JP3564077B2

JP3564077B2 - 光制御フェーズドアレイアンテナの位相制御装置および光制御フェーズドアレイアンテナ・システム

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Publication number: JP3564077B2
Application number: JP2001094595A
Authority: JP
Inventors: 徳昭小原
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: JP2002299942A; US6426721B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，衛星等に搭載する大型平面展開アクティブフェーズドアレイアンテナに対する給電に適した光制御フェーズドアレイアンテナの位相制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
情報通信の需要が急速に拡大しており，今後ますます衛星通信の重要性が増してくる状況にある。地上局の小型化や高速・広帯域の大容量通信に対応するため，衛星搭載アンテナも大型化の傾向にあり，これに適したものとして大型平面展開アクティブフェーズドアレイアンテナの利用が考えられている。
【０００３】
このようなフェーズドアレイアンテナの特徴として，移相器による柔軟なビーム制御が可能であること，広角ビーム走査性があること，大口径化・高周波化に対し，移相器での鏡面精度の維持が容易であること，アクティブアレイ方式により高出力増幅器の分散が可能であるため，耐故障性，個々の増幅器の出力低減による効率向上を図ることができることなどが挙げられる。
【０００４】
大型平面展開アクティブフェーズドアレイアンテナの問題点としては，給電系が導波管や同軸ケーブルで構成されるため，非常に大きな重量物となることである。この問題を解決するための方式として光給電方式が考えられており，給電系を光コンポーネント・光ファイバで構成することにより，小型軽量化の実現が図られている。
【０００５】
これに関連する技術として，無線信号で変調された光波を，無線集配局とフェーズドアレイアンテナを有する無線基地局との間で伝送する無線信号伝送用光リンクにおいて，光波のままの信号処理で無線基地局のフェーズドアレイアンテナの制御を可能とする技術が提案されている（特開平９−２１５０４８号公報「無線信号伝送用光リンク」）。
【０００６】
この無線信号伝送用光リンクでは，無線集配局から無線基地局へは，複数の波長を有する光信号を無線信号で変調し，この変調された複数の波長の光波に，各アンテナ素子の励振分布制御である遅延処理を光波のままで施す。この励振分布制御された光信号を電気信号に変換し，各放射器に信号を分配する。受信用は，無線基地局で受信した無線信号によって光波を変調して無線集配局へ伝送し，光波のまま信号処理し，入射器に与えられた励振分布を抽出する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光制御フェーズドアレイアンテナ（例えば，特開平９−２１５０４８号公報）では，アレイアンテナの放射素子ごとの励振分布を与えるために，放射素子の個数だけ，光遅延路等で代表される光制御移相回路が必要であった。
【０００８】
そのため，数百〜数万素子に及ぶ大規模なフェーズドアレイアンテナを構成する場合，その放射素子数分の移相回路群の大きさや重量が全システムに与える影響が無視できなくなる。特に，小型軽量・高信頼性が要求される衛星搭載の光制御フェーズドアレイアンテナでは，重量や容積が衛星の能力に大きな影響を与える。また，多数の高信頼部品が要求されるためにコスト高となる。
【０００９】
さらに従来の技術では，光信号処理手段（位相制御回路等）がアンテナ直下に存在するために，衛星搭載アンテナのような宇宙空間に暴露された過酷な環境に耐えうる制御回路を構成することは困難を伴う。
【００１０】
