JP3009631B2 - 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、光空間において複
数の無線信号を処理することにより、それぞれ独立に所
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８は、特開平３−０４４２０２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８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】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８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複数の無線信号のビ
ームを２次元でかつ独立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、複数の無線信号について光領域で信号
処理をすることにより所定の方向に独立してビームを形
成して複数の無線信号を放射する光制御型フェーズドア
レーアンテナであって、上記複数の無線信号で変調され
た複数の信号ビーム光の放射位置を所定の方向に独立に
変化させることにより、上記複数の無線信号のビーム形
成方向を２次元的にかつ独立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、入力される複数の無線信号の周波数だけそれ
ぞれ異なる信号光周波数を有する複数の信号ビーム光を
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空間に放射す
る第１の光放射部を備えた第１の光放射手段と、第１の
フーリエ変換レンズ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複数の
信号ビーム光をそれぞれ放射する複数の第２の光放射部
を備え、当該複数の信号ビーム光を放射する放射位置
を、所定の方向で変化させて、上記複数の信号ビーム光
を所定の各放射位置からそれぞれ放射する第２の光放射
手段と、上記第２の光放射手段の各放射位置をそれぞ
れ、所望の各ビーム形成方向に基づいて制御する光放射
位置制御手段と、第２のフーリエ変換レンズの一方の焦
点面に上記複数の第２の光放射部が位置しかつ上記方向
が第２のフーリエ変換レンズの光軸に対して垂直となる
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参照ビーム光と、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複数の信号ビーム光とを
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しかつ所定の間
隔で並置された複数Ｍ個のサンプリング位置でサンプリ
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、上記サンプリング手段
の各サンプリング位置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
ビームを形成して複数の無線信号を放射し、上記第２の
光放射手段の各放射位置及び上記サンプリング手段の各
サンプリング位置の間隔は、上記放射される複数の無線
信号の各ビームにおけるグレーティングローブを利用す
ることにより、上記複数の無線信号の各ビームの放射方
向を互いに独立に制御できるように設定されたことを特
徴とする。

【０００９】

【００１０】さらに、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、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複数の信号ビーム
光をそれぞれ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
上記各光スイッチに対応して設けられ、上記複数のスイ
ッチを介して入力される複数の信号ビーム光をそれぞれ
放射する複数の第２の光放射部を備え、上記光放射位置
制御手段は、上記所望の各ビーム形成方向に基づいて、
上記複数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２の光放射部から、上記複数の信
号ビーム光を放射することを特徴とする。

【００１１】またさらに、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又は２記載の光制御
型フェーズドアレーアンテナにおいて、上記複数の信号
ビーム光を放射する各放射位置をそれぞれ、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
から放射される複数の無線信号のビームを走査すること
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。

【００１３】＜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。図１の光制御型フェーズ
ドアレーアンテナにおいては、無線信号発生器２ａによ
って発生された第１の無線信号で変調された第１のビー
ム光を、光ファイバケーブル４の端部をその光軸に垂直
な方向にカットしてなる光放射部４ａから放射する一
方、無線信号発生器２ｂによって発生された第２の無線
信号で変調された第２のビーム光を、光ファイバケーブ
ル５の端部をその光軸に垂直な方向にカットしてなる光
放射部５ａから放射し、上記放射された第１と第２のビ
ーム光を、所望の各ビーム形成方向に一義的に対応した
複数の放射位置から複数の信号ビーム光と、別の参照ビ
ーム光とを放射してこれらの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、所望の方向に複数のビームを形成して第
１と第２の無線信号を放射し、上記光放射部４ａ，５ａ
をそれぞれ、光軸と垂直な平面上で２次元的に、支持移
動機構２１，２２により移動させることにより、上記複
数のビームの放射方向を独立に制御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乃至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２ａは、送信すべき第１の
無線信号の搬送波を発生して、ＰＬＬ回路１に出力する
一方、無線信号発生器２ｂは、送信すべき異なる搬送波
周波数を有する第２の無線信号の搬送波を発生して、Ｐ
ＬＬ回路１に出力する。ＰＬＬ回路１は、レーザダイオ
ード３ａが発生する信号ビーム光の信号光周波数が、レ
ーザダイオード３ｃが発生する参照ビーム光の基準光周
波数に比較して、第１の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とともに、レーザダイオード３
ｂが発生する信号ビーム光の信号光周波数が、レーザダ
イオード３ｃが発生する参照ビーム光の基準光周波数に
比較して、第２の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。

