WO2023242920A1 - 受信指向性制御装置及び受信指向性制御方法 - Google Patents

受信指向性制御装置及び受信指向性制御方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2023242920A1
WO2023242920A1 PCT/JP2022/023678 JP2022023678W WO2023242920A1 WO 2023242920 A1 WO2023242920 A1 WO 2023242920A1 JP 2022023678 W JP2022023678 W JP 2022023678W WO 2023242920 A1 WO2023242920 A1 WO 2023242920A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
loop circuit
optical signal
optical
frequency
signal
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/023678
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
健 平賀
穂乃花 伊藤
斗煥 李
宏礼 芝
淳 増野
裕文 笹木
康徳 八木
知哉 景山
Original Assignee
日本電信電話株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本電信電話株式会社 filed Critical 日本電信電話株式会社
Priority to PCT/JP2022/023678 priority Critical patent/WO2023242920A1/ja
Publication of WO2023242920A1 publication Critical patent/WO2023242920A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/25—Arrangements specific to fibre transmission
    • H04B10/2575—Radio-over-fibre, e.g. radio frequency signal modulated onto an optical carrier
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/08—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station

Definitions

  • the present invention relates to techniques for a reception directivity control device and a reception directivity control method.
  • a method of mechanically controlling the direction of the antenna A method of controlling radio waves emitted from an antenna by refracting or reflecting them using a movable lens or reflector.
  • a control method using a phased array antenna A control method using a phased array antenna.
  • methods using phased array antennas are often used. The reason for this is that phased array antennas have no mechanically moving parts and have high durability and ability to follow movement. Furthermore, it is suitable for making antennas smaller and lighter.
  • a phased array antenna In a phased array antenna, a plurality of antenna elements are arranged on a line or a plane. In a phased array antenna, the phase and amplitude of an RF (Radio Frequency) signal fed to each antenna element are controlled. This kind of control is called weighting. By performing such weighting, beam steering is realized electronically. The phase and amplitude of the RF signal fed to each antenna element is controlled using, for example, a variable delay circuit, a variable attenuator circuit, digital signal processing, or the like.
  • RF Radio Frequency
  • Phased array antennas that perform weighting using analog circuits are often used in fifth-generation mobile communication systems that use millimeter wave bands (Non-Patent Document 1) and millimeter wave band wireless LAN (Local Area Network) systems. There is.
  • Non-Patent Document 1 discloses a 256-element phased array antenna used in a 5th generation mobile communication base station in the 28 GHz band.
  • 6th generation mobile communications which aims to provide even higher transmission rates, the use of, for example, the 300 GHz band (so-called terahertz band) is being considered. If the radio frequency becomes about 10 times higher than the 28 GHz band, the free space propagation loss will increase by 100 times. In other words, the free space propagation loss increases by 20 dB. Taking this into consideration, it is expected that tens of thousands of antenna elements will be required to compensate for this with the antenna gain of the base station, for example.
  • each phase shifter circuit In order to minimize the power feeding loss to the antenna elements, it is necessary to place each phase shifter circuit near each antenna element. Therefore, for example, a phase shifter circuit or the like is arranged immediately behind a planar antenna element formed on a printed circuit board, and power is supplied through a through hole.
  • the spacing between antenna elements becomes narrower. As the antenna element spacing becomes narrower, it becomes difficult to arrange a large number of phase shifter circuits at intervals equivalent to the antenna element spacing. For example, if the radio frequency is 300 GHz, the free space wavelength is 1 mm. Therefore, the interval between antenna elements is generally set to half the wavelength (ie, 0.5 mm).
  • multi-beam forming circuit it is necessary to arrange the same number of phase shifters as the number of beams in parallel. Therefore, it is easy to imagine that it will become even more difficult.
  • Non-Patent Document 2 proposes a method in which a signal is converted into light and then weighted by an optical circuit. This is thought to increase the possibility of configuring a multi-element, two-dimensional weighting circuit.
  • the number of components of the weighting circuit increases depending on the number of antenna elements. Therefore, there is a need for technology that can suppress the increase in the number of components as much as possible and cope with the increase in the number of antenna elements.
  • a method for controlling two-dimensional arrays that prevents three-dimensional structures is strongly desired.
  • Patent Document 1 discloses a three-dimensional optical circuit that performs two-dimensional beam steering using a wavelength dispersion line. However, the number of circuit components is required depending on the number of antenna elements.
  • the beam forming means using wavelength multiplexing disclosed in Patent Document 2 is also considered to be expandable to include multiple elements.
  • the number of antenna elements increases, the number of components that make up the circuit becomes enormous. Further, as the number of antenna elements and the number of beams increases, the number of wavelengths multiplexed increases. Therefore, there is a problem that the required optical frequency bandwidth becomes enormous.
  • Non-Patent Document 3 by making an input optical signal go around multiple times in a loop circuit, a predetermined amount of time delay and a predetermined amount of optical frequency shift are given to the optical signal each time it goes around. Through such processing, it is possible to output a large number of optical signals having different wavelengths and delay times. Therefore, it is possible to feed RF signals with time differences to each element of the one-dimensional phased array antenna.
  • a method of scanning a transmission beam through such processing is disclosed in Non-Patent Document 3. According to this method, the number of optical frequencies used in the circuit increases in proportion to the number of antenna elements, but it is possible to increase the scale of the array antenna that can be controlled without increasing the scale of the beam scanning circuit. It becomes possible.
  • the configuration of the transmission directivity control device is disclosed, there is no disclosure regarding reception directivity control.
  • an object of the present invention is to provide a technology that can realize reception directivity without increasing the number of components constituting a phase weighting circuit for beam scanning in accordance with the number of antenna elements. It is said that
  • One aspect of the present invention is to change the frequency of an optical signal obtained by converting an electromagnetic wave arriving from space into an electric signal and photoelectrically converting it to either a high frequency side or a low frequency side depending on the number of times it has circulated.
  • a loop circuit that shifts and gives a delay time, and an initial optical signal that is an optical signal before being input to the loop circuit, or an optical signal output from the loop circuit, to a path that connects to the loop circuit and the output terminal.
  • a reception directivity control device includes a distribution section that distributes the signals to each other.
  • the loop circuit converts an electromagnetic wave arriving from space into an electric signal and performs photoelectric conversion to convert the optical signal to a high-frequency side or a low-frequency side, depending on the number of times the loop circuit has made a circuit.
  • the distribution unit shifts the initial optical signal, which is the optical signal before being input to the loop circuit, or the optical signal output from the loop circuit, to the loop circuit and the output. This is a reception directivity control method that distributes signals to each route connected to a terminal.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a conventional transmission system 900.
  • FIG. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the frequency and delay time of the components of an optical signal that reaches a demultiplexer after signal processing by a loop circuit. 9 is a diagram showing the demultiplexing characteristics of a demultiplexer 990.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a first embodiment of a receiving system 100 according to the present invention. It is a figure showing channel arrangement and passband of BPF and LPF of a first embodiment.
  • 3 is a diagram showing the relationship between the frequency and delay of each signal component of an optical signal in the scanning loop circuit 11.
  • FIG. FIG. 3 is a diagram showing a specific example of a delay circuit.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the frequency and delay of each signal component of an optical signal in the scanning loop circuit 11.
  • FIG. It is a figure showing the example of composition of second embodiment of receiving system 100 in the present invention. It is a figure showing the channel arrangement and the passband of BPF and LPF of a second embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the frequency and arrival time of signals of each channel. It is a figure showing the example of composition of a third embodiment. It is a figure which shows the example of a structure of 4th embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing passband characteristics of each filter.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a conventional transmission system 900.
  • Transmission system 900 includes a transmission directivity control device 90 and an array antenna 99.
  • the transmission directivity control device 90 controls the transmission directivity of an array antenna 99 connected to its own device.
  • Array antenna 99 has a linear array.
  • Array antenna 99 includes a duplexer 990 and three vertically arranged antenna elements 991 to 993.
  • a transmission signal and beam direction information are input to the transmission system 900.
  • the transmission signal is an electrical signal on which information to be transmitted wirelessly is superimposed.
  • the beam direction information is information regarding the beam direction of the transmission beam transmitted from the array antenna 99.
  • the beam direction information may be information indicating the beam direction itself, or may be identification information (for example, a beam number) that is set in advance in association with the beam direction.
  • the output of the transmission system 900 is an electromagnetic wave radiated into space from the array antenna 99 with directivity in the direction of the beam.
  • a photomixer p is shown as a specific example of a circuit that converts an optical signal into an RF signal.
  • a circuit may be used that inputs a plurality (for example, two) optical signals of different frequencies to a photomixer p using a photodiode and extracts the difference in frequency as an RF signal.
  • a device other than a photomixer may be used as a circuit for converting an optical signal into an RF signal.
  • the transmission directivity control device 90 includes a direction indicating circuit 901, a light source 902, an optical modulator 903, a directional coupler 904, and a loop circuit 91.
  • the loop circuit 91 includes an optical SSB modulator 905, an RF local oscillator 906, a filter 907, an amplifier 908, and a delay circuit 909.
  • An optical signal is input to the loop circuit 91 from the second output terminal of the directional coupler 904 .
  • the output signal of the loop circuit 91 is input to the second input terminal of the directional coupler 904.
  • Optical SSB modulator 905 performs carrier suppression single sideband modulation (SSB modulation).
  • the RF local oscillator 906 generates an RF (radio frequency) unmodulated signal with a frequency ⁇ f, and outputs it to the optical SSB modulator 905.
  • a delay circuit 909 applies a delay to a signal passing through its own device. The amount of delay that the delay circuit 909 gives to the signal can be changed. The time required for the signal input to the loop circuit 91 to go around the loop circuit 91 once is ⁇ . By changing the delay time of the delay circuit 909, ⁇ can be changed.
  • the optical SSB modulator 905 shifts the frequency of the input optical signal to the high frequency side by a frequency ⁇ f. That is, the optical SSB modulator 905 has a function of performing upper sideband (USB) modulation.
  • Direction instruction circuit 901 controls the amount of time delay in delay circuit 909 of loop circuit 91 based on beam direction information input to transmission directivity control device 90 .
  • Unmodulated light of frequency channel ch1 output from light source 902 and a transmission signal input to transmission directivity control device 90 are input to optical modulator 903.
  • the optical modulator 903 modulates the input unmodulated light with a transmission signal to generate an optical signal. Note that if the application is not for information transmission, the optical modulator 903 generates an unmodulated optical signal without performing the above-described modulation process.
  • Optical modulator 903 outputs the generated optical signal.
  • the optical signal output by the optical modulator 903 is input to the first input terminal (the upper left terminal in FIG. 1) of the directional coupler 904.
  • the directional coupler 904 divides the input optical signal into a plurality of parts (two in FIG. 1) and outputs them.
  • One output of the optical signal distributed by the directional coupler 904 is output as is from the first output terminal (the upper right terminal in FIG. 1) and input to the demultiplexer 990 of the array antenna 99.
  • the other output of the directional coupler 904 is output from the second output terminal (lower right terminal in FIG. 1) and enters the loop circuit 91.
  • the frequency of this optical signal is shifted to the high frequency side by ⁇ f in the optical SSB modulator 905.
  • This optical signal further passes through a filter 907 and an amplifier 908, and then is given a predetermined time delay in a delay circuit 909.
  • This optical signal is then input to the second input terminal (lower left terminal in FIG. 1) of the directional coupler 904, and completes the first circuit of the loop circuit 91.
  • This optical signal is further divided into two by the directional coupler 904. One of the distributed outputs is input to the duplexer 990 from the first output terminal, and the other is input to the loop circuit 91 again from the second output terminal.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the frequency and delay time of the component of the optical signal that reaches the demultiplexer 990 after the signal is processed by the loop circuit 91.
  • reference numeral 951 indicates the passband of the filter 907
  • reference numeral 952 indicates an optical signal that has passed through the loop circuit 91 zero times
  • reference numeral 953 indicates an optical signal that has passed through the loop circuit 91 once
  • reference numeral 954 indicates the loop circuit.
