JP4999732B2 - 光制御型フェーズドアレーアンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、光制御型フェーズドアレーアンテナ装置に関し、特に光制御型マイクロ波位相形成装置の改良に関するものである。

従来の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置に用いられる光制御型マイクロ波位相制御装置は、マイクロ波信号の周波数だけ周波数が異なる第１と第２のビーム光を放射し、第１のビーム光を信号光ビームとして空間光変調器によりアレーアンテナの各アンテナ素子への給電振幅および位相分布に変換し、第２のビーム光をローカル光ビームとして、信号光ビームとローカル光ビームとを空間的に重ね合わせ、かつ空間的にサンプリングし、サンプリング光を光電変換器によるヘテロダイン検波によりマイクロ波信号に変換した後、アレーアンテナを用いて空間に放射するように構成されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開平７−２０２５４７号公報（図２）

従来の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の光制御型マイクロ波位相制御装置は、空間光変調器の各素子で形成する振幅および位相信号とアレーアンテナの各素子への給電信号とが１対１に対応しているので、１つの空間光変調器では１つのマイクロ波位相波面しか形成することができず、複数のマイクロ波ビームを放射するアレーアンテナ用の給電信号を生成することができないという課題があった。

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、１つの空間光変調器で複数のマイクロ波位相面を同時に形成することのできる光制御型フェーズドアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明による光制御型フェーズドアレーアンテナ装置は、第１のマイクロ波信号を取り込む第１のマイクロ波信号入力端子と、第２のマイクロ波信号を取り込む第２のマイクロ波信号入力端子と、第１のマイクロ波信号の周波数だけ周波数偏移した第１の信号光と第１のローカル光とからなる２つのレーザ光を出力する第１の光源と、第２のマイクロ波信号の周波数だけ周波数偏移した第２の信号光と第２のローカル光とからなる２つのレーザ光を出力する第２の光源と、第１の信号光を所定のビーム幅に変換して第１の信号光ビームとして空間に出射する第１の信号光ビーム出射装置と、第２の信号光を所定のビーム幅に変換して第２の信号光ビームとして空間に出射する第２の信号光ビーム出射装置と、異なる領域に入力された第１および第２の信号光ビームを位相変調して所望の空間位相分布に変換する空間光位相変調器と、第１のローカル光を所定のビーム幅に変換して第１のローカル光ビームとして空間に出射する第１のローカル光ビーム出射装置と、第２のローカル光を所定のビーム幅に変換して第２のローカル光ビームとして空間に出射する第２のローカル光ビーム出射装置と、空間光位相変調器を介して出射された第１の信号光ビームと第１のローカル光ビーム出射装置から出射された第１のローカル光ビームとを同軸の光路に変換して第１の合成ビーム光を出射するとともに、空間光位相変調器を介して出射された第２の信号光ビームと第２のローカル光ビーム出射装置から出射された第２のローカル光ビームとを同軸の光路に変換して第２の合成ビーム光を出射する光ビーム合成器と、光ビーム合成器から出射された第１および第２の合成ビーム光を空間的にサンプリングする光ファイバアレーと、光ファイバアレーの各ファイバで受光した第１および第２の合成ビーム光をヘテロダイン検波によりマイクロ波信号に変換する複数の光電変換器と、複数の光電変換器から出力されたマイクロ波信号を空間に放射するアレーアンテナとを備えた光制御型フェーズドアレーアンテナ装置であって、アレーアンテナは、空間光位相変調器の異なる領域に対応して分割された第１および第２のサブアレーからなり、第１および第２のサブアレーは、それぞれのマイクロ波信号を個別に放射するものである。

この発明によれば、１つの空間光変調器で複数のマイクロ波位相面を同時に形成することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレーアンテナ装置を示すブロック構成図である。
図１において、光制御型フェーズドアレーアンテナ装置は、第１および第２のマイクロ波変調光源１０、２０と、第１および第２のマイクロ波信号を個別に取り込む第１および第２のマイクロ波信号入力端子１４、２４とを備えている。

また、光制御型フェーズドアレーアンテナ装置は、第１および第２の信号光ビーム出射装置１５、２５と、空間光位相変調器３０と、空間光位相変調器コントローラ３１と、第１および第２のローカル光ビーム出射装置４１、４３と、光ビーム合成器５０と、レンズアレー５３と、光ファイバアレー５４と、複数の光電変換器５５と、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナ５６とを備えている。

