JP4937164B2

JP4937164B2 - 光制御型マルチビームアンテナ

Info

Publication number: JP4937164B2
Application number: JP2008061353A
Authority: JP
Inventors: 秀夫住吉; 正人佐藤; 智浩秋山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2028-03-11
Also published as: JP2009218921A

Description

この発明は、光を用いることによって、形成される放射ビームを制御する光制御型マルチビームアンテナに関する。

従来の光制御型マルチビームアンテナは、アレイアンテナによって互いに独立な複数の放射ビーム（マルチビーム）を形成している（例えば、特許文献１参照）。
以下、この光制御型マルチビームアンテナにおいてマルチビームが形成される手順について説明する。

まず、レーザ光源で発生したレーザ光は、第１〜第３の分岐光に分岐される。続いて、第１および第２の分岐光の各々は、互いに異なる周波数を有するマイクロ波信号によって周波数変換される。周波数変換後の第１および第２の分岐光は、個別の反射型空間光強度変調素子により、放射ビームに対する所望の放射パターンに応じた強度分布を有する第１および第２の反射光に変調される。次に、第１および第２の反射光は、フーリエ変換レンズを透過した後、第３の分岐光と合成されて合成光となる。

続いて、合成光は、複数の光ファイバを含む光ファイバアレイによって光ファイバ毎にサンプリングされる。サンプリング後の合成光は、光電変換器により、複数のマイクロ波信号に光電変換される。次に、複数のマイクロ波信号の各々は、複数の放射素子を含むアレイアンテナに入力される。続いて、互いに独立な複数の放射ビームが、複数のマイクロ波信号によって給電されたアレイアンテナから空間に放射される。

特開２００３−３４７８２６号公報

しかしながら、従来技術には、次のような問題点があった。
すなわち、この光制御型アンテナでは、反射型空間光強度変調素子を用いて、放射ビームに対する所望の放射パターンに応じた強度分布を、周波数変換後の第１および第２の分岐光に付加している。
そのため、反射型空間光強度変調素子で反射されない分岐光は失われることとなり、大きな光強度の損失が発生するという問題点があった。
また、マルチビームを形成する場合、例えば２ビームを形成する場合には、レーザ光源で発生したレーザ光を３つに分岐しているので、１ビームあたりの光強度が低下する。また、ビーム数を増やした場合には、さらに１ビームあたりの光強度が低下するという問題点があった。

また、この光制御型マルチビームアンテナでは、アレイアンテナからの放射ビームのビーム幅を細くすべくアンテナの開口径を大きくすると、必要となる放射素子の数が開口径の増大に伴って増加する。
そのため、アンテナの開口径が大きな場合には、放射素子の数が多くなるので、装置が大型化して、重量が重くなるという問題点があった。

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あって、その目的は、光強度の損失を低減するとともに、アンテナの開口径が大きな場合であっても、少ない数の放射素子でマルチビームを形成することのできる光制御型マルチビームアンテナを提供することにある。

この発明に係る光制御型マルチビームアンテナは、複数のレーザ光を発生するレーザ光発生手段と、複数のレーザ光の各々に対応して設けられ、互いに異なる周波数を有するマイクロ波信号をそれぞれ発生する複数のマイクロ波発振器と、複数のレーザ光の各々に対応して設けられ、レーザ光発生手段からのレーザ光に対して、マイクロ波発振器からのマイクロ波信号に応じた変調を施し、変調後レーザ光としてそれぞれ出力する複数の光変調器と、複数の光変調器の各々に対応して設けられ、それぞれ複数の出力端を有し、光変調器からの変調後レーザ光を、少なくとも１つの出力端から出力する複数の光路切り替え手段と、それぞれが複数の光路切り替え手段の各々に接続され、複数の光路切り替え手段からの変調後レーザ光を合成して合成レーザ光をそれぞれ出力する複数の光合成手段と、複数の光合成手段の各々に対応して設けられ、光合成手段からの合成レーザ光をマイクロ波信号にそれぞれ変換する複数の光電変換手段と、複数の光電変換手段の各々に対応して設けられ、光電変換手段からのマイクロ波信号に応じた電磁波をそれぞれ放射する複数の放射素子と、複数の放射素子に対向して設けられ、複数の放射素子からの電磁波を周波数毎に合成して反射し、互いに独立な複数の放射ビームを形成するリフレクタと、リフレクタにより形成されるそれぞれの放射ビームの放射パターンが、所望の放射パターンを有するように、複数の光路切り替え手段の動作を制御する切り替え制御手段とを備えたものである。

