JPH0680967B2 - 光制御型フェーズドアレーアンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光制御型フェーズドアレーアンテナに関する。

［従来の技術］ 第５図は、エル・ピー・アンダーソン（L.P.Anderson）
とエフ・ボルディザール（F.Boldissar）による“光プ
ロセッサを用いたアンテナのビーム形成（Antenna Beam
forming Using Optical Processor）"IEEE AP−Ｓ国際
シンポジウム・ダイジェスト,AP11−3,pp431−434,1987
年に示された従来の光制御型フェーズドアレーアンテナ
のブロック図であり、第６図は第５図で用いられる従来
の光放射器１のブロック図である。

第５図及び第６図において、送信信号であるマイクロ信
号は発振器２から光放射器１内の変調器18に入力され
る。一方、レーザダイオード19から放射されるビーム光
はビーム調整器20によって所定のビーム幅に調整された
後、ビームスプリッタ21を介してビーム調整器22に入射
する。ビームスプリッタ21で分岐される分岐光は変調器
18に入射する。変調器18は、入射される分岐光の周波数
を、入力されるマイクロ波信号の周波数だけ偏移させ、
変調後のビーム光をミラー23を介してビーム調整器24に
出力する。

ビーム調整器22は、入射されたビーム光を所定のビーム
幅に調整した後、第１のビーム光３としてミラー５を介
してイメージマスク６に出力し、一方、ビーム調整器24
は、入射されたビーム光を所定のビーム幅ｄに調整した
後、第２のビーム光４としてビーム合成器10に出力す
る。ここで、上記第２のビーム光４のビーム幅方向の位
置に対する相対振幅は、第７図に示すように、ビーム幅
方向の位置にかかわらず一定である。

イメージマスク６は、入射された第１のビーム光３を、
扇形ビームパターンなどの所望のアンテナ放射パターン
のパターン形状に対応したビーム形状を有するビーム光
７に変換して、フーリエ変換レンズ８に放射する。例え
ば、図示するように凸レンズにてなるフーリエ変換レン
ズ８は、入射されたビーム光７を受光し、そのビーム光
７の振幅分布及び位相分布（以下、振幅位相分布とい
う。）を空間的にフーリエ変換して、ビーム幅ｄを有す
るビーム光９をビーム合成器10に放射する。なお、フー
リエ変換レンズについては、例えば、大越孝敬著「光エ
レクトロニクス」電子情報通信学会編，電子情報通信学
会大学シリーズ,F−10,55頁−58頁，昭和57年８月15日
発行，に開示されている。ビーム合成器10は、上記第２
のビーム光４と上記ビーム光９を合成した後、混合光11
をファイバアレー12に放射する。ファイバアレー12は、
所定の間隔を置かれて光ファイバの長手方向が平行する
ように、ある平面に並置された複数ｎ本の光ファイバか
らなり、このファイバアレー12に入射される混合光11は
空間的にサンプリングされ各光ファイバに入射される。
各光ファイバに入射された各ビーム光はそれぞれ、ｎ本
の光ファイバケーブル13a乃至13nを介して各光電変換器
14a乃至14nに入射する。光電変換器14a乃至14nはそれぞ
れ、入射されたビーム光を、上記第１のビーム光３と上
記第２のビーム光４の差の周波数、すなわち発振器２か
ら出力されるマイクロ波信号の周波数と同一の周波数で
あって、入力されるビーム光の振幅に比例しかつその位
相に一致したマイクロ波信号に光電変換した後、増幅器
15a乃至15nを介して、直線状又は平面状で並置される素
子アンテナ17a乃至17nに出力する。これによって、マイ
クロ波信号が、素子アンテナ17a乃至17nから、上記イメ
ージマスク６で設定される放射パターンで空間に放射さ
れる。

