JP4101772B2 - フェーズドアレイアンテナ - Google Patents

Description

この発明は、マイクロ波ビームを空間に放射するフェーズドアレイアンテナに関するものである。

従来の光制御型のフェーズドアレイアンテナには、レーザ光源から出射された光波（周波数ｆ１）をフーリエ変換レンズの焦点面上に入射させる光ファイバが配置されており、そのフーリエ変換レンズによりフーリエ変換された光波（周波数ｆ１）と、別経路から供給される参照光（周波数ｆｒ）とが合波された後、光電変換器が光波（周波数ｆ１）と参照光（周波数ｆｒ）の周波数差（ｆ１−ｆｒ）に相当する高周波信号を生成して複数の素子アンテナに給電するようにしている。

複数の素子アンテナから放射される高周波信号は、空間合成されてアンテナ放射ビームを形成するが、アンテナ放射ビームの指向方向は、上記光ファイバにおける出射口の位置の焦点（フーリエ変換レンズの光軸上）からの変位量に依存するため、周波数の異なる光波（例えば、周波数ｆ１とｆ２）を出射する光ファイバの出射口を相互に異なる位置に配置することにより、指向方向の異なるアンテナ放射ビーム（例えば、周波数ｆ１−ｆｒとｆ２−ｆｒ）を形成することができる（例えば、非特許文献１参照）。

K.Inagaki, Y.Ji, O.Shibata, and Y.Karasawa, "Optical signal processing array antenna studies in ATR for advanced wireless communication systems," MWP’97 Tech.Dig. Pp.27-30, 1997

従来のフェーズドアレイアンテナは以上のように構成されているので、複数の光ファイバの出射口を相互に異なる位置に配置すれば、指向方向の異なるアンテナ放射ビームを形成することができる。しかし、複数の光ファイバの出射口の配列間隔は、物理的な寸法の制約を受けるため、その配列間隔をあまり狭くすることができず、アンテナ放射ビームの走査刻みを細かくすることができないなどの課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、アンテナ放射ビームの走査刻みを細かくすることができるフェーズドアレイアンテナを得ることを目的とする。

この発明に係るフェーズドアレイアンテナは、空間光変調手段に対する位置関係が相互に異なるように、空間光変調手段から出射された信号光ビームをフーリエ変換するフーリエ変換手段を複数配置して、複数のフーリエ変換手段によりフーリエ変換された信号光ビームを合成するとともに、合成後の信号光ビームとローカル光ビームを合成し、合成後の光ビームを高周波信号に変換して複数の素子アンテナに給電するようにしたものである。

この発明によれば、空間光変調手段に対する位置関係が相互に異なるように、空間光変調手段から出射された信号光ビームをフーリエ変換するフーリエ変換手段を複数配置して、複数のフーリエ変換手段によりフーリエ変換された信号光ビームを合成するとともに、合成後の信号光ビームとローカル光ビームを合成し、合成後の光ビームを高周波信号に変換して複数の素子アンテナに給電するように構成したので、アンテナ放射ビームの走査刻みを細かくすることができる効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるフェーズドアレイアンテナを示す構成図であり、図において、高周波信号源１は周波数ｆｍの高周波信号を発信する信号源である。光出力装置２は高周波信号源１から発信された周波数ｆｍの高周波信号を離調して、周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓａ，Ｓｂを出力するとともに、その高周波信号を離調していない周波数ｆｏのローカル光Ｌを出力する。このような光出力装置２を実現する手段としては、例えば、音響光学効果を用いた光周波数シフタなどの適用がある。なお、光出力装置２は光出力手段を構成している。
光ファイバ３は光出力装置２から出力された周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓａを空間光変調部６に伝送し、光ファイバ４は光出力装置２から出力された周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓｂを空間光変調部７に伝送し、光ファイバ５は光出力装置２から出力された周波数ｆｏのローカル光Ｌをレンズ１１に伝送する。

空間光変調部６は光出力装置２から出力された周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓａを信号光ビームに変換し、その信号光ビームを空間光変調して空間に出射する空間光変調手段を構成している。
空間光変調部６のレンズ６ａは光出力装置２から出力された周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓａが入射されると、所定のビーム幅を有する信号光ビームＳＢａ１を空間に出射する。空間光変調部６の空間光変調器６ｂは制御端子６ｃから入力された制御信号にしたがって、レンズ６ａから出射された信号光ビームＳＢａ１を空間光変調し、所定の強度分布の信号光ビームＳＢａ２を空間に出射する。

空間光変調部７は光出力装置２から出力された周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓｂを信号光ビームに変換し、その信号光ビームを空間光変調して空間に出射する空間光変調手段を構成している。
空間光変調部７のレンズ７ａは光出力装置２から出力された周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓｂが入射されると、所定のビーム幅を有する信号光ビームＳＢｂ１を空間に出射する。空間光変調部７の空間光変調器７ｂは制御端子７ｃから入力された制御信号にしたがって、レンズ７ａから出射された信号光ビームＳＢｂ１を空間光変調し、所定の強度分布の信号光ビームＳＢｂ２を空間に出射する。

フーリエ変換レンズ（第１のフーリエ変換レンズ）８は光軸８ａが空間光変調器６ｂの中心と一致するように配置され、空間光変調器６ｂから出射された信号光ビームＳＢａ２を空間的にフーリエ変換し、フーリエ変換後の信号光ビームＳＢａ３を空間に出射する。
フーリエ変換レンズ（第２のフーリエ変換レンズ）９は光軸９ａが空間光変調器７ｂの中心（光軸９ｂ）から距離Ｄｙだけ離れた位置に配置され、空間光変調器７ｂから出射された信号光ビームＳＢｂ２を空間的にフーリエ変換し、フーリエ変換後の信号光ビームＳＢｂ３を空間に出射する。なお、フーリエ変換レンズ８，９はフーリエ変換手段を構成している。

