｒｏに対応する所定の放射方向（図１
の右側に示す）で放射される。

【００５６】すなわち、図１に示すように、放射レンズ
アレー２０の中央に位置するＧＲＩＮレンズ２−ｎから
放射されるガウス分布ビームＧＢｎに対応してアレーア
ンテナから放射される無線信号Ｓｎの放射ビームは、ア
レーアンテナの放射面に対して垂直方向の放射方向を有
し、放射レンズアレー２０において光軸３０から最も離
れて位置するＧＲＩＮレンズ２−１及びＧＲＩＮレンズ
２−Ｎから放射されるガウス分布ビームＧＢ１及びガウ
ス分布ビームＧＢＮに対応してアレーアンテナから放射
される無線信号Ｓ１及びＳＮの各放射ビームは、アレー
アンテナの放射面の垂直方向に対して最も大きな角度の
放射方向を有する。また、放射レンズアレー２０におい
てＧＲＩＮレンズ２−１に隣接して位置するＧＲＩＮレ
ンズ２−２から放射されるガウス分布ビームＧＢ２に対
応してアレーアンテナから放射される無線信号Ｓ２の放
射ビームは、ガウス分布ビームＧＢ１に対応して放射さ
れる無線信号Ｓ１の放射ビームの放射方向に隣接する放
射方向を有する。

【００５７】上述したように、アレーアンテナから放射
される複数Ｎ個の無線信号Ｓ１乃至ＳＮの放射ビーム
は、ＧＲＩＮレンズ２−１乃至２−Ｎの焦点面Ｐ２０に
おける位置に対応した各放射方向で空間に放射される。

【００５８】また、光移相器５６−１乃至５６−Ｎにお
ける各制御移相量が０でない場合には、ＧＲＩＮレンズ
２−ｋから放射されるガウス分布ビームＧＢｋは、光移
相器５６−ｋによって、無線信号Ｓｋの放射方向に対応
した所定の位相分布になるように移相されている。すな
わち、ガウス分布ビームＧＢｋの位相面は、アンテナ素
子１７−１乃至１７−Ｍから放射される無線信号Ｓｋの
放射方向が変化するように位相の傾斜（位相分布）をつ
けて移相されているので、フーリエ変換レンズ８に入射
されるガウス分布ビームＧＢｋの振幅位相分布は、ガウ
ス分布ビームＧＢｋを放射するＧＲＩＮレンズ２−ｋの
光軸３０からの距離ｒｏと当該位相分布とによって決ま
る。従って、光移相器５６−１乃至５６−Ｎの制御移相
量が０でない場合には、複数Ｎ個の無線信号Ｓ１乃至Ｓ
Ｎの各放射ビームは、光移相器５６−１乃至５６−Ｎの
制御移相量が０のときのＧＲＩＮレンズ２−１乃至２−
Ｎの焦点面Ｐ２０における各位置に対応する各放射方向
から、各制御移相量すなわち、上記ビーム光の位相分布
に対応する角度だけ回転された各放射方向でアレーアン
テナから空間に放射される。

【００５９】以上詳述したように、第１の実施形態の光
制御型フェーズドアレーアンテナは、従来例の光制御型
フェーズドアレーアンテナにおける光放射器１０１と高
周波発振器１０２とミラー１０５とイメージマスク１０
６と分布調整器１３１とに代えて、位相同期型光放射器
１と高周波発振器４−１乃至４−Ｎと変調器５−１乃至
５−Ｎと光移相器５６−１乃至５６−Ｎと位相制御器５
５と放射レンズアレー２０とを備えているので、放射レ
ンズアレー２０から放射されるガウス分布ビームＧＢ１
乃至ＧＢＮの放射位置に対応させて複数Ｎ個の無線信号
Ｓ１乃至ＳＮをそれぞれ所定の方向に放射することがで
きる。