第１のマイクロ波変調光源１０は、第１のマイクロ波信号入力端子１４を介して入力された第１のマイクロ波信号の周波数だけ周波数偏移した第１の信号光と第１のローカル光とからなる２つのレーザ光を出力する。
同様に、第２のマイクロ波変調光源２０は、第２のマイクロ波信号入力端子２４を介して入力された第２のマイクロ波信号の周波数だけ周波数偏移した第２の信号光と第２のローカル光とからなる２つのレーザ光を出力する。

第１の信号光ビーム出射装置１５は、第１の信号光を所定のビーム幅に変換して第１の信号光ビーム１６として空間に出射する。
同様に、第２の信号光ビーム出射装置２５は、第２の信号光を所定のビーム幅に変換して第２の信号光ビーム２６として空間に出射する。
空間光位相変調器３０は、空間光位相変調器コントローラ３１の制御下で機能し、異なる領域に入力された第１および第２の信号光ビーム１６、２６を位相変調して所望の空間位相分布に変換する。

第１のローカル光ビーム出射装置４１は、第１のローカル光を所定のビーム幅に変換して第１のローカル光ビーム４２として空間に出射する。
同様に、第２のローカル光ビーム出射装置４３は、第２のローカル光を所定のビーム幅に変換して第２のローカル光ビーム４４として空間に出射する。

光ビーム合成器５０は、空間光位相変調器３０を介して出射された第１の信号光ビーム１７と第１のローカル光ビーム出射装置４１から出射された第１のローカル光ビーム４２とを同軸の光路に変換して第１の合成ビーム光Ｂ１を出射する。
また、光ビーム合成器５０は、空間光位相変調器３０を介して出射された第２の信号光ビーム２７と第２のローカル光ビーム出射装置４３から出射された第２のローカル光ビーム４４とを同軸の光路に変換して第２の合成ビーム光Ｂ２を出射する。

光ファイバアレー５４は、光ビーム合成器５０から出射された第１および第２の合成ビーム光Ｂ１、Ｂ２を空間的にサンプリングし、複数の光電変換器５５は、光ファイバアレー５４の各ファイバで受光した第１および第２の合成ビーム光Ｂ１、Ｂ２をヘテロダイン検波によりマイクロ波信号に変換する。
アレーアンテナ５６は、第１のマイクロ波ビーム６１を形成する第１のサブアレー５７と、第２のマイクロ波ビーム６２を形成する第２のサブアレー５８とからなり、複数の光電変換器５５から出力されたマイクロ波信号を空間に放射する。

次に、図１に示したこの発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の動作について説明する。
まず、第１のマイクロ波変調光源１０は、連続波（ＣＷ）光からなる第１のローカル光と、第１のローカル光に対して第１のマイクロ波信号の周波数だけ周波数がオフセットされた第１の信号光との２成分のレーザ光を出力する。
同様に、第２のマイクロ波変調光源２０は、第２のマイクロ波信号に基づき、第２の信号光および第２のローカル光を出力する。

このようなマイクロ波変調光源１０、２０は、たとえば、レーザ、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型光変調器（ＭＺ変調器）、光波長フィルタなどを組み合わせることにより実現することができる。すなわち、レーザから出射されたＣＷ光をＭＺ変調器で変調することにより、ＣＷ光に対してマイクロ波周波数だけオフセットされた側帯波が生成される。この側帯波とＣＷ光とを光波長フィルタで分離させることにより、信号光とローカル光とからなる２光波を出力させることができる。

各マイクロ波変調光源１０、２０からの第１および第２の信号光は、それぞれ、光ファイバやレンズなどで構成された第１および第２の信号光ビーム出射装置１５、２５を介して、所定のビーム幅の信号光ビーム１６、２６に変換され、空間光位相変調器３０上の異なる領域に入力される。

空間光位相変調器３０上の異なる領域に入力された第１および第２の信号光ビーム１６、２６は、それぞれ、空間光位相変調器コントローラ３１からの制御信号に応じて空間的に位相が変調され、所望の空間位相分布に変換された信号光ビーム１７および２７として空間光位相変調器３０から出射される。なお、空間光位相変調器３０としては、たとえば液晶素子などが適用される。
空間光位相変調器３０から出射された第１、第２の信号光ビーム１７、２７は、光ビーム合成器５０を介して、後述するように第１および第２の合成ビーム光Ｂ１、Ｂ２となり、光ファイバアレー５４に入射される。