  • 91 is shown twice. As the number of circuits around the loop circuit 91 increases, the delay time increases by ⁇ , the frequency shifts to a higher frequency by ⁇ f, and the channel number increases by 1.
  • the filter 907 is installed to prevent the optical signal from forming an infinite loop in the loop circuit 91.
  • the passband of the filter 907 is set to be the band of ch2 and the band of ch3.
  • the number of times the optical signal goes around the loop circuit 91 is limited to two times.
  • the number of times the loop circuit 91 is circulated does not need to be limited to two, and may be set as appropriate depending on, for example, the configuration of the array antenna 99 to be connected.
  • the demultiplexing characteristics of the demultiplexer 990 are shown in FIG.
  • the optical signals of ch1, ch2, and ch3 are output from output terminals 1 to 3 of the demultiplexer 990, respectively.
  • the optical signals output from each output terminal of the demultiplexer 990 are each converted into an RF signal by a photoelectric conversion circuit (not shown).
  • Each RF signal is input to antenna elements 991 to 993, respectively, and is radiated toward space from each antenna element.
  • the combination of RF signals radiated into space by the antenna elements 991 to 993 is as shown in FIG. is a combination of RF signals obtained by converting . Therefore, it is a combination of signals with a gradient time delay of ⁇ . Therefore, by changing the amount of time delay in the delay circuit 909, the direction of the beam can be changed. Therefore, the configuration shown in FIG. 1 allows beam scanning to be performed as a phased array antenna.
  • a scanning loop circuit performs a time delay and a frequency shift of an optical signal, and reception directivity control is performed using a one-dimensional array antenna.
  • reception directivity control is performed using a two-dimensional array antenna.
  • multi-beam operation is performed.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the first embodiment of the receiving system 100 according to the present invention.
  • the receiving system 100 includes an array antenna 50 and a receiving directivity control device 10, as shown in FIG.
  • the array antenna 50 includes a multiplexer 500, an antenna element 511 (Rx1), an antenna element 521 (Rx2), an antenna element 531 (Rx3), optical modulators 512 to 532, a light source 54, and a demultiplexer 55. , is provided.
  • antenna element 511, antenna element 521, and antenna element 531 may be written as antenna element Rx1, antenna element Rx2, and antenna element Rx3, respectively.
  • the signals received by antenna element Rx1, antenna element Rx2, and antenna element Rx3, and the optical signals generated by optical modulator 512 based on the received signals are referred to as “Rx1" and “Rx2,” respectively. , may be called “Rx3".
  • the light source 54 generates light of multiple frequencies. Each optical modulator modulates the light from the light source 54 with the output of each antenna element to generate first to third optical signals.
  • the multiplexer 500 multiplexes the first to third optical signals.
  • the reception directivity control device 10 includes a direction indicating circuit 101, a directional coupler 102, a band pass filter (hereinafter referred to as “BPF”) 103, and a scanning loop circuit 11.
  • BPF band pass filter
  • the scanning loop circuit 11 includes a low pass filter (hereinafter referred to as "LPF") 104, an RF local oscillator 105, an optical SSB modulator 106, an amplifier 107, and a delay circuit 108.
  • An optical signal is input to the scanning loop circuit 11 from the fourth terminal of the directional coupler 102 .
  • the directional coupler 102 distributes and outputs the input optical signal into a path that is output as a received signal via the BPF 103 and a path that is connected to the scanning loop circuit 11.
  • the directional coupler 102 is configured using equipment having such a distribution function.
  • Directional coupler 102 is one specific example of a distribution section. The distribution section may be implemented using equipment different from the directional coupler.
  • the optical signal input to the scanning loop circuit 11 is input to the optical SSB modulator 106 via the LPF 104.
  • the optical SSB modulator 106 generates and outputs an upper sideband (USB) by carrier suppression single sideband modulation.
  • the optical signal output from the optical SSB modulator 106 is amplified by the amplifier 107 and given a delay amount by the delay circuit 108.
  • the delay circuit 108 is configured to be able to change the amount of delay given to the optical signal.
  • the optical signal given the amount of delay by the delay circuit 108 is input to the second terminal of the directional coupler 102.
  • An RF local oscillator 105 is connected to the optical SSB modulator 106.
  • the RF local oscillator 105 generates an RF (radio frequency) unmodulated signal (hereinafter referred to as "local RF signal") with a frequency ⁇ f, and outputs it to the optical SSB modulator 106.
  • the optical SSB modulator 106 is configured so that the frequency of the optical signal is shifted by ⁇ f while the optical signal passes through it.
  • the time required for the optical signal to go around the scanning loop circuit 11 once is ⁇ , and ⁇ can be changed by changing the delay time of the delay circuit 108.
  • the direction instruction circuit 101 controls the time delay amount ⁇ in the delay circuit 108 based on the beam direction information input to the reception directivity control device 10.
  • the beam direction information is information regarding the beam direction of a receiving beam when an RF signal is received by the array antenna 50.
  • the beam direction information may be information indicating the beam direction itself, or may be identification information (for example, a beam number) that is set in advance in association with the beam direction.
  • three optical frequency channels are defined. As shown in FIG. 5, from the high frequency side, they are respectively labeled ch1 to ch3. The spacing between the three channels is assumed to be ⁇ f.
  • the passbands of the BPF 103 and the LPF 104 are set as shown in FIG. 5, respectively. That is, the BPF 103 passes one or more continuous frequency channels on the high frequency side, including the frequency channel with the highest frequency, among the frequency channels of the target frequency band to be output as a received signal.
  • the LPF 104 passes one or more continuous frequency channels on the low frequency side, including the frequency channel with the lowest frequency, among the frequency channels of the target frequency band to be output as received signals.
  • the frequency channels that the BPF 103 passes and the frequency channels that the LPF 104 passes do not overlap. Further, it is preferable that all frequency channels in the target frequency band to be output as a received signal can pass through at least one of the BPF 103 and the LPF 104.
  • the operation of the reception directivity control device 10 when a received RF signal radio wave arrives from the lower left direction of FIG. 4 and receives a beam in that direction will be described.
  • the received RF signal radio waves arrive at the antenna elements Rx3, Rx2, and Rx1 in this order with a time difference of ⁇ . Therefore, in order to operate as a phased array antenna, it is necessary to add the three received signals by adding a time delay of ⁇ interval to the received signals output from each antenna element so that the arrival time differences of each are aligned. be.
  • the process of providing the above-mentioned time delay ⁇ is performed using the scanning loop circuit 11.
  • the received RF signal radio waves reaching the antenna elements Rx1 to Rx3 and the respective lights of ch1 to ch3 generated by the light source 54 are input to the optical modulators 512 to 532.
  • the optical modulators 512 to 532 convert the respective lights of ch1 to ch3 inputted from the light source 54 into optical signals of ch1 to ch3, respectively, based on the received RF signal radio waves.
  • Optical modulators 512 to 532 output optical signals to multiplexer 500.
  • the multiplexer 500 combines the optical signals of ch1 to ch3 and inputs the combined signal to the reception directivity control device 10.
  • the input optical signal is input to the first terminal of the directional coupler 102 and split into two components. The relationship between the frequency and delay of each signal component at this point is shown in FIG. 6(A). This time is defined as time 0.
  • the optical signal of one component passes through the BPF 103 from the third terminal of the directional coupler 102, and only the component of ch1 (i.e., the received signal component of the antenna element Rx1), which is the passband of the BPF 103, is output from the received signal output terminal. Output.
  • the other component (the optical signal input to the scanning loop circuit 11 ) passes through the LPF 104 from the fourth terminal of the directional coupler 102 and starts circulating around the scanning loop circuit 11 .
  • the optical signal of this component is an optical signal of the ch2 and ch3 components (that is, the received signal components of antenna elements Rx2 and Rx3) that are the passband of the LPF 104, and the frequency thereof is increased by ⁇ f in the optical SSB modulator 106. Shifted.
  • the optical signal is amplified in an amplifier 107 and given a predetermined time delay in a delay circuit 108.
  • the time delay given by the delay circuit 108 is a time delay set so that the delay given by one round of the scanning loop circuit 11 is ⁇ .
  • the optical signal that has circulated through the scanning loop circuit 11 is input from the second terminal of the directional coupler 102 and is branched into two components. The time at this time is ⁇ , and the relationship between the frequency and delay of each signal component at this time is shown in FIG. 6(B).
  • One component passes through the third terminal of the directional coupler 102, passes through the BPF 103, and is output from the received signal output terminal.
  • the other component passes through the fourth terminal of the directional coupler 102 and starts circulating around the scanning loop circuit 11 again.
  • the frequency of the Rx2 component is ch1
  • it passes through the BPF 103 and is output from the received signal output terminal.
  • the Rx3 component does not pass through the BPF 103, but passes through the LPF 104, is input into the optical SSB modulator 106 again, and circulates around the scanning loop circuit 11. That is, at this point, the only component remaining as a signal circulating around the scanning loop circuit 11 is Rx3.
  • the optical signal that has made the second circuit around the scanning loop circuit 11 is input from the second terminal of the directional coupler 102 and is branched into two components.
  • the time at this time is 2 ⁇ , and the relationship between the frequency and delay of each signal component at this time is shown in FIG. 6(C).
  • One component passes through the third terminal of the directional coupler 102, passes through the BPF 103, and is output from the received signal output terminal.
  • the other component passes through the fourth terminal of the directional coupler 102 and starts circulating around the scanning loop circuit 11 again.
  • the frequency of the Rx3 component is ch1
  • it passes through the BPF 103 and is output from the received signal output terminal.
  • the optical signal input from the fourth terminal of the directional coupler 102 to the LPF 104 does not pass through the LPF 104, and therefore does not go around the scanning loop circuit 11.
  • all the signal components received by the antenna elements Rx1 to Rx3 are outputted from the received signal output terminal with the frequency set to ch1 and the delay set to 2 ⁇ .
  • the direction indicating circuit 101 adjusts the time delay amount of the delay circuit 108 to adjust ⁇ depending on the arrival angle of the received RF signal radio wave and the spacing between the antenna elements. Through such processing, desired receiving beam scanning can be performed.
  • the delay amount ⁇ in the delay circuit 108 is configured to be an integral multiple of the wavelength of light.
  • a configuration as shown in FIG. 7 may be used.
  • a set in which 2 ⁇ M (2 to the M power) unit delay lines with a delay amount line length L and a delay time ⁇ 0 are connected in series is connected by a changeover switch whose optical path length is sufficiently short compared to L.
  • ch(k-1) that is, the wave number in the unit delay line at the frequency (f 0 + k ⁇ f) (the length L of the unit delay line and the frequency The ratio of the wavelength ⁇ g of light of
  • c g is the speed of light within a unit delay line. Since this value may be an integer, for example, f0 and ⁇ f may be respectively set so that the values of the following two expressions in Expression 1 are integers.
  • Equation 2 becomes a fairly large number. Therefore, by fine-tuning f 0 , it is possible to make it an integer.
  • the required value of ⁇ f is determined from the occupied optical frequency bandwidth. For example, if ⁇ f is desired to be approximately 100 GHz, and the value of ⁇ f is 105 GHz, the value of equation 3 will be 48, which can be an integer.
  • the value of L may also be finely adjusted.
  • the reception directivity control device 10 of the first embodiment is connected to the array antenna 50, which is a linear array in which three antenna elements are arranged vertically.
  • the number of antenna elements is three, but any other number may be used.
  • the present invention has the advantage that the number of circuit components can be kept constant regardless of the number of antenna elements. Therefore, it is desirable to implement the configuration of the first embodiment when the number of antenna elements is large.
  • FIG. 8 is a diagram showing the configuration of a modification of the first embodiment.
  • the RF local oscillator 105 included in the scanning loop circuit 11 generates an RF (radio frequency) unmodulated signal (local RF signal) with a frequency of 3 ⁇ f. Therefore, in the optical SSB modulator 106 of the scanning loop circuit 11, the frequency of the optical signal is shifted to the high frequency side by 3 ⁇ f while the optical signal passes through the optical SSB modulator 106.
  • five optical frequency channels are defined. As shown in FIG. 9, from the high frequency side (right side in FIG.
  • reception directivity control device 10 when a received RF signal radio wave arrives from the lower left direction in FIG. 8 and receives a beam in that direction will be described.