【００１５】これによって、レーザダイオード３ｃ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、その端部をその光軸に垂直な方向にカットしてな
る光放射部６ａ、及びフーリエ変換レンズ９を介してビ
ーム合成器１０に放射する。一方、レーザダイオード３
ａは、基準光周波数に比較して、入力される第１の無線
信号の周波数だけ異なる信号光周波数を有する第１の信
号ビーム光を光ファイバケーブル４、その光放射部４ａ
及びフーリエ変換レンズ８を介してビーム合成器１０に
放射する。また、レーザダイオード３ｂは、基準光周波
数に比較して、入力される第２の無線信号の周波数だけ
異なる信号光周波数を有する第２の信号ビーム光を光フ
ァイバケーブル５、その光放射部５ａ及びフーリエ変換
レンズ８を介してビーム合成器１０に放射する。

【００１６】ここで、光ファイバケーブル４の光放射部
４ａは、支持移動機構２１により機械的に支持されか
つ、光放射位置制御装置２０からの制御信号に基づい
て、フーリエ変換レンズ８の光軸に対して垂直な平面
（ｘ−ｙ平面）上で２次元的に所定の方向に移動され
る。また、光ファイバケーブル５の光放射部５ａは、支
持移動機構２２により機械的に支持されかつ、光放射位
置制御装置２０からの制御信号に基づいて、フーリエ変
換レンズ８の光軸に対して垂直な平面（ｘ−ｙ平面）上
で２次元的に所定の方向に移動される。光放射位置制御
装置２０は、入力されるビーム形成方向データに基づい
て、光放射部４ａにおける第１の信号ビーム光の放射位
置と、光放射部５ａにおける第２の信号ビーム光の放射
位置とを決定し、決定された各放射位置に従って、支持
移動機構２１，２２を制御することにより光放射部４
ａ，５ａをｘ−ｙ平面上で移動させる。これによって、
所望の各ビーム形成方向に対応した各放射位置から、第
１のと第２の信号ビーム光を放射させる。

【００１７】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４ａ，５ａが
配列された直線を含み、かつ当該焦点面が放射される複
数の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、入射される複数の信号ビーム光をビーム合成器１
０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６ａが配置された直線を含み、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１
０に向けて伝送させる。ここで、フーリエ変換レンズ８
の光軸とフーリエ変換レンズ９の光軸は直交している。
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、入射される複数の信号
ビーム光と参照ビーム光とを合成して、合成ビーム光を
光ファイバアレー１２に照射する。

【００１８】光ファイバアレー１２は、図２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３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、光ファイバアレー１２は、例えば、複数Ｍ
本のサンプリング光ファイバを、その各光軸が互いに平
行になるように設けて、当該各光軸に垂直な一平面、す
なわち入力面Ｐ１２でカットし、各光ファイバケーブル
１３−ｍ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、光ファイバアレー１
２とフーリエ変換レンズ８とフーリエ変換レンズ９は、
光ファイバアレー１２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、光
ファイバアレー１２は、入力面Ｐ１２が光放射部４ａ，
５ａの配列方向に対して平行になるように配置される。

【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光を、参照ビーム光の基
準光周波数と複数の信号ビーム光の各信号光周波数との
各差の周波数、すなわち無線信号発生器２ａ，２ｂが発
生する第１と第２の無線信号の周波数を有し、かつ第１
と第２の信号ビーム光の放射位置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１
６−１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第１と第
２の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、当該第１と第２の無線信号の
放射ビームが、後述するように所定の放射方向で独立に
制御されて空間に放射される。

【００２０】次に、本実施形態における、所望の方向へ
の複数の無線ビームの形成方法及び原理を説明する。

【００２１】光放射部４ａ，５ａから放射された信号ビ
ーム光は、光放射部４ａ，５ａ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、光照射部
４ａ，５ａの放射位置ｘ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ｘに
対応した位相傾斜を有する。

【００２２】同様に、光放射部６ａから放射された参照
ビーム光は、光放射部６ａ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。

【００２３】また、上述したように、複数の信号ビーム
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、複数の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。

【００２４】さらに、各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２ａ，２ｂが発生する各無線
信号の周波数だけ異なる光領域の周波数を有するので、
各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、各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
ａ，２ｂが発生する各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、各信号ビーム光の放射位置ｘ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２ａ，２
ｂ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２ａ，２
ｂで発生した複数の無線信号を放射することができる。
すなわち、所望の各ビーム形成方向に対応して設定され
た各放射位置ｘからそれぞれ、複数の信号ビーム光及び
参照ビーム光を放射することにより、所望の各ビーム形
成方向にビームを形成して、複数の無線信号を放射する
ことができる。

