WO2023242930A1 - 送信指向性制御装置及び送信指向性制御方法 - Google Patents

送信指向性制御装置及び送信指向性制御方法 Download PDF

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WO2023242930A1
WO2023242930A1 PCT/JP2022/023694 JP2022023694W WO2023242930A1 WO 2023242930 A1 WO2023242930 A1 WO 2023242930A1 JP 2022023694 W JP2022023694 W JP 2022023694W WO 2023242930 A1 WO2023242930 A1 WO 2023242930A1
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WO
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optical signal
axis
phase
weighting
phase gradient
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PCT/JP2022/023694
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English (en)
French (fr)
Inventor
穂乃花 伊藤
健 平賀
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
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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
    • H04B10/29—Repeaters
    • H04B10/291—Repeaters in which processing or amplification is carried out without conversion of the main signal from optical form

Definitions

  • the present invention relates to a transmission directivity control device and a transmission directivity control method.
  • phased array antennas are often used because they do not use mechanical moving parts, have high durability and followability, and are suitable for making antennas smaller and lighter.
  • a phased array antenna uses a variable delay circuit or a variable attenuator circuit connected to multiple antenna elements arranged on a line or a plane, digital signal processing, etc. to generate RF (Radio Frequency) power that is fed to each antenna element. ; radio frequency) beam steering is performed electronically by controlling the phase and amplitude of the signal (hereinafter, controlling the phase and amplitude is referred to as weighting).
  • RF Radio Frequency
  • Phased array antennas that perform weighting using analog circuits are often used in fifth-generation mobile communication systems and millimeter-wave wireless LAN (Local Area Network) systems that use millimeter wave bands.
  • millimeter-wave wireless LAN Local Area Network
  • the phased array antenna requires weighting in order to perform two-dimensional beam steering using a two-dimensional array antenna in which antenna elements are arranged in a planar manner.
  • 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. For example, when the radio frequency increases by about 10 times, such as 300 GHz, the free space propagation loss increases by 100 times, and it is thought that tens of thousands of antenna elements will be required.
  • the free space wavelength is 1 mm, so the spacing between antenna elements is generally half the wavelength, that is, 0.5 mm.
  • the phase shifter circuit it is difficult to install the phase shifter circuit near the antenna elements at intervals equivalent to the intervals between the antenna elements.
  • phase shifters in order to configure a circuit that forms a plurality of beams (multi-beam forming circuit), phase shifters as many as the number of beams must be arranged in parallel, which is expected to be even more difficult.
  • Non-Patent Document 2 discloses a method of performing two-dimensional beam steering using a passive circuit.
  • the circuit needs to be assembled three-dimensionally, and implementation in high frequency bands requires waveguides, mass production is difficult, and it is difficult to respond to multi-element implementation.
  • Non-Patent Document 3 proposes a method of converting a signal into light and weighting it using an optical circuit.
  • Patent Document 1 discloses a three-dimensional optical circuit that performs two-dimensional beam steering using a wavelength dispersion line.
  • Non-Patent Document 4 discloses a method using a loop configuration in which a phase shifter is repeatedly reused while converting the optical wavelength.
  • Non-Patent Document 5 discloses a one-dimensional (within one plane) phase shift circuit performed by a planar phase shift circuit and a FBG (fiber bragg gratings) reflection line whose delay time differs depending on the optical wavelength. ), a means is disclosed for implementing two-dimensional beam steering by allowing beam steering in the direction of a plane orthogonal to the plane performed by an FBG reflection line.
  • Patent Document 2 discloses a multi-beam forming means using wavelength multiplexing.
  • An object of the present invention is to provide a transmission directivity control device that can be created more easily.
  • One aspect of the present invention includes: a demultiplexer that demultiplexes an optical signal into a first optical signal and a second optical signal; a first changeover switch that outputs the first optical signal from one of a plurality of terminals; a second selector switch that outputs the second optical signal from one of a plurality of terminals; and a second selector switch that outputs the second optical signal from one of a plurality of terminals; a weighting unit that gives the second optical signal a phase gradient in a second axis that varies depending on the output terminal of the first changeover switch and that is orthogonal to the first axis;
  • the transmission directivity control device includes a photomixing section that photomixes the first optical signal to which a slope has been applied and the second optical signal to which a phase slope has been applied.
