JP4297043B2 - 光制御型アレーアンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、光制御型アレーアンテナ装置に関するものである。

従来の光制御型アレーアンテナとしては、入力無線信号の周波数だけ周波数が異なる第１と第２のビーム光を出力し、第１のビーム光を空間光変調器によりアレーアンテナからのアンテナ放射ビームのパターンであるアンテナ放射パターンに対応した空間強度分布を有する第３のビーム光に変換し、更にフーリエ変換レンズにより空間的にフーリエ変換した後、第２のビーム光と空間的に重ね合わせる。こうして重ね合わされた合成ビーム光を光ファイバアレー及び光電変換器により複数のマイクロ波信号に変換した後、各々のマイクロ波信号をアレーアンテナを用いて電波として空間に放射するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特公平６−８０９６７号公報（第４頁、第１図）

空間光変調器に設定される第１のビーム光を変調する光変調パターン、空間光変調器によって空間変調された第３のビーム光の空間強度分布、及びアレーアンテナから放射される電波のアンテナ放射パターンの相互の関係は、空間光変調器、フーリエ変換レンズ、光ファイバアレー、光電変換器及びアレーアンテナのそれぞれの特性や相互の位置関係等の影響を受ける。所望のアンテナ放射パターンを得るための光変調パターンを作成するためには、光変調パターンを少しずつ変更しながら実測やシミュレーション等によってアンテナ放射パターンを評価し、所望のアンテナ放射パターンに近づけていく方法をとっていた。アンテナ放射ビームの指向方向を変更するためには、変更後の指向方向を有するアンテナ放射パターンを得るための光変調パターンを作成することが必要であり、その作成に長時間を要していた。このため、従来の光制御アレーアンテナでは、アンテナ放射ビームの指向方向を短時間で変化させていくこと、即ちアンテナ放射ビームを実用的な時間で走査することができないという問題点があった。

また、従来の光制御アレーアンテナでは、第２のビーム光を第３のビーム光と空間的に重ね合わせる前に分布調整器を用いて、第２のビーム光の空間強度分布をビーム光の周辺部の強度がビーム光の中央部の強度よりも小さくなるように変化させ、アンテナ放射パターンのサイドローブを低減しており、全体的にサイドローブを低減することはできるが、任意の位置に出現するサイドローブを低減することができないという問題点があった。更に、アンテナ放射ビームを走査した場合にサイドローブを低減できないという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、アンテナ放射ビームを実用的な時間で走査することができる光制御型アレーアンテナ装置を提供するものである。また、任意の位置に出現するサイドローブを低減でき、更に、アンテナ放射ビームを走査した場合にもサイドローブを低減できる光制御型アレーアンテナ装置を提供するものである。

この発明に係る光制御型アレーアンテナ装置は、入力無線信号の周波数に対応する周波数差を有する第１と第２のビーム光を出力する光出力手段と、光の強度変調特性の空間分布である光変調パターンが設定され、第１のビーム光の強度を空間変調して光変調パターンに応じた空間強度分布を有する第３のビーム光として出力する空間光変調手段と、第３のビーム光を空間的にフーリエ変換して第４のビーム光として出力するフーリエ変換手段と、第２のビーム光と第４のビーム光を合成して合成ビーム光として出力する光合成手段と、合成ビーム光を空間的にサンプリングして複数の信号光として出力するサンプリング手段と、複数の信号光をそれぞれ光電変換して入力無線信号と同一周波数の複数の出力無線信号として出力する光電変換手段と、複数の出力無線信号をそれぞれ電波として放射する複数の素子アンテナと、複数の素子アンテナから放射される電波を空間合成して得られるアンテナ放射ビームの指向方向を設定する指向方向設定手段と、指向方向と光変調パターンを対応付けて記憶する記憶手段と、指向方向設定手段により設定された指向方向をもとに記憶手段に記憶された光変調パターンを選択して空間光変調手段に設定する光変調パターン設定手段とを備えたものである。