【００２５】例えば、本特許出願人の先の特許出願であ
る特願平８−３２１３９６号（平成８年１２月２日）に
おいては、光領域と無線信号領域での２回のフーリエ変
換により信号光ファイバ位置とビーム出射方向が１対１
に対応していた。このため複数の信号光ファイバを用い
てマルチビーム化した場合、各光ファイバケーブルを物
理的に同一の位置に配置できないため、各ビームの出射
方向を自由に制御したり、隣接ビームと十分に重なるマ
ルチビームを形成できなかった。

【００２６】さらに、動作原理について、図１の光制御
型フェーズドアレーアンテナの模式図を示す図４を参照
して具体的に述べる。図４において、ＳＳ１，ＳＳ２
は、光ファイバアレー１２によりビーム光をサンプリン
グするサンプリング面を示す。図４に示すように、例え
ば、第１の信号ビーム光用の光ファイバケーブル４の光
放射部４ａがフーリエ変換レンズ８の光軸上にある場合
（ｘ＝０）、光放射部４ａから放射された信号ビーム光
は球面波として広がった後、フーリエ変換レンズ８によ
って光軸に垂直な平面波となる。このとき、光ファイバ
アレー１２がサンプリングした各光波の位相は同相にな
る。このような光波信号を無線信号に変換した後、アレ
ーアンテナ１００に給電すれば、その正面方向へのビー
ムが形成される。

【００２７】信号ビーム光用光ファイバケーブル４の光
放射部４ａが光軸から少しずれた場合（ｘ＝ｘ₁）、光
放射部４ａから放射された光波は球面波として広がった
後、フーリエ変換レンズ８によって平面波となるがその
進行方向はθ＝ｔａｎ^-1（ｘ₁／ｆ）≒ｘ₁／ｆ（ｘ₁／
ｆ≪１の条件のもとで）だけ光軸Ａ０から傾いている。
このとき、光ファイバアレー１２がサンプリングした各
光波の位相は隣接する２つの光ファイバ間でｄθだけず
れている。ここで、図４に示すように、ｆは、フーリエ
変換レンズ８の焦点距離であり、ｄは、光ファイバアレ
ー１２の隣接する２つの光ファイバケーブル間の間隔で
ある。このような光波信号を無線信号に変換した後、ア
レーアンテナ１００に給電することにより、無線信号の
ビームを偏向することができる。

【００２８】信号ビーム光用光ファイバケーブル４の光
放射部４ａを光軸Ａ０からさらに離し、ｘ₂＝ｎｆλ／
ｄ（ここで、ｎは整数であり、λはビーム光の波長であ
る。）の位置に置いた場合、光放射部４ａから放射され
た光は球面波として広がった後、フーリエ変換レンズ８
によって平面波となるがその進行方向はθ≒ｘ₂／ｆ＝
ｎλ／ｄだけ光軸Ａ０から傾いている。このとき、光フ
ァイバアレー１２がサンプリングした各光波の位相は隣
接する光ファイバケーブル間でｄθ＝ｎλだけずれてい
るが、波長の整数倍ずれているので最初のｘ₁の場合と
同じになる。このような光波信号を無線信号に変換した
後、アレーアンテナ１００に給電すると、無線信号のビ
ームは再び正面方向に形成される。

【００２９】すなわち、光ファイバアレー１２は光のア
レーアンテナと考えることができ、波長に対する素子ア
ンテナ間隔が大きいため、受光パターンＲＰは多数のグ
レーティングローブを有する。このとき、図４に示すよ
うに、信号ビーム光用の光放射部４ａの位置ｘを移動し
てグレーティングローブ方向からビーム光を入射させた
場合、各光ファイバケーブルがサンプリングする位相は
ちょうど波長の整数倍ずれて正面入射の場合と同一にな
り、無線信号のビームも同一の方向に出射される。

