JP6394797B2 - 周波数同期装置及び周波数同期システム - Google Patents

Description

本発明は、周波数同期装置及び周波数同期システムに関するものである。

分散レーダシステムは、モノスタティックレーダとは異なり、レーダ波を送信する送信モジュールと物体から反射されたレーダ波を受信する受信モジュールとがそれぞれ複数箇所に配置されることを特徴とするレーダシステムである。分散レーダシステムに用いられる受信モジュールは異なる箇所に配置された受信モジュールと同一周波数にて動作することが必要である。このため、受信モジュールは無線及び有線を介して高精度の周波数の同期を行う必要があるが、移動体に搭載する場合は無線を介した周波数の同期を行う必要がある。

例えば、非特許文献に記載された従来の周波数同期装置は、各受信モジュールにおいて、ＧＰＳ信号を用いて受信モジュール間の周波数同期を行う分散レーダシステムに関するもので、ＧＰＳ受信機から出力されたＰＰＳ（Ｐｕｌｓｅ Ｐｅｒ Ｓｅｃｏｎｄ）信号と電圧制御水晶発振器の出力信号の分周結果とをデジタルの位相周波数比較器へ入力し位相比較を行う。そして、従来の周波数同期装置は、位相周波数比較器から出力される周波数誤差情報を、ＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ Ａｎａｌｏｇｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）にてアナログ信号へ変換し、アナログ電圧信号を電圧制御水晶発振器の周波数制御端子に入力することによって電圧制御水晶発振器に対して周波数制御をする。

従来の周波数同期装置は、このようにＧＰＳ信号を受信し、ＧＰＳ受信機から出力されるＰＰＳ信号を用いて周波数同期を行うことにより、各受信モジュールにて共通の周波数基準を保持することができる。

従来の周波数同期装置の場合、ＧＰＳ信号を用いることから、ＧＰＳ衛星間での時刻のずれ、周波数のずれの影響をそのまま受けることとなる。一般にＧＰＳ衛星間では時刻のずれとして数ナノ秒〜数十ナノ秒程度の誤差がある。よって、従来の周波数同期装置では、時刻のずれが１秒周期に対して１ナノ秒であった場合、１×１０^−９の精度の誤差を含むこととなり、それ以上の同期精度を得ることが難しい。

Ｈｕａｎｇ Ｙｕｌｉｎ 他２名、”Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｂｉｓｔａｔｉｃ Ｒａｄａｒ Ｓｙｓｔｅｍ”、ｐｐ．２２１９ − ２２２１、ＩＥＥＥ、２００６．

以上のように、上述した従来の周波数同期装置においては、ＧＰＳ信号を用いて周波数同期を行うことから、ＧＰＳシステムに含まれる誤差の影響を受けてしまい、高精度に周波数を同期することが困難であるという課題がある。一方、ＧＰＳ信号を用いずに、無線信号により周波数同期を行う場合、モジュール間の相対速度に起因するドップラー効果によって無線信号の周波数がシフトするため、同期させる信号の周波数がずれてしまうという課題がある。

本発明の目的は、このような状況を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＧＰＳ信号を用いずにモジュール間の周波数同期が可能な周波数同期装置を得るところにある。

本発明の周波数同期装置は、制御電圧によって発振信号の周波数を変化させ、発振信号を出力する電圧制御発振器と、ドップラー効果により周波数がシフトした発振信号が帰還信号として入力され、帰還信号と電圧制御発振器が出力した発振信号とを混合する混合器と、混合器が混合した混合信号を分周する分周器と、ドップラー効果により周波数がシフトした参照信号が入力され、参照信号の位相と分周器が分周した混合信号の位相とを比較し、位相差に応じた電流を出力する位相周波数比較器と、位相周波数比較器が出力する電流を電圧に変換し、電圧を電圧制御発振器の制御電圧として出力するループフィルタとを備える。

本発明によれば、独立して運動する２モジュール間において、ドップラー効果による周波数シフトの影響を取り除くことにより、高精度な周波数同期を行うことができる。

実施の形態１に係る周波数同期装置を航空機に搭載した場合の運用例を示す図である。 実施の形態１に係る周波数同期装置の一構成例を示す図である。 実施の形態２に係る周波数同期装置の一構成例を示す図である。 実施の形態３に係る周波数同期装置の一構成例を示す図である。 小数分周器の一構成例を示す図である。 実施の形態４に係る周波数同期装置の一構成例を示す図である。 ｆＰＬＬ回路の一構成例を示す図である。 実施の形態５に係る周波数同期装置の一構成例を示す図である。

実施の形態１
図１は、実施の形態１に係る周波数同期装置を航空機に搭載した場合の運用例を示す図である。

運用例では２機の航空機が無線を介して周波数同期を行っている。周波数基準を保持する航空機を航空機（主）１、周波数追従を行う航空機を航空機（従）２とする。以下の説明では、航空機（主）１を航空機１、航空機（従）２を航空機２と表記する。また、航空機１と航空機２は簡単のため、Ｘ−Ｙ平面上に存在するものとする。２機を結ぶ直線を基線６とし、Ｘ軸は基線６と並行方向、Ｙ軸は基線方向と垂直方向と規定する。それぞれ、航空機１は速度Ｖ_１にて図１に示した矢印の方向へ移動しており、航空機２は速度Ｖ_２にて移動している。

図１に示した運用例を説明する。航空機１は航空機２に対して基準信号（参照信号）３を送信する。基準信号３は、航空機１に搭載する発振器にて励振された連続波であるＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）信号である。無線通信に用いる電磁波は、Ｘ軸方向に沿った相対速度ｖに応じて、ドップラー効果の影響により周波数がシフトする。

相対速度ｖは、以下の式と定義する。
ｖ＝Ｖ_１Ｘ−Ｖ_２Ｘ
ここで、Ｖ_１ＸはＶ_１のＸ軸方向成分であり、Ｖ_２ＸはＶ_２のＸ軸方向成分である。

航空機１と航空機２とは、相対速度ｖで移動しているので、航空機２は、航空機１が出力する基準信号３へ直接同期をとった場合、ドップラー効果による周波数シフトにより誤差が生じる。このため、航空機２が基準信号３に対して周波数同期を行う場合、ドップラー効果による周波数シフトを補正して、周波数同期を行う必要がある。

図２は、実施の形態１に係る周波数同期装置の一構成例を示す図である。
図２において、１０は、航空機１に搭載されるマスタモジュール、２０は、航空機２に搭載されるスレーブモジュール、２００は、周波数同期回路である。

まず、マスタモジュール１０の構成について説明する。

マスタモジュール１０は、システムの基準信号３をスレーブモジュール２０へ送信するとともに、スレーブモジュール２０から送信された発振信号４を受信し、受信した発振信号４を分周して帰還信号５を生成し、スレーブモジュール２０へ帰還信号５を送信するモジュールである。マスタモジュール１０は、受信アンテナ１１、送信アンテナ１２、送信アンテナ１３、増幅器１０１、固定分周器１０２、増幅器１０３、発振器１０４、ＰＬＬ回路１０５、増幅器１０６を備える。

発振器１０４は、本システムの周波数の基準となる参照信号を励振する発振器である。発振器１０４は、ＰＬＬ回路１０５に接続され、固有の周波数ｆ_０にて発振し、参照信号をＰＬＬ回路１０５へ出力する。発振器１０４には、例えば、ルビジウム発振器等、周波数安定度の高い発振器が用いられる。

ＰＬＬ回路１０５は、発振器１０４が出力した参照信号が入力され、その参照信号のＭ_１倍の周波数の信号を、基準信号３として出力するＰＬＬ回路である。ここで、Ｍ_１は1以上の自然数である。ＰＬＬ回路１０５は、電圧制御発振器、位相周波数比較器、ループフィルタ、固定分周器から構成される。ＰＬＬ回路１０５は、発振器１０４と増幅器１０６とに接続され、発振器１０４から出力された参照信号に周波数同期した信号を基準信号３として増幅器１０６へ出力する。

増幅器１０６は、ＰＬＬ回路１０５が出力した基準信号３を増幅する増幅器である。増幅器１０６は、ＰＬＬ回路１０５と送信アンテナ１３とに接続され、ＰＬＬ回路１０５から出力された基準信号３を電力増幅し、送信アンテナ１３へ出力する。

送信アンテナ１３は、増幅器１０６が出力する基準信号３を放射するアンテナである。例えば、フェーズドアレーアンテナが用いられ。その場合、スレーブモジュール２０に設置された受信アンテナ２３を指向するよう電気的に制御されている。送信アンテナ１３は、入力された基準信号３を指向する方向へ放射する。送信アンテナ１３は、増幅器１０６に接続され、増幅器１０６から出力された基準信号３を受信アンテナ２３へ向けて放射する。

受信アンテナ１１は、スレーブモジュール２０の送信アンテナ２１が出力した発振信号４を受信するアンテナである。例えば、受信アンテナ１１には、フェーズドアレーアンテナが用いられる。その場合、スレーブモジュール２０に設置された送信アンテナ２１を指向するよう電気的に制御されている。受信アンテナ１１は、指向する方向から到来した発振信号４を受信する。受信アンテナ１１は、増幅器１０１に接続され、スレーブモジュール２０に設置された送信アンテナ２１から放射された発振信号４を受信し、増幅器１０１へ出力する。

増幅器１０１は、受信アンテナ１１が受信した発振信号４を増幅する増幅器である。例えば、増幅器１０１は、ディスクリートのトランジスタを用いて構成される。増幅器１０１は、受信アンテナ１１と固定分周器１０２とに接続され、受信アンテナ１１から出力された発振信号４を増幅し、増幅した発振信号４を固定分周器１０２へ出力する。

固定分周器１０２は、増幅器１０１が出力した信号を分周する分周器である。固定分周器１０２は、例えば、プリスケーラＩＣで構成される。固定分周器１０２は、増幅器１０１と増幅器１０３とに接続され、増幅器１０１より出力された信号を分周比Ｎで分周し、分周した信号を増幅器１０３へ出力する。ここで、Ｎは整数である。

増幅器１０３は、固定分周器１０２が出力した信号を増幅する増幅器である。増幅器１０３は、固定分周器１０２と送信アンテナ１２とに接続され、固定分周器１０２から出力された信号を増幅し、送信アンテナ１２へ出力する。

送信アンテナ１２は、増幅器１０３が出力した信号を、帰還信号５として放射するアンテナである。例えば、送信アンテナ１２には、フェーズドアレーアンテナが用いられる。その場合、スレーブモジュール２０に設置された受信アンテナ２２を指向するよう電気的に制御されている。送信アンテナ１２は、帰還信号５を指向する方向へ放射する。送信アンテナ１２は、増幅器１０３に接続され、増幅器１０３から出力された帰還信号５を受信アンテナ２２へ向けて放射する。

次に、スレーブモジュール２０の構成について説明する。

スレーブモジュール２０は、マスタモジュール１０から基準信号３を受信するとともに、自身で発振させた発振信号４をマスタモジュール１０に送信し、返送される帰還信号５を受信し、基準信号３と帰還信号５に基づいて発振周波数を調整し、周波数同期を行うモジュールである。

スレーブモジュール２０は、送信アンテナ２１（第１のアンテナの一例）、受信アンテナ２２（第２のアンテナの一例）、受信アンテナ２３、増幅器２０３、増幅器２０４、増幅器２０９、周波数同期回路２００を備え、周波数同期回路２００は、電圧制御発振器２０１（電圧制御発振器の一例）、電力分配器２０２、固定分周器２０５、ミクサ２０６（混合器の一例）、ＢＰＦ２０７、固定分周器２０８（分周器の一例）、固定分周器２１０、位相周波数比較器２１１（位相周波数比較器の一例）、ループフィルタ２１２（ループフィルタの一例）を備える。

受信アンテナ２３は、マスタモジュール１０の送信アンテナ１３が出力した基準信号３を受信するアンテナである。例えば、受信アンテナ２３には、フェーズドアレーアンテナが用いられる。その場合、マスタモジュール１０に設置された送信アンテナ１３を指向するよう電気的に制御されている。受信アンテナ２３は、指向する方向から到来した基準信号３を受信する。受信アンテナ２３は、増幅器２０９に接続され、基準信号３を受信し、増幅器２０９へ出力する。