【００６０】また、以上の第１の実施形態の光制御型フ
ェーズドアレーアンテナは、ガウス分布ビーム光ＧＢ１
乃至ＧＢＮ及び基準のガウス分布ビーム光ＧＢｒとを同
一面内で放射する放射レンズアレー２０を備えているの
で、ビーム合成器と分布調整器とを用いることなく構成
でき、従来例に比較して、アライメント調整が簡単でか
つ損失を小さくできしかも小型にできる。

【００６１】また、第１の実施形態の光制御型フェーズ
ドアレーアンテナは、複数Ｎ個の光移相器５６−１乃至
５６−Ｎを備えているので、複数Ｎ個の無線信号Ｓ１乃
至ＳＮの放射方向をそれぞれ光移相器５６−１乃至５６
−Ｎの制御移相量に対応させて変化させることができ
る。

【００６２】＜第２の実施形態＞図７は、本発明に係る
第２の実施形態である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。第２の実施形態の光
制御型フェーズドアレーアンテナは、図１の第１の実施
形態の光制御型フェーズドアレーアンテナにおいて、変
調器５−１乃至５−Ｎを取り除いて、光変調器５１−１
乃至５１−Ｎを設け、上述の点を除いては図１の第１の
実施形態の光制御型フェーズドアレーアンテナと同様に
構成される。

【００６３】図７の第２の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、光変調器５１−１乃至５１
−Ｎはそれぞれ、位相同期型光放射器１から出力される
ビーム光Ｌｏ１乃至ＬｏＮの周波数を、それぞれ入力さ
れるベースバンド信号Ｂ１乃至ＢＮに従って例えば強度
変調などの所定の変調方式で変調し、変調後のビーム光
Ｌ１乃至ＬＮをそれぞれ光移相器５６−１乃至５６−Ｎ
に出力する。ここで、ビーム光Ｌｏ１乃至ＬｏＮはそれ
ぞれ、参照ビーム光の周波数ｆｏから高周波信号Ｓｏ１
乃至ＳｏＮの周波数だけ異なる周波数を有するビーム光
である。

【００６４】以上の様に構成された第２の実施形態の光
制御型フェーズドアレーアンテナは、上述した点を除い
て第１の実施形態の光制御型フェーズドアレーアンテナ
と同様に動作する。従って、第２の実施形態の光制御型
フェーズドアレーアンテナは、第１の実施形態の光制御
型フェーズドアレーアンテナと同様の効果を有する。

【００６５】＜第３の実施形態＞図８は、本発明に係る
第３の実施形態である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。第３の実施形態の光
制御型フェーズドアレーアンテナは、図１の第１の実施
形態の光制御型フェーズドアレーアンテナにおいて、位
相同期型光放射器１に代えて、レーザダイオード５２と
光分配器５３，５４と光変調器５１−１乃至５１−Ｎを
備え、以下の様に構成される。

【００６６】すなわち、レーザダイオード５２は周波数
ｆｏのビーム光を発生して光分配器５３に出力し、光分
配器５３は当該ビーム光を２つのビーム光に分配して一
方のビーム光を参照ビーム光として光ファイバケーブル
６を介してレンズ７に出力し、他方のビーム光を光分配
器５４に出力する。光分配器５４は入力されるビーム光
を複数Ｎ個のビーム光に分配して、分配した各ビーム光
をそれぞれ光変調器５１−１乃至５１−Ｎに出力する。
高周波発振器４−１乃至４−Ｎはそれぞれ予め決められ
た互いに異なる所定の周波数を有する高周波信号Ｓｏ１
乃至ＳｏＮを発生して、それぞれ変調器５−１乃至５−
Ｎに出力し、変調器５−１乃至５−Ｎはそれぞれ、入力
される高周波信号Ｓｏ１乃至ＳｏＮを入力されるベース
バンド信号Ｂ１乃至ＢＮに従って、例えばＰＳＫ、ＱＡ
Ｍなどの所定の変調方式で変調し、変調後の無線信号Ｓ
１乃至ＳＮをそれぞれ光変調器５１−１乃至５１−Ｎに
出力する。