  • One aspect of the present invention includes a demultiplexing step of demultiplexing an optical signal into a first optical signal and a second optical signal, and a first switching step of outputting the first optical signal from one of a plurality of terminals. a second switching step of outputting the second optical signal from one of a plurality of terminals; and a second switching step of outputting the second optical signal from one of a plurality of terminals; a weighting step of giving the second optical signal a phase gradient in a second axis that is different depending on the terminal output in the second switching step and perpendicular to the first axis;
  • the present invention is a transmission directivity control method including a photomixing step of photomixing the first optical signal to which a slope has been applied and the second optical signal to which a phase slope has been applied.
  • a transmission directivity control device can be provided more easily.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a transmission directivity control device 1 according to a first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of an antenna element 171.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of an antenna element 171.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a transmission directivity control device 1 according to a second embodiment.
  • 12 is a flowchart showing the operation of the transmission directivity control device 1 according to the second embodiment.
  • 5 is a diagram showing an example of the relationship between the wavelength of an optical signal input to a demultiplexer 13 and an antenna element 171 with which the optical signal is multiplexed.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of an antenna element 171.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of an antenna element 171.
  • FIG. 3 is a flowchart
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a transmission directivity control device 1 according to the first embodiment.
  • the transmission directivity control device 1 includes a light source 11, an optical modulator 12, a branching filter 13, a first changeover switch 14, a second changeover switch 15, a weighting section 16, a photomixing section 17, and a control section 18.
  • Light source 11 outputs light to optical modulator 12 .
  • the optical modulator 12 generates an optical signal by modulating input light.
  • the demultiplexer 13 demultiplexes the optical signal input from the optical modulator 12.
  • the demultiplexer 13 demultiplexes the optical signal into a carrier wave and a sideband wave.
  • the carrier wave LH is expressed by equation (1)
  • the sideband wave LS is expressed by equation (2) or equation (3).
  • Equation (2) represents the upper sideband wave
  • Equation (3) represents the lower sideband wave
  • the branching filter 13 branches the carrier wave and the sideband wave and outputs them to the first changeover switch 14 and the second changeover switch 15, respectively.
  • the duplexer 13 is, for example, an AWG (Arrayed Waveguide Grating).
  • the branching filter 13 includes a distributor 131 and an SSB (single side-band) modulator 132, and may generate a carrier wave LH and a sideband wave LS .
  • the splitter 131 splits the input optical signal into two optical signals.
  • the SSB modulator 132 suppresses the carrier wave component of one of the two optical signals and converts it into a sideband. This allows the distributor 131 and the SSB modulator 132 to generate carrier waves and sideband waves.
  • the branching filter 13 may include a splitter 131 and two optical comb filters 133 having periodic pass characteristics to generate a carrier wave LH and a sideband wave LS .
  • the splitter 131 splits the input optical signal into two optical signals.
  • One optical comb filter 133 passes only light of a plurality of wavelengths with different carrier waves from one optical signal, and another optical comb filter 133 passes light of a plurality of wavelengths with different carrier waves from another optical signal. only pass through.
  • the demultiplexer 13 includes a divider 131 and an SSB modulator 132, or when it includes a divider 131 and an optical comb filter 133, optical signals of two or more different wavelengths can be demultiplexed into a carrier wave and a sideband wave. Can be done.
  • the first changeover switch 14 has three output terminals.
  • the first selector switch 14 outputs the carrier wave to the weighting section 16 from one of the output terminals.
  • the second changeover switch 15 has three output terminals.
  • the second changeover switch 15 outputs the sideband wave to the weighting section 16 from one of the output terminals.
  • the first changeover switch 14 and the second changeover switch 15 have a duplexer, and determine the output terminal for outputting the carrier wave or sideband wave depending on the wavelength of the input carrier wave or sideband wave.