  • the received RF signal radio waves arrive at the antenna elements Rx3, Rx2, and Rx1 in this order, each with a time difference of ⁇ . Therefore, in order to operate as a phased array antenna, it is necessary to add the three received signals by adding a time delay of ⁇ interval to the received signals output from each antenna element so that the arrival time differences of each are aligned. be.
  • the process of providing the above-mentioned time delay ⁇ is performed using the scanning loop circuit 11.
  • the received RF signal radio waves reaching the antenna elements Rx1 to Rx3 and the respective lights of ch1 to ch3 generated by the light source 54 are input to the optical modulators 512 to 532.
  • the optical modulators 512 to 532 convert the respective lights of ch1 to ch3 inputted from the light source 54 into optical signals of ch1 to ch3, respectively, based on the received RF signal radio waves.
  • Optical modulators 512 to 532 output optical signals to multiplexer 500.
  • the multiplexer 500 combines the optical signals of ch1 to ch3 and inputs the combined signal to the reception directivity control device 10.
  • the input optical signal is input to the first terminal of the directional coupler 102 and split into two components. The relationship between the frequency and delay of each signal component at this point is shown in FIG. 10(A). This time is defined as time 0.
  • the optical signal of one component passes through the BPF 103 from the third terminal of the directional coupler 102, and only the ch1 component (i.e., the received signal component of the antenna element Rx1) within the passband of the BPF 103 is output as a received signal. Output from the terminal.
  • the other component (the optical signal input to the scanning loop circuit 11 ) passes through the LPF 104 from the fourth terminal of the directional coupler 102 and starts circulating around the scanning loop circuit 11 .
  • the optical signal of this component is an optical signal of the ch2 and ch3 components (that is, the received signal components of the antenna elements Rx2 and Rx3) that are the passband of the LPF 104, and its frequency is shifted to a higher frequency range by 3 ⁇ f in the optical SSB modulator 106. be done.
  • the optical signal is amplified in an amplifier 107 and given a predetermined time delay in a delay circuit 108.
  • the time delay given by the delay circuit 108 is a time delay set so that the delay given by one round of the scanning loop circuit 11 is ⁇ .
  • the optical signal that has circulated through the scanning loop circuit 11 is input from the second terminal of the directional coupler 102 and is branched into two components. The time at this time is ⁇ , and the relationship between the frequency and delay of each signal component at this time is shown in FIG. 10(B).
  • One component passes through the third terminal of the directional coupler 102, passes through the BPF 103, and is output from the received signal output terminal.
  • the other component passes through the fourth terminal of the directional coupler 102 and starts circulating around the scanning loop circuit 11 again.
  • the frequency of the Rx2 component is ch1
  • it passes through the BPF 103 and is output from the received signal output terminal.
  • the Rx3 component does not pass through the BPF 103, but passes through the LPF 104, is input to the optical SSB modulator 106 again, and circulates around the scanning loop circuit 11. That is, at this point, the only component remaining as a signal circulating around the scanning loop circuit 11 is Rx3.
  • the optical signal that has made the second circuit around the scanning loop circuit 11 is input from the second terminal of the directional coupler 102 and is branched into two components.
  • the time at this time is 2 ⁇ , and the relationship between the frequency and delay of each signal component at this time is shown in FIG. 10(C).
  • One component passes through the third terminal of the directional coupler 102, passes through the BPF 103, and is output from the received signal output terminal.
  • the other component passes through the fourth terminal of the directional coupler 102 and starts circulating around the scanning loop circuit 11 again.
  • the frequency of the Rx3 component is ch1
  • it passes through the BPF 103 and is output from the received signal output terminal.
  • the optical signal input from the fourth terminal of the directional coupler 102 to the LPF 104 does not pass through the LPF 104, and therefore does not go around the scanning loop circuit 11.
  • the frequencies of the signal components received by the antenna elements Rx1 to Rx3 are aligned to ch1, ch2a, and ch3a, respectively, with a time delay of 2 ⁇ , and are input to the duplexer 110.
  • the input optical signals are each demultiplexed by a demultiplexer 110 and input to converters 111 to 113, respectively.
  • Each converter 111 to 113 performs a process of converting an optical signal into an electrical signal.
  • Each converter 111 to 113 may be configured using a photomixer, for example.
  • the RF signals output from the converters 111 to 113 are all added together by an adder and output from the received signal output terminal.
  • the direction indicating circuit 101 adjusts the time delay amount of the delay circuit 108 depending on the arrival angle of the received RF signal radio wave and the spacing between the antenna elements and adjusts ⁇ , the desired result can be obtained. can perform receive beam scanning.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration example of a second embodiment of a receiving system 100 according to the present invention.
  • the receiving system 100 of the second embodiment includes an array antenna 50.
  • the array antenna 50 of the second embodiment is configured as a two-dimensional array antenna.
  • the two-dimensional array antenna has a two-dimensional array antenna surface 700.
  • the reception directivity control device 10 of the second embodiment controls the reception directivity of the two-dimensional array antenna 50 to scan a two-dimensional reception beam.
  • the two-dimensional array antenna surface 700 includes nine receiving antenna elements Rx1a, Rx1b, . . . , Rx3c arranged in 3 rows and 3 columns as shown in FIG.
  • Each modulator connected to each antenna element of the two-dimensional array antenna uses the RF signal received at the two-dimensional array antenna surface 700 to adjust the frequencies ch1, ch2, to ch9 generated by the light source 54, respectively.
  • the light is modulated to generate a first optical signal, a second optical signal, . . . and a ninth optical signal, respectively.
  • These nine optical signals are transmitted to a first horizontal scanning multiplexer 500a, a second horizontal scanning multiplexer 500b, a third horizontal scanning multiplexer 500c, and a vertical scanning multiplexer 600. , and are combined into one optical waveguide.
  • the multiplexed optical signal is then input to the first terminal of the directional coupler 102a of the reception directivity control device 10.
  • the scanning loop circuits 11 are arranged in two stages in series, which are a vertical scanning loop circuit 11a and a horizontal scanning loop circuit 11b from the side closest to the two-dimensional array antenna 700 surface.
  • the reception directivity control device 10 nine optical frequency channels are defined as shown in FIG. 12, and these are ch9, ch8, . . . , ch1 from the low frequency side.
  • the passbands of LPF_V104a, BPF_V103a, LPF_H104b, and BPF_H103b are set as shown in FIG. 12, respectively.
  • the direction instruction circuit 101 controls the amount of time delay in the horizontal scanning delay circuit 108b and the vertical scanning delay circuit 108a based on beam direction information input to the reception directivity control device 10.
  • the operation of the sex control device will be explained.
  • the received RF signal radio waves reach each antenna element with a time difference of ⁇ V in the vertical plane and with a time difference of ⁇ H in the horizontal plane.
  • the nine received signals are added together by giving a time delay to the received signals output from each antenna element so that the arrival time differences of the respective antenna elements are equalized. Just match it.
  • processing for providing a required time delay is implemented using a vertical scanning loop circuit 11a and a horizontal scanning loop circuit 11b.
  • the received RF signal radio waves reaching each antenna element Rx1a to Rx3c are input to a modulator and converted into optical signals of ch1 to ch9.
  • Each optical signal of ch1 to ch9 is combined by a multiplexer (500a to 500c and 600), inputted to the first terminal of the directional coupler 102a of the vertical scanning loop circuit 11a, and split into two components.
  • Ru. FIG. 13 shows the relationship between the frequency of each signal component at this point and the relative arrival time (delay) at this terminal.
  • the time at which the receiving antenna Rx3c, which is the signal component that arrives at this terminal first, arrives, and the time at which the receiving antenna Rx1a, the signal component which arrives at this terminal last, arrives are separated by (2 ⁇ V+2 ⁇ H).
  • the optical signal (frequency is ch9) of the receiving antenna Rx3c is input to the first terminal of the directional coupler 102a of the vertical scanning loop circuit 11a. Since the frequency of this optical signal is ch9, it cannot pass through BPF_V103a but passes through LPF_V104a. This optical signal passes through the vertical scanning loop circuit 11a once, and its frequency is shifted to a higher frequency range by ⁇ fV in the optical SSB modulator 106a. As a result, the frequency of this optical signal becomes ch6. The signal is then input to the second terminal of the directional coupler 102a, and output from the third and fourth terminals.
  • the output optical signal cannot pass through the BPF_V 103a, but passes through the LPF_V 104a and circulates around the vertical scanning loop circuit 11a. After that, the frequency of this optical signal becomes ch3, so it can pass through the BPF_V 103a and is input to the subsequent horizontal scanning loop circuit 11b.
  • the optical signal of the receiving antenna Rx3c which is the signal component outputted from the vertical scanning multiplexer 600 first, has its frequency shifted to a high frequency by 2 ⁇ fV in the vertical scanning loop circuit 11a and becomes ch3, and the time is delayed by 2 ⁇ V and input to the horizontal scanning loop circuit 11b connected to the subsequent stage.
  • the optical signal of the receiving antenna Rx3c makes two rounds in the horizontal scanning loop circuit 11b.
  • the operations of the BPF_H 103b and LPF_H 104b, the frequency shift by the optical SSB modulator 106b, and the time delay operation by the horizontal scanning delay circuit 108b are all similar to those of the vertical scanning loop circuit 11a.
  • the frequency is shifted to a high frequency by 2 ⁇ H and becomes ch1, and the time is delayed by (2 ⁇ V+2 ⁇ H) when added to the delay in the vertical scanning loop circuit 11a, and is output from the received signal output terminal.
  • the signal of the receiving antenna Rx3c passes through the vertical scanning loop circuit 11a twice and the horizontal scanning loop circuit 11b twice, and finally has a delay of (2 ⁇ V + 2 ⁇ H).
  • the received signal is output from the received signal output terminal at frequency ch1.
  • the number of turns of the vertical scanning loop circuit 11a and the horizontal scanning loop circuit 11b is determined depending on the frequency. This determines the amount of time delay to be given, and the frequency channel is ch1, which is output from the received signal output terminal. In this way, all nine received signal components are output from the received signal output terminal at the same time. Therefore, they are combined in the same phase and can operate as a receiving phased array antenna.
  • the two-dimensional antenna array has a configuration of nine elements, with three elements arranged in the vertical direction and three elements arranged in the horizontal direction, but the number of antenna elements may be any number.
  • the scanning directions are horizontal and vertical, combinations of other directions (for example, vertical and horizontal, east-west and north-south, etc.) may be used.
  • FIG. 14 is a diagram showing a configuration example of the third embodiment.
  • the receiving system 100 of the third embodiment performs a two-beam multi-beam receiving operation.
  • the output of the multiplexer 500 is equally divided by a distributor 800 and input to the scanning loop circuits 11 of the two reception directivity control devices 10.
  • scanning of the two receiving beams can be performed independently.
  • a configuration example of two beams is shown here, in the case of three or more beams, the number of scanning loop circuits 11 of the reception directivity control device 10 may be similarly increased.
  • a configuration may be used in which the two-dimensional array antenna 50 as shown in the second embodiment is controlled, and the number of antenna elements is not limited to this.
  • FIG. 15 is a diagram showing a configuration example of the fourth embodiment.
  • the receiving system 100 of the fourth embodiment scans the beam in both directions, up and down.
  • the optical SSB modulator 106 is used to change the optical frequency.
  • the optical SSB modulator 106 has two RF signal application electrodes 1061 and 1062. Two outputs of the RF directional coupler 142 are connected to the RF signal application electrodes 1061 and 1062, respectively.
  • the output terminal of the RF local oscillator 105 is connected to two input terminals of the RF directional coupler 142 via the RF switch 141, and depending on the state of the RF switch 141, the local RF signal is RF directional coupled.
  • the signal is input to one of the input terminals of the device 142.
  • the phase relationship of the local RF signals applied to the two RF signal application electrodes 1061 and 1062 of the optical SSB modulator 106 is such that one is delayed by 90 degrees from the other, and It is possible to switch between two ways, one being 90° ahead of the other.