増幅器２０９は、受信アンテナ２３が受信した基準信号３を増幅する増幅器である。例えば、増幅器２０９は、ディスクリートのトランジスタを用いて構成される。増幅器２０９は受信アンテナ２３と固定分周器２１０へ接続され、基準信号３を増幅し、固定分周器２１０へ出力する。

固定分周器２１０は、増幅器２０９が出力した信号を分周する固定分周器である。固定分周器２１０は、例えば、プリスケーラＩＣで構成される。固定分周器２１０は、増幅器２０９と位相周波数比較器２１１とに接続され、増幅器２０９が出力した信号を固定分周比Ｍ_１で分周し、分周した信号を位相周波数比較器２１１へ出力する。

位相周波数比較器２１１は、固定分周器２１０が出力した信号と固定分周器２０８が出力した信号とのの位相差を検出し、その位相差に対応する電流信号を出力する位相周波数比較器である。位相周波数比較器２１１は、例えば、高速動作する排他論理和回路とその出力に応じて電流を出力するチャージポンプ回路とで構成される。位相周波数比較器２１１は、固定分周器２０８、固定分周器２１０及びループフィルタ２１２に接続され、固定分周器２０８が出力した信号と固定分周器２１０が出力した信号との位相を比較し、その位相差に対応する電流信号をループフィルタ２１２へ出力する。

ループフィルタ２１２は、位相周波数比較器２１１が出力した電流信号を平滑化するとともに、電流信号を電圧信号に変換するループフィルタである。ループフィルタ２１２は、位相周波数比較器２１１と電圧制御発振器２０１とに接続され、位相周波数比較器２１１が出力した電流信号の高周波成分を遮断することで、平滑化を行い、平滑化した電流信号を電圧信号に変換し、電圧信号を電圧制御発振器２０１へ出力する。

電圧制御発振器２０１は、ループフィルタ２１２が出力した電圧信号に応じて、発振周波数を可変させる電圧制御発振器である。電圧制御発振器２０１は、例えば、バラクタ等の容量可変デバイスとトランジスタとを組み合わせて構成される。電圧制御発振器２０１は、ループフィルタ２１２と電力分配器２０２とに接続され、電力分配器２０２へループフィルタ２１２から出力された電圧信号に基づいて発振信号の周波数を変化させ、発振信号４を電力分配器２０２に出力する。

電力分配器２０２は、電圧制御発振器２０１が出力した発振信号４を２経路に分配する電力分配器である。電力分配器２０２は、例えば、ウィルキンソン型分配器等が用いられる。電力分配器２０２は、電圧制御発振器２０１、増幅器２０３及び固定分周器２０５に接続され、電圧制御発振器２０１が出力した発振信号４を、増幅器２０３と固定分周器２０５とに電力分配する。

増幅器２０３は、電力分配器２０２が出力した一方の発振信号４を増幅する増幅器である。増幅器２０３は、電力分配器２０２と送信アンテナ２１とに接続され、電力分配器２０２が出力した発振信号４を増幅し、増幅した発振信号４を送信アンテナ２１へ出力する。

送信アンテナ２１は、増幅器２０３が出力した発振信号４を放射するアンテナである。例えば、送信アンテナ２１には、フェーズドアレーアンテナが用いられる。その場合、マスタモジュール１０に設置された受信アンテナ１１を指向するよう電気的に制御されている。送信アンテナ２１は、入力された発振信号４を指向する方向へ放射する。送信アンテナ２１は増幅器２０３へ接続され、増幅器２０３が出力した発振信号４を受信アンテナ１１へ向けて放射する。

受信アンテナ２２は、マスタモジュール１０の送信アンテナ１２が出力した帰還信号５を受信するアンテナである。受信アンテナ２２は、例えば、フェーズドアレーアンテナが用いられる。受信アンテナ２２は、マスタモジュール１０に設置された送信アンテナ１２を指向するよう電気的に制御されている。受信アンテナ２２は、指向する方向から到来した帰還信号５を受信する。受信アンテナ２２は、増幅器２０４に接続され、マスタモジュール１０に設置された送信アンテナ１２が放射した帰還信号５を受信し、増幅器２０４へ出力する。

増幅器２０４は、受信アンテナ２２が受信した帰還信号５を増幅する増幅器である。増幅器２０４は、例えば、ディスクリートのトランジスタを用いて構成される。増幅器２０４は、受信アンテナ２２とミクサ２０６とに接続され、受信アンテナ２２が受信した帰還信号５を増幅し、増幅した帰還信号５をミクサ２０６へ出力する。

固定分周器２０５は、電力分配器２０２が出力した他方の信号を分周する固定分周器である。固定分周器２０５は、例えば、プリスケーラＩＣで構成される。固定分周器２０５は、電力分配器２０２とミクサ２０６とに接続され、電力分配器２０２が出力した他方の信号を分周比Ｎで分周し、分周した信号をミクサ２０６へ出力する。

ミクサ２０６は、固定分周器２０５が出力した信号と増幅器２０４が出力した信号とを混合するミクサである。ミクサ２０６は、例えば、ダイオードの非線形性を利用して混合するダイオードミクサ等が用いられる。ミクサ２０６のＩＦ端子は増幅器２０４と、ＬＯ端子は固定分周器２０５と、ＲＦ端子はＢＰＦ（Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）２０７とに接続され、増幅器２０４が出力した信号と固定分周器２０５が出力した信号とを混合し、混合した信号（以下、混合信号と言う）をＢＰＦ２０７へ出力する。

ＢＰＦ２０７は、ミクサ２０６が出力した混合信号のうち、特定の周波数帯域の信号を通過させ、その他の周波数帯域の信号を反射させるＢＰＦである。ＢＰＦ２０７は、例えば、チップインダクタ、チップキャパシタ等を用いて実装される。ＢＰＦ２０７は、通過させる周波数帯や必要な抑圧量に応じて、マイクロストリップ線路や同軸共振器等の共振器を用いて構成してもよい。ＢＰＦ２０７は、ミクサ２０６と固定分周器２０８とに接続され、ミクサ２０６が出力した混合信号のうち、固定分周器２０５が出力した信号と増幅器２０４が出力した信号との和周波信号を通過させ、固定分周器２０８へ出力する。

固定分周器２０８は、ＢＰＦ２０７が出力する信号を分周する固定分周器である。固定分周器２０８は、例えば、プリスケーラＩＣで構成される。固定分周器２０８は、ＢＰＦ２０７と位相周波数比較器２１１とに接続され、ＢＰＦ２０７が出力した和周波信号を分周比２／Ｎで分周し、位相周波数比較器２１１へ出力する。なお、分周比は、２以外の偶数であっても良い。

次に、実施の形態１に係る周波数同期回路２００の動作について説明する。

周波数同期回路２００が周波数を同期させる動作は、第１から第４の動作により実行される。各動作は時間的には、ほぼ同時に行われるが、それぞれの動作に分けて説明する。

第１の動作は、マスタモジュール１０が、基準信号３をスレーブモジュール２０へ送信する動作である。第２の動作は、スレーブモジュール２０が、発振信号４をマスタモジュール１０へ送信し、マスタモジュール１０から帰還される帰還信号５をスレーブモジュール２０にて受信する動作である。第３の動作は、スレーブモジュール２０が、受信した帰還信号５と発振信号４とを用いてドップラー周波数シフトを算出する動作である。第４の動作は、スレーブモジュール２０が、受信した基準信号３、発振信号４及びマスタモジュール１０からの帰還信号５に基づいてドップラー周波数シフトの影響を除去し、マスタモジュール１０に対して周波数同期を行う動作である。

まず、第１の動作について説明する。

マスタモジュール１０において、発振器１０４は、周波数ｆ_０の参照信号をＰＬＬ回路１０５に出力する。ＰＬＬ回路１０５は、発振器１０４の参照信号を逓倍数Ｍ_１で逓倍し、逓倍した信号を基準信号３として、増幅器１０６に出力する。

増幅器１０６は、基準信号３を増幅し、送信アンテナ１３に出力する。基準信号３をＳ_１とすると、その周波数は、以下の式（１）で表される。

ここで、ｆ_１は基準信号３の周波数である。ｆ_０は発振器１０４の発振周波数、Ｍ_１はＰＬＬ回路１０５における逓倍数である。

送信アンテナ１３は、増幅器１０６が出力した基準信号３を受信アンテナ２３に向けて放射する。

スレーブモジュール２０の受信アンテナ２３は、マスタモジュール１０の送信アンテナ１３が放射した基準信号３を受信する。受信アンテナ２３が受信した信号は、ドップラー効果の影響を受けるため、Ｓ_１と周波数が異なる。受信アンテナ２３が受信した信号をＳ_２とすると、Ｓ_２信号の周波数は、以下の式（２）で表される。

（１＋ｖ／ｃ）が、ドップラー効果による周波数シフトを示す項である。ｖは、マスタモジュール１０とスレーブモジュール２０の基線６方向の相対速度である。ｃは光速である。受信アンテナ２３は、Ｓ１ｂ−１を増幅器２０９に出力する。

増幅器２０９は、Ｓ_２を増幅し、増幅したＳ_２を固定分周器２１０へ出力する。

固定分周器２１０は、Ｓ_２信号を分周比Ｍ_１で分周し、分周した信号を位相周波数比較器２１１へ出力する。位相周波数比較器２１１へ出力される信号をＳ_３信号とすると、その周波数は、以下の式（３）の通りである。

次に、第２の動作について説明する。

スレーブモジュール２０において、電圧制御発振器２０１は、周波数ｆ_２で発振し、発振信号４を電力分配器２０２に出力する。発振信号４をＳ_４とする。このＳ_４信号は、以下の式（４）で算出される周波数である。

ここで、ｆ_２は、マスタモジュール１０に対して、周波数同期を行う前の電圧制御発振器２０１の発振周波数である。

電力分配器２０２は、Ｓ_４信号を２分配する。電力分配器２０２は、一方のＳ_４信号を増幅器２０３に出力し、他方のＳ_４信号を固定分周器２０５に出力する。

増幅器２０３は、電力分配器２０２が出力したＳ_４信号を増幅し、増幅したＳ_４信号を送信アンテナ２１に出力する。

送信アンテナ２１は、増幅器２０３が出力したＳ_４信号を、発振信号４としてマスタモジュール１０の受信アンテナ１１に向けて放射する。

受信アンテナ１１は、送信アンテナ２１が出力した発振信号４を受信し、受信した発振信号４を増幅器１０１に出力する。受信アンテナ１１が受信した発振信号４は、ドップラー効果による周波数シフトを受けるため、その周波数は、Ｓ_４と異なる。受信アンテナ１１が受信した発振信号４をＳ_５とすると、Ｓ_５は、以下の式（５）で算出される周波数である。

増幅器１０１は、受信アンテナ１１が出力したＳ_５信号を増幅し、増幅したＳ_５を固定分周器１０２に出力する。

固定分周器１０２は、増幅器１０１が出力したＳ_５信号を分周比Ｎで分周し、増幅器１０３に出力する。ここで、Ｎは１以上の自然数である。分周されたＳ_５信号をＳ_６信号とすると、Ｓ_２ｃ−１信号の周波数は、以下の式（６）で表される。この固定分周器１０２によって、マスタモジュールの受信信号である発振信号４と送信信号である帰還信号５はそれぞれ異なる周波数となり、マスタモジュール内における受信回路、送信回路間の信号の干渉を回避することが容易となる。