この発明の光制御型マルチビームアンテナによれば、光路切り替え手段は、切り替え制御手段の制御により、光変調器からの変調後レーザ光を、少なくとも１つの出力端から光合成手段に出力する。
そのため、出力されずに失われる変調後レーザ光がなく、光強度の損失を低減することができる。
また、この発明の光制御型マルチビームアンテナでは、放射素子から放射された電磁波を、リフレクタで周波数毎に合成して反射することにより、互いに独立な複数の放射ビームを形成する。
そのため、アンテナの開口径が大きな場合であっても、少ない数の放射素子でマルチビームを形成することができ、装置を小型化および軽量化することができる。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
なお、以下の実施の形態では、光制御型マルチビームアンテナが衛星に搭載され、Ｎ個の互いに独立な放射ビーム♯１〜♯Ｎ（マルチビーム）を形成する場合について説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る光制御型マルチビームアンテナ（以下、「マルチビームアンテナ」と称する）を示すブロック構成図である。
図１において、このマルチビームアンテナは、レーザ光源１１〜１Ｎ（レーザ光発生手段）と、マイクロ波発振器２１〜２Ｎと、光変調器３１〜３Ｎと、熱光学型光スイッチ４１〜４Ｎ（光路切り替え手段）と、光カップラー５１〜５Ｍ（光合成手段）と、フォトダイオード６１〜６Ｍ（光電変換手段）と、電力増幅器７１〜７Ｍと、一次放射器８１〜８Ｍ（放射素子）と、リフレクタ９と、切り替え制御手段１０とを備えている。

ここで、レーザ光源１１〜１Ｎ、マイクロ波発振器２１〜２Ｎ、光変調器３１〜３Ｎ、および熱光学型光スイッチ４１〜４Ｎは、それぞれＮ個ずつ設けられている。また、光カップラー５１〜５Ｍ、フォトダイオード６１〜６Ｍ、電力増幅器７１〜７Ｍ、および一次放射器８１〜８Ｍは、それぞれＭ個ずつ設けられている。
また、熱光学型光スイッチ４１〜４Ｎ、光カップラー５１〜５Ｍおよび切り替え制御手段１０により、放射ビーム♯１〜♯Ｎの放射パターンを設定する回路であるビームフォーミングネットワーク（ＢｅａｍＦｏｒｍｉｎｇＮｅｔｗｏｒｋ）が構成されている。

以下、このマルチビームアンテナの機能について説明する。
レーザ光源１１〜１Ｎは、波長λ１のレーザ光をそれぞれ発生し、発生したレーザ光を光変調器３１〜３Ｎに出力する。なお、レーザ光源１（レーザ光源１１〜１Ｎを総称する場合には、レーザ光源１と記載する）が１個であって、発生した波長λ１のレーザ光を分岐して出力してもよい。
マイクロ波発振器２１〜２Ｎは、互いに異なる周波数（中心周波数）を有するマイクロ波信号をそれぞれ発生し、発生したマイクロ波信号を光変調器３１〜３Ｎに出力する。なお、マイクロ波発振器２１〜２Ｎで発生するマイクロ波信号は、それぞれ放射ビーム♯１〜♯Ｎに対応している。

光変調器３１〜３Ｎは、それぞれレーザ光源１１〜１Ｎからのレーザ光に対して、マイクロ波発振器２１〜２Ｎからのマイクロ波信号に応じた変調を施し、変調後レーザ光として熱光学型光スイッチ４１〜４Ｎに出力する。
ここで、光変調器３１〜３Ｎには、外部変調器であるＬＮ（ニオブ酸リチウム）変調器や電界吸収型（ＥＡ：ＥｌｅｃｔｒｏＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）変調器、または直接変調器等が用いられる。また、光変調器３１〜３Ｎは、要求される性能、コスト、またはサイズ等に応じて、最適なものが選択される。

熱光学型光スイッチ４１〜４Ｎは、それぞれ１個の入力端とＭ個の出力端とを有している。また、熱光学型光スイッチ４１〜４Ｎの各々について、Ｍ個の出力端は、Ｍ個の光カップラー５１〜５Ｍとそれぞれ一対一に接続されている。
ここで、熱光学型光スイッチ４１〜４Ｎは、温度制御によって変調後レーザ光の振幅レベルを調整するとともに、入力された変調後レーザ光の光路を光のまま切り替えて出力する。