  • the wavelength of the carrier wave or sideband wave input to the first changeover switch 14 and the second changeover switch 15 is changed, for example, by the control unit 18 controlling the light source 11.
  • control unit 18 may control the first changeover switch 14 and the second changeover switch 15 to switch the output terminal that outputs the carrier wave or the sideband wave.
  • the first changeover switch 14 and the second changeover switch 15 are realized by, for example, optical switches.
  • the weighting unit 16 has six input terminals and six output terminals. For example, a carrier wave is input to the first input terminal of the weighting section 16 from the first output terminal of the first changeover switch 14 . A carrier wave is input to the second input terminal of the weighting section 16 from the second output terminal of the first changeover switch 14 . A carrier wave is input to the third input terminal of the weighting section 16 from the third output terminal of the first changeover switch 14 . A sideband wave is input to the fourth input terminal of the weighting section 16 from the first output terminal of the second changeover switch 15 . A sideband wave is inputted from the second output terminal of the second changeover switch 15 to the fifth input terminal of the weighting section 16 . A sideband wave is inputted from the third output terminal of the second changeover switch 15 to the sixth input terminal of the weighting section 16 .
  • the weighting unit 16 applies a phase slope ⁇ H1 to the carrier wave input to the first input terminal, and outputs the carrier wave from the first output terminal, the second output terminal, and the third output terminal.
  • the weighting unit 16 applies a phase slope ⁇ H2 to the carrier wave input to the second input terminal, and outputs the carrier wave from the first output terminal, the second output terminal, and the third output terminal.
  • the weighting unit 16 applies a phase gradient ⁇ H3 to the carrier wave input to the third input terminal, and outputs the carrier wave from the first output terminal, the second output terminal, and the third output terminal.
  • the weighting unit 16 when an optical signal is input to the first input terminal, the weighting unit 16 outputs the optical signal to which no phase is added from the first output terminal, and outputs the optical signal to which the phase ⁇ H1 is added to the second output terminal.
  • An optical signal with a phase of 2 ⁇ H1 is output from the third output terminal.
  • the weighting unit 16 when an optical signal is input to the second input terminal, the weighting unit 16 outputs the optical signal to which no phase is added from the first output terminal, and outputs the optical signal to which the phase ⁇ H2 is added to the second output terminal.
  • An optical signal with a phase of 2 ⁇ H2 is output from the third output terminal.
  • the weighting unit 16 when an optical signal is input to the third input terminal, the weighting unit 16 outputs the optical signal to which no phase is added from the first output terminal, and outputs the optical signal to which the phase ⁇ H3 is added to the second output terminal.
  • An optical signal with a phase of 2 ⁇ H3 is output from the third output terminal.
  • the optical signal input to the first input terminal is given a phase gradient of 0, ⁇ H1 , 2 ⁇ H1
  • the optical signal input to the second input terminal is given a phase gradient of 0, ⁇ H2 , 2 ⁇ H2 . is given, and phase gradients of 0, ⁇ H3 and 2 ⁇ H3 are given to the optical signal input to the third input terminal.
  • the phase tilt is 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, etc.
  • the weighting unit 16 does not need to output an optical signal to which no phase is imparted, and for example, the phase gradients to be imparted may be ⁇ , 2 ⁇ , or 3 ⁇ .
  • the carrier wave LH outputted from the weighting unit 16 and to which a phase gradient is applied is expressed by equation (4).
  • the weighting unit 16 applies a phase slope ⁇ v1 to the carrier wave input to the fourth input terminal, and outputs the carrier wave from the fourth output terminal, the fifth output terminal, and the sixth output terminal.
  • the weighting unit 16 applies a phase slope ⁇ v2 to the carrier wave input to the fifth input terminal, and outputs the carrier wave from the fourth output terminal, the fifth output terminal, and the sixth output terminal.
  • the weighting unit 16 applies a phase slope ⁇ v3 to the carrier wave input to the sixth input terminal, and outputs the carrier wave from the fourth output terminal, the fifth output terminal, and the sixth output terminal.