増幅器１０３は、固定分周器１０２が出力したＳ_６信号を増幅し、増幅したＳ_６信号を送信アンテナ１２に出力する。

送信アンテナ１２は、増幅器１０３が出力したＳ_６信号を、帰還信号５としてスレーブモジュール２０の受信アンテナ２２に向けて放射する。

受信アンテナ２２は、送信アンテナ１２が出力した帰還信号５を受信し、受信した帰還信号５を増幅器２０４に出力する。受信アンテナ２２が受信した帰還信号５は、ドップラー効果による周波数シフトを受けるため、Ｓ_６信号と周波数が異なる。受信アンテナ２２が受信した帰還信号５をＳ_７信号とすると、その周波数は以下の式（７）で表される。なお、マスタモジュール１０が発振信号４を受信して帰還信号５を出力する間に、相対速度ｖが変化する可能性はあるが、発振信号４を受信して帰還信号５を出力する時間は短く、ｖの変化は微小であるため、マスタモジュール１０が発振信号４を受信して帰還信号５を出力する間における相対速度ｖの変化は無視する。

増幅器２０４は、受信アンテナ２２が出力したＳ_７信号を増幅し、増幅したＳ_７信号をミクサ２０６に出力する。

次に、第３の動作を説明する。

電力分配器２０２で分岐されたもう一方の発振信号４は、固定分周器２０５に入力される。固定分周器２０５は、電力分配器２０２が分岐した発振信号４を分周比Ｎで分周し、ミクサ６に出力する。固定分周器２０５が分周した発振信号４をＳ_８信号とすると、Ｓ_８信号の周波数は、以下の式（８）で表される。固定分周器２０５によって発振信号４と固定分周器１０２の出力である帰還信号５の分周比が同一となり、分周による影響を取り除くことが可能となる。

ミクサ２０６には、Ｓ_７信号及びＳ_８信号の２つの信号が入力される。ミクサ２０６は、この２つの信号をミキシングする。ミキシングの結果、ミクサ２０６は、Ｓ_７信号のｍ倍の高調波及びＳ_８信号のｎ倍の高調波の混合信号を出力する。その混合信号をＳ_９とすると、その周波数は、以下の式（９）で表される。ここで、ｍ、ｎは、整数である。

ＢＰＦ２０７は、ミクサ２０６が出力したＳ_９信号のうち、ｍ＝１、ｎ＝１の組合せの周波数をもつ信号、つまり、Ｓ_７信号の基本波とＳ_８信号の基本波とを足した和信号を通過させる。ＢＰＦ２０７を通過する信号をＳ_１０とすると、その周波数は、以下の式（１０）となる。

ここで、Ｓ_１０信号に含まれる（ｖ／ｃ）^２の項は、他の項に比べて値が小さいため、無視できる。例えば、ｖを１０[ｍ／ｓｅｃ]とし、ｃを３．０×１０^８[ｍ／ｓｅｃ]とすると、（ｖ／ｃ）^２＝１１．１×１０^−１６となり、２×ｖ／ｃ＝６．６６×１０^−８に比べて、非常に小さい値となる。

固定分周器２０８は、ＢＰＦ２０７が出力したＳ_１０信号を分周比２／Ｎで分周し、位相周波数比較器２１１に出力する。固定分周器２０８が出力する信号をＳ_１１とすると、その周波数は、以下の式（１１）で表される。

このことから、スレーブモジュール２０側において、ドップラー効果の影響を片道分受けた場合、つまり基準信号３と同じ周波数シフトをもつ発振信号４を得ることができる。

次に、第４の動作を説明する。

位相周波数比較器２１１には、固定分周器２１０が出力するＳ_３信号及び固定分周器２０８が出力するＳ_１１信号が入力される。両者の信号の差分は、以下の式（１２）で表される。

位相周波数比較器２１１は、この周波数の差分に対応する電流信号をループフィルタ２１２に出力する。なお、位相周波数比較器２１１は、厳密には両者の信号の位相を比較するが、位相は周波数の積分結果であることから、位相が異なるということは周波数が異なることと考えることができるので、位相差と周波数差とは同義と捉えて良い。

この周波数の差分に応じた電流信号は、ループフィルタ２１２において電圧信号に変換され、電圧制御発振器２０１へ出力される。電圧制御発振器２０１は、その電圧に応じて発振周波数を可変する。電圧制御発振器２０１は、位相周波数比較器２１１によりフィードバック制御され、位相周波数比較器２１１は、Ｓ_１１の周波数−Ｓ_３の周波数が０になるように、電圧制御発振器２０１を制御するので、最終的には、電圧制御発振器２０１の発振周波数は、ｆ_２⇒ｆ_０に変化する。つまり、スレーブモジュール２０の電圧制御発振器２０１は、マスタモジュール１０の参照信号の周波数に対して、発振周波数を同期させる。

以上の通り、実施の形態１によれば、独立して運動する２モジュール間において、ドップラー効果による周波数シフトの影響を取り除いて周波数同期を行うことができる。また、ＰＬＬ回路１０５、固定分周器１０２にそれぞれ別の逓倍比または分周比を設定することより、基準信号３、発振信号４、帰還信号５は、すべて異なる周波数とすることができ、容易に信号の分離が可能となる。これにより、信号間の混信を防ぎ、高精度な周波数同期を行うことができる。

なお、固定分周器２０８は、２／Ｎが１未満の場合、逓倍比Ｎ／２の逓倍器に置き換えても良い。また、２／Ｎ＝１の場合、つまりＮ＝２の場合、固定分周器２０８は削除して良い。

実施の形態２
実施の形態１では、マスタモジュール１０、スレーブモジュール２０間の基準信号３、発振信号４、帰還信号５の送受信は全て異なるアンテナにて実施していた。実施の形態２では、発振信号４及び帰還信号５のアンテナを共通化し、小形化できる構成について説明する。

図３は、実施の形態２に係る周波数同期装置の一構成例を示す図である。本実施の形態では、発振信号４、帰還信号５の送信または受信のアンテナを、送受信アンテナ１４及び送受信アンテナ２４を用いて共通化している。また、実施の形態１と比べて固定分周器１０２、固定分周器２０５を削除している。

まず、マスタモジュール１０において、実施の形態１と異なる構成について説明する。

マスタモジュール１０では、固定分周器１０２が削除され、増幅器１０１と増幅器１０３が接続されている。また、送受信アンテナ１４は、サーキュレータ１２０に接続され、サーキュレータ１２０により発振信号４と帰還信号５とを分離している。

送受信アンテナ１４は、発振信号４、帰還信号５を送受信するアンテナである。例えば、送受信アンテナ１４には、パッチアンテナが用いられる。その場合、スレーブモジュール２０に設置された送受信アンテナ２４を指向するよう機械的に制御されている。送受信アンテナ１４は、サーキュレータ１２０に接続される。送受信アンテナ１４は指向する方向から到来した発振信号４を受信し、受信した発振信号４をサーキュレータ１２０に出力する。また、送受信アンテナ１４は、サーキュレータ１２０が出力する帰還信号５を指向する方向へ放射する。

サーキュレータ１２０は、３つのポートを持ち、入力された信号の方向性から出力するポートを選んで信号を出力する機能を持つサーキュレータである。サーキュレータ１２０は、通常、誘電体等で構成される。サーキュレータ１２０は、送受信アンテナ１４と、増幅器１０１と、増幅器１０３とに接続され、送受信アンテナ１４が受信した発振信号４を増幅器１０１へ出力する。また、増幅器１０３が出力した帰還信号５を送受信アンテナ１４へ出力する。

次にスレーブモジュール２０において、実施の形態１と異なる構成について説明する。

送信アンテナ２１及び受信アンテナ２２の代わりに、送受信アンテナ２４（第３のアンテナの一例）が接続され、サーキュレータ２２０（サーキュレータの一例）にて受信する発振信号４と帰還信号５を分離している。また、スレーブモジュール２０では固定分周器２０５が削除され、固定分周器２０８の分周比は２／Ｎから２へ変更されている。

送受信アンテナ２４は、発振信号４、帰還信号５を送受信するアンテナである。例えば、送受信アンテナ２４には、パッチアンテナが用いられる。その場合、マスタモジュール１０に設置された送受信アンテナ１４を指向するよう機械的に制御されている。また、送受信アンテナ２４は、サーキュレータ２２０に接続される。送受信アンテナ２４は、サーキュレータ２２０が出力する発振信号４を指向する方向へ放射する。また、指向する方向から到来した帰還信号５を受信する。送受信アンテナ２４は、受信した帰還信号５をサーキュレータ２２０へ出力する。

サーキュレータ２２０は、３つのポートを持ち、入力された信号の方向性から出力するポートを選んで信号を出力する機能を持つ。サーキュレータ２２０は、誘電体等で構成される。サーキュレータ２２０は、送受信アンテナ２４と、増幅器２０３と、増幅器２０４とに接続され、増幅器２０３が出力した発振信号４を送受信アンテナ２４へ出力する。また、送受信アンテナ２４が受信した帰還信号５を増幅器２０３へ出力する。

次に、実施の形態２の周波数同期装置の動作を説明する。
本説明では実施の形態１と異なる動作を中心に説明する。

基準信号３をマスタモジュール１０からスレーブモジュール２０へ供給する第１の動作は、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

次に、発振信号４をスレーブモジュール２０からマスタモジュール１０へ送信し、さらにマスタモジュール１０から送信した帰還信号５をスレーブモジュール２０にて受信する第２の動作を説明する。

スレーブモジュール２０側に設置された増幅器２０３は、電圧制御発振器２０１にて発振した発振信号４を増幅し、後段のサーキュレータ２２０へ出力する。サーキュレータ２２０は、増幅器２０３から入力された発振信号４を送受信アンテナ２４へ出力し、このとき、増幅器２０４へは発振信号４を出力しない。送受信アンテナ２４は、サーキュレータ２２０が出力した発振信号４をマスタモジュール１０に設置された送受信アンテナ１４へ向けて放射する。

マスタモジュール１０側に設置された送受信アンテナ１４は、発振信号４を受信し、サーキュレータ１２０へ出力する。サーキュレータ１２０は、送受信アンテナ１４が出力した発振信号４を増幅器１０１へ出力し、このとき、増幅器１０３へは発振信号４を出力しない。この発振信号４は、増幅器１０３を介して、帰還信号５としてサーキュレータ１２０へ入力される。この信号をＳ_６信号とすると、Ｓ_６信号の周波数は以下の式（１３）の通りとなる。

ここで、ｆ_２は、電圧制御発振器２０１の発振周波数である。（１＋ｖ／ｃ）はドップラーシフト効果による項である。

サーキュレータ１２０は、Ｓ_６信号を送受信アンテナ１４へ出力し、このとき増幅器１０１へは出力しない。送受信アンテナ１４は、Ｓ_６信号を帰還信号５としてスレーブモジュール２０側に設置された送受信アンテナ２４へ向けて放射する。

スレーブモジュール２０側に設置された送受信アンテナ２４は、帰還信号５を受信し、サーキュレータ２２０へ出力する。サーキュレータ２２０は、帰還信号５を、増幅器２０４を介して、ミクサ２０６へ出力する。この信号をＳ_７信号とすると、Ｓ_７信号の周波数は以下の式（１４）の通りとなる。

次に、スレーブモジュール２０にて受信した帰還信号５と発振信号４を用いてドップラー周波数シフトを算出する第３の動作を説明する。

電力分配器２０２で分岐されたもう一方の発振信号４は、そのままミクサ２０６へ入力される。この信号をＳ_８信号とすると、Ｓ_８信号の周波数は以下の式（１５）の通りとなる。

ミクサ２０６には、帰還信号５（Ｓ_７）と発振信号４（Ｓ_８）の２つの信号が入力される。ミクサ２０６は、この２つの信号をミキシングし、Ｓ_７とＳ_８との混合信号をＢＰＦ２０７に出力する。混合信号（Ｓ_９）の周波数は、以下の式（１６）で表される。ここで、ｍ、ｎは、整数である。

ＢＰＦ２０７は、混合信号のうち、ｍ＝１、ｎ＝１の組合せの周波数を通過させ、固定分周器２０８に出力する。ＢＰＦ２０７を通過する信号をＳ_１０とすると、その周波数は以下の式（１７）で表される。