ビーム合成器１０はフーリエ変換レンズ８から出射された信号光ビームＳＢａ３とフーリエ変換レンズ９から出射された信号光ビームＳＢｂ３とを空間的に重ね合わせて、合成光ビームＣＢ１を出力する。なお、ビーム合成器１０は信号光ビーム合成手段を構成している。
レンズ１１は光出力装置２から出力された周波数ｆｏのローカル光Ｌが入射されると、所定のビーム幅を有するローカル光ＬＢを空間に出射する。なお、レンズ１１はローカル光出射手段を構成している。

ビーム合成器１２はビーム合成器１０から出力された合成光ビームＣＢ１とレンズ１１から出射されたローカル光ＬＢとを空間的に重ね合わせて、合成光ビームＣＢ２を出力する。なお、ビーム合成器１２はローカル光ビーム合成手段を構成している。
光ファイバアレイ１３は複数本の光ファイバから構成されており、複数本の光ファイバは長手方向が平行になるように、所定の間隔をおいて並置されている。なお、光ファイバアレイ１３の入射端には、光ファイバアレイ１３を構成する複数本の光ファイバへの入射光ビームとの結合効率を高めるために、レンズアレイを備えるようにしてもよい。

光電変換器１４は光ファイバアレイ１３を構成する光ファイバから合成光ビームＣＢ２を受けると、ヘテロダイン検波を実施することにより、その合成光ビームＣＢ２を周波数ｆｍの高周波信号に変換し、高周波信号出力端１５を介して、その高周波信号を素子アンテナ１６に給電する。なお、光電変換器１４は給電手段を構成している。
素子アンテナ１６は光電変換器１４から給電された高周波信号を空間に放射する。なお、複数の素子アンテナ１６からアレイアンテナ１７が構成されている。

図２は空間光変調器６ｂ，７ｂを構成する変調素子の位置とオフセットを簡易的に示す説明図である。空間光変調器６ｂ，７ｂは複数の変調素子２１がピッチＰで縦横に配置されているものであって、例えば、ミラー状の駆動素子が変調素子２１として使用される。図において、２１ａは変調素子２１の中心である。
図３はアンテナ放射ビームを示す説明図である。

次に動作について説明する。
まず、高周波信号源１は、周波数ｆｍの高周波信号を発信する。
光出力装置２は、高周波信号源１から発信された周波数ｆｍの高周波信号を受けると、その高周波信号を離調して、周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓａ，Ｓｂを光ファイバ３，４に出力する。
また、光出力装置２は、高周波信号源１から発信された周波数ｆｍの高周波信号を離調せずに、周波数ｆｏのローカル光Ｌを光ファイバ５に出力する。

空間光変調部６のレンズ６ａは、光ファイバ３を介して、光出力装置２から出力された周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓａが入射されると、所定のビーム幅を有する信号光ビームＳＢａ１を空間に出射する。
空間光変調部６の空間光変調器６ｂは、制御端子６ｃから入力された制御信号にしたがって、レンズ６ａから出射された信号光ビームＳＢａ１を空間光変調し、所定の強度分布の信号光ビームＳＢａ２を空間に出射する。

空間光変調部７のレンズ７ａは、光ファイバ４を介して、光出力装置２から出力された周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓｂが入射されると、所定のビーム幅を有する信号光ビームＳＢｂ１を空間に出射する。
空間光変調部７の空間光変調器７ｂは、制御端子７ｃから入力された制御信号にしたがって、レンズ７ａから出射された信号光ビームＳＢｂ１を空間光変調し、所定の強度分布の信号光ビームＳＢｂ２を空間に出射する。

フーリエ変換レンズ８は、図２（ａ）に示すように、光軸８ａが空間光変調器６ｂの中心と一致するように配置され、空間光変調器６ｂから出射された信号光ビームＳＢａ２を空間的にフーリエ変換し、フーリエ変換後の信号光ビームＳＢａ３を空間に出射する。
一方、フーリエ変換レンズ９は、図２（ｂ）に示すように、光軸９ａが空間光変調器７ｂの中心（光軸９ｂ）から距離Ｄｙだけ離れた位置に配置され、空間光変調器７ｂから出射された信号光ビームＳＢｂ２を空間的にフーリエ変換し、フーリエ変換後の信号光ビームＳＢｂ３を空間に出射する。

ここで、フーリエ変換レンズ８とフーリエ変換レンズ９との位置関係を具体的に説明する。
図２の例では、光軸８ａが空間光変調器６ｂの中心と一致するようにフーリエ変換レンズ８が配置されるのに対し、光軸９ａが空間光変調器７ｂの中心（光軸９ｂ）から距離Ｄｙだけ離れるようにフーリエ変換レンズ９が配置されている。
即ち、空間光変調器７ｂにおける変調素子２１の中心２１ａが、空間光変調器６ｂにおける変調素子２１の中心２１ａに対して、Ｙ軸方向［ＹａあるいはＹｂ］に距離Ｄｙだけオフセットして配置されている。
なお、フーリエ変換レンズ８の光軸８ａ及びフーリエ変換レンズ９の光軸９ａは、ビーム合成器１０の光軸１０ａと光学的に同一であり、レンズ１１の光軸１１ａ及びビーム合成器１０の光軸１０ａはビーム合成器１２の光軸１２ａと光学的に同一である。