  • the weighting unit 16 when an optical signal is input to the fourth input terminal, the weighting unit 16 outputs the optical signal to which no phase is added from the fourth output terminal, and outputs the optical signal to which the phase ⁇ V1 is added to the fifth output terminal.
  • An optical signal with a phase of 2 ⁇ V1 is output from the sixth output terminal.
  • the weighting unit 16 when an optical signal is input to the fifth input terminal, the weighting unit 16 outputs the optical signal to which no phase is added from the fourth output terminal, and outputs the optical signal to which the phase ⁇ V2 is added to the fifth output terminal.
  • An optical signal with a phase of 2 ⁇ V2 is output from the sixth output terminal.
  • the weighting unit 16 when an optical signal is input to the sixth input terminal, the weighting unit 16 outputs the optical signal to which no phase is added from the fourth output terminal, and outputs the optical signal to which the phase ⁇ V3 is added to the fifth output terminal.
  • An optical signal with a phase of 2 ⁇ V3 is output from the sixth output terminal.
  • the optical signal input to the fourth input terminal is given a phase gradient of 0, ⁇ V1 , 2 ⁇ V1
  • the optical signal input to the fifth input terminal is given a phase gradient of 0, ⁇ V2 , 2 ⁇ V2 .
  • phase gradients of 0, ⁇ V3 and 2 ⁇ V3 are given to the optical signal input to the sixth input terminal. More specifically, the phase tilt is 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, etc.
  • the photomixing section 17 includes a plurality of antenna elements 171.
  • the plurality of antenna elements form a two-dimensional array antenna with three rows and three columns.
  • An optical signal having a phase gradient ⁇ Hi on the first axis and a phase gradient ⁇ vj on the second axis is input to the antenna element 171 installed in the i-th row and j-th column. That is, the first output terminal of the weighting unit 16 outputs the carrier wave to which the phase gradient ⁇ H1 is applied to the antenna element 171 in the first row.
  • the second output terminal of the weighting unit 16 outputs the carrier wave to which the phase slope ⁇ H2 is applied to the second row of antenna elements 171.
  • the third output terminal of the weighting unit 16 outputs the carrier wave to which the phase gradient ⁇ H3 is applied to the antenna element 171 in the third row.
  • the fourth output terminal of the weighting unit 16 outputs a sideband wave to which a phase slope ⁇ V1 is applied to the first row of antenna elements 171.
  • the fifth output terminal of the weighting unit 16 outputs a sideband wave to which a phase slope ⁇ V2 is applied to the second row of antenna elements 171.
  • the sixth output terminal of the weighting unit 16 outputs a sideband wave to which a phase slope ⁇ V3 is applied to the antenna element 171 in the third row.
  • the photomixing section 17 generates an electromagnetic wave having a frequency that is the difference between the carrier wave and the sideband wave.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of the antenna element 171.
  • the antenna element 171 includes a multiplexer 1711, a square law detection section 1712, and an antenna 1713.
  • the multiplexer 1711 multiplexes the carrier wave and sideband wave input from the weighting section 16.
  • the combined optical signal is represented by L H +L S.
  • the multiplexer 1711 is, for example, an AWG.
  • the square law detection section 1712 converts the multiplexed optical signal into an RF signal.
  • the square law detection section 1712 is, for example, a photodiode.
  • Antenna 1713 outputs only components in a predetermined RF frequency band that depends on the output frequency characteristics of square law detection section 1712.
  • the output v RF_ij from the antenna 1713 is obtained by extracting the RF band from (L H +L S ) 2 , and is proportional to equation (6).
  • phase slope of the output of the antenna element 171 in the i-th row and j-th column is ⁇ vj - ⁇ Hi .
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of the antenna element 171.
  • a mirror 1714 may be used instead of the multiplexer 1711 to multiplex the optical signal to which the phase has been imparted by the weighting section 16 and the optical signal to which the phase has been imparted by the weighting section 16.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment.
  • the optical modulator 12 modulates the light output from the light source 11 to generate an optical signal (step S10).