【００６７】光変調器５１−１乃至５１−Ｎはそれぞ
れ、光分配器５４から出力されるビーム光の周波数を、
それぞれ入力される無線信号Ｓ１乃至ＳＮの各周波数だ
け偏移させ、偏移させた後のビーム光Ｌ１乃至ＬＮをそ
れぞれ光移相器５６−１乃至５６−Ｎに出力する。上述
の点を除いては図１の第１の実施形態の光制御型フェー
ズドアレーアンテナと同様に構成される。

【００６８】以上の様に構成された第３の実施形態の光
制御型フェーズドアレーアンテナは、上述した点を除い
て第１の実施形態の光制御型フェーズドアレーアンテナ
と同様に動作する。従って、第３の実施形態の光制御型
フェーズドアレーアンテナは、第１の実施形態の光制御
型フェーズドアレーアンテナと同様の効果を有する。

【００６９】＜第１の実施形態の変形例＞図９は、第１
の実施形態の変形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。この変形例の光制御
型フェーズドアレーアンテナは、図１の第１の実施形態
の光制御型フェーズドアレーアンテナに比較して、光移
相器５６−１乃至５６−Ｎと位相制御器５５とを取り除
き、放射レンズアレー２０を光軸３０に対して垂直な方
向で１次元で移動する移動機構５７と、当該移動機構５
７の動作を制御する制御装置５８とを設けている。

【００７０】第１の実施形態の変形例の光制御型フェー
ズドアレーアンテナにおいて、放射パターンの放射方向
の制御は以下のように実行される。すなわち、予め決め
られた所望の放射方向に基づいて、制御装置５８は、当
該放射レンズアレー２０を光軸３０に対して垂直な方向
で１次元で移動するように移動機構５７を制御する。当
該変形例の光制御型フェーズドアレーアンテナは、上述
の点を除いて図１の第１の実施形態の光制御型フェーズ
ドアレーアンテナと同様に動作する。

【００７１】従って、図９の変形例においては、放射パ
ターンの放射方向を移動機構５７を用いて変更すること
ができ、第１の実施形態と同様の効果を有する。

【００７２】また、以上の図９の変形例の光制御型フェ
ーズドアレーアンテナでは、移動機構５７によって、放
射レンズアレー２０の全体を動かすようにしたが、本発
明はこれに限らず、放射レンズアレー２０のＧＲＩＮレ
ンズ２−１乃至２−Ｎをそれぞれ、別々に動かすように
してもよい。

【００７３】＜他の変形例＞以上の第２と第３の実施形
態においては、光移相器５６−１乃至５６−Ｎと位相制
御器５５とを用いて、放射パターンの放射方向を変更す
るように構成したが、本発明はこれに限らず、図９の変
形例と同様、光移相器５６−１乃至５６−Ｎと位相制御
器５５とに代えて、移動機構５７と制御装置５８とを用
いて放射パターンの放射方向を変更するようにしてもよ
い。以上のように構成しても第２と第３の実施形態と同
様に動作して同様の効果を有する。

【００７４】また、以上の第１乃至第３の実施形態で
は、ＧＲＩＮレンズ２−１乃至２−Ｎが１次元方向に配
列された放射レンズアレー２０と、サンプリング光ファ
イバ１２−１乃至１２−Ｍが１次元方向に配列されたフ
ァイバアレー１２と、アンテナ素子１７−１乃至１７−
Ｎが１次元方向に配列されたアレーアナテナを用いて構
成した。しかしながら、本発明はこれに限らず、図１０
に示すように、複数のＧＲＩＮレンズ２２０−１がマト
リックス形状で２次元方向に配列された放射レンズアレ
ー２２０と、複数のサンプリング光ファイバ２１２−１
がマトリックス形状で２次元方向に配列されたファイバ
アレー２１２と、複数のアンテナ素子がマトリックス形
状で２次元方向に配列されたアレーアンテナ（図示せ
ず。）とを用いて構成してもよい。以上の様に構成する
ことにより、放射方向を３次元的に設定することがで
き、第１乃至第３の実施形態と同様の効果を有する。