本発明は上記問題点の解決を図り，大規模なフェーズドアレイアンテナを構成する場合でも，位相制御のための回路数を削減し，アンテナシステム全体で位相制御回路の小型軽量化および簡素化を可能にすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を関係するため，本発明の光フェーズドアレイアンテナの移相制御装置は，少なくとも制御対象となるアンテナ素子の制御単位数であるｎ１（ｎ１≧２）個分の波長が多重化された光信号を入力し，入力した光信号を各波長ごとにｎ１本に分離する波長分波器と，前記光信号の位相をアンテナ素子の励振分布に応じて変化させるための移相量の異なる複数の移相器と，前記波長分波器の波長ごとの各出力を，各波長に応じて必要な移相量を割り当てるためにそれぞれ前記複数の移相器の一つに導く光スイッチマトリクスと，前記複数の移相器の出力を合成し，ｎ１種類の波長が多重化された光信号を出力する光合成器とを備えることを特徴とする。
【００１２】
以上のように，本発明では，例えば２^Ｎ種類の光遅延線光路によるＮビット移相器に対して，各波長ごとに光スイッチマトリクスで経路を切り替えて移相量を割り当てる構成を採用する。したがって，各々の光遅延線は異なる波長で共用することができる。このため，従来技術に比べて波長多重数分の１だけ位相制御回路における移相器を削減できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は，本発明を用いた光制御フェーズドアレイアンテナ（送信系）の基本的構成を示す。図１では，特に１個のビーム（ｂｅａｍ＃１）を形成する回路の構成部分について示している。
【００１５】
光源１は，λ_１からλ_６７６までの６７６波長の光波を光ファイバ７１に多重化して出力する。光変調器２は，６７６波長の光波について送信しようとする，無線周波数（ＲＦ）信号によって強度変調を行う。強度変調された光信号は，光ファイバ７２により位相制御装置３に導かれる。
【００１６】
位相制御装置３では，光ファイバ７２を通して送られてきた光信号を，波長分波器３１によってλ_１からλ_６７６までの波長ごとに６７６本の光信号に分波する。光スイッチマトリクス３２は，形成するビーム（ｂｅａｍ＃１）に応じた位相制御信号によって，６７６本の光信号の各々の経路を切り替えることにより，これらの光信号に，それぞれアンテナ素子の励振分布に応じて遅延（移相）を与えるための移相量が異なる１６個のＲＦ帯移相器３３に導く。
【００１７】
ＲＦ帯移相器３３は，２^４（＝１６）種類の光遅延線光路による４ビット移相器によって構成され，例えば波長λ_１，λ_ｉの光信号にはＲＦ帯での位相差０ラジアンの位相変位を与え，波長λ_２，λ_ｊ，λ_ｋの光信号にはＲＦ帯での位相差π／８ラジアンの位相変位を与え，…，波長λ_ｌ，λ_６７６の光信号にはＲＦ帯での位相差１５π／８ラジアンの位相変位を与える。すなわち，光スイッチマトリクス３２を介して，波長分波器３１の出力する光信号を，ＲＦ帯移相器３３に導くことにより，各々の光遅延線を異なる波長で共用する。以下では，位相制御を受けた波長については「λ_ｉ ^＊」というように「＊」を付加して表記する。
【００１８】
ＲＦ帯移相器３３の出力は，光合成器３４に入力されて合成され，１本の光ファイバ７３に多重化されて出力される。これらの多重化された光信号は，光ファイバ７３を通して波長分波器４に導かれ，ここで波長ごとに分波され，分波された光信号は，アンテナ素子の制御単位であるサブアレイごとに設けられている光電変換部（ＰＤ）５に出力される。
【００１９】
１つのサブアレイユニット６０は，２６×２６＝６７６個のサブアレイから構成され，これらに付随する光電変換部５によって給電され励振される。
【００２０】
特に，波長分波器３１，光マトリクススイッチ３２，ＲＦ帯移相器３３，光合成器３４を，一つのまとまった回路ユニットとして構成することにより，取り扱いが容易で大量生産にも適した位相制御装置３を構成することができる。
【００２１】
図２は，本発明の実施の形態におけるアンテナアレイの構成例を示す。図１では，１個のビーム（ｂｅａｍ＃１）を形成する回路の構成部分について説明したが，以下で説明する光制御フェーズドアレイアンテナは，５０ビームの指向性を制御するものとする。
【００２２】
アンテナ素子は，マイクロストリップアンテナであり，図２（Ａ）に示すように，９素子で１つのサブアレイ６を構成する。１つのサブアレイ６は，１本の光ファイバによって給電され，１ビームにつき１波長で，５０ビームの給電のために５０波長多重化された光信号によって給電される。
【００２３】
サブアレイユニット６０は，２６×２６＝６７６個のサブアレイ６から構成され，各６７６波長多重化された５０本の給電線によって制御される。
【００２４】