  • the demultiplexer 13 demultiplexes the optical signal input from the optical modulator 12 into a carrier wave and a sideband wave (step S11).
  • the first changeover switch 14 outputs the carrier wave to the weighting section 16 from one of the plurality of terminals (step S12-1).
  • the second selector switch 15 outputs the sideband wave to the weighting section 16 from one of the plurality of terminals (step S12-2).
  • the weighting unit 16 gives the carrier wave a phase gradient in the first axis (step S13-1).
  • the weighting unit 16 gives a phase gradient in the second axis to the sideband wave (step S13-2).
  • the photomixing unit 17 photomixes the carrier wave and the sideband wave in each antenna element 171 (step S14).
  • the photomixed optical signal is output from antenna 1713 as an RF signal.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the weighting section 16 according to the first embodiment.
  • the weighting unit 16 according to the first embodiment includes a first axis weighting circuit 161 and a second axis weighting circuit 162.
  • the first axis weighting circuit 161 imparts a phase slope ⁇ Hi to the carrier wave input from the first selector switch 14 and outputs the carrier wave to the photomixing section 17 .
  • the first axis weighting circuit 161 applies a phase slope ⁇ H1 to the carrier wave input to the first input terminal of the weighting unit 16, and outputs the carrier wave from the first output terminal, the second output terminal, and the third output terminal.
  • the first axis weighting circuit 161 applies a phase slope ⁇ H2 to the carrier wave input to the second input terminal of the weighting unit 16, and outputs the carrier wave from the first output terminal, the second output terminal, and the third output terminal.
  • the first axis weighting circuit 161 applies a phase slope ⁇ H3 to the carrier wave input to the third input terminal of the weighting unit 16, and outputs the carrier wave from the first output terminal, the second output terminal, and the third output terminal.
  • the second axis weighting circuit 162 imparts a phase slope ⁇ vj to the sideband wave input from the second changeover switch 15 and outputs it to the photomixing section 17 .
  • the second axis weighting circuit 162 applies a phase slope ⁇ v1 to the carrier wave input to the fourth input terminal of the weighting unit 16, and outputs the carrier wave from the fourth output terminal, the fifth output terminal, and the sixth output terminal.
  • the second axis weighting circuit 162 applies a phase slope ⁇ v2 to the carrier wave input to the fifth input terminal of the weighting unit 16, and outputs the carrier wave from the fourth output terminal, the fifth output terminal, and the sixth output terminal.
  • the second axis weighting circuit 162 applies a phase slope ⁇ v3 to the carrier wave input to the sixth input terminal of the weighting unit 16, and outputs the carrier wave from the fourth output terminal, the fifth output terminal, and the sixth output terminal.
  • the first axis weighting circuit 161 and the second axis weighting circuit 162 impart a phase gradient to the optical signal using a delay line, a high dispersion line, a resonant ring, a matrix circuit, etc.
  • matrix circuits include Butler Matrix and Blass Matrix.
  • the transmission directivity control device 1 includes the duplexer 13, the first changeover switch 14, the second changeover switch 15, the weighting section 16, and the photomixing section 17.
  • the transmission directivity control device 1 weights each axis using an optical circuit and performs beam steering electronically.
  • the number of elements in the weighting circuit is proportional to the square of the number M of antenna elements.
  • the number of elements in the weighting circuit is proportional to 2 ⁇ M. Therefore, complexity caused by an increase in antennas can be suppressed.
  • the transmission directivity control device 1 performs 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 that performs phase shifting using digital signal processing. Can be done.
  • the transmission directivity control device 1 performs phase shifting through analog processing of optical signals, it is used not only for beam scanning when emitting radio waves, but also for emitting light in spatial optical wireless communication (FSO communication), etc. The actual beam scanning can be applied to circuits that are implemented electronically rather than mechanically driven.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of the weighting section 16 according to the second embodiment.
  • the weighting section 16 according to the second embodiment includes a multiplexer 163, a weighting circuit 164, and a demultiplexer 165.