【００７５】さらに、第１の実施形態の変形例では、放
射レンズアレー２０を１次元方向で移動させる移動機構
５７と、移動機構５７を制御する移動機構５７とを用い
て構成したが、本発明はこれに限らず、放射レンズアレ
ー２０を２次元で移動させる移動機構と、当該移動機構
を制御する移動機構とを用いて構成してもよい。この場
合、複数のＧＲＩＮレンズ２−１乃至２−Ｎがマトリッ
クス形状で２次元方向に配列された放射レンズアレー
と、複数のサンプリング光ファイバがマトリックス形状
で２次元方向に配列されたファイバアレーと、複数のア
ンテナ素子がマトリックス形状で２次元方向に配列され
たアレーアンテナとを用いて構成することにより、放射
方向を３次元的に設定することができ、第１の実施形態
の変形例と同様の効果を有する。

【００７６】以上の第１乃至第３の実施形態において、
ファイバアレー１２はサンプリング光ファイバ１２−１
乃至１２−Ｎを用いて構成しているが、本発明はこれに
限らず、基板上に形成された複数の光導波路を用いて構
成してもよい。以上のように構成することにより、第１
乃至第３の実施形態と同様に動作して同様の効果を有す
るとともに、サンプリング光ファイバ１２−１乃至１２
−Ｍを用いて配列した場合に比較して光導波路を狭い間
隔で形成できるので、合成ビーム光１１を狭い間隔で空
間的にサンプリングでき、入力面Ｐ１２に入力される合
成ビーム光１１を効率良くサンプリングできる。

【００７７】以上の第１乃至第３の実施形態では、位相
同期型光放射器１は、それぞれ周波数（ｆｏ＋ｆｍ１）
乃至（ｆｏ＋ｆｍＮ）を有する複数Ｎ個のビーム光Ｌ１
乃至ＬＮを出力するように構成したが、本発明はこれに
限らず、それぞれ周波数（ｆｏ−ｆｍ１）乃至（ｆｏ−
ｆｍＮ）を有する複数Ｎ個のビーム光を出力するように
構成してもよい。

【００７８】また、以上の第１乃至第３の実施形態にお
いて、アンテナ素子１７−１乃至１７−Ｍとしては、ダ
イポールアンテナ、誘電体基板上に形成された金属パッ
チアンテナ、ホーンアンテナなどを用いることができ
る。

【００７９】以上の第１乃至第３の実施形態では、互い
に異なる各周波数を有する複数Ｎ個の高周波信号Ｓｏ１
乃至ＳｏＮをそれぞれ発生する高周波発振器４−１乃至
４−Ｎを備えて構成したが、本発明はこれに限らず、同
一の周波数を有する複数Ｎ個の高周波信号を発生する高
周波発振器を備えて構成してもよい。この場合、Ｎ個の
高周波発振器を備えるようにしてもよいし、１つの高周
波発振器と当該高周波発振器から出力される高周波信号
をＮ個に分配する分配器とを備えるようにしてもよい。
以上のように構成することにより、同一の周波数を有す
る複数Ｎ個の無線信号をそれぞれ、互いに異なる所定の
複数の方向に放射することができる。

【００８０】以上の第１乃至第３の実施形態では、入力
される高周波信号Ｓｏ１乃至ＳｏＮの周波数を、入力さ
れる互いに異なるベースバンド信号Ｂ１乃至ＢＮに従っ
て変調して出力する変調器５−１乃至５−Ｎを備えて構
成したが、本発明はこれに限らず、同一のベースバンド
信号に従って変調する複数Ｎ個の変調器を備えて構成し
てもよい。以上のように構成することにより、同一のベ
ースバンド信号に従って変調された例えば互いに異なる
周波数を有する複数Ｎ個の無線信号をそれぞれ、互いに
異なる所定の複数の方向に放射することができる。