固定分周器２０８は、Ｓ_１０信号を分周比２で分周し、位相周波数比較器２１１へ出力する。分周した信号をＳ_１０とすると、その周波数は以下の式（１８）で表される。

次に、スレーブモジュール２０が、ドップラー周波数シフトの影響を除去し、マスタモジュール１０に対して周波数同期を行う第４の動作を説明する。

位相周波数比較器２１１への入力は、Ｓ_３及びＳ_１１なり、両信号とも（１＋ｖ／ｃ）が乗算されている。位相周波数比較器２１１にて、２つの信号の位相比較を行うと、その位相差は、Ｓ_３の周波数とＳ_１１の周波数との差に依存する。周波数の積分結果が、位相であるからである。Ｓ_３とＳ_１１との周波数差は、以下の式（１９）で表される。

位相周波数比較器２１１は、この周波数差に応じた電流信号を、ループフィルタ２１２に出力する。ループフィルタ２１２は、電流信号を平滑化するとともに電圧信号に変換して、電圧制御発振器２０１へ出力する。電圧制御発振器２０１は、位相周波数比較器２１１によりフィードバック制御され、位相周波数比較器２１１は、Ｓ_１１の周波数−Ｓ_３の周波数が０になるように、電圧制御発振器２０１を制御するので、最終的には、電圧制御発振器２０１の発振周波数は、ｆ_２⇒ｆ_０に変化する。つまり、スレーブモジュール２０の電圧制御発振器２０１は、マスタモジュール１０の参照信号の周波数に対して、発振周波数を同期させる。

このように、実施の形態２によれば、発振信号４及び帰還信号５のために送信アンテナ及び受信アンテナを一つのアンテナで共通化し、サーキュレータを用いて送受信信号を分離することによって、高精度に移動体間の周波数を同期するとともに、モジュールを小形化することが可能である。

実施の形態３
実施の形態３では、小数分周器を用いて基準信号３、発振信号４、帰還信号５の周波数を変更することによって、周波数の分離間隔を狭く設定でき、基準信号３、発振信号４及び帰還信号５を一つのアンテナで送受信する構成を示す。実施の形態３は、固定分周器を用いる構成において、基準信号３、発振信号４及び帰還信号５が、広帯域な周波数範囲に設定されるため、非常に広帯域なアンテナを使用しなければならないという課題を解決できる。

図４は、実施の形態３に係る周波数同期装置の一構成例を示す図である。

まず、マスタモジュール１０において、実施の形態１と異なる構成について説明する。
マスタモジュール１０では、固定分周器１０２の代わりに小数分周器１３１を設置している。また、受信アンテナ１１、送信アンテナ１２、送信アンテナ１３を削除し、送受信アンテナ１４、ＢＰＦ１３２、ＢＰＦ１３３、ＢＰＦ１３４を備えている。

図５は、小数分周器１３１の一構成例を示す図である。
小数分周器１３１は、電力分配器３０１、ミクサ３０２、ＢＰＦ３０３、固定分周器３０４を備える。

電力分配器３０１は、入力された信号を電力分配して２つ以上の経路に出力する電力分配器である。電力分配器３０１は、一般的に、抵抗器によって分配される構成が用いられる。電力分配器３０１は、小数分周器１３１の入力端子と、ミクサ３０２と、固定分周器３０４とに接続され、電力分配器３０１に入力された信号を電力分配し、分配した信号の一方をミクサ３０２へ、分配した信号の他方を固定分周器３０４へ出力する。

固定分周器３０４は、入力された信号を、カウンタを用いて整数分周し出力する固定分周器である。固定分周器３０４は、例えば、プリスケーラＩＣで構成される。電力分配器３０１とミクサ３０２へ接続され、電力分配器３０１から出力された信号を固定分周比Ｎ_０にて分周する。Ｎ_０分周した信号をミクサ３０２へ出力する。

ミクサ３０２は、入力された２つの信号をミキシングし、２つの信号の混合信号を出力するミクサである。ミクサ３０２は、例えば、ダイオードの非線形性を利用してミキシングを行うダイオードミクサ等を用いられる。ミクサ３０２は、電力分配器３０１と固定分周器３０４とＢＰＦ３０３とに接続され、電力分配器３０１より出力された信号と、固定分周器３０４から出力された信号とをミキシングし、ミキシングの結果得られる混合信号をＢＰＦ３０３へ出力する。

ＢＰＦ３０３は、特定の周波数帯域を通過させ、その他の周波数成分を反射させるフィルタである。ＢＰＦ３０３は、例えば、チップインダクタ、チップキャパシタ等を用いて実装される。ＢＰＦ３０３は、通過させる周波数帯や必要な抑圧量に応じて、他のマイクロストリップ線路または同軸共振器等の共振器を用いて構成されてもよい。ＢＰＦ３０３は、ミクサ３０２と小数分周器１３１の出力端子に接続され、ミクサ３０２が出力した混合信号のうち、電力分配器３０１が出力した信号と固定分周器３０４が出力した信号との差周波もしくは、和周波を通過させ、小数分周器１３１の出力端子へ出力する。

小数分周器１３１の動作について説明する。
小数分周器１３１に信号が入力されると、電力分配器３０１は、入力された信号を電力分配し、一方をミクサ３０２へ、他方を固定分周器３０４へ入力する。固定分周器３０４は、分配された信号を分周比Ｎで分周し、Ｎ分周した信号をミクサ３０２に出力する。ミクサ３０２は、電力分配器３０１が出力した信号とＮ分周した信号とをミキシングした混合信号を、ＢＰＦ３０３に出力する。ＢＰＦ３０３は、ミクサ３０２が出力した信号のうち、電力分配器３０１が出力した信号と固定分周器３０４が出力した信号との差周波を通過させ、その差周波を小数分周器１３１の出力端子に出力する。したがって、小数分周器１３１が出力する信号の周波数は、（１−１／Ｎ_０）×ｆとなる。ここで、ｆは小数分周器１３１に入力される信号の周波数である。Ｎ_０は、固定分周器３０４の分周比である。

例えば、Ｎ_０＝１０とし、差周波成分を通過させるＢＰＦ３０３を用いた場合、小数分周器１３１の出力信号は０．９ｆとなり、小数分周器１３１としての分周比は１０／９となる。つまり、分周比が１以上の小数で分周された信号が得られる。和周波成分を通過させるＢＰＦ３０３を用いた場合は、小数分周器１３１としての分周比が９／１０となり、分周比が１以下の小数で分周された信号が得られる。小数分周器１３１の代わりに分周比２の固定分周器を用いた場合、固定分周器の入力信号と出力信号との周波数差は０．５ｆである。これに対し、小数分周器を用いた場合、上記で説明したように、その周波数差は０．１ｆである。このように、小数分周器１３１を用いることにより、入力される信号ｆとの周波数差が小さい信号を得ることができる。このように、小数分周器を用いた方が、固定分周器を用いるよりも、分周器の出力信号の周波数を細かく設定できる。

図４における、マスタモジュール１０の構成要素の説明に戻る。

ＢＰＦ１３２は、発振信号４の周波数帯域を通過させ、その他の周波数成分を反射させるフィルタである。ＢＰＦ１３２は、例えば、チップインダクタ、チップキャパシタ等を用いて実装される。ＢＰＦ１３２は、通過させる周波数帯や必要な抑圧量に応じて、他のマイクロストリップ線路または同軸共振器等の共振器を用いて構成されてもよい。ＢＰＦ１３２は、送受信アンテナ１４と増幅器１０１とに接続され、送受信アンテナ１４から入力される信号のうち、発振信号４を通過させ、増幅器１０１へ出力する。

ＢＰＦ１３３は、送受信アンテナ１４と増幅器１０３とに接続され、増幅器１０３から入力される信号のうち、帰還信号５を通過させ、送受信アンテナ１４へ出力するフィルタである。ＢＰＦ１３３は、ＢＰＦ１３２と同様の構成である。

ＢＰＦ１３４は、送受信アンテナ１４と増幅器１０６とに接続され、増幅器１０６から入力される信号のうち、基準信号３を通過させ、送受信アンテナ１４へ出力するフィルタである。ＢＰＦ１３３は、ＢＰＦ１３２と同様の構成である。

次に、スレーブモジュール２０において、実施の形態１と異なる構成について説明する。
スレーブモジュール２０では、送信アンテナ２１、受信アンテナ２２、受信アンテナ２３を削除し、送受信アンテナ２４（第３のアンテナの一例）、ＢＰＦ２３５（第１の帯域通過フィルタの一例）、ＢＰＦ２３６（第２の帯域通過フィルタの一例）、ＢＰＦ２３７（第３の帯域通過フィルタの一例）を備えている。

また、スレーブモジュール２０では、電圧制御発振器２０１と電力分配器２０２の間に小数分周器２３１（第１の分周器の一例）が設けられ、電力分配器２０２とミクサ２０６との間に小数分周器２３２が備えられ、さらに増幅器２０９と位相周波数比較器２１１との間に、小数分周器２３３（第２の分周器の一例）及び２３４が備えられる。

なお、小数分周器２３１、２３２、２３３及び２３４は、図５に示す小数分周器１３１と同様の構成である。また、ＢＰＦ２３５はＢＰＦ１３２と同様の構成であり、ＢＰＦ２３６はＢＰＦ１３３と同様の構成であり、ＢＰＦ２３７はＢＰＦ１３４と同様の構成である。

次に、実施の形態３に係る周波数同期装置の動作を説明する。
本説明では実施の形態１と異なる動作を中心に説明を行う。

まず、第１の動作を説明する。

マスタモジュール１０の増幅器１０６から出力された基準信号３は、ＢＰＦ１３４を介して送受信アンテナ１４へ出力され、送受信アンテナ１４から放射される。送受信アンテナ１４から放射された基準信号３は、スレーブモジュール２０に設置された送受信アンテナ２４にて受信される。

送受信アンテナ２４にて受信された基準信号３は、ＢＰＦ２３７を通過し、増幅器２０９で増幅され、小数分周器２３３、２３４を通過する。この小数分周器は、それぞれ同じ分周比Ｆで分周され、さらに固定分周器２１０にて分周比Ｍ_１にて分周されることから、固定分周器２１０から出力される信号Ｓ_３の周波数は、以下の式（２０）の通りとなる。ここで、Ｆは１を除く小数である。

小数分周器２３４が出力した信号Ｓ_３は、後段の位相周波数比較器２１１へ出力される。

次に、第２の動作を説明する。

スレーブモジュール２０に設置された小数分周器２３１は、電圧制御発振器２０１にて発振した発振信号４を、分周比Ｆにて分周し、分周した発振信号４を後段の電力分配器２０２へ出力する。小数分周器２３１でＦ分周された発振信号４は、電力分配器２０２、増幅器２０３、ＢＰＦ２３５を介して送受信アンテナ２４へ出力される。この送受信アンテナ２４へ出力されるＦ分周した発振信号４をＳ_４信号とすると、その周波数は、以下の式（２１）の通りとなる。

Ｓ_４信号は送受信アンテナ２４から放射され、マスタモジュール１０に設置された送受信アンテナ１４にて受信される。

送受信アンテナ１４にて受信された発振信号４は、ＢＰＦ１３２を通過し、増幅器１０１を介して小数分周器１３１へ出力される。小数分周器１３１は、分周比Ｆで分周し、分周した信号を増幅器１０３へ出力する。小数分周器１３１が分周した信号をＳ_６とすると、その周波数は、以下の式（２２）の通りである。

Ｓ_６信号は、帰還信号５として、増幅器１０３、ＢＰＦ１３３を通過して送受信アンテナ１４へ出力される。Ｓ_６信号は、帰還信号５として、送受信アンテナ１４から放射され、スレーブモジュール２０に設置された送受信アンテナ２４にて受信される。

送受信アンテナ２４にて受信された帰還信号５をＳ_７信号とするとその周波数は、以下の式（２３）の通りである。

Ｓ_７信号は、増幅器２０４を介してミクサ２０６へ出力される。

次に、第３の動作を説明する。

電力分配器２０２で分岐されたもう一方の発振信号４は、小数分周器２３２へ入力される。小数分周器２３２は、発振信号４を分周比Ｆで分周し、分周した信号をミクサ２０６へ出力する。分周した信号をＳ_８とすると、その周波数は、以下の式（２４）の通りである。