【００３０】図５に信号ビーム用光ファイバケーブル４
の光放射部４ａの位置を正面（ｘ＝０）から第１のグレ
ーティングローブに対応する位置（ｘ＝１．２７ｍｍ）
まで移動させた場合の無線信号のビームパターン計算結
果を示す。ここで、光の波長λを１．３２μｍとし、フ
ーリエ変換レンズ８のレンズ焦点距離ｆを１２０ｍｍと
し、サンプリング用光ファイバアレー１２はコア径１０
μｍのシングルモード光ファイバケーブルをｄ＝１２５
μｍ間隔で配置してなり、無線信号用アレーアンテナ１
００は半波長間隔の１９素子アレーとした。信号ビーム
光用光ファイバケーブル４の光放射部４ａを移動させる
と、無線信号のビームも負の方向に移動し、０．６３ｍ
ｍで９０度方向となった後、正の方向から現れる。ｘ＝
１．２７ｍｍではｘ＝０の場合と完全に一致している。
このことから、図１の無線ビームＢ１に対応する光ファ
イバケーブル４の光放射部４ａの位置をｘ＝０乃至０．
６３ｍｍの範囲で動かす一方、無線ビームＢ２に対応す
る光ファイバケーブル５の光放射部５ａの位置を１．２
７乃至０．６３ｍｍの範囲で動かすことにより、信号ビ
ーム光用光ファイバケーブル４，５が物理的に、すなわ
ち機械的に干渉することなく各無線ビームＢ１，Ｂ２の
出射方向を独立に制御できる。

【００３１】以上説明したように、光信号処理マルチビ
ームアンテナにおいて、光の位相をサンプリングする際
にグレーティングローブを利用することで、信号ビーム
光用光ファイバケーブルを離散的に配置できることか
ら、各無線ビームＢ１，Ｂ２の出射方向を独立に制御す
る方法を考案した。

【００３２】＜第２の実施形態＞図６は、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に
おける光放射集積回路７、次元変換光ファイバ７１、及
び２次元光ファイバアレー７０の構成を示す模式図であ
り、図７は、図６の光放射集積回路７の構成を示すブロ
ック図である。すなわち、第２の実施形態は、図１の第
１の実施形態において、光ファイバケーブル４の放射部
４ａを、光放射集積回路７、次元変換光ファイバ７１、
及び２次元光ファイバアレー７０からなる光システムに
置き換えたことを特徴としている。この第２の実施形態
では、１つの放射部４ａについて述べているが、同様に
放射部５ａについても構成することができる。

【００３３】図６において、当該光システムは、光放射
集積回路７、次元変換光ファイバ７１、及び２次元光フ
ァイバアレー７０を備える。

【００３４】光放射集積回路７は、図７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乃至６３−Ｎと、光導波路６２−１乃至
６２−Ｎ，６４−１乃至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乃至６４−Ｎの各端部である光放
射部６５−１乃至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
介してレーザダイオード３ａ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２０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、図６の次元変換光ファイバ７１及び２次元
光ファイバアレー７０を介して、フーリエ変換レンズ８
に向けて空間に放射する。ここで、次元変換光ファイバ
７１は、１次元の光導波路６４−１乃至６４−Ｎを２次
元光ファイバアレー７０に次元変換している光ファイバ
ケーブルの束であり、２次元光ファイバアレー７０の放
射面は、図１の光照射部４ａ，５ａに対応する。従っ
て、以上のように構成された光放射集積回路７は、光放
射位置制御装置２０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−ｙ方向に変化させ
て、上記レーザダイオード３ａから入力される信号ビー
ム光をフーリエ変換レンズ８に放射することができる。

【００３５】光放射位置制御装置２０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７にお
ける信号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乃至６３−Ｎ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、信号ビーム光を放射させる。なお、光ファイバア
レー１２は、入力面Ｐ１２が光放射集積回路７の光放射
部６５−１乃至６５−Ｎの配列方向に対して平行になる
ように配置される。

【００３６】以上説明したように、第２の実施形態によ
れば、光放射集積回路７にそれぞれ、光スイッチ６５−
１乃至６５−Ｎを備えているので、光放射位置制御装置
２０によって、各光スイッチ６５−１乃至６５−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ｘ，ｙをｘ方向及び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ｘ，ｙ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。

【００３７】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７の光スイッチ
６５−１乃至６５−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。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、
信号ビーム光を放射する手段として、光放射集積回路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。

【００３８】＜変形例＞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２ａ，２ｂ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、レーザダイオード３ａと光ファイバケーブル
４との間に、レーザダイオード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ＰＳ
Ｋ、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２ａ，２ｂ
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。