【００８１】以上の第１乃至第３の実施形態では、互い
に異なる各周波数を有する複数Ｎ個の高周波信号Ｓｏ１
乃至ＳｏＮをそれぞれ発生する高周波発振器４−１乃至
４−Ｎと、入力される高周波信号Ｓｏ１乃至ＳｏＮの周
波数を、入力される互いに異なるベースバンド信号Ｂ１
乃至ＢＮに従って変調して出力する変調器５−１乃至５
−Ｎとを備えて構成したが、本発明はこれに限らず、同
一の周波数を有する複数Ｎ個の高周波信号を発生する高
周波発振器と同一のベースバンド信号に従って変調する
複数Ｎ個の変調器とを備えて構成してもよい。以上のよ
うに構成することにより、同一のベースバンド信号に基
づいて変調された同一の周波数を有する複数Ｎ個の無線
信号をそれぞれ、互いに異なる所定の複数の方向に放射
することができる。

【００８２】以上の第１乃至第３の実施形態では、ビー
ム光Ｌ１乃至ＬＮの位相面に対してアンテナ素子１７−
１乃至１７−Ｍから放射される各無線信号Ｓ１乃至ＳＮ
の放射方向が変化するように位相の傾斜（位相分布）を
つけて光移相する光移相器５６−１乃至５６−Ｎを設け
て構成したが、本発明はこれに限らず、光移相器５６−
１乃至５６−Ｎを設けないで構成してもよい。

【００８３】以上の第１乃至第３の実施形態では、光移
相器５６−１乃至５６−Ｎを設けて構成したが、本発明
はこれに限らず、光移相器５６−１乃至５６−Ｎを設け
ないで以下のように構成してもよい。すなわち、位相同
期型光放射器１から出力される各ビーム光Ｌ１乃至ＬＮ
をそれぞれ、複数Ｌ個のビーム光に分配する複数Ｎ個の
光分配器と、当該各光分配器によって分配されたビーム
光をそれぞれ所定の移相量だけ移相する複数（Ｎ×Ｌ）
個の光移相器とを備える。ここで、ビーム光Ｌｋが分配
された各ビーム光が入力されるＬ個の光移相器はそれぞ
れ、アンテナ素子１７−１乃至１７−Ｍから放射される
無線信号Ｓｋの放射方向が変化するように入力されるビ
ーム光を所定の移相量だけ移相させて出力する。各光移
相器から出力されたビーム光はそれぞれ、光ファイバケ
ーブルを介してＧＲＩＮレンズに入力されて、ＧＲＩＮ
レンズからフーリエ変換レンズ８に放射される。ここ
で、第１の実施形態のＧＲＩＮレンズ２−１に対して、
この変形例ではＬ個のＧＲＩＮレンズを設け、同様に第
１の実施形態の各ＧＲＩＮレンズ２−２乃至２−Ｎに対
してそれぞれＬ個のＧＲＩＮレンズを設ける。この変形
例の放射レンズアレー２０では、（Ｎ×Ｌ）個のＧＲＩ
Ｎレンズが一直線に配置され、上記（Ｎ×Ｌ）個の光移
相器の出力ビーム光がそれぞれ対応した（Ｎ×Ｌ）個の
ＧＲＩＮレンズに入力される。以上のように構成して
も、第１乃至第３の実施形態と同様、複数Ｎ個の無線信
号Ｓ１乃至ＳＮを所定の方向に放射することができ、第
１乃至第３の実施形態と同様の効果を有する。