ミクサ２０６には、帰還信号５（Ｓ_７）と発振信号４（Ｓ_８）の２つの信号が入力される。ミクサ２０６は、Ｓ_７信号とＳ_８信号とをミキシングし、その混合信号（Ｓ_９）をＢＰＦ２０７に出力する。混合信号（Ｓ_９）の周波数は、以下の式（２５）のように表される。ここで、ｍ、ｎは、整数である。

ＢＰＦ２０７は、Ｓ_９信号のうち、ｍ＝１、ｎ＝１の組合せの周波数を通過させ、固定分周器２０８に出力する。ＢＰＦ２０７の出力信号をＳ_１０とすると、その周波数は、以下の式（２６）となる。

固定分周器２０８は、ＢＰＦ２０７が出力したＳ_１０信号を分周比２で分周し、分周した信号を位相周波数比較器２１１に出力する。固定分周器２０８が位相周波数比較器２１１へ出力する信号をＳ_１１とすると、その周波数は、以下の式（２７）の通りとなる。

次に、第４の動作を説明する。

位相周波数比較器２１１への入力は、Ｓ_３及びＳ_１１なり、両信号とも（１＋ｖ／ｃ）及び１／Ｆ^２が乗算されている。位相周波数比較器２１１にて、２つの信号の位相比較を行うと、その位相差は、Ｓ_３の周波数とＳ_１１の周波数との差に依存する。周波数の積分結果が、位相であるからである。Ｓ_３とＳ_１１との周波数差は、以下の式（２８）で表される。

位相周波数比較器２１１は、この周波数差に応じた電流信号を、ループフィルタ２１２に出力する。ループフィルタ２１２は、電流信号を平滑化するとともに電圧信号に変換して、電圧制御発振器２０１へ出力する。電圧制御発振器２０１は、位相周波数比較器２１１によりフィードバック制御され、位相周波数比較器２１１は、Ｓ_１１の周波数−Ｓ_３の周波数が０になるように、電圧制御発振器２０１を制御するので、最終的には、電圧制御発振器２０１の発振周波数は、ｆ_２⇒ｆ_０に変化する。つまり、スレーブモジュール２０の電圧制御発振器２０１は、マスタモジュール１０の参照信号の周波数に対して、発振周波数を同期させる

次に、基準信号３、発振信号４、帰還信号５の周波数関係についてまとめる。

第１〜第３の動作において、マスタモジュール１０とスレーブモジュール２０との間で周波数が同期している場合、周波数の関係はｆ_２＝ｆ_０となる。この場合、移動体間の空間における基準信号３はＭ_１ｆ_０、発振信号４はｆ_０／Ｆ、帰還信号５はｆ_０／Ｆ^２となる。したがって、基準信号３と発振信号４と帰還信号５との周波数比は、Ｍ_１：１／Ｆ：１／Ｆ^２となる。ここで、例えば、Ｍ_１を２、Ｆを０．８とおくと、基準信号３と発振信号４と帰還信号５との周波数比は、２：１．２５：１．５６２５となり、全ての信号の周波数がｆ_０の１．２５倍から２倍の狭帯域な周波数範囲に設定される。これに対し、Ｍ_１を２、Ｆを２とおくと、基準信号３と発振信号４と帰還信号５との周波数比は、２：０．５５：０．２５となり、全ての信号の周波数がｆ_０の０．２５倍から２倍の広帯域な周波数範囲に設定される．このように、本構成の周波数同期装置は、小数分周器１３１、小数分周器２３１、小数分周器２３２を用いることによって、各信号が空間に放射される際において、基準信号３と発振信号４と帰還信号５とに狭帯域な周波数範囲内で異なる周波数を割り当てることができる。

以上のように、実施の形態３によれば、小数分周器を用いることによって、基準信号３、発振信号４、帰還信号５を整数比の関係でしか構成できなかった周波数関係について、小数比の関係でも構成することが可能となる。したがって、実施の形態３の構成では、基準信号３、発振信号４及び帰還信号５の周波数を狭帯域な周波数範囲内に設定できる。これにより、基準信号３、発振信号４及び帰還信号５に対してそれぞれ別のアンテナを設ける必要がなくなり、アンテナを共通化することができる。

さらに、固定分周器２０８の分周比を２から２×Ｍ_１に変更することによって、ｆ_２＝Ｍ_１ｆ_０となり、移動体間の空間における基準信号３はＭ_１ｆ_０、発振信号４はＭ_１ｆ_０／Ｆ、帰還信号５はＭ_１ｆ_０／Ｆ^２となる。このことから、基準信号３と発振信号４と帰還信号５との周波数の比は１：１／Ｆ：１／Ｆ^２となり、Ｍ_１の値に依存しなくなる。したがって、Ｍ_１によらず、適切なＦの値を選択することによって、狭帯域な周波数範囲に基準信号３、発振信号４及び帰還信号５を設定することができる。

実施の形態４
実施の形態３ではマスタモジュール１０、スレーブモジュール２０間の基準信号３、発振信号４、帰還信号５に異なる周波数を用いるため、小数分周器を用いている。実施の形態４では、Ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ＰＬＬ回路（以下、ｆＰＬＬ回路という）を用いて、基準信号３、発振信号４、帰還信号５の周波数を変更することによって、実施の形態３と同様に、周波数の分離間隔を狭く設定でき、基準信号３、発振信号４及び帰還信号５を一つのアンテナで送受信する構成を示す。

図６は、実施の形態４に係る周波数同期装置の一構成例を示す図である。

まず、マスタモジュール１０において、実施の形態３と異なる構成について説明する。

マスタモジュール１０では、小数分周器１３１の代わりにｆＰＬＬ回路１４１を設置している。

図７は、ｆＰＬＬ回路１４１の一構成例を示す図である。
ｆＰＬＬ回路１４１は、固定分周器４０１、位相周波数比較器４０２、可変分周器４０３、ΔΣ変調器４０４、ループフィルタ４０５、電圧制御発振器４０６、方向性結合器４０７を備える。

固定分周器４０１は、ｆＰＬＬ回路１４１に入力される信号を整数分周し、位相周波数比較器４０２に出力する固定分周器である。固定分周器４０１は、高速動作する論理回路で構成され、入力された信号を、カウンタを用いて整数分周し出力する。ｆＰＬＬ回路１４１の入力端子と位相周波数比較器４０２とに接続され、ｆＰＬＬ回路１４１の入力端子から入力された信号を固定分周比Ｒにて分周し、Ｒ分周した信号を位相周波数比較器４０２へ出力する。ここで、Ｒは整数である。

位相周波数比較器４０２は、入力された２つの信号の位相差を検出し、その位相差に基づいた電流信号または電圧信号を出力する位相周波数比較器である。位相周波数比較器４０２は、例えば、高速動作する排他論理和回路とその出力に応じて電流を出力するチャージポンプ回路とで構成される。位相周波数比較器４０２は、固定分周器４０１と、可変分周器４０３とループフィルタ４０５とに接続され、固定分周器４０１が出力する信号の位相と可変分周器４０３が出力する信号の位相との比較を行い、得られた位相差に基づく電流信号をループフィルタ４０５へ出力する。

可変分周器４０３は、制御信号によって整数分周比が制御され、入力された信号を整数分周し出力する可変分周器である。可変分周器４０３は、高速動作する論理回路で構成され、入力された信号を、カウンタを用いて制御信号にて予め定められた分周比で整数分周し出力する。可変分周器４０３の分周比は、制御信号によって制御される。可変分周器４０３は、ΔΣ変調器４０４と方向性結合器４０７と位相周波数比較器４０２とに接続され、ΔΣ変調器４０４が出力する制御信号に基づいて、方向性結合器４０７が出力した信号を分周する。可変分周器４０３は、ΔΣ変調器４０４が出力する制御信号に基づき分周比を切り替えるので、分周比毎の時間の比率を制御することによって、小数分周した信号を生成できる。例えば、分周比を２⇒３⇒２⇒３と切り替えることで、分周比を２．５とすることができる。可変分周器４０３は、小数分周した信号を位相周波数比較器４０２へ出力する。

ΔΣ変調器４０４は、ΔΣ変調した制御信号を出力する変調器である。ΔΣ変調とは、アナログ信号をデジタル符号に変換する際に生じる量子化雑音を、オーバサンプリングにより高周波側へ拡散させることができる変調方式である。ΔΣ変調器４０４は、高速動作する論理回路にて構成される。ΔΣ変調器４０４は、可変分周器４０３と接続され、量子化雑音を高周波側へ拡散した制御信号を可変分周器４０３へ出力する。ΔΣ変調を用いることによって、量子化雑音をｆＰＬＬ回路のループ帯域外である高周波側へ拡散できることから、小数分周による位相雑音の劣化を緩和することが可能である。

ループフィルタ４０５は、入力された電流信号を定められた帯域で積分し、電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力するループフィルタである。ループフィルタ４０５は、低域通過型フィルタにより構成され、遮断周波数より低い周波数の信号を通過させる。ループフィルタ４０５は、位相周波数比較器４０２と電圧制御発振器４０６とに接続され、位相周波数比較器４０２の出力信号の平滑化を行い、平滑化した電圧信号を電圧制御発振器４０６へ出力する。

電圧制御発振器４０６は、入力された制御電圧に応じて発振周波数を可変できる発振器である。電圧制御発振器４０６は、例えば、バラクタ等の容量可変デバイスとトランジスタを組み合わせて構成される。電圧制御発振器４０６は、ループフィルタ４０５と方向性結合器４０７とに接続され、ループフィルタ４０５が出力した電圧信号に応じた周波数で発振し、発振信号を方向性結合器４０７へ出力する。

方向性結合器４０７は、入力された電力を２経路に所定の電力比で分配する方向性結合器である。方向性結合器４０７は、例えば、電磁界結合させたマイクロストリップ線路を用いて構成される。電圧制御発振器４０６と、増幅器２０３と、固定分周器２０５とに接続され、電圧制御発振器２０１が出力した発振信号４を２分配し、一方を増幅器２０３に、他方を固定分周器２０５に出力する。

ｆＰＬＬ回路１４１の動作を説明する。
ｆＰＬＬ回路１４１に入力された信号は、固定分周器４０１にて分周され、位相周波数比較器４０２へ出力される。また、電圧制御発振器４０６が出力した信号は、方向性結合器４０７を介して可変分周器４０３へ出力される。

可変分周器４０３は、電圧制御発振器４０６が出力した信号を、ΔΣ変調器４０４が出力した制御信号に基づく分周比で分周し、位相周波数比較器４０２へ出力する。

位相周波数比較器４０２は、固定分周器４０１が出力した信号の位相と、可変分周器４０３が出力した信号の位相とを比較し、その位相差に基づく電流信号を、ループフィルタ４０５を介して電圧制御発振器４０６へフィードバックする。

ｆＰＬＬ回路１４１の動作における周波数関係を説明する。 固定分周器４０１が出力する信号ＳＡの信号周波数は、以下の式（２９）の通りである。

ここで、ｆ_ｉｎは、ｆＰＬＬ回路１４１へ入力された信号の周波数である。Ｒは、固定分周器４０１の整数分周比である。また、可変分周器４０３が出力する信号ＳＢの信号周波数は、以下の式（３０）の通りである。

ここで、ｆ_ｖｃｏは、電圧制御発振器４０６が出力する発振信号の周波数である。Ｆは、可変分周器４０３の小数分周比である。

位相周波数比較器４０２は、Ｓ_Ａの周波数とＳ_Ｂの周波数とが一致するように、電圧制御発振器４０６にフィードバックをかける。したがって、Ｓ_Ａ＝Ｓ_Ｂであるので、ｆＰＬＬ回路１４１の出力信号の周波数であるｆ_ｖｃｏは、以下の式（３１）で表される。