  • the optical SSB modulator 106 performs USB modulation in the former state and LSB modulation in the latter state. With this configuration, it becomes possible to switch the direction of frequency shift by the optical SSB modulator 106. This switching allows the direction of the receiving beam to be set over a wider range. Specifically, for example, in the example of FIG. 15, it is possible to scan the receiving beam in both the lower left direction and the upper left direction.
  • the optical SSB modulator 106 When the beam direction is downward in FIG. 15, the optical SSB modulator 106 generates USB and shifts the frequency to the high frequency side. When the beam direction is upward in the drawing, the optical SSB modulator 106 generates LSB and shifts the frequency to the lower frequency side. At this time, the optical signal output from the output terminal 3 of the directional coupler 102 is output as a received signal via the HPF@ch1 (122) by the first switch 121 when the beam direction is downward in the drawing. Ru. The optical signal output from the output terminal 3 of the directional coupler 102 is output by the first switch 121 as a received signal via the LPF@ch3 (123) when the beam direction is upward in the drawing.
  • the optical signal output from the output terminal 4 of the directional coupler 102 is transmitted to the optical SSB modulator 106 via the LPF@ch2, 3 (132) by the second switch 131. is output to.
  • the optical signal output from the output terminal 4 of the directional coupler 102 is output to the optical SSB modulator 106 via HPF@ch1, 2 (133) by the second switch 131 when the beam direction is upward in the drawing. be done.
  • FIG. 16 is a diagram showing the passband characteristics of each filter.
  • the direction indicating circuit 101 determines the amount of time delay in the delay circuit 108, the first switch 121, the second switch 131, and the RF switch 141 based on the beam direction information input to the reception directivity control device 10. It has the function of controlling the route.
  • the same optical frequency conversion, time delay, and frequency filtering operations as in the first embodiment are performed in the fourth embodiment as well. Furthermore, in the fourth embodiment, the direction of the receiving beam can be scanned not only downward but also upward in the drawing.
  • the number of antenna elements is three, but any other number may be used.
  • the present invention has the effect of keeping the number of circuit components constant regardless of the number of antenna elements, so by implementing the present invention when the number of antenna elements is large, the effect of keeping the number of components to a small number can be particularly obtained.
  • the antenna array may be arranged two-dimensionally, and the scanning loop circuits 11 may be provided in two stages to control beam scanning in the horizontal and vertical directions, respectively.
  • a configuration may be adopted in which two-dimensional reception beam scanning is performed in the vertical and horizontal directions by assigning an appropriate optical frequency to each antenna element and setting the passband of each filter.
  • the direction instruction circuit 101 is configured using a processor such as a CPU (Central Processing Unit) and a memory.
  • the direction indicating circuit 101 may be realized by a processor executing a program. Note that all or part of each function of the direction instruction circuit 101 may be realized using hardware such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), a PLD (Programmable Logic Device), or an FPGA (Field Programmable Gate Array). .
  • the above program may be recorded on a computer-readable recording medium.
  • Computer-readable recording media include, for example, portable media such as flexible disks, magneto-optical disks, ROMs, CD-ROMs, semiconductor storage devices (such as SSDs: Solid State Drives), and hard disks and semiconductor storages built into computer systems. It is a storage device such as a device.
  • the above program may be transmitted via a telecommunications line.
  • phase shifting By performing phase shifting using an analog circuit, the number of analog-to-digital converters can be significantly reduced compared to a fully digitally controlled array antenna in which phase shifting is performed entirely by digital signal processing. Furthermore, since the phase shift is performed by analog processing of the optical signal, it is possible to perform not only beam scanning when emitting radio waves, but also beam scanning when emitting light in spatial optical wireless communication (FSO communication) etc. It can be applied to circuits that are implemented electronically rather than driven. In current FSO communications, the direction of radiation is adjusted by a mechanical drive device, which poses problems in terms of equipment weight and mass production, as well as operation and maintenance issues in terms of operating speed and durability. If scanning becomes possible, such problems can be solved.
  • FSO communication spatial optical wireless communication
  • Phased array antennas are used to control the transmission directivity of radio waves with sharp directivity in ultra-high-speed wireless transmission, high-definition imaging, radar, etc. using radio waves in high frequency bands such as millimeter waves and terahertz bands. becomes important.
  • the present invention can be applied to a reception directivity control device that receives data with dynamic directivity in such a phased array antenna.
  • 100... Reception system 10... Reception directivity control device, 101... Direction indicating circuit, 102... Directional coupler, 103... Band pass filter, 104... Low pass filter, 105... RF local oscillator, 106... Optical SSB modulation 107... Amplifier, 108... Delay circuit, 11... Loop circuit, 50... Array antenna, 500a to 500c... Horizontal scanning multiplexer, 600... Vertical scanning multiplexer, 700... Two-dimensional array antenna surface

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本発明の一態様は、空間から到来する電磁波を電気信号に変換し光電変換することによって得られる光信号に対し、周回した回数に応じて、周波数を高周波側又は低周波側のいずれか一方にシフトし、遅延時間を与えるループ回路と、前記ループ回路に入力される前の光信号である初期光信号、又は前記ループ回路から出力される光信号を、前記ループ回路および出力端子に繋がる経路にそれぞれ分配する分配部と、を備える、受信指向性制御装置である。

Description

受信指向性制御装置及び受信指向性制御方法
　本発明は、受信指向性制御装置及び受信指向性制御方法の技術に関する。
　無線通信の高速化と大容量化を実現する手段として、ミリ波帯以上の高周波帯の活用が進展している。電波の空間伝搬損は周波数が高くなるに従い増大する。例えば、自由空間伝搬損は周波数の２乗に比例して増大する。そのため、こうした高周波帯では高い利得を持つアンテナが使用されることが多い。高利得のアンテナは必ず高い指向性を持つ。そのため、そのビームの方向を無線通信の相手局に合わせることが必要である。相手局の方向が動的な場合は、ビームの方向を動的に制御する手段（すなわちビームステアリング）の適用が必要となる。無線通信に限らず、例えばレーダー、イメージング、無線電力伝送等の用途においても、アンテナにおけるビームステアリングの実施が必要とされている。
　ビームステアリングの手段として様々な手段が提案されている。以下、いくつか具体例を挙げる。アンテナの方角を機械的に制御する方法。アンテナから放射された電波を可動式のレンズや反射鏡で屈折または反射させて制御する方法。フェーズドアレーアンテナを用いて制御する方法。これらの中でも、フェーズドアレーアンテナを用いた方法が多く利用されている。その理由は、フェーズドアレーアンテナには機械的な可動部分がなく、耐久性や移動の追従性が高いためである。さらに、アンテナの小型・軽量化にも適している。
　フェーズドアレーアンテナでは、アンテナ素子が、線上または面上に複数配置されている。フェーズドアレーアンテナでは、各アンテナ素子に給電されるＲＦ（Radio Frequency；無線周波数）信号の位相と振幅とが制御される。このような制御を重みづけという。このような重みづけが行われることによって、電子的にビームステアリングが実現される。各アンテナ素子に給電されるＲＦ信号の位相及び振幅の制御は、たとえば可変遅延回路や可変減衰器回路やディジタル信号処理等の手段を用いて行われる。
　ミリ波帯を使用する第５世代移動通信システム（非特許文献１）やミリ波帯無線ＬＡＮ（Local Area Network）システム等では、アナログ回路で重みづけを行うタイプのフェーズドアレーアンテナが多く使用されている。
　また、高周波帯利用の開拓に伴い、さらに高いアンテナ利得が求められる。そのため、さらに多くのアンテナ素子に対する重み付けを行うフェーズドアレーアンテナが必要となることが予想される。例えば、非特許文献１では、２８ＧＨｚ帯での第５世代移動通信用基地局に使用される２５６素子のフェーズドアレーアンテナが開示されている。さらに高速な伝送レートの提供を目指す第６世代移動通信では、例えば３００ＧＨｚ帯（いわゆるテラヘルツ帯）の活用が検討されている。２８ＧＨｚ帯に対して無線周波数が１０倍程度高周波になれば、自由空間伝搬損は１００倍となる。いいかえると、自由空間伝搬損は２０ｄＢ増加する。このことを考慮すると、例えば基地局のアンテナ利得でそれを補うためには、数万個のアンテナ素子が必要となることが予想される。
　アンテナ素子への給電損を最小化するためには、各移相器回路を各アンテナ素子の近傍に配置する必要がある。そのため、例えばプリント基板上に形成された平面アンテナ素子のすぐ裏に移相器回路等が配置され、スルーホールを介して給電される。しかし、無線周波数が高くなると、アンテナ素子間隔が狭くなる。アンテナ素子間隔が狭くなると、アンテナ素子間隔と同等の間隔で多数の移相器回路を配置することは困難となる。例えば、無線周波数が３００ＧＨｚの場合、自由空間波長は１ｍｍである。そのため、アンテナ素子間隔は波長の半分（すなわち０．５ｍｍ）とすることが一般的である。さらに、複数のビームを形成する回路（マルチビーム形成回路）を構成するためには、ビーム数と同数の移相器を並列して配置しなければならない。そのため、さらに困難となることが容易に想定される。
　そこで、低損失導波路を小型実装可能な光回路製造技術を応用することが提案されている。例えば、非特許文献２では、信号を光に変換したうえで光回路により重みづけを実施する方法が提案されている。これにより、多素子・２次元の重みづけ回路を構成できる可能性が高まると考えられる。しかし、重みづけ回路の部品数はアンテナ素子数に応じて増加する。そのため、できる限り部品数の増加を抑え、アンテナ素子数の増大に対応するための技術が必要である。また、２次元アレーを制御するための立体的な構造を防止する方法が強く望まれる。
　光回路により重みづけを実施する既存の技術としては、以下のような手段が開示されている。特許文献１には、波長分散線路を利用して２次元のビームステアリングを行う立体的な光回路が開示されている。しかし、アンテナ素子数に応じた回路部品数が必要になる。
　特許文献２に開示されている波長多重を用いたビーム形成手段も、多素子化に拡張可能と考えられる。しかし、アンテナ素子数の増大に伴い、回路を構成する部品数が莫大になってしまう。また、アンテナ素子数の増大とビーム数の増大とに伴って、波長多重数が増加する。そのため、必要となる光周波数帯域幅が莫大になるといった問題がある。
　非特許文献３では、入力した光信号をループ回路で複数回周回させることで、１回周回するごとに所定量の時間遅延と所定量の光周波数シフトが光信号に与えられる。このような処理によって、波長及び遅延時間が異なる多数の光信号を出力することができる。そのため、１次元フェーズドアレーアンテナの各素子に対し、時間差のついたＲＦ信号を給電することができる。このような処理によって送信ビームを走査する方法が非特許文献３に開示されている。この方法によると、回路内で使用される光周波数の数はアンテナ素子の数に比例して増大するが、ビーム走査回路の規模を増大することなく、制御できるアレーアンテナの規模を増大することが可能となる。しかし、送信指向性制御装置の構成については開示があるが、受信指向性制御については開示がない。
特開２００４－０２３４００号公報 特開２００７－１６５９５６号公報
渡辺 光, 宇賀 晋介, 中溝 英之, 堤 恒次, 新庄 真太郎, 栗山 侑, 第５世代移動通信基地局向けミリ波アンテナ・RFフロントエンド技術, 電子情報通信学会　通信ソサイエティマガジン, 2020, 14 巻, 3 号, p. 222-231. C. Tsokos et al., "Analysis of a Multibeam Optical Beamforming Network Based on Blass Matrix Architecture," in Journal of Lightwave Technology, vol. 36, no. 16, pp. 3354-3372, 15 Aug.15, 2018. Y. Liu and J. Klamkin, "Scalable Integrated Photonics Beamforming Circuits," 2020 Asia Communications and Photonics Conference (ACP) and International Conference on Information Photonics and Optical Communications (IPOC), 2020, pp. 1-3.