ビーム合成器１０は、上記のようにしてフーリエ変換レンズ８から出射された信号光ビームＳＢａ３を入射するとともに、フーリエ変換レンズ９から出射された信号光ビームＳＢｂ３を入射すると、その信号光ビームＳＢａ３と信号光ビームＳＢｂ３とを空間的に重ね合わせて、合成光ビームＣＢ１を出力する。
レンズ１１は、光ファイバ５を介して、光出力装置２から出力された周波数ｆｏのローカル光Ｌが入射されると、所定のビーム幅を有するローカル光ＬＢを空間に出射する。
ビーム合成器１２は、ビーム合成器１０から出力された合成光ビームＣＢ１を入射するとともに、レンズ１１から出射されたローカル光ＬＢを入射すると、その合成光ビームＣＢ１とローカル光ＬＢとを空間的に重ね合わせて、合成光ビームＣＢ２を光ファイバアレイ１３に出力する。

光電変換器１４は、光ファイバアレイ１３を構成する光ファイバから合成光ビームＣＢ２を受けると、ヘテロダイン検波を実施することにより、その合成光ビームＣＢ２を周波数ｆｍの高周波信号に変換し、高周波信号出力端１５を介して、その高周波信号を素子アンテナ１６に給電する。
素子アンテナ１６は、光電変換器１４から給電された高周波信号を空間に放射する。これにより、複数の素子アンテナ１６から高周波信号が空間に放射されることにより、複数の高周波信号がアンテナ放射ビームとして空間合成されることになる（図３を参照）。

ここで、アンテナ放射ビームの最小ビーム走査角（以下、グラニュラリティという）について説明する。
まず、図３のアンテナ放射ビーム３１，３２のグラニュラリティΔθａ，Δθｂは、以下の式（１）で表される。

ただし、ｄｏは光ファイバアレイ１３における光ファイバの配列間隔（サンプリング間隔）、ｄｍは素子アンテナ１６の配列間隔、λｏは光出力装置２における光源の波長、λｍは高周波信号源１における高周波信号の波長、Ｐは変調素子２１のピッチＰ（配列間隔）、ｆはフーリエ変換レンズ８，９の焦点距離、θａ，θｂはビーム走査角である。

図２に示すオフセットＤｙ（空間光変調器７ｂの中心（光軸９ｂ）からフーリエ変換レンズ９の光軸９ａまでの距離Ｄｙ）を以下の式（２）に示すように、変調素子２１を配列するピッチＰの半分とする場合を考える。

この場合、二つの空間光変調器６ｂ，７ｂを選択的に切替えて使用することにより、等価的に２倍の変調素子２１の細かさでビーム走査を行える光制御型のフェーズドアレイアンテナを構成することができる。
即ち、式（１）（２）より、アレイアンテナ１７から放射されるアンテナ放射ビームのグラニュラリティΔθは以下の式（３）で与えられることになる。

このように、光軸８ａが空間光変調器６ｂの中心と一致するようにフーリエ変換レンズ８を配置して、光軸９ａが空間光変調器７ｂの中心（光軸９ｂ）から距離Ｄｙだけ離れるようにフーリエ変換レンズ９を配置する（空間光変調器７ｂにおける変調素子２１の中心２１ａが、空間光変調器６ｂにおける変調素子２１の中心２１ａに対して、Ｙ軸方向［ＹａあるいはＹｂ］に距離Ｄｙだけオフセットして配置する）ことにより、１個の空間光変調器６ｂを使用する場合と比べて、グラニュラリティを１／２（半分）に改善することができる。

例えば、光ファイバアレイ１３における光ファイバの配列間隔をｄｏ＝１００μｍ、素子アンテナ１６の配列間隔をｄｍ＝１５ｍｍ、光出力装置２における光源の波長をλｏ＝１．３μｍ、高周波信号源１における高周波信号の波長をλｍ＝３０ｍｍ、変調素子２１のピッチ（配列間隔）をＰ＝１０μｍ、フーリエ変換レンズ８，９の焦点距離をｆ＝５００ｍｍとすると、空間光変調器６ｂが１個の場合は、ビーム走査角がθ＝３０°の時はΔθ＝約３．５５ミリラジアン、θ＝６０°の時は約６．１５ミリラジアンとなる。
一方、空間光変調器が２個の場合（空間光変調器６ｂ，７ｂが実装されている場合）は、ビーム走査角がθ＝３０°の時はΔθ＝約１．７７ミリラジアン、θ＝６０°の時は約３．０７ミリラジアンとなり、グラニュラリティが１／２（半分）に改善される。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、空間光変調器６ｂ，７ｂに対する位置関係が相互に異なるように、空間光変調器６ｂ，７ｂから出射された信号光ビームをフーリエ変換するフーリエ変換器８，９を配置して、そのフーリエ変換器８，９によりフーリエ変換された信号光ビームＳＢａ３，ＳＢｂ３を合成するとともに、合成後の信号光ビームＣＢ１とローカル光ビームＬを合成し、合成後の光ビームＣＢ２を高周波信号に変換して複数の素子アンテナ１６に給電するように構成したので、アンテナ放射ビームの走査刻みを細かくすることができる効果を奏する。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、光軸８ａが空間光変調器６ｂの中心と一致しているフーリエ変換レンズ８と、光軸９ａが空間光変調器７ｂの中心（光軸９ｂ）から距離Ｄｙだけ離れているフーリエ変換レンズ９とを配置するものについて示したが、図４に示すように、空間光変調器６ｂを内蔵する空間光変調部６を１個、空間光変調器７ｂを内蔵する空間光変調部７をＮ−１個実装する場合、光軸８ａが空間光変調器６ｂの中心と一致しているフーリエ変換レンズ８を１個配置するとともに、光軸９ａが空間光変調器７ｂの中心（光軸９ｂ）から距離Ｄｙ（Ｄｙ＝Ｐ／Ｎ，２Ｐ／Ｎ，３Ｐ／Ｎ，・・・，（Ｎ−２）Ｐ／Ｎ，（Ｎ−１）Ｐ／Ｎ）だけ離れているフーリエ変換レンズ９をＮ−１個配置するようにしてもよい。
即ち、空間光変調器６ｂ，７ｂを構成する変調素子２１の配列間隔（配列ピッチＰ）の１／Ｎに相当する距離だけ相互にずれるように配置してもよい。
これにより、１個の空間光変調器６ｂを使用する場合と比べて、グラニュラリティを１／Ｎに改善することができる効果を奏する。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３によるフェーズドアレイアンテナを示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ビーム合成器１８は空間光変調器６ｂの中心と光軸１８ｃが一致している信号光ビームＳＢａ２の入射面１８ａと、空間光変調器７ｂの中心と光軸１８ｃが距離Ｄｙ（変調素子２１の配列間隔（配列ピッチＰ）の１／２に相当する距離）だけずれている信号光ビームＳＢｂ２の入射面１８ｂとを有し、その信号光ビームＳＢａ２と信号光ビームＳＢｂ２とを空間的に重ね合わせて、合成光ビームＣＢ０を出力する。なお、ビーム合成器１８は信号光ビーム合成手段を構成している。
フーリエ変換レンズ１９はビーム合成器１８から出力された合成光ビームＣＢ０を空間的にフーリエ変換し、フーリエ変換後の合成光ビームＣＢ１を空間に出射する。なお、フーリエ変換レンズ１９はフーリエ変換手段を構成している。