この発明によれば、アンテナ放射ビームを実用的な時間で走査することができる光制御型アレーアンテナ装置を得ることができる。また、任意の位置に出現するサイドローブを低減でき、更に、アンテナ放射ビームを走査した場合にもサイドローブを低減できる光制御型アレーアンテナ装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による光制御型アレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１において、光源１０、光分配器１２、光周波数変換器１４、ローカルビーム光出射装置１６、信号ビーム光出射装置１８は光出力手段２０を構成する。光源１０で発生した光は、光分配器１２に入力されて光周波数変換器１４及びローカルビーム光出射装置１６にそれぞれ出力される。光周波数変換器１４は、マイクロ波信号源２２から入力される入力無線信号の周波数の分だけ光分配器１２から入力された光の周波数を偏移させ、信号ビーム光出射装置１８に出力する。つまり、入力無線信号が光周波数変換器１４から出力される光に外部変調されることになる。信号ビーム光出射装置１８は、光周波数変換器１４から入力された光を第１のビーム光２４として空間光変調手段である反射型液晶パネル２６に対して出力する。また、ローカルビーム光出射装置１６は光分配器１２から入力された光を第２のビーム光２８として光合成手段であるハーフミラー３０に対して出力する。

光変調パターン設定手段である液晶パネル駆動装置３２は、反射型液晶パネル２６に光変調パターンに対応する画像信号を出力して、反射型液晶パネル２６の光の強度変調特性である画素の反射率を変調して光変調パターンを設定する。第１のビーム光２４は反射型液晶パネル２６に設定された光変調パターンに応じて空間変調されて第３のビーム光３４としてフーリエ変換手段であるフーリエ変換レンズ３６に対して出力される。

第３のビーム光３４は、フーリエ変換レンズ３６によって空間的にフーリエ変換されて第４のビーム光３８としてハーフミラー３０に対して出力される。ハーフミラー３０は第２のビーム光２８を反射し、第４のビーム光３８を透過することによって、第２のビーム光２８と第４のビーム光３８を合成して、合成ビーム光４０としてサンプリング手段である光ファイバアレイ４２に対して出力する。

合成ビーム光４０は光ファイバアレイ４２で空間的にサンプリングされて、複数の信号光としてそれぞれ光ファイバ４４ａ〜４４ｎを伝搬し、光電変換手段である複数の光検波器４６ａ〜４６ｎにそれぞれ入力される。光検波器４６ａ〜４６ｎは、入力された信号光をヘテロダイン検波して入力無線信号と同一周波数のマイクロ波信号に光電変換して、複数の増幅器４８ａ〜４８ｎに対してそれぞれ出力する。増幅器４８ａ〜４８ｎは光検波器４６ａ〜４６ｎから入力されたマイクロ波信号を増幅して、複数の素子アンテナ５０ａ〜５０ｎに対してそれぞれ出力する。素子アンテナ５０ａ〜５０ｎは、増幅器４８ａ〜４８ｎで増幅されたマイクロ波信号をそれぞれ電波として空間に放射する。

素子アンテナ５０ａ〜５０ｎは１つのアレーアンテナ５０を構成しており、素子アンテナ５０ａ〜５０ｎからそれぞれ空間に放射された電波は、空間合成されてアンテナ放射ビーム（図示せず）となる。指向方向設定手段であるコンピュータ５２に接続された記憶手段であるハードディスク装置５４には、光変調パターンとアンテナ放射ビームの指向方向とが対応付けて記憶されている。コンピュータ５２はアンテナ放射ビームの指向方向が指定されると、指定された指向方向に対応付けてハードディスク装置５４に記憶されている光変調パターンを検索して選択し、液晶パネル駆動装置３２に出力する。液晶パネル駆動装置３２は、コンピュータ５２から入力された光変調パターン対応する画像信号を反射型液晶パネル２６に対して出力する。

図２は反射型液晶パネル２６に設定される光変調パターン６０を示す説明図であり、図１と同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものである。反射型液晶パネル２６の中心部に設定された光変調パターン６０の各画素の反射率は高く、他の部分の画素の反射率はほぼ零に設定されている。図３は反射型液晶パネル２６に光変調パターン６０を設定したときのアレーアンテナ５０とアンテナ放射パターンの主ビームのピーク位置を結ぶ直線（以下、「ビーム軸」、と記す。）を含む平面（以下、「ビーム軸面」、と記す。）におけるアンテナ放射パターンを示すグラフであり、横軸はアレーアンテナ５０から見たビーム軸方向を０度としたときの方位角、縦軸は利得を表している。アンテナ放射パターンは、ビーム軸のまわりに概ね回転対称となっており、主ビーム６２ａの周囲円周上に近軸サイドローブ６２ｂが発生し、さらに近軸サイドローブ６２ｂの周囲円周上に広角サイドローブ６２ｃが発生している。