　上記事情に鑑み、本発明は、ビーム走査のための位相重みづけ回路を構成する部品の数をアンテナ素子数に応じて増大させることなく、受信指向性を実現することができる技術の提供を目的としている。
　本発明の一態様は、空間から到来する電磁波を電気信号に変換し光電変換することによって得られる光信号に対し、周回した回数に応じて、周波数を高周波側又は低周波側のいずれか一方にシフトし、遅延時間を与えるループ回路と、前記ループ回路に入力される前の光信号である初期光信号、又は前記ループ回路から出力される光信号を、前記ループ回路および出力端子に繋がる経路にそれぞれ分配する分配部と、を備える、受信指向性制御装置である。
　本発明の一態様は、ループ回路が、空間から到来する電磁波を電気信号に変換し光電変換することによって得られる光信号に対し、周回した回数に応じて、周波数を高周波側又は低周波側のいずれか一方にシフトし、遅延時間を与え、分配部が、前記ループ回路に入力される前の光信号である初期光信号、又は前記ループ回路から出力される光信号を、前記ループ回路および出力端子に繋がる経路にそれぞれ分配する、受信指向性制御方法である。
　本発明により、ビーム走査のための位相重みづけ回路を構成する部品の数をアンテナ素子数に応じて増大させることなく、受信指向性を実現することが可能となる。
従来の送信システム９００の構成例を示す図である。 ループ回路による信号の処理を経て分波器に到達する光信号の成分の周波数と遅延時間との関係を示す図である。 分波器９９０の分波特性を示す図である。 本発明における受信システム１００の第一実施形態の構成例を示す図である。 第一実施形態のチャネル配置とＢＰＦとＬＰＦの通過帯域を示す図である。 走査用ループ回路１１における光信号の各信号成分の周波数と遅延の関係を示す図である。 遅延回路の具体例を示す図である。 第一実施形態の変形例の構成を示す図である。 第一実施形態の変形例のチャネル配置とＢＰＦとＬＰＦの通過帯域を示す図である。 走査用ループ回路１１における光信号の各信号成分の周波数と遅延の関係を示す図である。 本発明における受信システム１００の第二実施形態の構成例を示す図である。 第二実施形態のチャネル配置とＢＰＦとＬＰＦの通過帯域を示す図である。 各チャネルの信号の周波数と到達時刻との関係を示す図である。 第三実施形態の構成例を示す図である。 第四実施形態の構成例を示す図である。 各フィルタの通過帯域特性を示す図である。
　本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
　なお、以下で説明する実施の形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施の形態は、以下の実施の形態に限られるわけではない。
（従来技術とその問題点）
　まず、非特許文献４に示された従来の装置について説明する。図１は、従来の送信システム９００の構成例を示す図である。送信システム９００は、送信指向性制御装置９０及びアレーアンテナ９９を備える。送信指向性制御装置９０は、自装置に接続されているアレーアンテナ９９の送信指向性を制御する。アレーアンテナ９９は、線形アレーを有している。アレーアンテナ９９は、分波器９９０と、縦に配列された３つのアンテナ素子９９１～９９３と、を有している。
　送信システム９００には、送信信号及びビーム方向情報が入力される。送信信号は、無線で送信すべき情報が重畳された電気信号である。ビーム方向情報は、アレーアンテナ９９から送信される送信ビームのビーム方向に関する情報である。ビーム方向情報は、ビーム方向そのものを示す情報であってもよいし、ビーム方向に紐づいて予め設定されている識別情報（例えばビーム番号）であってもよい。送信システム９００の出力は、アレーアンテナ９９からビームの方向に向けて指向性を持ち空間に放射される電磁波である。図１では、光の信号からＲＦの信号へ変換する回路の具体例として、フォトミキサｐを記載している。例えば、フォトダイオードを用いたフォトミキサｐに周波数の異なる複数（例えば２つ）の光の信号を入力して、それらの差の周波数をＲＦの信号として取り出す回路が使用されてもよい。なお、光の信号からＲＦの信号へ変換する回路として、フォトミキサ以外の装置が用いられてもよい。
　図１に示されるように、送信指向性制御装置９０は、方角指示回路９０１、光源９０２、光変調器９０３、方向性結合器９０４、ループ回路９１を備える。ループ回路９１は、光ＳＳＢ変調器９０５、ＲＦ局部発信器９０６、フィルタ９０７、増幅器９０８及び遅延回路９０９を備える。ループ回路９１には、方向性結合器９０４の第２の出力端子から光信号が入力される。ループ回路９１の出力信号は、方向性結合器９０４の第２の入力端子に入力される。光ＳＳＢ変調器９０５は、搬送波抑圧単側波帯変調（ＳＳＢ変調）を行う。
　ＲＦ局部発信器９０６は、周波数ΔｆのＲＦ（無線周波数）無変調信号を発生させ、光ＳＳＢ変調器９０５に対して出力する。遅延回路９０９は、自装置を通過する信号に対して遅延を付与する。遅延回路９０９が信号に付与する遅延量は、変更可能である。ループ回路９１に入力された信号がループ回路９１を１周する間に要する時間はΔτである。遅延回路９０９の遅延時間を変えることで、Δτを変更することができる。光ＳＳＢ変調器９０５は、入力された光信号の周波数を、周波数Δｆだけ高周波側にシフトする。すなわち、光ＳＳＢ変調器９０５は、上側波帯（ＵＳＢ）の変調を行う機能を有する。したがって、ループ回路９１に入力された光信号は、ループ回路９１を１周するごとに、時間はΔτだけ遅延し、周波数はΔｆだけ高周波にシフトする。なお、３つの光の周波数チャネルが規定されており、低周波側から、それぞれｃｈ１～ｃｈ３とする。３つのチャネルの間隔はΔｆである。方角指示回路９０１は、送信指向性制御装置９０に入力されるビーム方向情報に基づいて、ループ回路９１の遅延回路９０９における時間の遅延量を制御する。
　次に図１に示す従来の送信システム９００の動作を説明する。光源９０２から出力される周波数チャネルｃｈ１の無変調光と、送信指向性制御装置９０に入力される送信信号が、光変調器９０３に入力される。光変調器９０３は、入力された無変調光を送信信号で変調し、光信号を生成する。なお、情報伝送の用途でない場合は、光変調器９０３は上述した変調処理を実施せずに、無変調の光信号を生成する。光変調器９０３は、生成された光信号を出力する。
　光変調器９０３によって出力された光信号は、方向性結合器９０４の第１の入力端子（図１の左上の端子）に入力される。方向性結合器９０４は、入力された光信号を複数（図１では２つ）に分配して出力する。方向性結合器９０４によって分配された光信号の一方の出力は、第１の出力端子（図１の右上の端子）からそのまま出力されアレーアンテナ９９の分波器９９０に入力される。方向性結合器９０４のもう一方の出力は、第２の出力端子（図１の右下の端子）から出力され、ループ回路９１に入る。この光信号は、光ＳＳＢ変調器９０５において周波数がΔｆだけ高周波側にシフトされる。この光信号は、さらにフィルタ９０７と増幅器９０８とを経由した後、遅延回路９０９において所定の時間遅延が与えられる。そして、この光信号は、方向性結合器９０４の第２の入力端子（図１の左下の端子）に入力され、ループ回路９１の１回目の周回を終える。この光信号は、方向性結合器９０４において、さらに２つに分配される。分配された出力の一方は、第１の出力端子から分波器９９０に入力され、もう一方は第２の出力端子から再びループ回路９１に入力される。
　図２は、ループ回路９１による信号の処理を経て分波器９９０に到達する光信号の成分の周波数と遅延時間との関係を示す図である。図２において、符号９５１はフィルタ９０７の通過帯域を示し、符号９５２はループ回路９１を０周した光信号を示し、符号９５３はループ回路９１を１周した光信号を示し、符号９５４はループ回路９１を２周した光信号を示す。ループ回路９１を周回する数が増加するに従い、遅延時間はΔτずつ増加し、周波数は高周波にΔｆずつシフトしてチャネル番号は１ずつ増加する。
　なお、フィルタ９０７は、ループ回路９１における光信号の無限ループを防止するために設置されている。フィルタ９０７の通過帯域は、図２の中に示すように、ｃｈ２の帯域とｃｈ３の帯域となるように設定されている。これにより、光信号がループ回路９１を２周して周波数がｃｈ３となった後に３周目に入った時には、光ＳＳＢ変調器９０５においてさらにΔｆだけ高周波側にシフトするが、フィルタ９０７を通過することはできない。そのため、光信号がループ回路９１を周回する回数は２回までに制限される。ただし、ループ回路９１を周回する回数は２回に限定される必要はなく、例えば接続されるアレーアンテナ９９の構成との関係で適宜設定されてよい。
　分波器９９０の分波特性を図３に示す。ｃｈ１、ｃｈ２，ｃｈ３の光信号はそれぞれ分波器９９０の出力端子１～出力端子３から出力される。分波器９９０の各出力端子から出力された光信号は、光電変換回路（不図示）によってそれぞれＲＦ信号に変換される。各ＲＦ信号は、それぞれアンテナ素子９９１～アンテナ素子９９３に入力し、各アンテナ素子から空間に向けて放射される。
　以上のような動作の結果、アンテナ素子９９１～アンテナ素子９９３において空間に放射されるＲＦ信号の組み合わせは、図２に示す、それぞれループ回路９１を０周した信号～ループ回路９１を２周した信号を変換することによって得られたＲＦ信号の組み合わせである。そのため、Δτの傾斜的な時間遅延がついた信号の組み合わせである。そのため、遅延回路９０９での時間遅延量を変化させることでビームの方向を変えることができる。したがって、図１に示される構成によって、フェーズドアレーアンテナとしてのビーム走査を実施することができる。
　しかし、上述したような送信の技術はあるものの、受信の技術は確立されていないという問題がある。
（本実施の形態の概要）
　以下、本発明の構成に関して３つの実施形態について説明する。第一実施形態では、走査用ループ回路による時間の遅延と光信号の周波数シフトを実施して、１次元アレーアンテナによる受信指向性制御を実施する。第二実施形態では、２次元アレーアンテナによる受信指向性制御を実施する。第三実施形態では、マルチビーム動作を実施する。第四実施形態では、ボアサイト方向に対して片側だけでなく両側への走査を可能とする。以下、具体的に説明する。なお、上述した従来の送信システム９００と同じ構成の一部については説明を省略する。
［第一実施形態］
　図４は、本発明における受信システム１００の第一実施形態の構成例を示す図である。受信システム１００は、図４のように、アレーアンテナ５０と、受信指向性制御装置１０と、を備える。アレーアンテナ５０は、合波器５００と、アンテナ素子５１１（Ｒｘ１）、アンテナ素子５２１（Ｒｘ２）及びアンテナ素子５３１（Ｒｘ３）と、光変調器５１２～５３２と、光源５４と、分波器５５と、を備える。以下の説明において、説明のしやすさを優先するため、アンテナ素子５１１、アンテナ素子５２１及びアンテナ素子５３１を、それぞれアンテナ素子Ｒｘ１、アンテナ素子Ｒｘ２、アンテナ素子Ｒｘ３と記載する場合がある。また、アンテナ素子Ｒｘ１、アンテナ素子Ｒｘ２、アンテナ素子Ｒｘ３のそれぞれで受信された信号や、受信された各信号に基づいて光変調器５１２によって生成された光信号を、それぞれ「Ｒｘ１」、「Ｒｘ２」、「Ｒｘ３」と呼ぶ場合がある。
　光源５４は、複数の周波数の光を発生する。各光変調器は、各アンテナ素子の出力で光源５４の光を変調して第１～第３の光信号を生成する。合波器５００は、第１～第３の光信号を合波する。受信指向性制御装置１０は、方角指示回路１０１、方向性結合器１０２、帯域通過フィルタ（以下「ＢＰＦ」という。）１０３、走査用ループ回路１１を備える。受信指向性制御装置１０の出力は、受信信号出力端子から出力される光信号である。
　走査用ループ回路１１は、低域通過フィルタ（以下「ＬＰＦ」という。）１０４、ＲＦ局部発振器１０５、光ＳＳＢ変調器１０６、増幅器１０７及び遅延回路１０８を備える。走査用ループ回路１１には、方向性結合器１０２の第４の端子から光信号が入力される。方向性結合器１０２は、入力された光信号を、ＢＰＦ１０３を介して受信信号として出力する経路と、走査用ループ回路１１に接続される経路と、に分配して出力する。方向性結合器１０２は、このような分配の機能を有する機器を用いて構成される。方向性結合器１０２は、分配部の一つの具体例である。方向性結合器とは異なる機器を用いて分配部が実装されてもよい。