上記実施の形態１では、ビーム合成器１０の前段にフーリエ変換レンズ８，９を設け、ビーム合成器１０がフーリエ変換レンズ８，９によりフーリエ変換された信号光ビームＳＢａ３，ＳＢｂ３を合成するものについて示したが、ビーム合成器１８の後段にフーリエ変換レンズ１９を設け、ビーム合成器１８が空間光変調器６ｂ，７ｂから出力された信号光ビームＳＢａ２，ＳＢｂ２を合成し、フーリエ変換レンズ１９がビーム合成器１８による合成光ビームＣＢ０をフーリエ変換するようにしてもよい。

この場合、ビーム合成器１８の入射面１８ａと入射面１８ｂにおける信号光ビームＳＢａ２，ＳＢｂ２の入射位置関係が相互に異なるので（上記実施の形態１における空間光変調器６ｂ，７ｂに対するフーリエ変換レンズ８，９の位置関係と相似）、上記実施の形態１と同様に、アンテナ放射ビームの走査刻みを細かくすることができる効果を奏する。
なお、この実施の形態３の場合、フーリエ変換レンズ１９の個数が１個で足りるため、上記実施の形態１と比べて、フーリエ変換レンズの個数を半減できる効果を奏する。

実施の形態４．
上記実施の形態３では、空間光変調器が２個実装されているものについて示したが、空間光変調器がＮ個実装されている場合、図６に示すように、最終段のビーム合成器１８の後段にだけフーリエ変換レンズ１９を設ければよい。
この場合、上記実施の形態２と同様の原理により、１個の空間光変調器６ｂを使用する場合と比べて、グラニュラリティを１／Ｎに改善することができる効果を奏する。

実施の形態５．
図７はこの発明の実施の形態５によるフェーズドアレイアンテナを示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
光ファイバ４１は光出力装置２から出力された周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓｃを空間光変調部４３に伝送し、光ファイバ４２は光出力装置２から出力された周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓｄを空間光変調部４４に伝送する。

空間光変調部４３は光出力装置２から出力された周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓｃを信号光ビームに変換し、その信号光ビームを空間光変調して空間に出射する第２の空間光変調手段を構成している。
なお、空間光変調部４３は、第１の空間光変調手段である空間光変調部６と同様に、光出力装置２から出力された周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓｃが入射されると、所定のビーム幅を有する信号光ビームを空間に出射するレンズ４３ａと、制御端子４３ｃから入力された制御信号にしたがって、そのレンズ４３ａから出射された信号光ビームを空間光変調し、所定の強度分布の信号光ビームＳＢｃ２を空間に出射する空間光変調器４３ｂとを備えている。

空間光変調部４４は光出力装置２から出力された周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓｄを信号光ビームに変換し、その信号光ビームを空間光変調して空間に出射する第２の空間光変調手段を構成している。
なお、空間光変調部４４は、第１の空間光変調手段である空間光変調部７と同様に、光出力装置２から出力された周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓｄが入射されると、所定のビーム幅を有する信号光ビームを空間に出射するレンズ４４ａと、制御端子４４ｃから入力された制御信号にしたがって、そのレンズ４４ａから出射された信号光ビームを空間光変調し、所定の強度分布の信号光ビームＳＢｄ２を空間に出射する空間光変調器４４ｂとを備えている。

フーリエ変換レンズ４５は光軸４５ａが空間光変調器４３ｂの中心と一致するように配置され、空間光変調器４３ｂから出射された信号光ビームＳＢｃ２を空間的にフーリエ変換し、フーリエ変換後の信号光ビームＳＢｃ３を空間に出射する。
フーリエ変換レンズ４６は光軸４６ａが空間光変調器４４ｂの中心（光軸４６ｂ）から距離Ｄｘだけ離れた位置に配置され、空間光変調器４４ｂから出射された信号光ビームＳＢｄ２を空間的にフーリエ変換し、フーリエ変換後の信号光ビームＳＢｄ３を空間に出射する。なお、フーリエ変換レンズ４５，４６は第２のフーリエ変換手段を構成している。また、この実施の形態５では、フーリエ変換レンズ８，９が第１のフーリエ変換手段を構成している。