図４は、この発明の実施の形態１による光制御型アレーアンテナ装置の光変調パターンを示す説明図であり、図２と同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものである。図４において、（ａ）は図２に示す光変調パターン６０と同一であり、（ｂ）は光変調パターン６０を囲むような円形の光変調パターン６４、（ｃ）は光変調パターン６０と光変調パターン６２を組み合わせた光変調パターン６６をそれぞれ示している。

図５は反射型液晶パネル２６に光変調パターン６０、６４及び６６をそれぞれ設定したときのビーム軸面におけるアンテナ放射パターンの利得、図６は反射型液晶パネル２６に光変調パターン６０、６４をそれぞれ設定したときのビーム軸面におけるアンテナ放射パターンの位相をそれぞれ示すグラフであり、図３と同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものである。図５に示すように、反射型液晶パネル２６に光変調パターン６６を設定したときのアンテナ放射パターンは、主ビーム７０ａ、近軸サイドローブ７０ｂ及び広角サイドローブ７０ｃから構成される。主ビーム７０ａ、近軸サイドローブ７０ｂ及び広角サイドローブ７０ｃと、反射型液晶パネル２６に光変調パターン６０を設定したときの主ビーム６２ａ、近軸サイドローブ６２ｂ及び広角サイドローブ６２ｃとをそれぞれ比較すると、主ビーム７０ａと主ビーム６２ａはピーク値においてほぼ同等であり、近軸サイドローブ７０ｂは近軸サイドローブ６２ｂに比べて利得が大幅に低減され、広角サイドローブ７０ｃと広角サイドローブ６２ｃはほぼ同等である。

これは、反射型液晶パネル２６に光変調パターン６４を設定したときのアンテナ放射パターンの利得７２が、近軸サイドローブ６２ｂのピーク近傍の利得とほぼ同等であるとともに、図６に示すように、反射型液晶パネル２６に光変調パターン６０を設定したときのアンテナ放射パターンの位相８０が、反射型液晶パネル２６に光変調パターン６４を設定したときのアンテナ放射パターンの位相８２と、近軸サイドローブ６２ｂのピーク近傍の放射方向において逆位相となり、打ち消しあって近軸サイドローブ６２ｂのピーク近傍の放射方向における利得が低減されるためである。

反射型液晶パネル２６に設定される光変調パターンを、光変調パターン６６と同一の形状として、図４のＸ軸方向に移動させると、アンテナ放射パターンの主ビームのピーク方向、即ちアンテナ放射ビームの指向方向は水平方向に移動する。しかし、光変調パターン６０と光変調パターン６４を組み合わせることによって低減されていた近軸サイドローブの発生位置における利得は、それぞれの光変調パターンに対応するアンテナ放射パターン間にずれを生じ、十分に打ち消しあうことができず、図５の近軸サイドローブ７０ｂに比べて増加する。アンテナ放射ビームの指向方向を移動させたときにも、近軸サイドローブの利得を低減するためには、光変調パターン６６に適当な修正を加えればよい。具体的には、光変調パターン６６に少しずつ修正を加えながら実測やシミュレーション等によってアンテナ放射パターンを評価し、主ビームの利得をほぼ維持しながら、近軸サイドローブの利得を低減させていけばよい。

このようにアンテナ放射ビームの指向方向を移動させたときに、主ビームの利得をほぼ維持しながら、近軸サイドローブの利得を低減させる光変調パターンを作成することは、反射型液晶パネル２６に設定される光変調パターンを、図４のＹ軸方向に移動させて、アンテナ放射ビームの指向方向を垂直方向に移動させるとき、さらには図４のＸＹ平面内で移動させて、アンテナ放射ビームの指向方向を移動させるときも同様に行なうことができる。

このようにして、複数のアンテナ放射ビームの指向方向にそれぞれ対応させて、主ビームの利得をほぼ維持し、近軸サイドローブの利得を低減させる光変調パターンを作成し、これらを指向方向に対応付けてハードディスク装置５４に記憶させる。