また、熱光学型光スイッチ４１〜４Ｎは、それぞれ切り替え制御手段１０からの切り替え信号（後述する）に応じて光路を切り替え、光変調器３１〜３Ｎからの変調後レーザ光を、少なくとも１つの出力端から光カップラー５１〜５Ｍに出力する。また、熱光学型光スイッチ４１〜４Ｎは、それぞれ切り替え制御手段１０からの振幅制御信号（後述する）に応じて、光変調器３１〜３Ｎからの変調後レーザ光の振幅を調整して出力する。

例えば、光変調器３１からの変調後レーザ光を光カップラー５１のみに出力する場合には、熱光学型光スイッチ４１は、光カップラー５１に接続された出力端に光路を切り替え、変調後レーザ光を光カップラー５１に出力する。
また、例えば光変調器３１からの変調後レーザ光を光カップラー５１〜５Ｍの全てに出力する場合には、熱光学型光スイッチ４１は、光カップラー５１〜５Ｍに接続された出力端に光路を切り替え、変調後レーザ光を分岐して光カップラー５１〜５Ｍに出力する。

光カップラー５１〜５Ｍは、それぞれ熱光学型光スイッチ４１〜４Ｎの各々からの変調後レーザ光を合成して、合成レーザ光をそれぞれフォトダイオード６１〜６Ｍに出力する。
フォトダイオード６１〜６Ｍは、それぞれ光カップラー５１〜５Ｍからの合成レーザ光を、光信号から電気信号であるマイクロ波信号に変換し、マイクロ波信号を電力増幅器７１〜７Ｍに出力する。

電力増幅器７１〜７Ｍは、それぞれフォトダイオード６１〜６Ｍからのマイクロ波信号を所望の電力レベルまで増幅して、一次放射器８１〜８Ｍに出力する。
一次放射器８１〜８Ｍは、それぞれ電力増幅器７１〜７Ｍで増幅されたマイクロ波信号によって給電（励振）され、マイクロ波信号に応じた電磁波を空間に放射する。

リフレクタ９は、一次放射器８１〜８Ｍに対向して設けられている。また、リフレクタ９は、一次放射器８１〜８Ｍから空間に放射された電磁波を周波数毎に合成して反射し、互いに独立な複数の放射ビーム♯１〜♯Ｎを形成する。

ここで、リフレクタ９を備えたアンテナ（以下、「リフレクタアンテナ」と称する）によるマルチビームの形成について説明する。なお、一般的に、リフレクタアンテナは、アレイアンテナよりも少ない放射素子数でマルチビームを形成することができる。

まず、リフレクタアンテナには、クラスターフィード給電方式が適用されている。これは、１つの放射ビームを、複数（一般的には、３個または７個程度）の一次放射器８１〜８Ｍから放射される電磁波を合成して形成するというものである。そこで、複数の放射ビーム♯１〜♯Ｎについて、これら複数の一次放射器８１〜８Ｍをそれぞれ共有することにより、放射される電磁波を合成してマルチビームを形成することができる。

なお、マルチビームを形成したときに、各放射ビーム間のアイソレーションを確保するために、マイクロ波発振器２１〜２Ｎは、前述のように、放射ビーム♯１〜♯Ｎ毎に互いに異なる周波数を有するマイクロ波信号を発生している。これにより、フォトダイオード６１〜６Ｍで変換されたマイクロ波信号には、それぞれマイクロ波発振器２１〜２Ｎの各々で発生したマイクロ波信号の周波数成分が含まれることとなる。

すなわち、Ｎ個の放射ビームを形成するためには、Ｎ個のレーザ光源１、マイクロ波発振器２、光変調器３および熱光学型光スイッチ４が必要となる。また、光カップラー５、フォトダイオード６および電力増幅器７の数は、Ｎ個の放射ビームを形成するために必要となる一次放射器８の数（Ｍ）と基本的に同数となる。

続いて、切り替え制御手段１０について詳細に説明する。
切り替え制御手段１０は、複数の放射ビーム♯１〜♯Ｎに対する所望の放射パターンに応じて、熱光学型光スイッチ４１〜４Ｎにそれぞれ切り替え信号を出力し、熱光学型光スイッチ４１〜４Ｎの動作を制御する。