以上のように、ｆＰＬＬ回路１４１は、入力信号の小数倍の信号を得ることができる。なお、ｆＰＬＬ回路１４１と、小数分周器１３１とは以下の点で異なる。小数分周器１３１では、より細かい小数分周を実施しようとした場合、ミクサ３０２に入力される２つの信号の周波数差は小さくなるので、ミクサ３０２が出力する複数の混合信号の周波数間隔は小さくなる。したがって、所望の周波数の混合信号を得るためには、狭帯域な特性を持つＢＰＦ３０３が必要となる。しかし、実際には、狭帯域な特性を持つＢＰＦ３０３を実現するのが難しいため、小数分周器１３１では、ＢＰＦ３０３の特性以上の細かい小数分周を行うことはできない。これに対して、ｆＰＬＬ回路１４１では、ＢＰＦ３０３が不要であるため、より細かい小数分周が可能である。

次に、スレーブモジュール２０において、実施の形態３と異なる構成について説明する。
スレーブモジュール２０では、電圧制御発振器２０１と電力分配器２０２の間にｆＰＬＬ回路２４１が設けられ、電力分配器２０２とミクサ２０６との間にｆＰＬＬ回路２４２が備えられ、さらに増幅器２０９と固定分周器２１０との間に、ｆＰＬＬ回路２４３が備えられる。

なお、ｆＰＬＬ回路２４１、２４２、２４３は、図７に示すｆＰＬＬ回路１４１と同様の構成である。

次に、実施の形態４に係る周波数同期装置の動作を説明する。実施の形態４に係る周波数同期装置の動作は、実施の形態３と同様であるため、説明を省略する。

以上のように、実施の形態４によれば、ｆＰＬＬ回路を用いることによって、基準信号３、発振信号４、帰還信号５を整数比の関係でしか構成できなかった周波数関係について、小数比の関係でも構成することが可能となる。したがって、実施の形態４の構成では、基準信号３、発振信号４及び帰還信号５の周波数を狭帯域な周波数範囲内に設定できる。これにより、基準信号３、発振信号４及び帰還信号５に対してそれぞれ別のアンテナを設ける必要がなくなり、アンテナを共通化することができる。実施の形態４は、固定分周器を用いる構成では、基準信号３、発振信号４及び帰還信号５が、広帯域な周波数範囲に設定されるため、非常に広帯域なアンテナを使用しなければならないという課題を解決できる。

なお、実施の形態４では、ｆＰＬＬ回路を用いることにより、小数分周器を用いた際には急峻な特性のＢＰＦが必要であり、その実現が困難であるという課題を解決でき、ＢＰＦの特性に依存せず、より細かい分解能での周波数の変更が可能となる。このため、小数分周器を用いる場合に比べて、基準信号３、発振信号４及び帰還信号５の周波数設定範囲の自由度を大きくできる。
実施の形態５

実施の形態５では、マスタモジュール１０とスレーブモジュール２０との間の送受信信号に用いられる基準信号３、発振信号４、及び帰還信号５に対して電波傍受を回避するため、モジュール間の信号の伝送に光通信を適用する構成を示す。実施の形態５は、光振幅変調器（以下、ＭＯＤ（Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）という）を用いて、基準信号３、発振信号４、及び帰還信号５を変調元信号として光信号を変調し、変調した基準信号光（参照信号光）７、発振信号光８、及び帰還信号光９を使用することによって、電波傍受されることを防ぐ。

図８は、実施の形態５に係る周波数同期装置の一構成例を示す図である。本実施の形態では、基準信号光７、発振信号光８、及び帰還信号光９を送信または受信するアンテナとして、光送受信アンテナ１５及び光送受信アンテナ２５を用いている。 また、周波数同期回路２００の構成や信号の関係は、実施の形態２と同等である。

まず、マスタモジュール１０において実施の形態２と異なる構成について説明する。

マスタモジュール１０は、増幅器１０６が削除され、光源１５０及びＭＯＤ１５１が追加されている。また、送信アンテナ１３、サーキュレータ１２０、及び送受信アンテナ１４が削除され、光合波器１５２、光アイソレータ１５３、ＦＰＭ（Ｆｉｎｅ Ｐｏｉｎｔｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）１５４、及び光送受信アンテナ１５が追加されている。また、増幅器１０１及び増幅器１０３が削除され、光ＢＰＦ１５５、光分波器１５６、及び光増幅器１５７が追加されている。さらに、センサ部５１０及び捕捉追尾制御部５１１が追加されている。

光送受信アンテナ１５は、入力端子より入力された基準信号光７及び帰還信号光９を送信し、発振信号光８を受光するアンテナである。光送受信アンテナ１５は、ＦＰＭ１５４に接続され、スレーブモジュール２０に設置された光送受信アンテナ２５に向けて設置されている。例えば、光送受信アンテナ１５は、複数のレンズ、反射鏡を組み合わせた光学系で構成される。

光源１５０は、無変調の連続信号光を励振する発振器である。光源１５０は、光ファイバを用いてＭＯＤ１５１に接続され、固有の波長λ_Ｍにて発信し、無変調の連続信号光をＭＯＤ１５１へ出力する。光源１５０には、例えば、半導体レーザを用いられる。

ＭＯＤ１５１は、入力された電気信号を用いて無変調の連続信号光に対して振幅変調を行う変調器である。ＭＯＤ１５１は、ＰＬＬ１０５、光源１５０及び光合波器１５２に接続される。ＭＯＤ１５１は、ＰＬＬ１０５から出力された信号Ｓ_１を用いて、光源１５０から入力された波長λ_Ｍの無変調の連続信号光へ振幅変調を行い、基準信号光７（Ｓ_Ｍ１）を光合波器１５２へ出力する。ＭＯＤ１５１には、例えば、マッハツェンダ型強度変調器が用いられる。

光合波器１５２は、入力された２つの信号光を合波して１つの出力端子より出力する合波器である。光合波器１５２は、ＭＯＤ１５１、光増幅器１５７、及び光アイソレータ１５３に接続される。光合波器１５２は、ＭＯＤ１５１から入力された基準信号光７（Ｓ_Ｍ１）と光増幅器１５７から入力された帰還信号光９（Ｓ_Ｓ３）とを合波して光アイソレータ１５３へ出力する。光合波器１５２には、例えば、ファイバカップラが用いられる。

光アイソレータ１５３は、３つの入出力端子を有し、入力された方向に応じて信号光を異なる２つの出力端子よりそれぞれ出力するアイソレータである。光アイソレータ１５３は、光合波器１５２、光ＢＰＦ１５５、及びＦＰＭ１５４に接続される。光アイソレータ１５３は、ＦＰＭ１５４から入力された発振信号光８を光ＢＰＦ１５５へ出力し、光合波器１５２から入力された基準信号光７及び帰還信号光９をＦＰＭ１５４へ出力する。光アイソレータ１５３は、例えば、入射する方向によって反射方向が異なるように設計された誘電体多層膜ミラーと入出力のレンズで構成される。

ＦＰＭ１５４は、捕捉追尾制御部５１１より入力された制御信号に基づいて内蔵する反射鏡を制御し、出力する光の方向の制御を行う。ＦＰＭ１５４は、光送受信アンテナ１５、光アイソレータ１５３、及び捕捉追尾制御部５１１に接続される。ＦＰＭ１５４は、光アイソレータ１５３から入力された基準信号光７及び帰還信号光９を光送受信アンテナ１５へ出力する際の入射角、並びに光送受信アンテナ１５から入力された発振信号光８を光アイソレータ１５３へ出力する際の入射角を制御する。ＦＰＭ１５４は、例えば、入出力のレンズと鏡面とその角度を制御するモータを内蔵する駆動部で構成される。

光ＢＰＦ１５５は、所定の波長の信号光を通過させ、その他の波長の光を反射するフィルタである。光ＢＰＦ１５５は、光アイソレータ１５３及び光分波器１５６に接続される。光ＢＰＦ１５５は、光アイソレータ１５３から入力された光のうち、発振信号光８、つまり波長λ_Ｍを中心とする信号光を光分波器１５６へ出力する。光ＢＰＦ１５５は、例えば、特定の波長の信号光が透過するように設計された誘電体多層膜ミラーと入出力のレンズで構成される。

光分波器１５６は、入力された信号光を分波し異なる２つの出力端子に出力する分波器である。光分波器１５６は、光ＢＰＦ１５５、センサ部５１０及び光増幅器１５７に接続される。光分波器１５６は、光ＢＰＦ１５５から入力された発振信号光８を２分配し、センサ部５１０と光増幅器１５７とへそれぞれ出力する。光分波器１５６には、例えば、ファイバカップラが用いられる。

光増幅器１５７は、入力された信号光を増幅し、出力する光増幅器である。光増幅器１５７は、光分波器１５６及び光合波器１５２に接続される。光増幅器１５７は、光分波器１５６から入力された発振信号光８を増幅し、帰還信号光９（Ｓ_Ｓ３）として光合波器１５２へ出力する。光増幅器１５７には、例えば、ファイバ増幅器が用いられる。

センサ部５１０は、入力された光のマッピングを行い、所望の入射角からどの程度、どの方向にずれているかを検出するセンサである。センサ部５１０は、光分波器１５６及び捕捉追尾制御部５１１に接続される。センサ部５１０は、光分波器１５６から入力された発振信号光８をマッピングし、その入射角を検出して、目標入射角に対する角度誤差を求め、求めた角度誤差を電気信号に変換して捕捉追尾制御部へ出力する。センサ部５１０は、例えば、入力された光を集光するマイクロレンズアレイと集光された光を受光するフォトダイオードアレイで構成される。各フォトダイオードは、２次元に配列されており，それぞれ受光した信号光の強度に比例する電気信号を出力する．その電気信号の振幅を計測すること光の照射位置が検出され入射角を計測する。

捕捉追尾制御部５１１は、検出された入射角より、正対するために必要なＦＰＭ１５４に対する制御量の計算を行い、その演算の結果を出力する。捕捉追尾制御部５１１は、センサ部５１０、ＦＰＭ１５４に接続される。捕捉追尾制御部５１１は、センサ部５１０から入力された角度誤差に基づいてＦＰＭ１５４に対する制御値を計算にて求め、その結果をＦＰＭ１５４へ出力する。捕捉追尾制御部５１１には、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等が用いられる。

次に、スレーブモジュール２０の構成について説明する。

スレーブモジュール２０は、受信アンテナ２３、増幅器２０９、送受信アンテナ２４、サーキュレータ２２０、増幅器２０３、及び増幅器２０４が削除され、代わりに光送受信アンテナ２５、ＦＰＭ２５４、光アイソレータ２５３、光増幅器２５２、ＭＯＤ２５１、光源２５０、光分波器２５５、光ＢＰＦ２５６、光増幅器２５７、ＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）２５８、光ＢＰＦ２５９、光分波器２６０、光増幅器２６１、ＰＤ２６２、センサ部５２０、及び捕捉追尾制御部５２１が追加されている。

光送受信アンテナ２５は、入力された発振信号光８を送信し、基準信号光７及び帰還信号光９を受信するアンテナである。光送受信アンテナ２５は、ＦＰＭ２５４に接続され、マスタモジュール１０に設置された光送受信アンテナ１５に向けて設置されている。例えば、光送受信アンテナ２５は、複数のレンズ、反射鏡を組み合わせた光学系で構成される。

光源２５０は、無変調の連続信号光を励振する発振器である。光源２５０は、光ファイバを用いてＭＯＤ２５１に接続される。光源２５０は、固有の波長λ_Ｓにて発振し、無変調の連続信号光をＭＯＤ２５１へ出力する。光源２５０には、例えば、半導体レーザが用いられる。

ＭＯＤ２５１は、入力された電気信号を用いて無変調の連続信号光に対して振幅変調を行う変調器である。ＭＯＤ２５１は、電力分配器２０２、光源２５０及び光増幅器２５２に接続される。ＭＯＤ２５１は、電力分配器２０２から出力された発振信号（Ｓ_４）を用いて、光源２５０から入力された波長λ_Ｓの無変調の連続信号光に対して振幅変調を行い、振幅変調した発振信号光８（Ｓ_Ｓ１）を光増幅器２５２へ出力する。ＭＯＤ２５１には、例えばマッハツェンダ型強度変調器が用いられる。