例えば、アンテナ放射ビームの指向方向を水平方向−６０度から６０度までの範囲で、２度間隔で６１個の指向方向に対応付けて光変調パターンを記憶しておくものとする。

コンピュータ５２に対して６１個の指向方向のうちの１つを指定すると、コンピュータ５２はハードディスク装置５４から指定された指向方向に対応付けて記憶されている光変調パターンを検索して選択し、液晶パネル駆動装置３２に出力する。液晶パネル駆動装置３２は選択された光変調パターンに対応する画像信号を反射型液晶パネル２６に対して出力し、反射型液晶パネル２６には選択された光変調パターンが設定され、指定された指向方向を有するアンテナ放射パターンでアレーアンテナ５０から電波が放射される。指定された指向方向に対応する光変調パターンはあらかじめハードディスク装置５４に記憶されているため、コンピュータ５２に対して指向方向を指定してから短時間で指定された指向方向を有するアンテナ放射パターンでアレーアンテナ５０から電波が放射される。

例えば、コンピュータ５２に対して６１個の指向方向を、−６０度から６０度まで２度おきに一定時間間隔で指定すれば、主ビームのピーク方向が一定時間間隔で２度ずつ移動し、アンテナ放射ビームを走査することができる。また、−６０度から６０度まで１０度おきに一定時間間隔で指定すれば、２度おきに同じ一定時間間隔で指定するときよりも５倍の速度で走査することができる。さらに、６１個の指向方向を適宜選択して指定することにより、アンテナ放射ビームを自由度高く走査することができる。これらのアンテナ放射ビームの走査は、コンピュータ５２に対して指向方向を指定してから短時間で指定された指向方向を有するアンテナ放射パターンでアレーアンテナ５０から電波が放射されるため、実用的な時間で行なうことができる。

以上、２度間隔の指向方向に対応付けて光変調パターンを記憶する場合について説明したが、例えば、１度間隔の指向方向に対応付けて光変調パターンをハードディスク装置５４に記憶させれば、アンテナ放射ビームの走査をさらに精度よく制御することができる。また、垂直方向の指向方向も組み合わせて、これらに対応付けて光変調パターンを記憶しておくことにより、ほぼ任意の方向にアンテナ放射ビームを走査することができる。また、指向方向の範囲は、複数の素子アンテナ５０ａ〜５０ｎの数、特性、配置等によって適宜設定すればよく、ハードディスク装置５４に記憶させる指向方向の間隔は、光制御型アレーアンテナ装置の用途等に応じて適宜設定すればよい。

この実施の形態１による光制御型アレーアンテナ装置は、ハードディスク装置に、アンテナ放射ビームの指向方向と光変調パターンとをあらかじめ対応付けて記憶させておくようにしたので、指向方向を指定してから短時間で指定された指向方向を有するアンテナ放射パターンでアレーアンテナから電波が放射されるため、実用的な時間でアンテナ放射ビームの走査を行なうことができる。また、ハードディスク装置にアンテナ放射ビームの指向方向に対応付けて記憶される光変調パターンを、各指向方向に対応して主ビームの利得をほぼ維持し、近軸サイドローブの利得を低減させる光変調パターンとしたので、アンテナ放射ビームを走査しても近軸サイドローブを低減することができる。

実施の形態１おいては、光変調パターンを近軸サイドローブの利得を低減させるように構成したが、任意の位置に出現するサイドローブの利得を低減することができる。第１の光変調パターンと第２の光変調パターンを組み合わせた光変調パターンを設定し、第１の光変調パターンのみが設定されたときに得られるアンテナ放射ビームと、第２の光変調パターンのみが設定されたときに得られる前記アンテナ放射ビームとが、サイドローブの利得を低減すべき放射方向において、同振幅逆位相となるようにすればよい。具体的には、光変調パターンに少しずつ修正を加えながら実測やシミュレーション等によってアンテナ放射パターンを評価し、対象とするサイドローブの利得を低減させていけばよい。アンテナ放射ビームの指向方向ごとに利得を低減するサイドローブを選択することができ、光制御型アレーアンテナ装置の用途等に適したアンテナ放射パターンを実現することができる。