ここで、切り替え制御手段１０は、メモリを有しており、放射ビーム♯１〜♯Ｎに対する複数の放射パターンをあらかじめメモリに記憶している。放射パターンとしては、放射ビーム♯１〜♯Ｎのそれぞれが均一のビーム幅を有するパターンや、特定の放射ビームが他の放射ビームよりも細いビーム幅を有する放射パターン等が考えられる。

なお、放射ビームのビーム幅は、励振される一次放射器８の数を変えることによって変化させることができる。
例えば、５個の一次放射器８を励振して１個の放射ビームを形成する場合と、３個の一次放射器８を励振して１個の放射ビームを形成する場合とについて考える。３個の一次放射器８を励振して放射ビームを形成する場合には、５個の一次放射器８を励振した場合よりもリフレクタ９の開口面分布が均一分布に近づくので、ビーム幅が細くなる。
すなわち、励振される一次放射器８の数を変えることにより、柔軟なビーム形成が可能となる。

また、切り替え制御手段１０は、降雨量等外部からの状態情報に基づいて所望の放射パターンを選択し、選択した放射パターンに基づいて、熱光学型光スイッチ４１〜４Ｎにそれぞれ切り替え信号を出力する。また、切り替え制御手段１０は、選択した放射パターンに基づいて、熱光学型光スイッチ４１〜４Ｎに対して、変調後レーザ光の振幅レベルを調整する振幅制御信号を出力する。

具体的には、熱光学型光スイッチ４１に出力される切り替え信号には、放射ビーム♯１を形成するために、どの一次放射器８に光路を切り替えるのかという情報が含まれている。また、同様に、熱光学型光スイッチ４２〜４Ｎに出力される切り替え信号には、それぞれ放射ビーム♯２〜♯Ｎを形成するために、どの一次放射器８に光路を切り替えるのかという情報が含まれている。

この発明の実施の形態１に係るマルチビームアンテナによれば、熱光学型光スイッチ４１〜４Ｎは、切り替え制御手段１０からの切り替え信号に応じて光路を切り替え、光変調器３１〜３Ｎからの変調後レーザ光を、少なくとも１つの出力端から光カップラー５１〜５Ｍに出力する。
そのため、光カップラー５１〜５Ｍに出力されずに失われる変調後レーザ光がなく、光強度の損失を低減することができる。

また、このマルチビームアンテナでは、一次放射器８１〜８Ｍから空間に放射された電磁波を、リフレクタ９で周波数毎に合成して反射することにより、互いに独立な複数の放射ビーム♯１〜♯Ｎを形成する。
そのため、アンテナの開口径が大きな場合であっても、アレイアンテナに比べて少ない数の一次放射器８でマルチビームを形成することができ、装置を小型化および軽量化することができる。

また、このマルチビームアンテナでは、特定の放射ビームについて、熱光学型光スイッチ４によって変調後レーザ光の振幅レベルを上げ、かつビーム幅が細い放射パターンを選択することにより、特定の方向に対して強度の高い放射ビームを形成することができる。
そのため、例えば衛星から日本列島を網羅するようなマルチビームを形成する場合に、降雨地域のみに強度の高い放射ビームを供給することができ、少ない電力で衛星通信サービスの稼働率を向上させることができる。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２に係るマルチビームアンテナを示すブロック構成図である。
図２において、このマルチビームアンテナは、図１に示したレーザ光源１１〜１Ｎに代えて、Ｎ個の波長可変型レーザ光源１１１〜１１Ｎを備えている。また、このマルチビームアンテナは、図１に示した光カップラー５１〜５Ｍに代えて、Ｍ個のアレイ導波路回折格子１２１〜１２Ｍ（光合成手段）を備えている。
その他の構成については、上記実施の形態１と同様であり、その説明を省略する。

以下、このマルチビームアンテナの機能について説明する。上記実施の形態１と同様の機能については、その説明を省略する。
波長可変型レーザ光源１１１〜１１Ｎは、互いに異なる波長λ１、λ２、・・・、λＮのレーザ光をそれぞれ発生し、発生したレーザ光を光変調器３１〜３Ｎに出力する。なお、波長可変型レーザ光源１１１〜１１Ｎは、例えばレーザ光源の温度制御、または波長の互いに異なる複数のレーザ光源を切り替えて用いることによって実現される。