一方、各マイクロ波変調光源１０、２０から出射された第１および第２のローカル光は、それぞれ、光ファイバやレンズなどで構成される第１および第２のローカル光ビーム出射装置４１、４３を介して、所定のビーム幅の第１および第２のローカル光ビーム４２、４４に変換される。

第１のおよび第２のローカル光ビーム４２、４４は、光ビーム合成器５０において、それぞれ、第１および第２の信号光ビーム１７、２７と空間的に重ね合わされ、各信号光ビーム１７、２７とともに第１および第２の合成ビーム光Ｂ１、Ｂ２に変換され、光ファイバアレー５４に入射されて空間的にサンプリングされる。
ここで、第１のローカル光ビーム４２は、第１の信号光ビーム１７と重ね合わされ、第２のローカル光ビーム４４は、第２の信号光ビーム２７と重ね合わされる。

なお、ここでは、光ファイバアレー５４の入射端側にレンズアレー５３を設け、光ファイバアレー５４を構成する各光ファイバへの入力光の結合効率を高めているが、光ファイバアレー５４に入射される第１および第２の合成ビーム光Ｂ１、Ｂ２の光量が十分な場合には、レンズアレー５３を省略してもよい。

光ファイバアレー５４内の各光ファイバに入射された第１および第２の合成ビーム光Ｂ１、Ｂ２（信号光およびローカル光）は、各光ファイバ中を伝搬し、光ファイバの後段に接続された各光電変換器５５に入力される。
各光電変換器５５に入力された第１および第２の合成ビーム光Ｂ１、Ｂ２は、ヘテロダイン検波によりマイクロ波信号に変換されて出力される。
各光電変換器５５から出力されたマイクロ波信号は、アレーアンテナ５６内の各アンテナ素子に入力され、第１および第２のマイクロ波ビーム６１、６２となって空間に放射される。

なお、各光電変換器５５とアレーアンテナ５６内のアンテナ素子との間には、マイクロ波信号の強度を調整するための増幅器や減衰器などを設けてもよく、また、信号帯域を制限するための帯域フィルタなどを設けてもよい。

次に、各光電変換器５５から出力されるマイクロ波信号について具体的に説明する。
ここで、光電変換器５５に入力された信号光Ｓの周波数をｆＳ１、ローカル光Ｌの周波数をｆＬ１とする。ただし、｜ｆＬ１−ｆＳ１｜は、第１または第２のマイクロ波信号の周波数（ｆｍ１）である。

空間光位相変調器３０による各信号光ビーム１６、２６への位相変調量をφ１とすると、各光電変換器５５に入力される信号光Ｓおよびローカル光Ｌ（第１および第２の合成ビーム光Ｂ１、Ｂ２に含まれる）は、以下の式（１）、式（２）で表される。

Ｓ＝ｃｏｓ｛２π（ｆｓ１）ｔ＋φ１｝ ・・・（１）
Ｌ＝ｃｏｓ｛２π（ｆＬ１）ｔ｝
＝ｃｏｓ｛２π（ｆｓ１−ｆｍ１）ｔ｝ ・・・（２）

ただし、式（１）、式（２）において、振幅は「１」、初期位相は「０」とする。
各光電変換器５５からは、以下の式（３）のように表される上記２つの成分の差Ｄが出力される。

Ｄ＝ｃｏｓ｛２π（ｆｓ１）ｔ＋φ１｝−ｃｏｓ｛２π（ｆｓ１−ｆｍ１）ｔ｝
＝ｃｏｓ（２π（ｆｍ１）ｔ＋φ１） ・・・（３）

このように、光電変換器５５においては、各マイクロ波変調光源１０、２０に入力されるマイクロ波信号の周波数ｆｍ１に基づき、空間光位相変調器３０で変調した位相量φ１のマイクロ波信号が生成される。
したがって、アレーアンテナ５６の各アンテナ素子に給電されるマイクロ波信号の位相分布は、空間光位相変調器３０で変調した位相分布と同一となる。