  • the weighting section 16 according to the second embodiment includes three multiplexers 163-1, 163-2, and 163-3.
  • the weighting section 16 according to the second embodiment includes three demultiplexers 165-1, 165-2, and 165-3.
  • the multiplexer 163 multiplexes the carrier wave and sideband wave input from the first changeover switch 14 and the second changeover switch 15.
  • the multiplexer 163-1 multiplexes the carrier wave input to the first input terminal and the sideband wave input to the fourth input terminal.
  • the multiplexer 163-2 multiplexes the carrier wave input to the second input terminal and the sideband wave input to the fifth input terminal.
  • the multiplexer 163-3 multiplexes the carrier wave input to the third input terminal and the sideband wave input to the sixth input terminal.
  • the multiplexer 163 outputs the optical signal to the corresponding terminal of the weighting circuit 164.
  • the multiplexer 163-1 outputs the multiplexed optical signal to the first input terminal of the weighting circuit 164.
  • the multiplexer 163-2 outputs the multiplexed optical signal to the second terminal of the weighting circuit 164.
  • the multiplexer 163-3 outputs the multiplexed optical signal to the third terminal of the weighting circuit 164.
  • the multiplexer 163 When an optical signal is input from only one of the first changeover switch 14 and the second changeover switch 15, the multiplexer 163 outputs the input optical signal to the weighting circuit 164.
  • the multiplexer 163 is, for example, an AWG.
  • the weighting circuit 164 imparts a phase gradient in a first axis, which is a certain axis in space, to the carrier wave included in the optical signal inputted from the multiplexer 163 and outputs it to the demultiplexer 165 .
  • the weighting circuit 164 applies different phase slopes to the carrier wave depending on the terminal to which the optical signal is input, and outputs the carrier wave to the demultiplexer 165 .
  • the weighting circuit 164 applies a phase slope ⁇ H1 to the carrier wave input to the first input terminal, and outputs the carrier wave to the branching filters 165-1, 165-2, and 165-3.
  • the weighting circuit 164 applies a phase slope ⁇ H2 to the carrier wave input to the second input terminal, and outputs the carrier wave to the branching filters 165-1, 165-2, and 165-3.
  • the weighting circuit 164 imparts a phase slope ⁇ H3 to the carrier wave input to the third input terminal, and outputs it to the branching filters 165-1, 165-2, and 165-3.
  • the weighting circuit 164 imparts a phase gradient in a second axis perpendicular to the first axis to the sideband included in the optical signal input from the multiplexer 163 and outputs the sideband to the demultiplexer 165 .
  • the weighting circuit 164 imparts different phase slopes to the sideband waves depending on the terminal into which the optical signal is input, and outputs the sideband waves to the demultiplexer 165 .
  • the weighting circuit 164 applies a phase slope ⁇ v1 to the sideband wave input to the first input terminal, and outputs it to the branching filters 165-1, 165-2, and 165-3.
  • the weighting circuit 164 applies a phase slope ⁇ v2 to the sideband wave input to the second input terminal, and outputs it to the branching filters 165-1, 165-2, and 165-3.
  • the weighting circuit 164 applies a phase slope ⁇ v3 to the sideband wave input to the third input terminal, and outputs it to the branching filters 165-1, 165-2, and 165-3.
  • the weighting circuit 164 imparts a phase gradient to the optical signal using a delay line, a high dispersion line, a resonant ring, a matrix circuit, etc.
  • matrix circuits include Butler Matrix and Blass Matrix.
  • the demultiplexer 165 demultiplexes the optical signal output from the weighting circuit 164 according to the carrier wave and sideband wavelengths.
  • the demultiplexer 165-1 demultiplexes the optical signal to which the phase gradients ⁇ H1 and ⁇ v1 are applied.
  • the demultiplexer 165-2 demultiplexes the optical signal to which the phase gradients ⁇ H2 and ⁇ v2 are applied.
  • the demultiplexer 165-3 demultiplexes the optical signal to which the phase gradients ⁇ H3 and ⁇ v3 are applied.
  • the duplexer 165 is, for example, an AWG.