アンテナパネル６００の全体は，８×８＝６４個のサブアレイユニット６０，すなわち６７４×６４＝４３２６４個のサブアレイ６から構成され，各６７６波長多重化された６４×５０＝３２００本の給電線によって制御される。
【００２５】
ｋ番目のサブアレイ６−ｋに着目してみると，図２（Ｂ）に示すように，５０ビームの各ビームごとに，ｂｅａｍ＃１として波長λ_ｋ ^＊，ｂｅａｍ＃２として波長λ_ｋ＋１ ^＊，…，ｂｅａｍ＃５０として波長λ_ｋ＋４９ ^＊の光信号が割り当てられ，これらの波長の光信号が光合成器９−ｋによって合成され，光電変換部５−ｋによって電気信号に変換されてｋ番目のサブアレイ６−ｋを励振する。
【００２６】
以上のように，１サブアレイユニット６０には，１ビーム当り６７６波長多重で給電され，１ビームにつき１波長（全部で５０ビーム５０波長）が各サブアレイ６に割り当てられる。１サブアレイ６−ｋ（１個の光電変換部５−ｋ）には，５０ビーム分の５０波長で給電されるが，各ビーム信号間で波長の重複が起こらないように，給電する波長を１チャネルずつシフトする。
【００２７】
図３は，本発明の実施の形態による光制御フェーズドアレイアンテナ（送信系）の衛星構体内に設置される部分の構成例を示す。
【００２８】
各ビームｂｅａｍ＃１〜＃５０に対応して位相を制御するユニット１０−ｉ（ｉ＝１，２，…，５０）が設けられる。１つのユニット１０−ｉは，図１で説明した６７６波長の光波を出力する光源１と，各ビームに対応したＲＦ信号によって強度変調を行う光変調器２と，図２で説明した６４個のサブアレイユニット６０に対応して光変調器２の出力光を６４分配する分配器８と，それぞれ図１で説明した波長分波器３１，光スイッチマトリクス３２，ＲＦ帯移相器３３，光合成器３４を有する６４組の位相制御装置３−ｊ（ｊ＝１，２，…，６４）からなる。なお，光源１は，各ビーム間で共用することもできる。
【００２９】
位相制御装置３−ｊの出力光は，それぞれ１ビーム当り６４本の光ファイバ７３−ｉによって衛星構体内からアンテナパネル側へ送られる。全部で５０ビーム分あるので，合計３２００本の光ファイバが用いられることになる。１本の光ファイバには６７６波長の光信号が多重化されている。
【００３０】
図４および図５は，本発明の実施の形態による光制御フェーズドアレイアンテナ（送信系）のアンテナパネル側の構成例を示す。図５は，図４の要部を拡大した図である。
【００３１】
各６７６波長多重化された光信号が１ビーム当り６４本の光ファイバ７３−ｉ（ｉ＝１，２，…，５０）によってアンテナパネル側の波長分波器４へ供給される。波長分波器４は，図５に示すように，各ｂｅａｍ＃１〜＃５０ごとに６４組の６７６波長分波器４−ｉ（ｉ＝１，２，…，５０）からなり，１つの分波器は１本の光ファイバについて６７６波長λ_１ ^＊，λ_２ ^＊，…，λ_６７６ ^＊に分波した光信号を光合成器９へ送る。
【００３２】
光合成器９は，図５に示すように，各サブアレイユニット６０−ｊ（ｊ＝１，２，…，６４）ごとに６７６組の５０波長光合成器９−ｊ（ｊ＝１，２，…，６４）からなり，１つの光合成器は，各６７６波長分波器４−ｉから送られた５０波長の光信号を合成して，サブアレイユニット６０−ｊ内の一つのサブアレイ６に付随する光電変換部５に出力する。
【００３３】
図６に従って，図４および図５に示す構成における波長の分配方法を説明する。各ビームに対応する波長分波器４−ｉ（ｉ＝１，２，…，５０）は，それぞれ６４個の６７６波長分波器４−ｉ−ｊ（ｊ＝１，２，…，６４）からなり，また，光合成器９−ｊ（ｊ＝１，２，…，６４）は，それぞれ６７６個の５０波長光合成器９−ｊ−ｋ（ｋ＝１，２，…，６７６）からなる。
【００３４】
今，１番目のビームｂｅａｍ＃１に着目して説明すると，ビームｂｅａｍ＃１は，６４本の光ファイバ７３−１によって波長分波器４−１に入力され，各光ファイバからの光信号は，それぞれ波長分波器４−１−１，…，４−１−６４に入力される。波長分波器４−１−１によって分波された１番目の波長λ_１ ^＊の光信号は，光合成器９−１−１に出力され，波長分波器４−１−１によって分波された２番目の波長λ_２ ^＊の光信号は，光合成器９−１−２に出力され，同様に，ｋ番目の波長λ_ｋ ^＊（ｋ＝１，２，…，６７６）の光信号は，光合成器９−１−ｋに出力される。
【００３５】