以上のように、この発明の実施の形態１（図１）によれば、第１の信号光および第２の信号光を空間的に分離して、空間光位相変調器３０により別々の領域で位相変調を行い、位相変調された第１の信号光ビーム１７と第１のローカル光ビーム４２との第１の合成ビーム光Ｂ１が入射される光ファイバ、光電変換器およびアンテナ素子と、位相変調された第２の信号光ビーム２７と第２のローカル光ビーム４４との第２の合成ビーム光Ｂ２が入射される光ファイバ、光電変換器およびアンテナ素子と、を分離しているので、第１および第２の合成ビーム光Ｂ１、Ｂ２をそれぞれ独立に制御することが可能となる。

したがって、アレーアンテナ５６内の第１のサブアレー５７により第１のマイクロ波ビーム６１が形成され、アレーアンテナ５６内の第２のサブアレー５８により第２のマイクロ波ビーム６２を形成することができる。

このように、空間光位相変調器３０内の異なる領域で、第１および第２の信号光ビーム１６、２６の位相分布を独立に制御し、アレーアンテナ５６の開口を複数（第１および第２）のサブアレー５７、５８に分割して使用することにより、アレーアンテナ５６から複数（第１および第２）のマイクロ波ビーム６１、６２を放射させ、かつ複数のマイクロ波ビーム６１、６２を独立に制御することが可能となる。

実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図１）では、信号光ビーム側のみに空間光位相変調器３０を設けたが、図２のように、ローカル光ビーム側に空間光強度変調器３２を設けてもよい。
図２はこの発明の実施の形態２に係る光制御型フェーズドアレーアンテナ装置を示すブロック構成図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。

図２においては、前述（図１）の構成に加えて、空間光強度変調器３２と空間光強度変調器コントローラ３３とが設けられている。
すなわち、第１および第２のローカル光ビーム出射装置４１、４３と光ビーム合成器５０との間には、空間光強度変調器コントローラ３３の制御下で機能する空間光強度変調器３２が挿入されている。
空間光強度変調器３２は、異なる領域に入力された第１および第２のローカル光ビーム４２、４４を強度変調し、所望の空間強度分布に変換した第１および第２のローカル光ビーム４５、４６として出射する。

次に、図２に示したこの実施の形態２に係る光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の動作について説明する。
前述と同様に、第１および第２のマイクロ波変調光源１０、２０から出射された第１および第２のローカル光は、第１および第２のローカル光ビーム出射装置４１、４３を介して所定のビーム幅に変換され、第１および第２のローカル光ビーム４２、４４となる。

続いて、第１および第２のローカル光ビーム４２、４４は、空間光強度変調器３２上の異なる領域に入力される。
空間光強度変調器３２は、空間光強度変調器コントローラ３３からの制御信号に応じて、第１および第２のローカル光ビーム４２、４４を空間的に強度変調し、所望の空間強度分布に変換されたローカル光ビーム４５および４６として出射する。
なお、空間光強度変調器３２としては、空間光位相変調器３０と同様に、液晶素子などが適用され得る。

以下、空間光強度変調器３２から出射された第１、第２のローカル光ビーム４５、４６は、前述の実施の形態１と同様に、光ビーム合成器５０に入射され、それぞれ、第１および第２の信号光ビーム１７、２７と空間的に合成されて、第１および第２の合成ビーム光Ｂ１、Ｂ２となり、光ファイバアレー５４において空間的にサンプリングされる。

光ファイバアレー５４で受光された第１および第２の合成ビーム光Ｂ１、Ｂ２（信号光およびローカル光）は、各光電変換器５５でのヘテロダイン検波によりマイクロ波に変換される。
このとき、各光電変換器５５で生成されるマイクロ波信号の強度は、信号光とローカル光との強度の積となるので、空間光強度変調器３２によりローカル光ビーム４５、４６の強度分布を制御することにより制御することができる。

これにより、アレーアンテナ５６の各アンテナ素子に給電されるマイクロ波信号の強度分布が制御可能となるので、第１および第２のアンテナ放射ビーム６１、６２のサイドローブ制御、ビーム幅制御など、ビーム形状に対する柔軟性を向上させることができる。

なお、上記実施の形態１、２では、２つのマイクロ波変調光源１０、２０を用いて２つの光ビームを発生させたが、３つ以上のマイクロ波変調光源（図示せず）を用いて、図１および図２と同様の空間光位相変調器３０、空間光強度変調器３２、光電変換器５５、アレーアンテナ５６を、それぞれ３つ以上の空間に分割することにより、３つ以上のマルチビームを実現可能なことは言うまでもない。