ビーム合成器４７はフーリエ変換レンズ４５から出射された信号光ビームＳＢｃ３とフーリエ変換レンズ４６から出射された信号光ビームＳＢｄ３とを空間的に重ね合わせて、合成光ビームＣＢ１−２を出力する。なお、ビーム合成器４７は第２の信号光ビーム合成手段を構成している。また、この実施の形態５では、ビーム合成器１０が第１の信号光ビーム合成手段を構成している。
ビーム合成器４８はビーム合成器１０から出力された合成光ビームＣＢ１−１とビーム合成器４７から出力された合成光ビームＣＢ１−２とを空間的に重ね合わせて、合成光ビームＣＢ１−３を出力する。なお、ビーム合成器４８は第３の信号光ビーム合成手段を構成している。

図８は空間光変調器４３ｂ，４４ｂを構成する変調素子の位置とオフセットを簡易的に示す説明図である。空間光変調器４３ｂ，４４ｂは複数の変調素子２１がピッチＰで縦横に配置されているものであって、例えば、ミラー状の駆動素子が変調素子２１として使用される。

次に動作について説明する。
この実施の形態５は、上記実施の形態１を二次元に拡張したものである。
まず、高周波信号源１は、周波数ｆｍの高周波信号を発信する。
光出力装置２は、高周波信号源１から発信された周波数ｆｍの高周波信号を受けると、その高周波信号を離調して、周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄを光ファイバ３，４，４１，４２に出力する。
また、光出力装置２は、高周波信号源１から発信された周波数ｆｍの高周波信号を離調せずに、周波数ｆｏのローカル光Ｌを光ファイバ５に出力する。

空間光変調部６のレンズ６ａは、光ファイバ３を介して、光出力装置２から出力された周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓａが入射されると、所定のビーム幅を有する信号光ビームＳＢａ１を空間に出射する。
空間光変調部６の空間光変調器６ｂは、制御端子６ｃから入力された制御信号にしたがって、レンズ６ａから出射された信号光ビームＳＢａ１を空間光変調し、所定の強度分布の信号光ビームＳＢａ２を空間に出射する。

空間光変調部７のレンズ７ａは、光ファイバ４を介して、光出力装置２から出力された周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓｂが入射されると、所定のビーム幅を有する信号光ビームＳＢｂ１を空間に出射する。
空間光変調部７の空間光変調器７ｂは、制御端子７ｃから入力された制御信号にしたがって、レンズ７ａから出射された信号光ビームＳＢｂ１を空間光変調し、所定の強度分布の信号光ビームＳＢｂ２を空間に出射する。

フーリエ変換レンズ８は、図２（ａ）に示すように、光軸８ａが空間光変調器６ｂの中心と一致するように配置され、空間光変調器６ｂから出射された信号光ビームＳＢａ２を空間的にフーリエ変換し、フーリエ変換後の信号光ビームＳＢａ３を空間に出射する。
一方、フーリエ変換レンズ９は、図２（ｂ）に示すように、光軸９ａが空間光変調器７ｂの中心（光軸９ｂ）から距離Ｄｙだけ離れた位置に配置され、空間光変調器７ｂから出射された信号光ビームＳＢｂ２を空間的にフーリエ変換し、フーリエ変換後の信号光ビームＳＢｂ３を空間に出射する。

空間光変調部４３のレンズ４３ａは、光ファイバ４１を介して、光出力装置２から出力された周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓｃが入射されると、所定のビーム幅を有する信号光ビームを空間に出射する。
空間光変調部４３の空間光変調器４３ｂは、制御端子４３ｃから入力された制御信号にしたがって、レンズ４３ａから出射された信号光ビームを空間光変調し、所定の強度分布の信号光ビームＳＢｃ２を空間に出射する。

空間光変調部４４のレンズ４４ａは、光ファイバ４２を介して、光出力装置２から出力された周波数ｆｏ＋ｆｍの信号光Ｓｄが入射されると、所定のビーム幅を有する信号光ビームを空間に出射する。
空間光変調部４４の空間光変調器４４ｂは、制御端子４４ｃから入力された制御信号にしたがって、レンズ４４ａから出射された信号光ビームを空間光変調し、所定の強度分布の信号光ビームＳＢｄ２を空間に出射する。

フーリエ変換レンズ４５は、図８（ｃ）に示すように、光軸４５ａが空間光変調器４３ｂの中心と一致するように配置され、空間光変調器４３ｂから出射された信号光ビームＳＢｃ２を空間的にフーリエ変換し、フーリエ変換後の信号光ビームＳＢｃ３を空間に出射する。
一方、フーリエ変換レンズ４６は、図８（ｄ）に示すように、光軸４６ａが空間光変調器４４ｂの中心（光軸４６ｂ）から距離Ｄｘだけ離れた位置に配置され、空間光変調器４４ｂから出射された信号光ビームＳＢｄ２を空間的にフーリエ変換し、フーリエ変換後の信号光ビームＳＢｄ３を空間に出射する。

ここで、フーリエ変換レンズ４５とフーリエ変換レンズ４６との位置関係を具体的に説明する（フーリエ変換レンズ８とフーリエ変換レンズ９との位置関係は上記実施の形態１を参照）。
図８の例では、光軸４５ａが空間光変調器４３ｂの中心と一致するようにフーリエ変換レンズ４５が配置されるのに対し、光軸４６ａが空間光変調器４４ｂの中心（光軸４６ｂ）から距離Ｄｘだけ離れるようにフーリエ変換レンズ４６が配置されている。
即ち、空間光変調器４４ｂにおける変調素子２１の中心２１ａが、空間光変調器４３ｂにおける変調素子２１の中心２１ａに対して、Ｘ軸方向［ＸｃあるいはＸｄ］に距離Ｄｘ（例えば、変調素子２１を配列するピッチＰの半分）だけ、オフセットして配置されている。