【００３９】

【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
ナによれば、複数の信号ビーム光の放射位置を２次元的
に変化させることができる複数の光放射部を備えた第２
の光放射手段を備えて、従来例に比較して、複数の無線
信号の２次元でそれぞれ独立に制御してビーム形成方向
を設定することができ、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。ま
た、上記複数の信号ビーム光をそれぞれ放射する上記複
数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。

【００４０】

【００４１】さらに、請求項２記載の光制御型フェーズ
ドアレーアンテナによれば、上記第２の光放射手段は上
記光分配器と上記複数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は上記複数の
スイッチを制御するので、上記光放射部の位置を、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
にかつ高速で高精度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。

【００４２】またさらに、請求項３記載の光制御型フェ
ーズドアレーアンテナによれば、上記複数の第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の光ファイバアレー１２の平面図であ
る。

【図３】 図１のアレーアンテナ１００の平面図であ
る。

【図４】 図１の光制御型フェーズドアレーアンテナの
動作を示す模式図である。

【図５】 図１の光制御型フェーズドアレーアンテナの
シミュレーション結果である放射ビームパターンを示す
パターン図である。

【図６】 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における光放射集積回路７、次元
変換光ファイバ７１、及び２次元光ファイバアレー７０
の構成を示す模式図である。

【図７】 図６の光放射集積回路７の構成を示すブロッ
ク図である。

【図８】 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、 ２ａ，２ｂ…無線信号発生器、 ３ａ，３ｂ，３ｃ…レーザダイオード、 ４，５，６，１３−１乃至１３−Ｍ…光ファイバケーブ
ル、 ４ａ，５ａ，６ａ…光放射部、 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…光ファイバアレー、 Ｓ１２−１乃至Ｓ１２−Ｍ…サンプリング部、 １４−１乃至１４−Ｍ…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、 ２０…光放射位置制御装置、 ２１，２２…支持移動機構、 ６０…光学結晶基板、 ６１…光分配器、 ６２−１乃至６２−Ｎ，６４−１乃至６４−Ｎ，６６…
光導波路、 ６３−１乃至６３−Ｎ…光スイッチ、 ６５−１乃至６５−Ｎ、 ７０…２次元光ファイバアレー、 ７１…次元変換光ファイバ、 １００…アレーアンテナ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−90803（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−268428（ＪＰ，Ａ) 米国特許3878520（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01Q 3/00 - 3/46 H01Q 21/00 - 21/30 H01Q 23/00 H01Q 25/00 - 25/04

Claims (3)

(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、入力される複数の無線信号の周
   波数だけそれぞれ異なる信号光周波数を有する複数の信
   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
   を空間に放射する第１の光放射部を備えた第１の光放射
   手段と、 第１のフーリエ変換レンズ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複数の信号ビ
   ーム光をそれぞれ放射する複数の第２の光放射部を備
   え、当該複数の信号ビーム光を放射する放射位置を、所
   定の方向で変化させて、上記複数の信号ビーム光を所定
   の各放射位置からそれぞれ放射する第２の光放射手段
   と、 上記第２の光放射手段の各放射位置をそれぞれ、所望の
   各ビーム形成方向に基づいて制御する光放射位置制御手
   段と、 第２のフーリエ変換レンズの一方の焦点面に上記複数の
   第２の光放射部が位置しかつ上記方向が第２のフーリエ
   変換レンズの光軸に対して垂直とな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参照ビーム光と、
   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複数の信号ビーム
   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しかつ
   所定の間隔で並置された複数Ｍ個のサンプリング位置で
   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、 上記サンプリング手段の各サンプリング位置に対応して
   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複数の無線信号を
   放射し、 上記第２の光放射手段の各放射位置及び上記サンプリン
   グ手段の各サンプリング位置の間隔は、上記放射される
   複数の無線信号の各ビームにおけるグレーティングロー
   ブを利用することにより、上記複数の無線信号の各ビー
   ムの放射方向を互いに独立に制御できるように設定され
   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】 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、 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複数の信号ビ
   ーム光をそれぞれ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光スイ
   ッチに対応して設けられ、上記複数のスイッチを介して
   入力される複数の信号ビーム光をそれぞれ放射する複数
   の第２の光放射部を備え、 上記光放射位置制御手段は、上記所望の各ビーム形成方
   向に基づいて、上記複数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２の光放射部か
   ら、上記複数の信号ビーム光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。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の光制御型フェーズ
   ドアレーアンテナにおいて、上記複数の信号ビーム光を
   放射する各放射位置をそれぞれ、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
   れる複数の無線信号のビームを走査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。