また、透過型の空間光位相変調器３０および空間光強度変調器３２を用いたが、それぞれ、反射型の空間光変調器を用いてもよく、前述と同等の作用効果を奏することは言うまでもない。
さらに、空間光位相変調器３０、空間光強度変調器３２およびアレーアンテナ５６などを１次元方向（図１、図２中の縦方向）に分割した例を示したが、２次元的に分割してもよいことは言うまでもない。

この発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレーアンテナ装置を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態２に係る光制御型フェーズドアレーアンテナ装置を示すブロック構成図である。

符号の説明

１０ 第１のマイクロ波変調光源（第１の光源）、２０ 第２のマイクロ波変調光源（第２の光源）、１４ 第１のマイクロ波信号入力端子、２４ 第２のマイクロ波信号入力端子、１５ 第１の信号光ビーム出射装置、２５ 第２の信号光ビーム出射装置、１６、１７ 第１の信号光ビーム、２６、２７ 第２の信号光ビーム、３０ 空間光位相変調器、３１ 空間光位相変調器コントローラ、３２ 空間光強度変調器、３３ 空間光強度変調器コントローラ、４１ 第１のローカル光ビーム出射装置、４３ 第２のローカル光ビーム出射装置、４２、４５ 第１のローカル光ビーム、４４、４６ 第２のローカル光ビーム、５０ 光ビーム合成器、Ｂ１ 第１の合成ビーム光、Ｂ２ 第２の合成ビーム光、５４ 光ファイバアレー、５５ 光電変換器、５６ アレーアンテナ。

Claims (2)

1. 第１のマイクロ波信号を取り込む第１のマイクロ波信号入力端子と、
   第２のマイクロ波信号を取り込む第２のマイクロ波信号入力端子と、
   前記第１のマイクロ波信号の周波数だけ周波数偏移した第１の信号光と第１のローカル光とからなる２つのレーザ光を出力する第１の光源と、
   前記第２のマイクロ波信号の周波数だけ周波数偏移した第２の信号光と第２のローカル光とからなる２つのレーザ光を出力する第２の光源と、
   前記第１の信号光を所定のビーム幅に変換して第１の信号光ビームとして空間に出射する第１の信号光ビーム出射装置と、
   前記第２の信号光を所定のビーム幅に変換して第２の信号光ビームとして空間に出射する第２の信号光ビーム出射装置と、
   異なる領域に入力された前記第１および第２の信号光ビームを位相変調して所望の空間位相分布に変換する空間光位相変調器と、
   前記第１のローカル光を所定のビーム幅に変換して第１のローカル光ビームとして空間に出射する第１のローカル光ビーム出射装置と、
   前記第２のローカル光を所定のビーム幅に変換して第２のローカル光ビームとして空間に出射する第２のローカル光ビーム出射装置と、
   前記空間光位相変調器を介して出射された第１の信号光ビームと前記第１のローカル光ビーム出射装置から出射された第１のローカル光ビームとを同軸の光路に変換して第１の合成ビーム光を出射するとともに、前記空間光位相変調器を介して出射された第２の信号光ビームと前記第２のローカル光ビーム出射装置から出射された第２のローカル光ビームとを同軸の光路に変換して第２の合成ビーム光を出射する光ビーム合成器と、
   前記光ビーム合成器から出射された前記第１および第２の合成ビーム光を空間的にサンプリングする光ファイバアレーと、
   前記光ファイバアレーの各ファイバで受光した前記第１および第２の合成ビーム光をヘテロダイン検波によりマイクロ波信号に変換する複数の光電変換器と、
   前記複数の光電変換器から出力されたマイクロ波信号を空間に放射するアレーアンテナと
   を備えた光制御型フェーズドアレーアンテナ装置であって、
   前記アレーアンテナは、前記空間光位相変調器の異なる領域に対応して分割された第１および第２のサブアレーからなり、
   前記第１および第２のサブアレーは、それぞれのマイクロ波信号を個別に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装置。
2. 前記第１および第２のローカル光ビーム出射装置と前記光ビーム合成器との間に挿入された空間光強度変調器を備え、
   前記空間光強度変調器は、異なる領域に入力された前記第１および第２のローカル光ビームを強度変調して所望の空間強度分布に変換することを特徴とする請求項１に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。

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