なお、フーリエ変換レンズ４５の光軸４５ａ及びフーリエ変換レンズ４６の光軸４６ａは、ビーム合成器４７の光軸４７ａと光学的に同一であり、レンズ１１の光軸１１ａ及びビーム合成器１０の光軸１０ａはビーム合成器１２の光軸１２ａと光学的に同一である。
ただし、光軸１０ａと光軸４８ａは同一の光軸を意味するが、図７に示すように、光軸面切換表示の上部（ビーム合成器１０側）では、ＹＺ面上を通るＺ軸を光軸１０ａとし、光軸面切換表示の下部（ビーム合成器４８側）では，ＸＺ面上を通るＺ軸を光軸４８ａとして、オフセットＤｙとＤｘの方向が同じ光軸１０ａ，４８ａを基準に光学的に直交する方向にオフセットしていることを示している。

ビーム合成器１０は、上記のようにしてフーリエ変換レンズ８から出射された信号光ビームＳＢａ３を入射するとともに、フーリエ変換レンズ９から出射された信号光ビームＳＢｂ３を入射すると、その信号光ビームＳＢａ３と信号光ビームＳＢｂ３とを空間的に重ね合わせて、合成光ビームＣＢ１−１を出力する。
ビーム合成器４７は、上記のようにしてフーリエ変換レンズ４５から出射された信号光ビームＳＢｃ３を入射するとともに、フーリエ変換レンズ４６から出射された信号光ビームＳＢｄ３を入射すると、その信号光ビームＳＢｃ３と信号光ビームＳＢｄ３とを空間的に重ね合わせて、合成光ビームＣＢ１−２を出力する。

ビーム合成器４８は、ビーム合成器１０から出力された合成光ビームＣＢ１−１を入射するとともに、ビーム合成器４７から出力された合成光ビームＣＢ１−２を入射すると、その合成光ビームＣＢ１−１と合成光ビームＣＢ１−２とを空間的に重ね合わせて、合成光ビームＣＢ１−３を出力する。
レンズ１１は、光ファイバ５を介して、光出力装置２から出力された周波数ｆｏのローカル光Ｌが入射されると、所定のビーム幅を有するローカル光ＬＢを空間に出射する。
ビーム合成器１２は、ビーム合成器４８から出力された合成光ビームＣＢ１−３を入射するとともに、レンズ１１から出射されたローカル光ＬＢを入射すると、その合成光ビームＣＢ１−３とローカル光ＬＢとを空間的に重ね合わせて、合成光ビームＣＢ２を光ファイバアレイ１３に出力する。

光電変換器１４は、光ファイバアレイ１３を構成する光ファイバから合成光ビームＣＢ２を受けると、ヘテロダイン検波を実施することにより、その合成光ビームＣＢ２を周波数ｆｍの高周波信号に変換し、高周波信号出力端１５を介して、その高周波信号を素子アンテナ１６に給電する。
素子アンテナ１６は、光電変換器１４から給電された高周波信号を空間に放射する。これにより、複数の素子アンテナ１６から高周波信号が空間に放射されることにより、複数の高周波信号がアンテナ放射ビームとして空間合成されることになる。

ここで、アンテナ放射ビームの最小ビーム走査角（以下、グラニュラリティという）について説明する。
グラニュラリティΔθは、上述したように、式（３）で示されるが、Ｘ軸方向［ＸｃあるいはＸｄ］のグラニュラリティΔθの場合、ｄｏは二次元に配列された光ファイバアレイ１３における光ファイバのＸ軸方向での配列間隔（サンプリング間隔）であり、ｄｍは二次元に配列された素子アンテナ１６のＸ軸方向での配列間隔を意味する。
また、Ｙ軸方向［ＹａあるいはＹｂ］のグラニュラリティΔθの場合、ｄｏは二次元に配列された光ファイバアレイ１３における光ファイバのＹ軸方向での配列間隔（サンプリング間隔）であり、ｄｍは二次元に配列された素子アンテナ１６のＹ軸方向での配列間隔を意味する。
したがって、この実施の形態５では、アンテナ放射ビームを２次元走査するアレイアンテナ２０でもグラニュラリティを改善することができる効果を奏する。

実施の形態６．
上記実施の形態５では、変調素子２１を配列するピッチＰの半分だけオフセットしているものについて示したが、Ｎ個の空間光変調器の変調素子２１の配列ピッチＰの１／Ｎだけ光軸１０ａに対してＹ軸方向にオフセットし、Ｍ個の空間光変調器を変調素子２１の配列ピッチＰの１／Ｍだけ光軸４５ａに対してＸ軸方向にオフセットすることで、１個の空間光変調器を使う場合に比べて、グラニュラリティを二つの方向において、それぞれ１／Ｎと１／Ｍに改善することができる。

実施の形態７．
上記実施の形態５では、ビーム合成器１０の前段にフーリエ変換レンズ８，９を設け、ビーム合成器１０がフーリエ変換レンズ８，９によりフーリエ変換された信号光ビームＳＢａ３，ＳＢｂ３を合成し、また、ビーム合成器４７の前段にフーリエ変換レンズ４５，４６を設け、ビーム合成器４７がフーリエ変換レンズ４５，４６によりフーリエ変換された信号光ビームＳＢｃ３，ＳＢｄ３を合成するものについて示したが、ビーム合成器１０の後段にフーリエ変換レンズを設けるとともに、ビーム合成器４７の後段にフーリエ変換レンズを設け、後段のフーリエ変換レンズがビーム合成器１０，４７の合成光ビームをフーリエ変換するようにしてもよい。
あるいは、ビーム合成器４８の後段にフーリエ変換レンズを設け、後段のフーリエ変換レンズがビーム合成器４８の合成光ビームをフーリエ変換するようにしてもよい。
これにより、フーリエ変換レンズ１９の個数を削減することができる効果を奏する。