光増幅器２５２は、入力された信号光を増幅し、出力する光増幅器である。光増幅器２５２は、ＭＯＤ２５１及び光アイソレータ２５３に接続される。光増幅器２５２は、ＭＯＤ２５１から入力された発振信号光８（Ｓ_Ｓ１）を増幅し、光アイソレータ２５３へ出力する。光増幅器２５２には、例えば、ファイバ増幅器が用いられる。

光アイソレータ２５３は、３つの入出力端子を有し、入力された方向に応じて信号光を異なる２つの出力端子よりそれぞれ出力するアイソレータである。光アイソレータ２５３は、光増幅器２５２、光分波器２５５、及びＦＰＭ２５４に接続される。光アイソレータ２５３は、光増幅器２５２から入力された発振信号光８をＦＰＭ２５４へ出力し、ＦＰＭ２５４から入力された基準信号光７及び帰還信号光９を光分波器２５５へ出力する。光アイソレータ２５３は、例えば、入射する方向によって反射方向が異なるように設計された誘電体多層膜ミラーと入出力のレンズで構成される。

ＦＰＭ２５４は、捕捉追尾制御部５２１より入力された制御信号に基づいて内蔵する反射鏡を制御し、出力する光の方向の制御を行う。ＦＰＭ２５４は、光送受信アンテナ２５、光アイソレータ２５３、及び捕捉追尾制御部５２１に接続される。ＦＰＭ２５４は、光送受信アンテナ２５から入力された基準信号光７及び帰還信号光９を光アイソレータ２５３へ出力する際の入射角並びに光アイソレータ２５３から入力された発振信号光８を光送受信アンテナ２５へ出力する際の入射角を制御する。ＦＰＭ２５４は、例えば、入出力のレンズと鏡面とその角度を制御するモータを内蔵する駆動部で構成される。

光分波器２５５は、入力された信号光を分波し異なる２つの出力端子に出力する分波器である。光分波器２５５は、光アイソレータ２５３、光ＢＰＦ２５６及び光ＢＰＦ２５９に接続され、光アイソレータ２５３から入力された基準信号光７及び帰還信号光９を２分配し、それぞれ光ＢＰＦ２５９と光ＢＰＦ２５６とへ出力する。光分波器２５５には、例えば、ファイバカップラが用いられる。

光ＢＰＦ２５６は、所定の波長の信号光を通過させ、その他の波長の光を反射するフィルタである。光ＢＰＦ２５６は、光分波器２５５及び光増幅器２５７に接続される。光ＢＰＦ２５６は、光分波器２５５から入力された光のうち、帰還信号光９、つまり波長λ_Ｓを中心とする信号光を光増幅器２５７へ出力する。光ＢＰＦ２５６は、例えば、特定の波長の信号光が透過するように設計された誘電体多層膜ミラーと入出力のレンズで構成される。

光増幅器２５７は、入力された信号光を増幅し、出力する光増幅器である。光増幅器２５７は、光ＢＰＦ２５６及びＰＤ２５８に接続される。光増幅器２５７は、光増幅器２５７から入力された帰還信号光９を増幅し、ＰＤ２５８へ出力する。光増幅器２５７には、例えば、ファイバ増幅器が用いられる。

ＰＤ２５８は、入力された信号光の強度に応じた電気信号を出力する復調器である。ＰＤ２５８は、光増幅器２５７及びミクサ２０６に接続され、光増幅器２５７から入力された帰還信号光９を復調し、復調信号Ｓ_７をミクサ２０６へ出力する。例えば、ＰＤ２５８は、フォトダイオードと電力増幅器とから構成される。

光ＢＰＦ２５９は、所定の波長の信号光だけを通過させ、その他の波長の光を反射するフィルタである。光ＢＰＦ２５９は、光分波器２５５及び光分波器２６０に接続される。光ＢＰＦ２５９は、光分波器２５５から入力された光のうち、基準信号光７、つまり波長λ_Ｍを中心とする信号光を光分波器２６０へ出力する。光ＢＰＦ２５９は、例えば、特定の波長の信号光が透過するように設計された誘電体多層膜ミラーと入出力のレンズで構成される。

光分波器２６０は、入力された信号光を分波し異なる２つの出力端子に出力する分波器である。光分波器２６０は、光ＢＰＦ２５９、センサ部５２０、光増幅器２６１に接続される。光分波器２６０は、光ＢＰＦ２５９から入力された基準信号光７を２分配し、センサ部５２０と光増幅器２６１とへそれぞれ出力する。光分波器２６０には、例えば、ファイバカップラが用いられる。

光増幅器２６１は、入力された信号光の増幅し、出力する光増幅器である。光増幅器２６１は、光分波器２６０及びＰＤ２６２に接続される。光増幅器２６１は、光分波器２６０から入力された基準信号光７を増幅し、ＰＤ２６２へ出力する。光増幅器２６１には、例えば、ファイバ増幅器が用いられる。

ＰＤ２６２は、入力された信号光の強度に応じた電気信号を出力する復調器である。ＰＤ２６２は、光増幅器２６１及び固定分周器２１０に接続される。ＰＤ２６２は、光増幅器２６１から入力された基準信号光７を復調し、復調信号（Ｓ_２）を固定分周器２１０へ出力する。例えば、ＰＤ２６２はフォトダイオードと電力増幅器とから構成される。

センサ部５２０は、入力された光のマッピングを行い、所望の入射角からどの程度、どの方向にずれているかを検出するセンサである。センサ部５２０は、光分波器２６０及び捕捉追尾制御部５２１に接続される。センサ部５２０は、光分波器２６０から入力された基準信号光７をマッピングし、その入射角を検出し、目標入射角に対する角度誤差を求め、求めた角度誤差を電気信号に変換して捕捉追尾制御部５２１へ出力する。センサ部５２０は、例えば、入力された光を集光するマイクロレンズアレイと集光された光を受光するフォトダイオードアレイで構成される。各フォトダイオードは、２次元に配列されており、それぞれ受光した信号光の強度に比例する電気信号を出力する。各フォトダイオードに対応する電気信号を計測することで、光の照射位置が検出され入射角を計測する。

捕捉追尾制御部５２１は、センサ部５２０により検出された入射角から、正対するために必要なＦＰＭ２５４に対する制御量の計算を行い、その演算の結果を出力する。捕捉追尾制御部５２１は、センサ部５２０及びＦＰＭ２５４に接続される。捕捉追尾制御部５２１は、センサ部５２０から入力された角度誤差に基づいてＦＰＭ２５４に対する制御値を計算にて求め、その結果をＦＰＭ２５４へ出力する。捕捉追尾制御部５２１には、例えば、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等が用いられる。

次に、実施の形態５に係る周波数同期装置の動作を説明する。本説明では実施の形態２と異なる動作を中心に説明する。

基準信号光７をマスタモジュール１０からスレーブモジュール２０へ供給する第１の動作について、実施の形態２と異なる部分について説明する。

マスタモジュール１０側に設置された光源１５０から入力される無変調の連続信号光をＳ_Ｍ０とすると、Ｓ_Ｍ０信号の周波数は、以下の式（３２）で表される。

ここで、λ_Ｍは、光源１５０の出力する信号光の波長である。

ＭＯＤ１５１は、式（１）で表される信号を用いてＳ_Ｍ０信号に対して振幅変調を行い、基準信号光７を生成し光合波器１５２へ出力する。基準信号光７をＳ_Ｍ１とすると、Ｓ_Ｍ１信号には２つの周波数成分が含まれており、その周波数は、以下の式（３３）、（３４）で表される。

光合波器１５２は、Ｓ_Ｍ１と後述するＳ_Ｓ３とを合波し光アイソレータ１５３へ出力する。Ｓ_Ｍ１は、光アイソレータ１５３及びＦＰＭ１５４を介して光送受信アンテナ１５へ出力される。

光送受信アンテナ１５は、ＦＰＭ１５４が出力した基準信号光７を光送受信アンテナ２５へ送信する。

スレーブモジュール２０の光送受信アンテナ２５は、基準信号光７を受信し、ＦＰＭ２５４へ出力する。光送受信アンテナ２５が受信した基準信号光７は、ドップラー効果の影響を受けるため、Ｓ_Ｍ１と周波数が異なる。光送受信アンテナ２５が受信した基準信号光７をＳ_Ｍ２とすると、Ｓ_Ｍ２信号に含まれる２つの周波数成分は、以下の式（３５）、（３６）で表される。

光送受信アンテナ２５は、ＦＰＭ２５４を介して、Ｓ_Ｍ２を光アイソレータ２５３へ出力する。

光アイソレータ２５３は、Ｓ_Ｍ２を光分波器２５５に出力する。光分波器２５５は、Ｓ_Ｍ２を２分配し、光ＢＰＦ２５６及び光ＢＰＦ２５９へ出力する。但し、光ＢＰＦ２５６は、波長λ_Ｓを中心とする信号以外の信号を遮断するため、光ＢＰＦ２５６以降に接続される回路にＳ_Ｍ２は入力されない。

光ＢＰＦ２５９は、不要信号を遮断するとともにＳ_Ｍ２を透過させ、光分波器２６０へ出力する。

光分波器２６０は、Ｓ_Ｍ２をセンサ部５２０及び光増幅器２６１へ出力する。光増幅器２６１は、Ｓ_Ｍ２を増幅し、増幅したＳ_Ｍ２をＰＤ２６２へ出力する。

ＰＤ２６２は、Ｓ_Ｍ２を検波し、検波した信号を内部で増幅して出力する。検波の結果得られる信号の周波数は、Ｓ_Ｍ２に含まれる２つの周波数成分の差分であることから、以下の式（３７）で表される。

ここで、式（３７）よりＰＤ２６２における検波で得られる信号は、式（２）と一致するため、この信号は、実施の形態２におけるＳ_２信号と同等である。ＰＤ２６２は、Ｓ_２を固定分周器２１０へ出力する。固定分周器２１０以降の動作は、実施の形態２と同等であるため省略する。

次に、スレーブモジュール２０が発振信号光８をマスタモジュール１０へ送信し、マスタモジュール１０から帰還される帰還信号光９をスレーブモジュール２０にて受信する第２の動作について説明を行う。この動作においても実施の形態２と共通する動作は、説明を省略する。

スレーブモジュール２０側に設置された光源２５０が出力する無変調の連続信号光をＳ_Ｓ０とすると、Ｓ_Ｓ０信号の周波数は、以下の式（３８）で表される。

ここで、λ_Ｓは、光源２５０が出力する信号光の波長である。

ＭＯＤ２５１は、式（４）で表される信号を用いてＳ_Ｓ０信号に対して振幅変調を行い、発振信号光８を生成し光増幅器２５２へ出力する。発振信号光８をＳ_Ｓ１とすると、変調信号Ｓ_Ｓ１には２つの周波数成分が含まれており、その周波数は、以下の式（３９）、（４０）で表される。

光増幅器２５２は、Ｓ_Ｓ１を増幅し、増幅したＳ_Ｓ１を光アイソレータ２５３へ出力する。

光アイソレータ２５３は、ＦＰＭ２５４を介して、Ｓ_Ｓ１を光送受信アンテナ２５へ出力する。

光送受信アンテナ２５は、ＦＰＭ２５４が出力した発振信号光８（Ｓ_Ｓ１）を光送受信アンテナ１５へ送信する。

マスタモジュール１０の光送受信アンテナ１５は、発振信号光８を受信し、ＦＰＭ１５４へ出力する。光送受信アンテナ１５が受信した信号は、ドップラー効果の影響を受けるため、Ｓ_Ｓ１と周波数が異なる。光送受信アンテナ１５が受信した発振信号光８をＳ_Ｓ２とすると、Ｓ_Ｓ２信号に含まれる２つの周波数成分は、以下の式（４１）、（４２）で表される。