上述のように、イメージマスク６から放射されるビーム
光７はフーリエ変換レンズ８によって１回フーリエ変換
されてビーム光７のフーリエ変換像（すなわち、フラウ
ンホーファ回折像）となり、その後、素子アンテナ17a
乃至17nからなるアレーアンテナから放射されることに
より、当該アレーアンテナの放射パターンは、その開口
の振幅位相分布のフーリエ変換像（すなわち、フラウン
ホーファ回折像）となります。すなわち、イメージマス
ク６から放射されるビーム光７の振幅位相分布は２回フ
ーリエ変換されるので、公知の通り、ビーム光の７の振
幅位相分布は、アレーアンテナによって放射された遠方
界のマイクロ波信号の振幅位相分布に一義的に対応する
ことになる。

［発明が解決しようとする課題］ 以上のように構成された光制御型フェーズドアレーアン
テナにおいては、素子アンテナ17a乃至17nから放射され
るマイクロ信号の放射パターンはイメージマスク６の形
状及び光軸からの位置で設定される。従って、イメージ
マスク６の形状及び位置が固定されているとき、上記マ
イクロ信号の放射パターンは固定され、放射パターンを
変更することができないという問題点があった。

ところで、通常の光ファイバの直径は光の波長に対して
約100倍程度であるので、上記ファイバアレー12におい
て用いられる光ファイバの配列間隔を光の波長以下にす
ることはできず、上記混合光11をファイバアレー12でサ
ンプリングする場合、サンプリング間隔が光の波長に比
べて大きくなってしまい、標本化定理を満足しない。従
って、フーリエ変換したビーム光９の分布に対応した放
射パターンを素子アンテナ17a乃至17nにおいて精確に再
現することはできず、このため、各素子アンテナ17a乃
至17nから空間に放射されるマイクロ波信号の放射パタ
ーンにおける最大のサイドローブレベルは、第８図に示
すように、−20dB程度となり、他の通信システムのマイ
クロ波信号との混信や干渉が生じる可能性がある。混信
や干渉を防ぐためには、一般に例えばサイドローブレベ
ルを−30dB以下にする必要がある。

上述の従来の光制御型フェーズドアレーアンテナにおい
て、低サイドローブ特性を実現するためには、上記増幅
器15a乃至15nの利得を制御して、上記素子アンテナ17a
乃至17nのうちアレーアンテナの周辺部にある素子アン
テナに給電されるマイクロ波信号の振幅を小さくする必
要がある。これを実現するため、利得の異なる複数の増
幅器を用いるか、又は増幅器を用いて各増幅器の利得を
個別に調整しなければならず、特に素子アンテナの数が
多い場合には、そのために多大の時間や費用がかかると
いう問題点があった。

本発明の第１の目的は以上の課題を解決し、アレーアン
テナから放射される無線信号の放射パターンを容易に変
更することができ、簡単な構成であって安価な光制御型
フェーズドアレーアンテナを提供することにある。

本発明の第２の目的は、低いサイドローブ特性を有し、
簡単な構成であって安価な光制御型フェーズドアレーア
ンテナを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る光制御型フェーズドアレーアンテナは、所
定の周波数を有する第１のビーム光を発生して放射する
第１の光放射手段（18a,20a,22）と、 上記第１のビーム光の周波数から、入力される無線信号
の周波数だけ偏移させた周波数を有する第２のビーム光
を発生して放射する第２の光放射手段（18b,20b,24）
と、 上記第１の光放射手段（18a,20a,22）から放射される第
１のビーム光を所定のアンテナ放射パターンのパターン
形状に対応したビーム形状を有するビーム光に変換して
放射する第１の変換手段（６）と、 上記第１の変換手段（６）から放射されるビーム光を受
光し、上記受光したビーム光の振幅分布及び位相分布を
空間的にフーリエ変換して、上記フーリエ変換後のビー
ム光を放射する第２の変換手段（８）と、 上記第２の変換手段（８）から放射されるビーム光と上
記第２の放射手段（18b,20b,24）から放射される第２の
ビーム光とを合成して放射する合成手段（10）と、 上記合成手段（10）から放射されるビーム光を空間的に
サンプリングし複数のビーム光に変換して放射するサン
プリング手段（12）と、 上記サンプリング手段（12）から放射される複数のビー
ム光をそれぞれ無線信号に光電変換して出力する光電変
換手段（14a−14n）と、 上記光電変換手段（14a−14n）から出力される複数の無
線信号をそれぞれ空間に放射する複数のアンテナ（17a
−17n）とを備えた光制御型フェーズドアレーアンテナ
において、 上記第２の光放射手段（18b,20b,24）と上記合成手段
（10）の間に設けられ、上記第２の光放射手段（18b,20
b,24）から放射される第２のビーム光のビーム幅方向の
振幅分布を変化して上記合成手段（10）に放射する分布
変化手段（31）を備えたことを特徴とする。