この発明の実施の形態１によるフェーズドアレイアンテナを示す構成図である。 空間光変調器を構成する変調素子の位置とオフセットを簡易的に示す説明図である。 アンテナ放射ビームを示す説明図である。 この発明の実施の形態２によるフェーズドアレイアンテナを示す構成図である。 この発明の実施の形態３によるフェーズドアレイアンテナを示す構成図である。 この発明の実施の形態４によるフェーズドアレイアンテナを示す構成図である。 この発明の実施の形態５によるフェーズドアレイアンテナを示す構成図である。 空間光変調器を構成する変調素子の位置とオフセットを簡易的に示す説明図である。

符号の説明

１ 高周波信号源、２ 光出力装置（光出力手段）、３ 光ファイバ、４ 光ファイバ、５ 光ファイバ、６ 空間光変調部（空間光変調手段、第１の空間光変調手段）、６ａ レンズ、６ｂ 空間光変調器、６ｃ 制御端子、７ 空間光変調部（空間光変調手段、第１の空間光変調手段）、７ａ レンズ、７ｂ 空間光変調器、７ｃ 制御端子、８ フーリエ変換レンズ（第１のフーリエ変換レンズ、フーリエ変換手段、第１のフーリエ変換手段）、８ａ 光軸、９ フーリエ変換レンズ（第２のフーリエ変換レンズ、フーリエ変換手段、第１のフーリエ変換手段）、９ａ 光軸、１０ ビーム合成器（信号光ビーム合成手段、第１の信号光ビーム合成手段）、１０ａ 光軸、１１ レンズ（ローカル光出射手段）、１１ａ 光軸、１２ ビーム合成器、１２ａ 光軸、１３ 光ファイバアレイ、１４ 光電変換器（給電手段）、１５ 高周波信号出力端、１６ 素子アンテナ、１７ アレイアンテナ、１８ ビーム合成器（信号光ビーム合成手段）、１８ａ 入射面、１８ｂ 入射面、１８ｃ 光軸、１９ フーリエ変換レンズ（フーリエ変換手段）、２１ 変調素子、２１ａ 中心、３１ アンテナ放射ビーム、３２ アンテナ放射ビーム、４１ 光ファイバ、４２ 光ファイバ、４３ 空間光変調部（第２の空間光変調手段）、４３ａ レンズ、４３ｂ 空間光変調器、４３ｃ 制御端子、４４ 空間光変調部（第２の空間光変調手段）、４４ａ レンズ、４４ｂ 空間光変調器、４４ｃ 制御端子、４５ フーリエ変換レンズ（第２のフーリエ変換手段）、４５ａ 光軸、４６ フーリエ変換レンズ（第２のフーリエ変換手段）、４６ａ 光軸、４７ ビーム合成器（第２の信号光ビーム合成手段）、４７ａ 光軸、４８ ビーム合成器（第３の信号光ビーム合成手段）、４８ａ 光軸、４８ｂ 光軸。

Claims (6)