光送受信アンテナ１５は、ＦＰＭ１５４を介して、Ｓ_Ｓ２を光アイソレータ１５３へ出力する。

光アイソレータ１５３は、Ｓ_Ｓ２を光ＢＰＦ１５５へ出力する。このとき、光アイソレータ１５３は、Ｓ_Ｓ２を光合波器１５２へ出力しない。光ＢＰＦ１５５は、その他の波長の信号は透過させずにＳ_Ｓ２を透過させ、光分波器１５６へ出力する。光分波器１５６は、Ｓ_Ｓ２をセンサ部５１０及び光増幅器１５７へ出力する。光増幅器１５７は、Ｓ_S2を増幅し、増幅したＳ_S２を帰還信号光９として光合波器１５２へ出力する。この信号をＳ_S３とすると、Ｓ_S３信号に含まれる２つの周波数成分は、以下の（４３）、（４４）で表される。

光合波器１５２は、Ｓ_S３信号とＳ_Ｍ１信号とを合波し、光アイソレータ１５３へ出力する。光アイソレータ１５３は、ＦＰＭ１５４を介してＳ_S３信号を光送受信アンテナ１５へ出力する。

光送受信アンテナ１５は、ＦＰＭ１５４が出力した帰還信号光９（Ｓ_S３）を光送受信アンテナ２５へ送信する。

スレーブモジュール２０の光送受信アンテナ２５は、帰還信号光９を受信し、ＦＰＭ２５４へ出力する。光送受信アンテナ２５が受信した信号は、ドップラー効果の影響を受けるため、Ｓ_Ｓ３と周波数が異なる。光送受信アンテナ２５が受信した帰還信号光９をＳ_Ｓ４とすると、Ｓ_Ｓ４信号に含まれる２つの周波数成分は、以下の式（４５）、（４６）で表される。

光送受信アンテナ２５は、ＦＰＭ２５４を介してＳ_Ｓ４を光アイソレータ２５３へ出力する。

光アイソレータ２５３は、光分波器２５５を介してＳ_Ｓ４を光ＢＰＦ２５６及び光ＢＰＦ２５９へ出力する。但し、光ＢＰＦ２５９は、波長λ_Ｍを中心とする信号を透過し、その他の波長の信号を遮断するため、光ＢＰＦ２５９以降に接続される回路にＳ_Ｓ４は入力されない。

光ＢＰＦ２５６は、不要信号を遮断するとともにＳ_Ｓ４を透過させ、光増幅器２５７へ出力する。光増幅器２５７は、Ｓ_Ｓ４を増幅し、増幅したＳ_Ｓ４をＰＤ２５８へ出力する。

ＰＤ２５８は、Ｓ_Ｓ４を検波し、検波した信号を内部で増幅して出力する。検波の結果、得られる信号の周波数は、Ｓ_Ｓ４に含まれる２つの周波数成分の差分であることから、以下の式（４７）で表される。

ここで、式（４７）よりＰＤ２５８における検波で得られる信号は、式（１４）と一致するため、この信号が、実施の形態２におけるＳ_７信号と同等である。ＰＤ２５８は、Ｓ_７をミクサ２０６へ出力する。ミクサ２０６以降の動作は実施の形態２と同等であるため、説明を省略する。

また、伝送に光通信を用いることで必要となる実施の形態５に特有の動作として、光送受信アンテナ１５及び光送受信アンテナ２５の補足追尾動作を説明する。光は、電波に比べて直進性が高いため、補足追尾を行わないと、信号が受信できずモジュール間で通信が途切れるおそれがある。

マスタモジュール１０に設置されたセンサ部５１０は、Ｓ_S２に基づいて光送受信アンテナ１５における実際の入射角と目標入射角との角度誤差を検出する。検出した角度誤差は、捕捉追尾制御部５１１へ出力される。

捕捉追尾制御部５１１は、入力された角度誤差情報基づいて，その誤差が無くなる様にＦＰＭ１５４に与える制御信号変化させる。一連の動作は閉ループ制御となっており、制御信号は、角度誤差情報を一定時間、積分することによって得られる角度誤差の平均を補償するように生成される。捕捉追尾制御部５１１は生成した制御信号をＦＰＭ１５４へ出力する。

ＦＰＭ１５４は、入力された制御信号に基づいて内部のモータを動作させ、自身の反射鏡の角度を制御する。

同様に、マスタモジュール１０に設置されたセンサ部５２０は、Ｓ_Ｍ２に基づいて光送受信アンテナ２５における実際の入射角と目標入射角との角度誤差を検出する。検出した角度誤差は、捕捉追尾制御部５２１へ出力される。

捕捉追尾制御部５２１は、角度誤差情報に基づいてＦＰＭ２５４に対する制御信号を演算により求め、その結果をＦＰＭ２５４へ出力する。

ＦＰＭ２５４は、入力された制御信号に基づいて内部のモータを動作させ、自身の反射鏡の角度を制御する。

以上の動作によって、光送受信アンテナ１５及び光送受信アンテナ２５の送信方向は、互いに正対する。

以上のように、実施の形態５によれば、モジュール間の信号の伝送に光通信を用いるので、信号が広範囲に放射されず、電波傍受の危険性を回避できる。また、マスタモジュール１０に用いる光源とスレーブモジュール２０に用いる光源を異なる波長とすることで、信号の分離が容易になる。変調周波数が同一周波数であっても、波長の違いにより信号を分離できるので、各信号の分離のために必要であった分周器が不要になる効果がある。

１ 航空機（主）、２ 航空機（従）、３ 基準信号（参照信号）、４ 発振信号、５ 帰還信号、６ 基線、７ 基準信号光、８ 発振信号光、９ 帰還信号光、１０ マスタモジュール、１１ 受信アンテナ、１２ 送信アンテナ、１３ 送信アンテナ、１４ 送受信アンテナ、１５ 光送受信アンテナ、２０ スレーブモジュール、２１ 送信アンテナ、２２ 受信アンテナ、２３ 受信アンテナ、２４ 送受信アンテナ、２５ 光送受信アンテナ、１０１ 増幅器、１０２ 固定分周器、１０３ 増幅器、１０４ 発振器、１０５ ＰＬＬ回路、１０６ 増幅器、１２０ サーキュレータ、１３１ 小数分周器、１３２ ＢＰＦ、１３３ ＢＰＦ、１３４ ＢＰＦ、１４１ ｆＰＬＬ回路、１５０ 光源、１５１ ＭＯＤ、１５２ 光合波器、１５３ 光アイソレータ、１５４ ＦＰＭ、１５５ 光ＢＰＦ、１５６ 光分波器、１５７ 光増幅器、２００ 周波数同期回路、２０１ 電圧制御発振器、２０２ 電力分配器、２０３ 増幅器、２０４ 増幅器、２０５ 固定分周器、２０６ ミクサ、２０７ ＢＰＦ、２０８ 固定分周器、２０９ 増幅器、２１０ 固定分周器、２１１ 位相周波数比較器、２１２ ループフィルタ、２２０ サーキュレータ、２３１ 小数分周器、２３２ 小数分周器、２３３ 小数分周器、２３４ 小数分周器、２３５ ＢＰＦ、２３６ ＢＰＦ、２３７ ＢＰＦ、２４１ ｆＰＬＬ回路、２４２ ｆＰＬＬ回路、２４３ ｆＰＬＬ回路、２５０ 光源、２５１ ＭＯＤ、２５２ 光増幅器、２５３ 光アイソレータ、２５４ ＦＰＭ、２５５ 光分波器、２５６ 光ＢＰＦ、２５７ 光増幅器、２５８ ＰＤ、２５９ 光ＢＰＦ、２６０ 光分波器、２６１ 光増幅器、２６２ ＰＤ、３０１ 電力分配器、３０２ ミクサ、３０３ ＢＰＦ、３０４ 固定分周器、４０１ 固定分周器、４０２ 位相周波数比較器、４０３ 可変分周器、４０４ ΔΣ変調器、４０５ ループフィルタ、４０６ 電圧制御発振器、４０７ 方向性結合器、５１０ センサ部、５１１ 捕捉追尾制御部、５２０ センサ部、５２１ 捕捉追尾制御部。

Claims (8)

1. 制御電圧によって発振信号の周波数を変化させ、前記発振信号を出力する電圧制御発振器と、
   ドップラー効果により周波数がシフトした前記発振信号が帰還信号として入力され、前記帰還信号と前記電圧制御発振器が出力した前記発振信号とを混合する混合器と、前記混合器が混合した混合信号を分周する分周器と、
   ドップラー効果により周波数がシフトした参照信号が入力され、前記参照信号の位相と前記分周器が分周した前記混合信号の位相とを比較し、位相差に応じた電流を出力する位相周波数比較器と、
   前記位相周波数比較器が出力する前記電流を電圧に変換し、前記電圧を前記電圧制御発振器の前記制御電圧として出力するループフィルタと、
   を備えた周波数同期装置。
2. 前記電圧制御発振器が出力した前記発振信号を送信する第１のアンテナと、
   前記第１のアンテナが送信しドップラー効果により周波数がシフトした前記発振信号を前記帰還信号として受信する第２のアンテナと、
   を備えた請求項１記載の周波数同期装置。
3. 前記分周器の分周比は２である請求項１または請求項２に記載の周波数同期装置。
4. 前記電圧制御発振器が出力した前記発振信号を送信し、ドップラー効果により周波数がシフトした前記発振信号を帰還信号として受信する第３のアンテナと、
   前記第３のアンテナと前記混合器とに接続され、前記第３のアンテナが送信する前記発振信号の信号経路と前記第３のアンテナが受信する前記帰還信号の信号経路とを分離するサーキュレータと、
   を備えた請求項１記載の周波数同期装置。
5. ドップラー効果により周波数がシフトした前記参照信号を受信し、前記発振信号を送信し、ドップラー効果により周波数がシフトした前記発振信号を帰還信号として受信する第３のアンテナと、
   前記電圧制御発振器が出力した前記発振信号を分周する第１の分周器と、
   前記第３のアンテナに接続され、前記第１の分周器が分周した前記発振信号を通過させる第１の帯域通過フィルタと、
   前記第３のアンテナと前記混合器とに接続され、前記第３のアンテナが受信した前記帰還信号を通過させる第２の帯域通過フィルタと、
   前記第３のアンテナに接続され、前記第３のアンテナが受信した前記参照信号を通過させる第３の帯域通過フィルタと、
   前記第３の帯域通過フィルタに接続され、前記第３のアンテナが受信した前記参照信号を分周する第２の分周器と、
   を備え、
   前記混合器は、前記第１の分周器が分周した前記発振信号と第２の帯域通過フィルタを通過した前記帰還信号とを混合することを特徴とする請求項１の周波数同期装置。
6. 前記第１の分周器が分周した前記発振信号を分周する第３の分周器と、
   を備え、
   前記混合器は、前記第３の分周器が分周した前記発振信号と第２の帯域通過フィルタを通過した前記帰還信号とを混合することを特徴とする請求項５の周波数同期装置。
7. 参照信号を出力するマスタモジュールと、
   前記マスタモジュールが出力した前記参照信号を受信し、発振信号を生成し、前記発振信号を前記マスタモジュールに送信し、前記マスタモジュールを介して帰還する前記発振信号を帰還信号として受信し、生成した前記発振信号と前記帰還信号とを混合した混合信号を生成し、前記参照信号の周波数と前記混合信号の周波数とを比較し、両者の周波数が一致するように、前記発振信号の周波数を変化させるスレーブモジュールと、
   を備えた周波数同期システム。
8. 信号光を出力する光源と、
   前記発振信号を用いて前記信号光を変調する変調器と、
   前記変調器により変調された前記信号光を発振信号光として送信し、ドップラー効果により周波数がシフトした前記発振信号光を帰還信号光として受信するとともに、ドップラー効果により周波数がシフトした参照信号光を受信する光アンテナと、
   前記光アンテナが受信した前記帰還信号光を復調し、前記帰還信号として前記混合器に出力する第１の復調器と、
   前記光アンテナが受信した前記参照信号光を復調し、前記参照信号として前記位相周波数比較器に出力する第２の復調器と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の周波数同期装置。

Images