なお、光合成手段としては、ハーフミラーについて説明したが、プリズムなど２つのビーム光を合成できるものであればよい。空間光変調手段としては、反射型液晶パネルについて説明したが、透過型液晶パネルなどビーム光を空間変調できるものであればよい。フーリエ変換手段としては、フーリエ変換レンズについて説明したが、ビーム光を空間的にフーリエ変換できるものであればよい。サンプリング手段としては、光ファイバアレイについて説明したが、ビーム光を空間的にサンプリングできるものであればよい。指向方向設定手段としては、コンピュータについて説明したが、マイクロコンピュータ等を用いた電子回路等、アンテナ放射ビームの指向方向を設定できるものであればよい。記憶手段しては、ハードディスク装置について説明したが、フラッシュメモリ、メモリスティック等、指向方向と光変調パターンを対応付けて記憶できるものであればよい。さらに、指向方向設定手段の内部記憶装置、例えばコンピュータの内蔵ハードディスク装置、不揮発性内蔵メモリ等であってもよい。

実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２による光制御型アレーアンテナ装置の構成を示すブロック図であり、図１と同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものである。この実施の形態２の光制御型アレーアンテナ装置は図１に示す実施の形態１の光制御型アレーアンテナ装置に分布調整手段である光学フィルタ９０を付加したものである。

光出力手段２０を構成するローカルビーム光出射装置１８から出力された第２のビーム光２８は、光学フィルタ９０によって周辺部の強度が中央部の強度よりも小さくなるように強度分布が調整され、ハーフミラー３０に対して出力される。その後の動作は、実施の形態１と同様である。

この実施の形態２による光制御型アレーアンテナ装置は、第２のビーム光が光学フィルタによって周辺部の強度が中央部の強度よりも小さな強度分布を有するようになるので、サイドローブの利得を全体的に低減し、光制御型アレーアンテナ装置の用途等に適したアンテナ放射パターンを容易に実現することができる。

この発明の実施の形態１による光制御型アレーアンテナ装置のブロック図である。 この発明の実施の形態１による光制御型アレーアンテナ装置で使用する光変調パターンを示す説明図である。 この発明の実施の形態１による光制御型アレーアンテナ装置の動作を説明するグラフである。 この発明の実施の形態１による光制御型アレーアンテナ装置で使用する光変調パターンを示す説明図である。 この発明の実施の形態１による光制御型アレーアンテナ装置の動作を説明するグラフである。 この発明の実施の形態１による光制御型アレーアンテナ装置の動作を説明するグラフである。 この発明の実施の形態２による光制御型アレーアンテナ装置のブロック図である。

符号の説明

２０ 光出力手段、２６ 空間光変調手段、３０ 光合成手段、３２ 光変調パターン設定手段、３６ フーリエ変換手段、４２ サンプリング手段、４６ａ〜４６ｎ 光電変換手段、５０ａ〜５０ｎ 素子アンテナ、５２ 指向方向設定手段、５４ 記憶手段、９０ 分布調整手段。

Claims (2)

1. 入力無線信号の周波数に対応する周波数差を有する第１と第２のビーム光を出力する光出力手段と、光の強度変調特性の空間分布である光変調パターンが設定され、前記第１のビーム光の強度を空間変調して前記光変調パターンに応じた空間強度分布を有する第３のビーム光として出力する空間光変調手段と、前記第３のビーム光を空間的にフーリエ変換して第４のビーム光として出力するフーリエ変換手段と、前記第２のビーム光と前記第４のビーム光を合成して合成ビーム光として出力する光合成手段と、前記合成ビーム光を空間的にサンプリングして複数の信号光として出力するサンプリング手段と、前記複数の信号光をそれぞれ光電変換して前記入力無線信号と同一周波数の複数の出力無線信号として出力する光電変換手段と、前記複数の出力無線信号をそれぞれ電波として放射する複数の素子アンテナと、前記複数の素子アンテナから放射される電波を空間合成して得られるアンテナ放射ビームの指向方向を設定する指向方向設定手段と、前記指向方向と前記光変調パターンを対応付けて記憶する記憶手段と、前記指向方向設定手段により設定された前記指定方向をもとに、前記記憶手段に記憶された前記光変調パターンを選択して前記空間光変調手段に設定する光変調パターン設定手段とを備え、
   前記光変調パターンは、第１の光変調パターンと第２の光変調パターンを組み合わせたものであり、前記第１の光変調パターンが設定されたときに得られるアンテナ放射パターンと、前記第２の光変調パターンが設定されたときに得られるアンテナ放射パターンとが、特定の方位角において同利得かつ逆位相となることを特徴とする光制御型アレーアンテナ。
2. 前記第２のビーム光を所定の空間強度分布を有するビーム光に空間変調して前記光合成手段に出力する分布調整手段を備えた請求項１に記載の光制御型アレーアンテナ。

Images