1. 高周波信号を離調して複数の信号光を出力するとともに、ローカル光を出力する光出力手段と、
   上記光出力手段から出力された信号光を信号光ビームに変換し、その信号光ビームを空間光変調して空間に出射する複数の変調素子を配列してなる第１の空間光変調手段と、
   光軸が上記第１の空間光変調手段の上記変調素子の配列面の中心と一致するように配置され、上記空間光変調手段から出射された信号光ビームをフーリエ変換する第１のフーリエ変換レンズと、
   上記光出力手段から出力された信号光を信号光ビームに変換し、その信号光ビームを空間光変調して空間に出射する複数の変調素子を配列してなる第２の空間光変調手段と、
   光軸が上記第２の空間光変調手段の上記変調素子の配列面の中心と一致しないように配置され、上記空間光変調手段から出射された信号光ビームをフーリエ変換する第２のフーリエ変換レンズと、
   上記第１及び上記第２のフーリエ変換手段によりフーリエ変換された信号光ビームを合成する信号光ビーム合成手段と、
   上記光出力手段から出力されたローカル光をローカル光ビームに変換して空間に出射するローカル光出射手段と、
   上記信号光ビーム合成手段により合成された信号光ビームと上記ローカル光出射手段により出射されたローカル光ビームを合成するローカル光ビーム合成手段と、
   上記ローカル光ビーム合成手段による合成後の光ビームを高周波信号に変換し、その高周波信号を複数の素子アンテナに給電する給電手段とを備え、
   上記第１及び上記第２の空間光変調手段から出射された信号光ビームを選択的に切り替えることにより、上記複数の素子アンテナから放射されて空間合成されたアンテナ放射ビームのビーム走査角を制御するフェーズドアレイアンテナ。
2. 光出力手段がＮ個の信号光を出力する場合、第１の空間光変調手段が１個、第１のフーリエ変換レンズが１個、第２の空間光変調手段がＮ−１個、第２のフーリエ変換レンズがＮ−１個実装され、１個目からＮ−１個目に至るまでの上記第２のフーリエ変換レンズの各光軸は、上記第２の空間光変調手段を構成する変調素子の配列間隔の１／Ｎに相当する距離だけ相互にずれていることを特徴とする請求項１記載のフェーズドアレイアンテナ。
3. 高周波信号を離調して複数の信号光を出力するとともに、ローカル光を出力する光出力手段と、
   上記光出力手段から出力された信号光を信号光ビームに変換し、その信号光ビームを空間光変調して空間に出射する複数の変調素子を配列してなる第１の空間光変調手段と、
   上記光出力手段から出力された信号光を信号光ビームに変換し、その信号光ビームを空間光変調して空間に出射する複数の変調素子を配列してなる第２の空間光変調手段と、
   光軸が上記第１の空間光変調手段の上記変調素子の配列面の中心と一致するように配置されると共に、上記光軸が上記第２の空間光変調手段の上記変調素子の配列面の中心と一致しないように配置され、上記第１及び上記第２の空間光変調手段から出射される信号光ビームを合成する第１の信号光ビーム合成手段と、
   光軸が上記第２の空間光変調手段の上記変調素子の配列面の中心と一致しないように配置され、上記第２の空間光変調手段から出射される信号光ビームを合成する第２の信号光ビーム合成手段と、
   上記第１及び上記第２の信号光ビーム合成手段により合成された信号光ビームをフーリエ変換するフーリエ変換手段と、
   上記光出力手段から出力されたローカル光をローカル光ビームに変換して空間に出射するローカル光出射手段と、
   上記フーリエ変換手段によりフーリエ変換された信号光ビームと上記ローカル光出射手段により出射されたローカル光ビームを合成するローカル光ビーム合成手段と、
   上記ローカル光ビーム合成手段による合成後の光ビームを高周波信号に変換し、その高周波信号を複数の素子アンテナに給電する給電手段とを備え、
   上記第１及び上記第２の空間光変調手段から出射された信号光ビームを選択的に切り替えることにより、上記複数の素子アンテナから放射されて空間合成されたアンテナ放射ビームのビーム走査角を制御するフェーズドアレイアンテナ。
4. 光出力手段がＮ個の信号光を出力する場合、第１の空間光変調手段が１個、第２の空間光変調手段がＮ−１個実装され、１個の第１の信号光ビーム合成手段とＮ−２個の第２の信号光ビーム合成手段とを前段で合成された光ビームが後段に入力するように順次配列し、１個目からＮ−２個目に至るまでの上記第２の信号光ビーム合成手段は、上記第２の空間光変調手段の変調素子の配列面の中心から上記変調素子の配列間隔の１／Ｎに相当する距離だけ相互にずれていることを特徴とする請求項３記載のフェーズドアレイアンテナ。
5. 高周波信号を離調して複数の信号光を出力するとともに、ローカル光を出力する光出力手段と、
   上記光出力手段から出力された信号光を信号光ビームに変換し、その信号光ビームを空間光変調して空間に出射する複数の変調素子を配列してなる複数の第１の空間光変調手段と、
   光軸が上記第１の空間光変調手段の上記変調素子の配列面の中心と一致しないように配置され、上記第１の空間光変調手段から出射された信号光ビームをフーリエ変換する複数の第１のフーリエ変換手段と、
   上記光出力手段から出力された信号光を信号光ビームに変換し、その信号光ビームを空間光変調して空間に出射する複数の変調素子を配列してなる複数の第２の空間光変調手段と、
   光軸が上記第２の空間光変調手段の上記変調素子の配列面の中心と一致しないように配置され、上記空間光変調手段から出射された信号光ビームをフーリエ変換する複数の第２のフーリエ変換レンズと、
   上記第１及び上記第２のフーリエ変換手段によりフーリエ変換された信号光ビームをそれぞれ合成する複数の信号光ビーム合成手段と、
   上記複数の信号光ビーム合成手段によりそれぞれ合成された信号光ビームを合成する第３の信号光ビーム合成手段と、
   上記光出力手段から出力されたローカル光をローカル光ビームに変換して空間に出射するローカル光出射手段と、
   上記第３の信号光ビーム合成手段により合成された信号光ビームと上記ローカル光出射手段により出射されたローカル光ビームを合成するローカル光ビーム合成手段と、
   上記ローカル光ビーム合成手段による合成後の光ビームを高周波信号に変換し、その高周波信号を複数の素子アンテナに給電する給電手段とを備え、
   上記第１及び上記第２の空間光変調手段から出射された信号光ビームを選択的に切り替えることにより、上記複数の素子アンテナから放射されて空間合成されたアンテナ放射ビームのビーム走査角を制御するフェーズドアレイアンテナ。
6. 高周波信号を離調して複数の信号光を出力するとともに、ローカル光を出力する光出力手段と、
   上記光出力手段から出力された信号光を信号光ビームに変換し、その信号光ビームを空間光変調して空間に出射する複数の変調素子を配列してなる複数の第１の空間光変調手段と、
   上記光出力手段から出力された信号光を信号光ビームに変換し、その信号光ビームを空間光変調して空間に出射する複数の変調素子を配列してなる複数の第２の空間光変調手段と、
   光軸が上記第１の空間光変調手段の上記変調素子の配列面の中心と一致するように配置されると共に、上記光軸が上記第２の空間光変調手段の上記変調素子の配列面の中心と一致しないように配置され、上記第１及び上記第２の空間光変調手段から出射される信号光ビームを合成する複数の信号光ビーム合成手段と、
   上記第１の信号光ビーム合成手段により合成された信号光ビームをフーリエ変換する複数の第１のフーリエ変換手段と、
   上記複数のフーリエ変換手段によりフーリエ変換された信号光ビームを合成する第３の信号光ビーム合成手段と、
   上記光出力手段から出力されたローカル光をローカル光ビームに変換して空間に出射するローカル光出射手段と、
   上記第３の信号光ビーム合成手段により合成された信号光ビームと上記ローカル光出射手段により出射されたローカル光ビームを合成するローカル光ビーム合成手段と、
   上記ローカル光ビーム合成手段による合成後の光ビームを高周波信号に変換し、その高周波信号を複数の素子アンテナに給電する給電手段とを備え、
   上記第１及び上記第２の空間光変調手段から出射された信号光ビームを選択的に切り替えることにより、上記複数の素子アンテナから放射されて空間合成されたアンテナ放射ビームのビーム走査角を制御するフェーズドアレイアンテナ。

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