アレイ導波路回折格子１２１〜１２Ｍ（ＡＷＧ：ＡｒｒａｙｅｄＷａｖｅｇｕｉｄｅＧｒａｔｉｎｇ）は、それぞれ熱光学型光スイッチ４１〜４Ｎの各々からの変調後レーザ光を合成して、合成レーザ光をそれぞれフォトダイオード６１〜６Ｍに出力する。ここで、アレイ導波路回折格子１２１〜１２Ｍは、光変調器３１〜３Ｎにおいて互いに異なる波長λ１、λ２、・・・、λＮで変調された変調後レーザ光を、波長多重して合成レーザ光を生成する。

この発明の実施の形態２に係るマルチビームアンテナによれば、アレイ導波路回折格子１２１〜１２Ｍは、互いに異なる波長λ１、λ２、・・・、λＮで変調された変調後レーザ光を、波長多重して合成レーザ光を生成する。
そのため、上記実施の形態１に示した光カップラー５１〜５Ｍで変調後レーザ光を合成する際に発生する分配損失が発生せず、電力効率を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係る光制御型マルチビームアンテナを示すブロック構成図である。この発明の実施の形態２に係る光制御型マルチビームアンテナを示すブロック構成図である。

符号の説明

１１〜１Ｎレーザ光源（レーザ光発生手段）、２１〜２Ｎマイクロ波発振器、３１〜３Ｎ光変調器、４１〜４Ｎ熱光学型光スイッチ（光路切り替え手段）、５１〜５Ｍ光カップラー（光合成手段）、６１〜６Ｍフォトダイオード（光電変換手段）、８１〜８Ｍ一次放射器（放射素子）、９リフレクタ、１０切り替え制御手段、１１１〜１１Ｎ波長可変型レーザ光源（レーザ光発生手段）、１２１〜１２Ｍアレイ導波路回折格子（光合成手段）。

Claims

複数のレーザ光を発生するレーザ光発生手段と、
前記複数のレーザ光の各々に対応して設けられ、互いに異なる周波数を有するマイクロ波信号をそれぞれ発生する複数のマイクロ波発振器と、
前記複数のレーザ光の各々に対応して設けられ、前記レーザ光発生手段からのレーザ光に対して、マイクロ波発振器からのマイクロ波信号に応じた変調を施し、変調後レーザ光としてそれぞれ出力する複数の光変調器と、
前記複数の光変調器の各々に対応して設けられ、それぞれ複数の出力端を有し、光変調器からの変調後レーザ光を、少なくとも１つの出力端から出力する複数の光路切り替え手段と、
それぞれが前記複数の光路切り替え手段の各々に接続され、前記複数の光路切り替え手段からの変調後レーザ光を合成して合成レーザ光をそれぞれ出力する複数の光合成手段と、
前記複数の光合成手段の各々に対応して設けられ、光合成手段からの合成レーザ光をマイクロ波信号にそれぞれ変換する複数の光電変換手段と、
前記複数の光電変換手段の各々に対応して設けられ、光電変換手段からのマイクロ波信号に応じた電磁波をそれぞれ放射する複数の放射素子と、
前記複数の放射素子に対向して設けられ、前記複数の放射素子からの電磁波を周波数毎に合成して反射し、互いに独立な複数の放射ビームを形成するリフレクタと、
前記リフレクタにより形成されるそれぞれの放射ビームの放射パターンが、所望の放射パターンを有するように、前記複数の光路切り替え手段の動作を制御する切り替え制御手段と、
を備えたことを特徴とする光制御型マルチビームアンテナ。
前記レーザ光発生手段は、互いに等しい波長の複数のレーザ光を発生し、
前記複数の光合成手段は、前記複数の光路切り替え手段からの互いに等しい波長を有する変調後レーザ光を合成して前記合成レーザ光を生成することを特徴とする請求項１に記載の光制御型マルチビームアンテナ。
前記レーザ光発生手段は、互いに異なる波長の複数のレーザ光を発生し、
前記複数の光合成手段は、前記複数の光路切り替え手段からの互いに異なる波長を有する変調後レーザ光を波長多重して前記合成レーザ光を生成することを特徴とする請求項１に記載の光制御型マルチビームアンテナ。
前記複数の光路切り替え手段は、それぞれ光変調器からの変調後レーザ光の振幅を温度制御によって調整し、
前記切り替え制御手段は、前記リフレクタにより形成されるそれぞれの放射ビームが、所望の振幅に調整された変調後レーザ光に応じて形成されるとともに、所望の放射パターンを有するように、前記複数の光路切り替え手段の動作を制御することを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の光制御型マルチビームアンテナ。