光合成器９−１−１には，波長分波器４−１−１によって分波されたビームｂｅａｍ＃１に関する波長λ_１ ^＊の光信号と，波長分波器４−２−２によって分波されたビームｂｅａｍ＃２に関する波長λ_２ ^＊の光信号と，同様に，波長分波器４−ｉ−ｉ（ｉ＝１，２，…，５０）によって分波されたビームｂｅａｍ＃ｉに関する波長λ_ｉ ^＊の光信号とが入力され，これらが光合成器９−１−１によって合成されて，その多重化された光信号がサブアレイユニット６０−１の１番目のサブアレイ６−１−１に対する光電変換部５−１−１に入力される。
【００３６】
サブアレイユニット６０−１の２番目のサブアレイ６−１−２に対する光電変換部５−１−２には，光合成器９−１−２を通して，ビームｂｅａｍ＃１に関する波長λ_２ ^＊の光信号と，ビームｂｅａｍ＃２に関する波長λ_３ ^＊の光信号と，同様にビームｂｅａｍ＃ｉに関する波長λ_ｉ＋１ ^＊の光信号とが合成されて入力されることになる。
【００３７】
以上のように，光電変換部５−１−ｋ（ｋ＝１，２，…，６７６）の入力端の波長の縦の並びλ_１ ^＊λ_２ ^＊…λ_６７５ ^＊λ_６７６ ^＊は，第１のビームｂｅａｍ＃１信号に対応しており，２番目の縦の並びλ_２ ^＊λ_３ ^＊…λ_６７６ ^＊λ_１ ^＊は，第２のビームｂｅａｍ＃２信号に対応している。このように波長を１チャネルずつシフトすることで，各ビーム信号間で波長の重複が起こらないようにする。
【００３８】
もし，このような波長配分の調整を行わない場合には，光源１から得られる６７６波長で５０ビームをコントロールしようとすると，６７６÷５０＝１３．５２で，十数個のサブアレイしかコントロールすることができないが，以上のような波長配分の調整を行うことにより，ビーム信号間での波長の重複を回避し，多くのサブアレイをコントロールすることが可能になる。
【００３９】
図７は，本発明を用いた光制御フェーズドアレイアンテナ（受信系）の基本的構成を示す。図７では，図１と同様に１個のビーム（ｂｅａｍ＃１）についての受信系を形成する回路の構成部分について示している。
【００４０】
送信系で説明したのと同様に，アンテナパネルを構成するサブアレイユニット６０は，２６×２６＝６７６個のサブアレイから構成される。これらで受信した信号は，低雑音増幅器１１を介して増幅され，光変調器１４における強度変調用信号として入力される。
【００４１】
一方，光源１２は，λ_１からλ_６７６までの６７６波長の光波を光ファイバ１７−１に多重化して出力する。この光波は，波長分波器１３によりλ_１からλ_６７６までの波長ごとに６７６本の光波に分波され，それぞれ光変調器１４に入力される。光変調器１４では，これらの光波をサブアレイユニット６０で受信した信号により強度変調し，光合成器１５へ送る。光合成器１５は，６７６波長の変調された光信号を合成し，多重化された光信号を光ファイバ１７−２へ送出する。
【００４２】
光ファイバ１７−２に出力された光信号は，衛星構体内部に設けられた位相制御装置３’に導かれる。位相制御装置３’の内部構成は，図１で説明した位相制御装置３と同様であり，波長分波器３１’，光スイッチマトリクス３２’，光遅延線によるＲＦ帯移相器３３’，光合成器３４’からなる。
【００４３】
波長分波器３１’は，光ファイバ１７−２を通して送られてきた光信号を，λ_１からλ_６７６までの波長ごとに６７６本の光信号に分波する。光スイッチマトリクス３２’は，受信したビーム（ｂｅａｍ＃１）に応じた位相制御信号によって，６７６本の光信号の各々の経路を切り替えることにより，これらの光信号の位相を，それぞれアンテナ素子の励振分布に応じて変化させるための移相量が異なる１６個のＲＦ帯移相器３３’に導く。
【００４４】
ＲＦ帯移相器３３’によって位相制御を受けた各波長の光信号は，光合成器３４’により合成され，光ファイバ１７−３に多重化されて出力される。この多重化された光信号は，光電変換部（ＰＤ）１６に導かれ，光信号を電気信号に変換することにより，受信したビームｂｅａｍ＃１のＲＦ信号が抽出される。
【００４５】
図７では，１個のビーム（ｂｅａｍ＃１）についての受信系の構成例を説明したが，これを，図２〜図６で説明した送信系の場合とまったく同様に，複数のサブアレイユニットについて，複数ビームの受信が可能な光制御フェーズドアレイアンテナに拡張することができることは説明するまでもない。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は，２^Ｎ種類の光遅延線光路によるＮビット移相器に対して，各波長ごとに光スイッチで経路を切り替えて移相量を割り当てる構成を採用する。このような構成において，各々の光遅延線は異なる波長で共用できるために，従来技術に比べて波長多重数分の１だけ位相制御回路における移相器を削減することができる。また，１個または少数個の光スイッチ素子で全波長の制御を行えるために，制御信号線の引き回しが簡素化できる。