また、上記光制御型フェーズドアレーアンテナにおい
て、上記分布変化手段（31）は、好ましくは、上記第２
のビーム光の振幅分布を、ビーム光の周辺部の振幅がビ
ーム光の中央部の振幅よりも小さくなるように変化する
ことを特徴とする。

［作用］ 以上のように構成された光制御型フェーズドアレーアン
テナにおいては、上記第１の変換手段（６）は、上記第
１の光放射手段（18a,20a,22）から放射される第１のビ
ーム光を所定のアンテナ放射パターンのパターン形状に
対応したビーム形状を有するビーム光に変換して放射
し、上記第２の変換手段（８）は、上記第１の変換手段
（６）から放射されるビーム光を受光し、上記受光した
ビーム光の振幅分布及び位相分布を空間的にフーリエ変
換して、上記フーリエ変換後のビーム光を放射する。一
方、上記分布変化手段（31）は、上記第２の光放射手段
（18b,20b,24）と上記合成手段（10）の間に設けられ、
上記第２の光放射手段（18b,20b,24）から放射される第
２のビーム光のビーム幅方向の振幅分布を変化して上記
合成手段（10）に放射する。

次いで、上記合成手段（10）は、上記第２の変換手段
（８）から放射されるビーム光と上記分布変化手段（3
1）から放射されるビーム光とを合成して放射し、上記
サンプリング手段（12）は、上記合成手段（10）から放
射されるビーム光を空間的にサンプリングし複数のビー
ム光に変換して放射し、上記光電変換手段（14a−14n）
は、上記サンプリング手段（12）から放射される複数の
ビーム光をそれぞれ無線信号に光電変換して上記複数の
アンテナ（17a−17n）に出力する。これによって、複数
の無線信号がそれぞれ、上記複数のアンテナ（17a−17
n）から放射される。

ここで、上記第２のビーム光は上記分布変化手段（31）
によってそのビーム幅方向の振幅分布が変化されるの
で、上記合成手段（10）から放射されるビーム光の振幅
分布が変化され、これによって、上記複数のアンテナ
（17a−17n）から放射される無線信号のアンテナ放射パ
ターンが変化する。

また、上記分布変化手段（31）によって、上記第２のビ
ーム光の振幅分布が、ビーム光の周辺部の振幅がビーム
光の中央部の振幅よりも小さくなるように変化させると
き、上記合成手段（10）から放射されるビーム光の振幅
分布はビーム光の周辺部の振幅がビームの中央部の振幅
よりも小さくなる。従って、上記複数のアンテナ（17a
−17n）のうち上記ビーム光の周辺部に対応し、アレー
アンテナの周辺部に置かれるアンテナから放射される無
線信号のレベルが低下するので、アンテナ放射パターン
におけるサイドローブレベルを大幅に低下させることが
できる。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明による実施例について説明
する。

第１図は本発明の一実施例である光制御型フェーズドア
レーアンテナの構成を示すブロック図である。

この光制御型フェーズドアレーアンテナは、第５図の従
来の光制御型フェーズドアレーアンテナの構成に加え、
光放射器１から放射される第２のビーム光４のビーム幅
方向の振幅分布を調整するNDフィルタで構成された分布
調整器31を備えたことを特徴としている。