【００８４】

【発明の効果】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、所定の第１の周波数を有す
る第１のビーム光と、上記第１の周波数からそれぞれ入
力される複数Ｎ個の第１の無線信号の各周波数だけ異な
る周波数を有する複数Ｎ個の第２のビーム光とを出力す
る光放射手段と、上記光放射手段から出力された上記第
１のビーム光と上記複数Ｎ個の第２のビーム光とをそれ
ぞれ所定のビーム幅に広げて放射する放射手段と、上記
放射手段から放射される上記複数Ｎ個の第２のビーム光
と上記第１のビーム光とを所定のサンプリング面で重な
るように集光する集光手段と、上記集光手段によって集
光された集光ビーム光を、上記サンプリング面において
空間的にサンプリングして、サンプリングした複数Ｍ個
の第３のビーム光を出力するサンプリング手段と、上記
サンプリング手段から出力される複数Ｍ個の第３のビー
ム光をそれぞれ光電変換して、光電変換した複数Ｍ個の
第２の無線信号を出力する光電変換手段と、上記光電変
換手段から出力される複数Ｍ個の第２の無線信号をそれ
ぞれ空間に放射することにより、上記複数Ｎ個の第１の
無線信号をそれぞれ所定の方向に放射する複数Ｍ個のア
ンテナ素子とを備えている。これによって、請求項１記
載の光制御型フェーズドアレ−アンテナは、複数の無線
信号をそれぞれ所定の方向に放射することができ、アラ
イメント調整が簡単でかつ損失が小さくしかも小型にで
きる。

【００８５】また、請求項２記載の光制御型フェーズド
アレーアンテナは、請求項１記載の光制御型フェーズド
アレーアンテナにおいてさらに、上記複数Ｎ個の第１の
無線信号の放射方向が変化するように、上記複数Ｎ個の
第２のビーム光を移相する複数の光移相手段を備えてい
るので、当該移相量に対応して上記複数Ｎ個の第１の無
線信号の放射方向を変化させることができる。

【００８６】さらに、請求項３記載の光制御型フェーズ
ドアレーアンテナは、請求項１記載の光制御型フェーズ
ドアレーアンテナにおいてさらに、上記放射手段を移動
させる移動手段を備えているので、上記放射手段の移動
量に応じて上記複数Ｎ個の第１の無線信号の放射方向を
変化させることができる。

【００８７】またさらに、請求項４記載の光制御型フェ
ーズドアレーアンテナは、請求項１、２又は３記載の光
制御型フェーズドアレーアンテナにおいて、上記複数Ｎ
個の第１の無線信号は、入力される信号に従って所定の
変調方式で変調されているので、変調された上記複数Ｎ
個の第１の無線信号をそれぞれ所定の方向に放射するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る第１の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の位相同期型光放射器１の構成を示すブ
ロック図である。

【図３】 図１の放射レンズアレー２０を拡大して示す
斜視図である。

【図４】 ファイバアレー１２の入力面Ｐ１２の平面図
である。

【図５】 図１の第１の実施形態における、放射レンズ
アレー２０とフーリエ変換レンズ８とファイバアレー１
２とからなる光学系での処理を説明するための図であ
る。

【図６】 ファイバアレー１２の入力面Ｐ１２における
ガウス分布ビーム光の位相傾斜を示すグラフである。

【図７】 本発明に係る第２の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８】 本発明に係る第３の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９】 本発明に係る第１の実施形態の変形例の光制
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。

【図１０】 本発明に係る変形例の光制御型フェーズド
アレーアンテナにおける光学系を示す図である。

【図１１】 図１の第１の実施形態において、フーリエ
変換レンズ８の焦点面Ｐ２０の異なる位置から放射され
たガウス分布ビーム光によって励振された、入力面Ｐ１
２における光励振強度を示す図である。

【図１２】 基準のガウス分布ビーム光ＧＢｒを光軸３
０から離れた位置から放射した場合における、各ガウス
分布ビーム光ＧＢｍに対応してアレーアンテナから放射
される放射ビームの放射角度に対する相対振幅を示すグ
ラフである。