【００４７】
また，１アンテナ素子に他と重複しない１波長（ｍ個のビーム形成のときには重複しないｍ波長）を割り当てることにより，アンテナ直下に光信号処理手段（位相制御回路等）を置く必要はなくなり，制御回路をアンテナとは離れた場所に，少ない光給電線路数で配置することができる。衛星搭載を考える場合，制御回路を衛星構体内に配置できるために，装置の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いた光制御フェーズドアレイアンテナ（送信系）の基本的構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるアンテナアレイの構成例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態による光制御フェーズドアレイアンテナ（送信系）の衛星構体内に設置される部分の構成例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態による光制御フェーズドアレイアンテナ（送信系）のアンテナパネル側の構成例を示す図である。
【図５】図４の部分拡大図である。
【図６】波長の分配方法を説明する図である。
【図７】本発明を用いた光制御フェーズドアレイアンテナ（受信系）の基本的構成を示す図である。
【符号の説明】
１光源
２光変調器
３位相制御装置
３１波長分波器
３２光スイッチマトリクス
３３ＲＦ帯移相器
３４光合成器
４波長分波器
５光電変換部
６０サブアレイユニット
７１，７２，７３光ファイバ

Claims

光制御フェーズドアレイアンテナの制御に用いる位相制御装置であって，
少なくとも制御対象となるアンテナ素子の制御単位数であるｎ１（ｎ１≧２）個分の波長が多重化された光信号を入力し，入力した光信号を各波長ごとにｎ１本に分離する波長分波器と，
前記光信号の位相をアンテナ素子の励振分布に応じて変化させるための移相量の異なる複数の移相器と，
前記波長分波器の波長ごとの各出力を，各波長に応じて必要な移相量を割り当てるためにそれぞれ前記複数の移相器の一つに導く光スイッチマトリクスと，
前記複数の移相器の出力を合成し，ｎ１種類の波長が多重化された光信号を出力する光合成器とを備える
ことを特徴とする光制御フェーズドアレイアンテナの位相制御装置。
アンテナ素子のｎ１（ｎ１≧２）個の制御単位からなるサブアレイユニットがｎ２（ｎ２≧１）個設置されたアンテナ部を有する光制御フェーズドアレイアンテナ・システムであって，
少なくともｎ１種類の波長の多重化された光波を出力する１または複数の光源と，
ｍ１（ｍ１≧１）種類の送信する信号によって前記ｎ１種類の波長の光波を変調するｍ２（ｍ２≧ｍ１）個の光変調器と，
前記ｍ２個の光変調器の出力光をｎ２個に分配するｍ２個の分配器と，
前記ｍ２個の各分配器の各出力をそれぞれ入力するｍ２×ｎ２個の請求項１記載の光制御フェーズドアレイアンテナの位相制御装置と，
前記ｍ２×ｎ２個の光制御フェーズドアレイアンテナの位相制御装置の出力するそれぞれｎ１種類の波長が多重化された光信号を伝送するｍ２×ｎ２本の光伝送路と，
前記ｍ２×ｎ２本の光伝送路を介して供給される光信号をそれぞれの波長ごとにｎ１種類に分波するｍ２×ｎ２個の分波器と，
前記ｍ２×ｎ２個の分波器の出力する光信号のうち前記ｍ２個の光変調器の出力に対応する各々波長が異なるｍ２種類の光信号を合成し，前記ｎ２個のサブアレイユニットの前記ｎ１個の制御単位の各々に，それぞれ合成した光信号を供給するｎ１×ｎ２個の光合成器とを備える
ことを特徴とする光制御フェーズドアレイアンテナ・システム。
前記ｍ２×ｎ２個の分波器と前記ｎ１×ｎ２個の光合成器とによって，前記ｍ１種類の送信する信号間で波長の重複が起こらないように，波長配分の調整を行い，前記アンテナ素子の制御単位の各々には，制御単位間で波長が周期的にシフトされた光信号が供給されるようにした
ことを特徴とする請求項２記載の光制御フェーズドアレイアンテナ・システム。