この分布調整器31は、第３図に示すように、ビーム光の
中央部で透過率が最大となり、中央部から周辺部に行く
につれて透過率が低くなるように同心状で変化する、い
わゆるテーパ分布と呼ばれる透過率分布を有する。従っ
て、分布調整器31は、上記第２のビーム光４のビーム幅
方向の振幅分布を、上記テーパ状に変化させて、参照光
32としてビーム合成器10に放射する。このため、ビーム
合成器10から放射されるビーム光11の振幅分布、並びに
上記素子アンテナ17a乃至17nに給電されたマイクロ波信
号の振幅分布も、上記参照光32のそれと同様となり、ビ
ーム光のビーム幅方向の周辺部に対応し、アレーアンテ
ナの周辺部に置かれる素子アンテナ（例えば17a,17n）
に給電されるマイクロ波信号のレベルが低下する。従っ
て、素子アンテナ17a乃至17nから空間に放射されるマイ
クロ信号の放射パターンのサイドローブレベルを従来に
比較し低下させることができる。なお、第１図の光制御
型フェーズドアレーアンテナは、上述の点を除いて第５
図の従来の光制御型フェーズドアレーアンテナと同様に
動作する。

第４図は、上記参照光32の振幅分布が、−7dBのエッジ
レベルを有するガウス分布であるときのアンテナの放射
パターンであり、サイドローブレベルは−30dB以下と、
第８図の従来例に比較し、10dB以上低くなっている。

以上の実施例において、分布調整器31として、同心状で
透過率が変化するNDフィルタを用いたが、これに限ら
ず、同心状で反射率が変化するミラーや、ビーム光を収
束させるレンズなどを用いてもよい。また、上記イメー
ジマスク６に代えて、ピンホール、又は平面状に並置さ
れた複数の透過型液晶素子からなる光スイッチを用いて
もよい。さらに、上記素子アンテナ17a乃至17nとして、
ダイポールアンテナ、誘電体基板上に構成された金属パ
ッチアンテナ、ホーンアンテナなどの複数のアンテナ
を、直線状又は平面状で配列したアレーアンテナを用い
ることができる。

さらに、分布調整器31の透過率特性を変化することによ
って、素子アンテナ17a乃至17nから放射されるマイクロ
波信号の放射パターンを変化することができる。従っ
て、容易に放射パターンを変更して設定することができ
るという利点がある。

第２図は、光放射器の第２の実施例1aを示すブロック図
である。

第２図において、送信信号であるマイクロ波信号が発振
器２から光放射器1aの信号比較器35に入力される。

光放射器1aにおいて、レーザダイオード18aから放射さ
れるビーム光はビーム調整器20aで所定のビーム幅に調
整された後、ビームスプリッタ21aを介してビーム調整
器22に入射し、ビームスプリッタ21aで分岐される分岐
光36aはビーム合成器33に入射する。一方、レーザダイ
オード18bから放射されるビーム光はビーム調整器20bで
所定のビーム幅に調整された後、ビームスプリッタ21b
を介してビーム調整器24に入射し、ビームスプリッタ21
bで分岐される分岐光36bはビーム合成器33に入射する。

ビーム調整器22,24はそれぞれ従来例と同様に、入射す
るビーム光を所定のビーム幅に調整して、第１のビーム
光３及び第２のビーム光４として放射する。

ビーム合成器33は、入射する２つのビーム光を合成して
光電変換器34に放射する。光電変換器34は、入射する合
成光を上記分岐光36aと36bの差の周波数を有するマイク
ロ波信号に光電変換して信号比較器35に出力する。信号
比較器35は、光電変換器34から入力されるマイクロ波信
号と、発振器２から入力されるマイクロ波信号を比較
し、各信号の周波数差に比例した誤差電圧信号をレーザ
ダイオード18bに出力する。この電圧信号に応答してレ
ーザダイオード18bの励起電流が変化し、これによりレ
ーザダイオード18bの発振周波数が変化する。

以上のように構成された帰還制御系においては、信号比
較器35に入力される２つのマイクロ波信号の各周波数が
一致するように、レーザダイオード18bの発振周波数が
制御される。従って、ビーム調整器22から放射される第
１のビーム光３の周波数と、ビーム調整器24から放射さ
れる第２のビーム光４の周波数との差の周波数は、発振
器２から出力されるマイクロ波信号の周波数に一致する
ように制御される。

以上のように構成された光放射器1aを第６図で示された
光放射器１の代わりに用いることができ、この場合、第
１図の光制御型フェーズドアレーアンテナは、上述と同
様に動作する。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、光制御型フェーズ
ドアレーアンテナにおいて、ビーム光のビーム幅方向の
振幅分布を変化する分布変化手段を備えたので、複数の
アンテナから放射される無線信号のアンテナ放射パター
ンを容易に変化させることができる。