　走査用ループ回路１１に入力された光信号は、ＬＰＦ１０４を経由して光ＳＳＢ変調器１０６に入力される。光ＳＳＢ変調器１０６は、搬送波抑圧単側波帯変調により上側波帯（ＵＳＢ）を発生して出力する。光ＳＳＢ変調器１０６から出力された光信号は、増幅器１０７によって増幅され、遅延回路１０８によって遅延量が与えられる。遅延回路１０８は、光信号に対して与える遅延量を変更可能に構成される。遅延回路１０８によって遅延量が付与された光信号は、方向性結合器１０２の第２の端子に入力される。
　光ＳＳＢ変調器１０６には、ＲＦ局部発振器１０５が接続される。ＲＦ局部発振器１０５は、周波数ΔｆのＲＦ（無線周波数）無変調信号（以下「局発ＲＦ信号」という。）を発生させ、光ＳＳＢ変調器１０６に出力する。光ＳＳＢ変調器１０６は、光信号が通過する間に、その光信号の周波数がΔｆだけシフトするように構成されている。光信号が走査用ループ回路１１を１周するために要する時間はΔτであり、Δτは、遅延回路１０８の遅延時間を変えることで変更できる。
　方角指示回路１０１は、受信指向性制御装置１０に入力されるビーム方向情報をもとに、遅延回路１０８での時間遅延量Δτを制御する。ビーム方向情報は、アレーアンテナ５０でＲＦ信号が受信される際の受信ビームのビーム方向に関する情報である。ビーム方向情報は、ビーム方向そのものを示す情報であってもよいし、ビーム方向に紐づいて予め設定されている識別情報（例えばビーム番号）であってもよい。
　ここで、３つの光の周波数チャネルを規定する。図５のように、高周波側から、それぞれｃｈ１～ｃｈ３とする。３つのチャネルの間隔はΔｆとする。ＢＰＦ１０３とＬＰＦ１０４との通過帯域は、それぞれ図５に示されるように設定される。すなわち、ＢＰＦ１０３は、受信信号として出力する対象の周波数帯の周波数チャネルのうち、最も高い周波数の周波数チャネルを含む高周波側の連続する一又は複数の周波数チャネルを通過させる。ＬＰＦ１０４は、受信信号として出力する対象の周波数帯の周波数チャネルのうち、最も低い周波数の周波数チャネルを含む低周波側の連続する一又は複数の周波数チャネルを通過させる。ＢＰＦ１０３が通過させる周波数チャネルと、ＬＰＦ１０４が通過させる周波数チャネルと、は重複しないことが好ましい。また、受信信号として出力する対象の周波数帯の全ての周波数チャネルは、ＢＰＦ１０３及びＬＰＦ１０４の少なくともいずれか一方から通過できることが好ましい。
　図４左下方向から受信ＲＦ信号電波が到来して、その方向にビームを受信する際の、受信指向性制御装置１０の動作を説明する。受信ＲＦ信号電波は、アンテナ素子Ｒｘ３、Ｒｘ２、Ｒｘ１の順に、それぞれΔτの時間差で到達する。そのため、フェーズドアレーアンテナとして動作させるためには、各アンテナ素子から出力される受信信号に対して、それぞれの到達時間差をそろえるようにΔτ間隔の時間遅延を与えて３つの受信信号を足し合わせる必要がある。受信指向性制御装置１０では、上記の時間遅延Δτを与える処理が、走査用ループ回路１１を用いて行われる。
　アンテナ素子Ｒｘ１～Ｒｘ３に到達した受信ＲＦ信号電波と、光源５４が生成するｃｈ１～ｃｈ３の各光は、光変調器５１２～５３２に入力される。光変調器５１２～５３２は、光源５４から入力されたｃｈ１～ｃｈ３の各光を受信ＲＦ信号電波に基づいてそれぞれｃｈ１～ｃｈ３の光信号に変換する。光変調器５１２～５３２は光信号を合波器５００に出力する。合波器５００は、ｃｈ１～ｃｈ３の光信号を合成し、受信指向性制御装置１０に入力する。入力された光信号は、方向性結合器１０２の第１の端子に入力して２つの成分に分岐される。この時点での各信号成分の周波数と遅延の関係を図６（Ａ）に示す。この時を時刻０とする。
　一方の成分の光信号は、方向性結合器１０２の第３の端子からＢＰＦ１０３を通過して、ＢＰＦ１０３の通過帯域であるｃｈ１の成分（すなわちアンテナ素子Ｒｘ１の受信信号成分）のみ受信信号出力端子から出力される。もう一方の成分（走査用ループ回路１１に入力した光信号）は、方向性結合器１０２の第４の端子からＬＰＦ１０４を通過して走査用ループ回路１１の周回を始める。この成分の光信号は、ＬＰＦ１０４の通過帯域であるｃｈ２とｃｈ３の成分（すなわちアンテナ素子Ｒｘ２とＲｘ３の受信信号成分）の光信号であり、光ＳＳＢ変調器１０６においてその周波数がΔｆだけ高域にシフトされる。
　続いて、上記光信号は増幅器１０７において増幅され、遅延回路１０８で所定の時間遅延が与えられる。遅延回路１０８によって与えられる時間遅延は、走査用ループ回路１１を１周して与えられる遅延がΔτとなるように設定された時間遅延である。走査用ループ回路１１を周回した光信号は、方向性結合器１０２の第２の端子から入力して２つの成分に分岐される。この時の時刻はΔτであり、この時点での各信号成分の周波数と遅延の関係を図６（Ｂ）に示す。
　一方の成分は、方向性結合器１０２の第３の端子を経由してＢＰＦ１０３を経由して受信信号出力端子から出力される。もう一方の成分は、方向性結合器１０２の第４の端子を経由して再び走査用ループ回路１１の周回を始める。図６（Ｂ）のように、Ｒｘ２の成分は、その周波数がｃｈ１であるためＢＰＦ１０３を通過して受信信号出力端子から出力される。一方、Ｒｘ３の成分は、ＢＰＦ１０３を通過しないが、ＬＰＦ１０４を通過して再び光ＳＳＢ変調器１０６へ入力され走査用ループ回路１１を周回する。つまりこの時点で走査用ループ回路１１を周回する信号として残った成分は、Ｒｘ３のみである。
　２回目の走査用ループ回路１１の周回をした光信号は方向性結合器１０２の第２の端子から入力して２つの成分に分岐される。この時の時刻は２Δτであり、この時点での各信号成分の周波数と遅延の関係を図６（Ｃ）に示す。一方の成分は、方向性結合器１０２の第３の端子を経由してＢＰＦ１０３を経由して受信信号出力端子から出力される。もう一方の成分は、方向性結合器１０２の第４の端子を経由して再び走査用ループ回路１１の周回を始める。図６（Ｃ）のように、Ｒｘ３の成分はその周波数がｃｈ１であるためＢＰＦ１０３を通過して受信信号出力端子から出力される。一方、方向性結合器１０２の第４の端子からＬＰＦ１０４に入力される光信号（これまで説明した通りＲｘ３の成分のみ）はＬＰＦ１０４を通過しないため、走査用ループ回路１１を周回しない。
　上記のような処理を経ると、アンテナ素子Ｒｘ１～Ｒｘ３で受信された信号成分はすべて周波数がｃｈ１、遅延が２Δτにそろい受信信号出力端子から出力される。受信ＲＦ信号電波の到来角度とアンテナ素子の間隔と、に依存して方角指示回路１０１が遅延回路１０８の時間遅延量を調整してΔτを調整する。このような処理によって、所望の受信ビーム走査を実施できる。
　上記のような動作を実施するためには、受信信号出力端子（ＢＰＦ１０３の出力を受信指向性制御装置１０の外部に出力する端子）において光信号の位相を一致させる必要がある。そのため、遅延回路１０８での遅延量Δτが光の波長の整数倍となるように構成される。位相回転量がどの光周波数においても２πの整数倍になるよう遅延線路を構成する方法として、例えば、図７のような構成があり得る。遅延量線路長Ｌで遅延時間がτ0である単位遅延線路を、２＾Ｍ（２のＭ乗）本直列に接続したセットを、Ｌに比べて十分光路長の短い切替スイッチで連接して構成する。図７では、３つのセットが連接されており、遅延時間τ=０～７τ0の可変遅延線路を構成することができる。
　ここで、ｃｈ１の周波数をｆ０として、ｋを２以上の自然数とすると、ｃｈ（ｋ－１）、つまり周波数（ｆ０＋ｋΔｆ）における単位遅延線路における波数（単位遅延線路の長さＬと当該周波数の光の波長λｇの比）は以下の式１のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
ここで、ｃｇは単位遅延線路内での光速である。この値が整数となるようにすればよいので、例えば、式１の以下の２つの式の値が整数になるように、ｆ０及びΔｆをそれぞれ設定すればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　具体的な計算例を示す。Ｌ＝１０ｍｍ、ｃｇ＝０．７ｃ０，ｆ０＝１９３．５５ＴＨｚとする。式２の値はかなり大きな数値になる。そのため、f0を微調整すればこれを整数とすることは可能である。Δｆは、占有する光周波数帯域幅から要求値が決められる。例えばΔｆを１００ＧＨｚ程度としたい場合、Δｆの値を１０５ＧＨｚとすれば、式３の値は４８となり、整数とすることができる。またＬの値も微調整してもよい。
　上述したように、第一実施形態の受信指向性制御装置１０は、３つのアンテナ素子が縦に配列された線形アレーのアレーアンテナ５０に接続される。第一実施形態では、アンテナの素子数を３としているが、他の数でも良い。本発明は、アンテナ素子数に依存せず回路部品数が一定とできるという効果がある。そのため、アンテナ素子数の多い場合に第一実施形態の構成が実装されることが望ましい。
［変形例］
　次に、第一実施形態の変形例について説明する。図８は、第一実施形態の変形例の構成を示す図である。以下、上述した第一実施形態の受信指向性制御装置１０異なる部分についてのみ説明する。走査用ループ回路１１が備えるＲＦ局部発振器１０５は、周波数３ΔｆのＲＦ（無線周波数）無変調信号（局発ＲＦ信号）を発生する。そのため、走査用ループ回路１１の光ＳＳＢ変調器１０６では、光信号が通過する間にその周波数が３Δｆだけ高周波側にシフトする。　ここで、５つの光の周波数チャネルを規定する。図９のように、高周波側（図９の右側）から、それぞれｃｈ１、ｃｈ２ａ、ｃｈ３ａ、ｃｈ２、ｃｈ３とする。前者３つのチャネルの間隔はΔｆ、ｃｈ２ａとｃｈ２との間隔は３Δｆ、ｃｈ３ａとｃｈ３との間隔は６Δｆとする。ＢＰＦ１０３とＬＰＦ１０４との通過帯域は、それぞれ図９のように設定される。本変形例でもアンテナ数を３としているが、アンテナ数がこれよりも多い場合にも、同様にチャネルを割り当てればよい。
　図８左下方向から受信ＲＦ信号電波が到来して、その方向にビームを受信する際の、受信指向性制御装置１０の動作を説明する。
　受信ＲＦ信号電波は、アンテナ素子Ｒｘ３、Ｒｘ２、Ｒｘ１の順に、それぞれΔτの時間差で到達する。そのため、フェーズドアレーアンテナとして動作させるためには、各アンテナ素子から出力される受信信号に対して、それぞれの到達時間差をそろえるようにΔτ間隔の時間遅延を与えて３つの受信信号を足し合わせる必要がある。受信指向性制御装置１０では、上記の時間遅延Δτを与える処理が、走査用ループ回路１１を用いて行われる。
　アンテナ素子Ｒｘ１～Ｒｘ３に到達した受信ＲＦ信号電波と、光源５４が生成するｃｈ１～ｃｈ３の各光は、光変調器５１２～５３２に入力される。光変調器５１２～５３２は、光源５４から入力されたｃｈ１～ｃｈ３の各光を受信ＲＦ信号電波に基づいてそれぞれｃｈ１～ｃｈ３の光信号に変換する。光変調器５１２～５３２は光信号を合波器５００に出力する。合波器５００は、ｃｈ１～ｃｈ３の光信号を合成し、受信指向性制御装置１０に入力する。入力された光信号は、方向性結合器１０２の第１の端子に入力して２つの成分に分岐される。この時点での各信号成分の周波数と遅延の関係を図１０（Ａ）に示す。この時を時刻０とする。
　一方の成分の光信号は、方向性結合器１０２の第３の端子からＢＰＦ１０３を通過して、ＢＰＦ１０３の通過帯域の中にあるｃｈ１の成分（すなわちアンテナ素子Ｒｘ１の受信信号成分）のみ受信信号出力端子から出力される。もう一方の成分（走査用ループ回路１１に入力した光信号）は、方向性結合器１０２の第４の端子からＬＰＦ１０４を通過して走査用ループ回路１１の周回を始める。この成分の光信号はＬＰＦ１０４の通過帯域であるｃｈ２とｃｈ３の成分（すなわちアンテナ素子Ｒｘ２とＲｘ３の受信信号成分）の光信号であり、光ＳＳＢ変調器１０６においてその周波数が３Δｆだけ高域にシフトされる。
　続いて、上記光信号は増幅器１０７において増幅され、遅延回路１０８で所定の時間遅延が与えられる。遅延回路１０８によって与えられる時間遅延は、走査用ループ回路１１を１周して与えられる遅延がΔτとなるように設定された時間遅延である。走査用ループ回路１１を周回した光信号は、方向性結合器１０２の第２の端子から入力して２つの成分に分岐される。この時の時刻はΔτであり、この時点での各信号成分の周波数と遅延の関係を図１０（Ｂ）に示す。