【図１３】 基準のガウス分布ビーム光ＧＢｒを光軸３
０から放射した場合における、各ガウス分布ビーム光Ｇ
Ｂｍに対応してアレーアンテナから放射される放射ビー
ムの放射角度に対する相対振幅を示すグラフである。

【図１４】 図１の第１の実施形態において、サンプリ
ングファイバの間隔ｄ₁に対して、形成することができ
るビームの最大数Ｎmaxを示すグラフである。

【図１５】 図１の第１の実施形態において、サンプリ
ング光ファイバ１２−ｍの間隔ｄ₁に対して、サンプリ
ング光ファイバ１２−ｍの数Ｍを示すグラフである。

【図１６】 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…位相同期型光放射器、 ２−１乃至２−Ｎ，２−ｒ…ＧＲＩＮレンズ、 ３−１乃至３−Ｎ…光ファイバケーブル、 ４−１乃至４−Ｎ…高周波発振器、 ５−１乃至５−Ｎ…変調器、 ８…フーリエ変換レンズ、 ３３−１乃至３３−Ｎ…ビーム合成器、 １２…ファイバアレー、 １２−１乃至１２−Ｍ…サンプリング光ファイバ、 １４−１乃至１４−Ｍ，３４−１乃至３４−Ｎ…光電変
換器、 １５−１乃至１５−Ｍ…電力増幅器、 １７−１乃至１７−Ｍ…アンテナ素子、 １８−１乃至１８−Ｎ，１９，５２…レーザダイオー
ド、 ２０…放射レンズアレー、 ２１−１乃至２１−Ｎ，２２，２３，５３，５４…光分
配器、 ３０…光軸、 ３５−１乃至３５−Ｎ…信号比較器、 ５１−１乃至５１−Ｎ…光変調器、 ５５…位相制御装置、 ５６−１乃至５６−Ｎ…光移相器、 ５７…移動機構、 ５８…制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三浦 龍 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・アール光 電波通信研究所内 (72)発明者 唐沢 好男 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・アール光 電波通信研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01Q 3/26 - 3/42 H01Q 25/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の第１の周波数を有する第１のビー
   ム光と、上記第１の周波数からそれぞれ入力される複数
   Ｎ個の第１の無線信号の各周波数だけ異なる周波数を有
   する複数Ｎ個の第２のビーム光とを出力する光放射手段
   と、 上記光放射手段から出力された上記第１のビーム光と上
   記複数Ｎ個の第２のビーム光とをそれぞれ所定のビーム
   幅に広げて放射する放射手段と、 上記放射手段から放射される上記複数Ｎ個の第２のビー
   ム光と上記第１のビーム光とを所定のサンプリング面で
   重なるように集光する集光手段と、 上記集光手段によって集光された集光ビーム光を、上記
   サンプリング面において空間的にサンプリングして、サ
   ンプリングした複数Ｍ個の第３のビーム光を出力するサ
   ンプリング手段と、 上記サンプリング手段から出力される複数Ｍ個の第３の
   ビーム光をそれぞれ光電変換して、光電変換した複数Ｍ
   個の第２の無線信号を出力する光電変換手段と、 上記光電変換手段から出力される複数Ｍ個の第２の無線
   信号をそれぞれ空間に放射することにより、上記複数Ｎ
   個の第１の無線信号をそれぞれ所定の方向に放射する複
   数Ｍ個のアンテナ素子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。
2. 【請求項２】 上記光制御型フェーズドアレーアンテナ
   はさらに、上記複数Ｎ個の第１の無線信号の放射方向が
   変化するように、上記複数Ｎ個の第２のビーム光を移相
   する複数の光移相手段を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、上記放射手段を移動させる移動手段を備えた
   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
   レーアンテナ。
4. 【請求項４】 上記複数Ｎ個の第１の無線信号は、入力
   される信号に従って所定の変調方式で変調されているこ
   とを特徴とする請求項１、２又は３記載の光制御型フェ
   ーズドアレーアンテナ。