また、上記分布変化手段により、上記第２のビーム光の
振幅分布が、ビーム光の周辺部の振幅がビーム光の中央
部の振幅よりも小さくなるように変化させることによっ
て、複数のアンテナのうち上記ビーム光の周辺部に対応
し、アレーアンテナの周辺部に置かれるアンテナから放
射される無線信号のレベルが低下するので、アンテナ放
射パターンにおけるサイドローブレベルを大幅に低下さ
せることができる。従って、低サイドローブ特性を有す
る光制御型フェーズドアレーアンテナを簡単な構成でか
つ安価に構成することができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である光制御型フェーズドア
レーアンテナの構成を示すブロック図、 第２図は第１図の光放射器の第２の実施例を示すブロッ
ク図、 第３図は第１図の分布調整器から放射される参照光の振
幅分布特性を示す図、 第４図は第１図の光制御型フェーズドアレーアンテナの
アンテナ放射パターンを示す図、 第５図は従来の光制御型フェーズドアレーアンテナの構
成を示すブロック図、 第６図は従来の光放射器の構成を示すブロック図、 第７図は第６図の光放射器から放射される第２のビーム
光の振幅分布を示す図、 第８図は第５図の光制御型フェーズドアレーアンテナの
アンテナ放射パターンを示す図である。 １……光放射器 ２……発振器、 ６……イメージマスク、 ８……フーリエ変換レンズ、 10……ビーム合成器、 12……ファイバアレー、 14a乃至14n……光電変換器、 17a乃至17n……素子アンテナ、 31……分布調整器。

フロントページの続き (72)発明者 岩崎 久雄 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷５ 番地 株式会社エイ・ティ・アール光電波 通信研究所内 (72)発明者 安川 交二 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷５ 番地 株式会社エイ・ティ・アール光電波 通信研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の周波数を有する第１のビーム光を発
   生して放射する第１の光放射手段（18a,20a,22）と、 上記第１のビーム光の周波数から、入力される無線信号
   の周波数だけ偏移させた周波数を有する第２のビーム光
   を発生して放射する第２の光放射手段（18b,20b,24）
   と、 上記第１の光放射手段（18a,20a,22）から放射される第
   １のビーム光を所定のアンテナ放射パターンのパターン
   形状に対応したビーム形状を有するビーム光に変換して
   放射する第１の変換手段（６）と、 上記第１の変換手段（６）から放射されるビーム光を受
   光し、上記受光したビーム光の振幅分布及び位相分布を
   空間的にフーリエ変換して、上記フーリエ変換後のビー
   ム光を放射する第２の変換手段（８）と、 上記第２の変換手段（８）から放射されるビーム光と上
   記第２の放射手段（18b,20b,24）から放射される第２の
   ビーム光とを合成して放射する合成手段（10）と、 上記合成手段（10）から放射されるビーム光を空間的に
   サンプリングし複数のビーム光に変換して放射するサン
   プリング手段（12）と、 上記サンプリング手段（12）から放射される複数のビー
   ム光をそれぞれ無線信号に光電変換して出力する光電変
   換手段（14a−14n）と、 上記光電変換手段（14a−14n）から出力される複数の無
   線信号をそれぞれ空間に放射する複数のアンテナ（17a
   −17n）とを備えた光制御型フェーズドアレーアンテナ
   において、 上記第２の光放射手段（18b,20b,24）と上記合成手段
   （10）の間に設けられ、上記第２の光放射手段（18b,20
   b,24）から放射される第２のビーム光のビーム幅方向の
   振幅分布を変化して上記合成手段（10）に放射する分布
   変化手段（31）を備えたことを特徴とする光制御型フェ
   ーズドアレーアンテナ。
2. 【請求項２】上記分布変化手段（31）は、上記第２のビ
   ーム光の振幅分布を、ビーム光の周辺部の振幅がビーム
   光の中央部の振幅よりも小さくなるように変化すること
   を特徴とする請求項第１項記載の光制御型フェーズドア
   レーアンテナ。