　一方の成分は、方向性結合器１０２の第３の端子を経由してＢＰＦ１０３を経由して受信信号出力端子から出力される。もう一方の成分は、方向性結合器１０２の第４の端子を経由して再び走査用ループ回路１１の周回を始める。図１０（Ｂ）のように、Ｒｘ２の成分は、その周波数がｃｈ１であるためＢＰＦ１０３を通過して受信信号出力端子から出力される。一方、Ｒｘ３の成分はＢＰＦ１０３を通過しないが、ＬＰＦ１０４を通過して再び光ＳＳＢ変調器１０６へ入力され走査用ループ回路１１を周回する。つまりこの時点で走査用ループ回路１１を周回する信号として残った成分は、Ｒｘ３のみである。
　２回目の走査用ループ回路１１の周回をした光信号は方向性結合器１０２の第２の端子から入力して２つの成分に分岐される。この時の時刻は２Δτであり、この時点での各信号成分の周波数と遅延の関係を図１０（Ｃ）に示す。一方の成分は、方向性結合器１０２の第３の端子を経由してＢＰＦ１０３を経由して受信信号出力端子から出力される。もう一方の成分は、方向性結合器１０２の第４の端子を経由して再び走査用ループ回路１１の周回を始める。図１０（Ｃ）のように、Ｒｘ３の成分はその周波数がｃｈ１であるためＢＰＦ１０３を通過して受信信号出力端子から出力される。一方、方向性結合器１０２の第４の端子からＬＰＦ１０４に入力される光信号（これまで説明した通りＲｘ３の成分のみ）はＬＰＦ１０４を通過しないため、走査用ループ回路１１を周回しない。
　上記のような処理を経ると、アンテナ素子Ｒｘ１～Ｒｘ３で受信された信号成分の周波数は、それぞれｃｈ１、ｃｈ２ａ、ｃｈ３ａで、時間遅延が２Δτにそろい、分波器１１０に入力される。入力された光信号は、分波器１１０においてそれぞれ分波され、それぞれ変換器１１１～１１３に入力される。各変換器１１１～１１３は、光信号を電気信号に変換する処理を行う。各変換器１１１～１１３は、例えばフォトミキサを用いて構成されてもよい。変換器１１１～１１３から出力された各ＲＦ信号は、加算器によってすべて足し合わされ、受信信号出力端子から出力される。
　上記のような構成をとることにより、受信ＲＦ信号電波の到来角度とアンテナ素子の間隔とに依存して方角指示回路１０１が遅延回路１０８の時間遅延量を調整してΔτを調整すれば、所望の受信ビーム走査を実施できる。
［第二実施形態］
　図１１は、本発明における受信システム１００の第二実施形態の構成例を示す図である。以下、受信システム１００の第二実施形態について、主に第一実施形態と異なる点について説明する。第一実施形態と同様に動作する構成については説明を省略する場合がある。第二実施形態の受信システム１００は、アレーアンテナ５０を備える。第二実施形態のアレーアンテナ５０は、２次元アレーアンテナとして構成される。２次元アレーアンテナは、２次元アレーアンテナ面７００を有する。第二実施形態の受信指向性制御装置１０は、２次元のアレーアンテナ５０の受信指向性を制御して、２次元受信ビームの走査をする。
　２次元アレーアンテナ面７００は、９個の受信アンテナ素子Ｒｘ１ａ、Ｒｘ１ｂ、～、Ｒｘ３ｃを図１１のように３行３列で備える。２次元アレーアンテナの各アンテナ素子に接続された各変調器は、２次元アレーアンテナ面７００で受信されたＲＦ信号を使用して、それぞれ光源５４で生成された周波数ｃｈ１、ｃｈ２、～、ｃｈ９の光を変調し、それぞれ第１の光信号、第２の光信号、～、第９の光信号を生成する。これら９個の光信号は、第１の水平走査用合波器５００ａ、第２の水平走査用合波器５００ｂ及び第３の水平走査用合波器５００ｃと、垂直走査用合波器６００と、で１本の光導波路内に合波される。そして、合波された光信号は、受信指向性制御装置１０の方向性結合器１０２ａの第１の端子に入力される。
　図１１に示すように、走査用ループ回路１１は直列に２段配置されており、２次元アレーアンテナ７００面に近い方からそれぞれ、垂直走査用ループ回路１１ａと水平走査用ループ回路１１ｂである。受信指向性制御装置１０においては、図１２に示すように９つの光の周波数チャネルが規定されており、低周波側からそれぞれｃｈ９、ｃｈ８、～、ｃｈ１とする。また、ＬＰＦ＿Ｖ１０４ａ、ＢＰＦ＿Ｖ１０３ａ、ＬＰＦ＿Ｈ１０４ｂ、ＢＰＦ＿Ｈ１０３ｂの通過帯域はそれぞれ図１２に示すように設定する。方角指示回路１０１は、受信指向性制御装置１０に入力されるビーム方向情報をもとに、水平走査用遅延回路１０８ｂおよび垂直走査用遅延回路１０８ａでの時間遅延量を制御する。
　２次元アレーアンテナ面７００の正面方向（図１１左方向）に対して左下から受信ＲＦ信号電波が２次元アレーアンテナ面７００に到来して、その方向にビームを向けて受信する際の、受信指向性制御装置の動作を説明する。
　受信ＲＦ信号電波は、垂直面内ではΔτＶの時間差で、水平面内ではΔτＨの時間差で、各アンテナ素子に到達したとする。このとき、受信システム１００をフェーズドアレーアンテナとして受信動作させるためには、各アンテナ素子から出力される受信信号に対して、それぞれの到達時間差をそろえるように時間遅延を与えて９つの受信信号を足し合わせればよい。本実施形態の受信指向性制御装置１０では、所要の時間遅延を与える処理を、垂直走査用ループ回路１１ａと水平走査用ループ回路１１ｂとを用いて実施している。
　各アンテナ素子Ｒｘ１ａ～Ｒｘ３ｃに到達した受信ＲＦ信号電波は、それぞれ変調器に入力され、ｃｈ１～ｃｈ９の光信号に変換される。ｃｈ１～ｃｈ９の各光信号は、合波器（５００ａ～５００ｃ及び６００）で合成され、垂直走査用ループ回路１１ａの方向性結合器１０２ａの第１の端子に入力して２つの成分に分岐される。この時点での各信号成分の周波数と、この端子への相対到達時刻（遅延）の関係を図１３に示す。最初にこの端子へ到着する信号成分である、受信アンテナＲｘ３ｃの到達する時刻と、最後にこの端子へ到着する信号成分である、受信アンテナＲｘ１ａの到着する時刻は、（２ΔτＶ＋２ΔτＨ）だけ離れている。
　まず、受信アンテナＲｘ３ｃの光信号（周波数はｃｈ９）が垂直走査用ループ回路１１ａの方向性結合器１０２ａの第１の端子に入力される。この光信号の周波数はｃｈ９なので、ＢＰＦ＿Ｖ１０３ａを通過できずＬＰＦ＿Ｖ１０４ａを通過する。この光信号は、垂直走査用ループ回路１１ａを１周して、光ＳＳＢ変調器１０６ａにおいてその周波数がΔｆＶだけ高域にシフトされる。その結果この光信号の周波数はｃｈ６になる。そして、方向性結合器１０２ａの第２の端子に入力され、第３の端子と第４の端子から出力される。出力された光信号は、ＢＰＦ＿Ｖ１０３ａを通過することができず、ＬＰＦ＿Ｖ１０４ａは通過して、垂直走査用ループ回路１１ａを周回する。その後はこの光信号の周波数はｃｈ３になるため、ＢＰＦ＿Ｖ１０３ａを通過することができるため、後続の水平走査用ループ回路１１ｂに入力される。このように、最も先に垂直走査用合波器６００から出力される信号成分である受信アンテナＲｘ３ｃの光信号は、垂直走査用ループ回路１１ａにおいて周波数が２ΔｆＶだけ高周波にシフトしてｃｈ３となり、時間は２ΔτＶだけ遅延して、後段に接続された水平走査用ループ回路１１ｂに入力される。
　受信アンテナＲｘ３ｃの光信号は、水平走査用ループ回路１１ｂで２周する。この間のＢＰＦ＿Ｈ１０３ｂ及びＬＰＦ＿Ｈ１０４ｂの動作、光ＳＳＢ変調器１０６ｂによる周波数シフト、水平走査用遅延回路１０８ｂによる時間遅延の動作は、いずれも垂直走査用ループ回路１１ａと同様である。その結果、周波数は２ΔτＨだけ高周波にシフトしてｃｈ１となり、時間は、垂直走査用ループ回路１１ａでの遅延と合計すると、（２ΔτＶ＋２ΔτＨ）だけ遅延して、受信信号出力端子から出力される。
　受信アンテナＲｘ３ｃの信号に対する処理を要約すると、受信アンテナＲｘ３ｃの信号は、垂直走査用ループ回路１１ａを２周、水平走査用ループ回路１１ｂを２周して、最終的に（２ΔτＶ＋２ΔτＨ）だけの遅延が与えられて、周波数ｃｈ１で受信信号出力端子から出力される。
　他の８つの受信アンテナの信号に対する処理も同様に、周波数に応じて垂直走査用ループ回路１１ａと水平走査用ループ回路１１ｂの周回数が決まる。それにより与えられる時間遅延量が決まり、周波数チャネルはｃｈ１で、受信信号出力端子から出力される。こうして９つの受信信号成分はいずれも同じ時刻で受信信号出力端子から出力される。そのため、それらが同位相で合成され、受信用フェーズドアレーアンテナとしての動作が実施できる。
　第二実施形態において、２次元アンテナアレーは縦方向に３素子並び、横方向にも３素子並んだ９素子の構成としているが、アンテナ素子数は任意の数で良い。また、走査の方向は水平と垂直としているが、その他の方向の組み合わせ（例えば、垂直と水平、東西と南北、等）でも良い。
［第三実施形態］
　図１４は、第三実施形態の構成例を示す図である。第三実施形態の受信システム１００は、２ビームのマルチビーム受信動作を行う。合波器５００の出力は分配器８００で等分され、２つの受信指向性制御装置１０の走査用ループ回路１１に入力される。それぞれの走査用ループ回路１１での遅延時間を調整することで、２つの受信ビームの走査を独立に実施することができる。ここでは２ビームの構成例を示したが、３ビーム以上の場合も同様に受信指向性制御装置１０の走査用ループ回路１１の数を増設すればよい。また、上記の第二実施形態に示したような２次元のアレーアンテナ５０を制御する構成でも良いし、アンテナ素子数もこれに限定されない。
［第四実施形態］
　図１５は、第四実施形態の構成例を示す図である。第四実施形態の受信システム１００は、上下双方向にビームを走査する。第一実施形態においても、光周波数を変更するために光ＳＳＢ変調器１０６が用いられている。第四実施形態では、光ＳＳＢ変調器１０６は２つのＲＦ信号印加用電極１０６１及び１０６２を有している。ＲＦ信号印加用電極１０６１及び１０６２には、ＲＦ方向性結合器１４２の２つの出力がそれぞれ接続されている。ＲＦ局部発振器１０５の出力端子はＲＦ切替器１４１を介してＲＦ方向性結合器１４２の２つの入力端子に接続されており、ＲＦ切替器１４１の状態に応じて局発ＲＦ信号はＲＦ方向性結合器１４２のいずれか一方の入力端子に入力される。ＲＦ切替器１４１の状態に応じて、光ＳＳＢ変調器１０６の２つのＲＦ信号印加用電極１０６１及び１０６２に印加される局発ＲＦ信号の位相関係は、一方が他方より９０°遅れた状態と、一方が他方より９０°進んだ状態の、２通りを切り替えることができる。光ＳＳＢ変調器１０６は、前者の状態ではＵＳＢ変調を、後者の状態ではＬＳＢ変調を行う。このように構成されることによって、光ＳＳＢ変調器１０６による周波数シフトの方向の切り替えを行うことが可能となる。この切り替えにより、受信ビームの方向をより広い範囲で設定することが可能となる。具体的には、例えば図１５の例において受信ビームを左下方向と左上方向との両方向に走査することが可能となる。
　ビーム方向が図１５の下方向の時は、光ＳＳＢ変調器１０６がＵＳＢを発生して周波数を高周波側にシフトする。ビーム方向が図面上方向の時は、光ＳＳＢ変調器１０６がＬＳＢを発生して周波数を低周波側にシフトする。このとき、方向性結合器１０２の出力端子３から出る光信号は、第１切替器１２１により、ビーム方向が図面下方向の時は、ＨＰＦ＠ｃｈ１（１２２）を経由して受信信号として出力される。方向性結合器１０２の出力端子３から出る光信号は、第１切替器１２１により、ビーム方向が図面上方向の時は、ＬＰＦ＠ｃｈ３（１２３）を経由して受信信号として出力される。
　また、方向性結合器１０２の出力端子４から出る光信号は、第２切替器１３１により、ビーム方向が図面下方向の時、ＬＰＦ＠ｃｈ２，３（１３２）を経由して光ＳＳＢ変調器１０６に出力される。方向性結合器１０２の出力端子４から出る光信号は、第２切替器１３１により、ビーム方向が図面上方向の時、ＨＰＦ＠ｃｈ１，２（１３３）を経由して光ＳＳＢ変調器１０６に出力される。
　図１６は、各フィルタの通過帯域特性を示す図である。方角指示回路１０１は、受信指向性制御装置１０に入力されるビーム方向情報をもとに、遅延回路１０８での時間遅延量、第１切替器１２１、第２切替器１３１、ＲＦ切替器１４１の経路を制御する機能を有する。
　このように構成されることによって、第四実施形態においても、第一実施形態と同様の光周波数変換、時間遅延、周波数によるフィルタリングの動作が行われる。さらに、第四実施形態では、受信ビームの方向は図面下方向だけでなく上方向にも走査することができる。
　なお、上記の説明ではアンテナの素子数を３としているが、他の数でも良い。たとえば、本発明は、アンテナ素子数に依存せず回路部品数が一定とできるという効果があるため、アンテナ素子数の多い場合に実施することで、特に部品数を少数に抑える効果が得られる。また、第二実施形態のようにアンテナアレーを２次元に配置して、走査用ループ回路１１を２段に設けてそれぞれ水平と垂直の方向のビーム走査を制御するように構成されてもよい。各アンテナ素子に適切な光周波数の割り当てと各フィルタの通過帯域の設定を行うことで２次元の受信ビーム走査を上下左右方向に実施する構成をしてもよい。
　方角指示回路１０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサーとメモリーとを用いて構成される。方角指示回路１０１は、プロセッサーがプログラムを実行することによって実現されてもよい。なお、方角指示回路１０１の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されても良い。上記のプログラムは、コンピューター読み取り可能な記録媒体に記録されても良い。コンピューター読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ、半導体記憶装置（例えばＳＳＤ：Solid State Drive）等の可搬媒体、コンピューターシステムに内蔵されるハードディスクや半導体記憶装置等の記憶装置である。上記のプログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。
　なお、アナログ回路による移相を行うことで、全てディジタル信号処理で移相を行うフルディジタル制御のアレーアンテナに比べてアナログ‐ディジタル変換器の数を大幅に減らすことができる。さらに、光信号のアナログ処理で移相を実施しているため、電波を放射する際のビーム走査だけでなく、空間光無線通信（FSO通信）等において光を放射する際のビーム走査を、機械駆動ではなく電子的に実施する回路に応用が可能である。現状のFSO通信においては放射方向を機械駆動装置により調整しているため、装置の重量や量産性の課題、動作速度や耐久性で運用や保守の課題が想定されるが、光ビームの電子的な走査が可能となればそうした課題を解決することができる。
　ミリ波帯やテラヘルツ帯の高周波数帯の電波を用いた超高速無線伝送、高精細のイメージングやレーダー等において、鋭い指向性を持たせた電波の送信指向性を制御するうえでフェーズドアレーアンテナが重要となる。このようなフェーズドアレーアンテナにおいて動的な指向性で受信する受信指向性制御装置に適用可能である。
１００…受信システム、１０…受信指向性制御装置、１０１…方角指示回路、１０２…方向性結合器、１０３…帯域通過フィルタ、１０４…低域通過フィルタ、１０５…ＲＦ局部発振器、１０６…光ＳＳＢ変調器、１０７…増幅器、１０８…遅延回路、１１…ループ回路、５０…アレーアンテナ、５００ａ～５００ｃ…水平走査用合波器、６００…垂直走査用合波器、７００…２次元アレーアンテナ面

Claims (4)

  1. 　空間から到来する電磁波を電気信号に変換し光電変換することによって得られる光信号に対し、周回した回数に応じて、周波数を高周波側又は低周波側のいずれか一方にシフトし、遅延時間を与えるループ回路と、
    　前記ループ回路に入力される前の光信号である初期光信号、又は前記ループ回路から出力される光信号を、前記ループ回路および出力端子に繋がる経路にそれぞれ分配する分配部と、
    を備える、受信指向性制御装置。
  2. 　前記ループ回路は、
    　入力された光信号の周波数を所定量だけ高周波側または低周波側に変更する光周波数シフタと、
    　所定の周波数帯の光信号のみを通過させるフィルタと、
    　所定の時間だけ光信号を遅延させる遅延回路と、を有する、請求項１に記載の受信指向性制御装置。
  3. 　前記分配部と前記出力端子との間に設置される帯域通過フィルタと、前記分配部と前記光周波数シフタとの間に設置される低域通過フィルタと、とをさらに備える、請求項２に記載の受信指向性制御装置。
  4. 　ループ回路が、空間から到来する電磁波を電気信号に変換し光電変換することによって得られる光信号に対し、周回した回数に応じて、周波数を高周波側又は低周波側のいずれか一方にシフトし、遅延時間を与え、
    　分配部が、前記ループ回路に入力される前の光信号である初期光信号、又は前記ループ回路から出力される光信号を、前記ループ回路および出力端子に繋がる経路にそれぞれ分配する、
    受信指向性制御方法。
PCT/JP2022/023678 2022-06-13 2022-06-13 受信指向性制御装置及び受信指向性制御方法 WO2023242920A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2022/023678 WO2023242920A1 (ja) 2022-06-13 2022-06-13 受信指向性制御装置及び受信指向性制御方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2022/023678 WO2023242920A1 (ja) 2022-06-13 2022-06-13 受信指向性制御装置及び受信指向性制御方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023242920A1 true WO2023242920A1 (ja) 2023-12-21

Family

ID=89192607

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2022/023678 WO2023242920A1 (ja) 2022-06-13 2022-06-13 受信指向性制御装置及び受信指向性制御方法

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023242920A1 (ja)

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LAVROV A. P.; IVANOV S. I.; SAENKO I. I.: "Application of the fiber-optic communication system components for ultrawideband antenna array beamforming", 2015 INTERNATIONAL CONFERENCE ON ANTENNA THEORY AND TECHNIQUES (ICATT), IEEE, 21 April 2015 (2015-04-21), pages 1 - 3, XP032790001, ISBN: 978-1-4799-8556-2, DOI: 10.1109/ICATT.2015.7136886 *
LIU YUAN, KLAMKIN JONATHAN: "Scalable Integrated Photonics Beamforming Circuits", ASIA COMMUNICATIONS AND PHOTONICS CONFERENCE/INTERNATIONAL CONFERENCE ON INFORMATION PHOTONICS AND OPTICAL COMMUNICATIONS 2020 (ACP/IPOC), OPTICA PUBLISHING GROUP, WASHINGTON, D.C., 1 January 2020 (2020-01-01), Washington, D.C., XP093117259, ISBN: 978-1-943580-82-8, DOI: 10.1364/ACPC.2020.T3E.2 *
TEGEGNE ZERIHUN GEDEB; DECROZE CYRIL; DI BIN PHILIPPE; FROMENTEZE THOMAS; AUPETIT-BERTHELEMOT CHRISTELLE: "Single Channel Microwave Photonics Digital Beamforming Radar Imaging System", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, IEEE, USA, vol. 36, no. 3, 1 February 2018 (2018-02-01), USA, pages 675 - 681, XP011677755, ISSN: 0733-8724, DOI: 10.1109/JLT.2017.2775661 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2018153321A1 (zh) 一种波束赋形bf权值赋值的方法和装置
EP3223441B1 (en) High-capacity communications satellite using passive optical beamforming
CN108390703B (zh) 一种多波束相控阵天线机构
AU2011223493B2 (en) Phase shifter and photonic controlled beam former for phased array antennas
JP3564077B2 (ja) 光制御フェーズドアレイアンテナの位相制御装置および光制御フェーズドアレイアンテナ・システム
WO2019095490A1 (zh) 基于阵列波导光栅的光载无线通信波束赋形装置及其方法
US7929864B2 (en) Optical beamforming transmitter
CN107852397B (zh) 使用选择矩阵进行天线相位校准的混合波束形成天线阵列
JP6012873B2 (ja) 可変電気チルト付きマルチバンド・アンテナ
AU769661B2 (en) Phased array antenna beamformer
JP4632444B2 (ja) 光制御アレイアンテナ装置
JP7328578B2 (ja) 無線送信システム、無線受信システム、基地局装置、及び無線通信システム、並びに無線送信方法、及び無線受信方法
US20190326664A1 (en) Compact Combiner for Phased-Array Antenna Beamformer
CN113451775B (zh) 光控射频相控阵集成控制系统以及波束形成方法
WO2022120856A1 (zh) 一种基站天线及基站设备
WO2021106041A1 (ja) 無線送信システム、無線受信システム、基地局装置、及び無線通信システム、並びに無線送信方法、及び無線受信方法
WO2023242920A1 (ja) 受信指向性制御装置及び受信指向性制御方法
CN116865900A (zh) 一种全光同时多频段多波束相控阵发射机及其方法
EP3317982B1 (en) Optical beamforming
WO2023242913A1 (ja) 送信指向性制御装置、および制御方法
WO2023242921A1 (ja) 送信指向性制御装置、送信システム及び送信指向性制御方法
US7209079B2 (en) Beam steering apparatus
WO2024134762A1 (ja) 受信指向性制御装置及び受信指向性制御方法
WO2023242931A1 (ja) 送信指向性制御装置及び送信指向性制御方法
WO2023242932A1 (ja) 送信指向性制御装置及び送信指向性制御方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22946740

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1