  • the demultiplexer 165 outputs the demultiplexed carrier wave and sideband wave to the photomixing section 17.
  • the duplexer 165-1 outputs a carrier wave having a phase slope from a first output terminal, and outputs a sideband wave having a phase slope from a fourth output terminal.
  • the duplexer 165-2 outputs a carrier wave having a phase slope from a second output terminal, and outputs a sideband wave having a phase slope from a fifth output terminal.
  • the duplexer 165-3 outputs a carrier wave having a phase slope from a third output terminal, and outputs a sideband wave having a phase slope from a sixth output terminal.
  • the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment has two weighting circuits, whereas the transmission directivity control device 1 according to the second embodiment has one weighting circuit. We are prepared. Therefore, the number of weighting circuits can be reduced, and a transmission directivity control device that achieves the same effect with fewer elements can be configured.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the relationship between the wavelength of the optical signal input to the demultiplexer 13 and the antenna element 171 to which the optical signal is multiplexed.
  • the difference between adjacent wavelengths (for example, the difference between ⁇ 1 and ⁇ 2 or the difference between ⁇ 2 and ⁇ 3) is set to be larger than the wavelength corresponding to the frequency difference between the carrier wave and the sideband of the optical signal.
  • the first changeover switch 14 outputs the carrier waves with wavelengths ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 to the first input terminal of the weighting unit 16, and outputs the carrier waves with wavelengths ⁇ 4, ⁇ 5, and ⁇ 6 to the second input terminal of the weighting unit 16.
  • the carrier waves of wavelengths ⁇ 7, ⁇ 8, and ⁇ 9 are outputted to the third input terminal of the weighting section 16.
  • the second changeover switch 15 outputs the sideband waves with wavelengths ⁇ 1, ⁇ 4, and ⁇ 7 to the fourth input terminal of the weighting unit 16, and outputs the sideband waves with wavelengths ⁇ 2, ⁇ 5, and ⁇ 8 to the fourth input terminal of the weighting unit 16.
  • the sideband waves of wavelengths ⁇ 3, ⁇ 6, and ⁇ 9 are outputted to the sixth input terminal of the weighting section 16.
  • the first changeover switch 14 and the second changeover switch 15 have, for example, a duplexer and are configured to distribute the wavelengths.
  • the carrier wave is input to the first input terminal of the weighting section 16 and a phase gradient is imparted to the optical signal of wavelength ⁇ 1
  • the sideband wave is input to the fourth input terminal of the weighting section 16 and a phase gradient is imparted to the optical signal.
  • two optical signals are multiplexed at nine antenna elements 171.
  • the carrier wave is input to the first terminal of the weighting unit 16 and a phase slope is added to it
  • the sideband wave is input to the fifth terminal of the weighting unit 16 and a phase slope is applied to it
  • the two Optical signals are multiplexed at nine antenna elements 171.
  • the phase slope given to the optical signal can be changed and transmitted from the antenna element 171.
  • the transmission directivity control device 1 may include a plurality of light sources 11 and an optical modulator 12, and a demultiplexer 13 may demultiplex the plurality of optical signals into carrier waves and sideband waves, respectively.
  • the first changeover switch 14 outputs the first optical signal from one of the plurality of terminals for each of the plurality of optical signals.
  • the second changeover switch 15 outputs a second optical signal from one of the plurality of terminals for each of the plurality of optical signals.
  • the weighting unit 16 applies a phase slope in the first axis to the first optical signal and a phase slope in the second axis to the second optical signal for each of the plurality of optical signals.
  • the photomixing unit 17 photomixes a first optical signal to which a phase gradient has been applied and a second optical signal to which a phase slope has been applied, for each of the plurality of optical signals.
  • the antenna element 171 can transmit signals in directions based on the respective optical signals, and can perform an operation of transmitting multi-beams.
  • the weighting circuit has three input terminals and three output terminals, and the array antenna included in the photomixing section 17 has antenna elements arranged in three rows and three columns, but the present invention is not limited to this.
  • the array antenna may have two rows, four or more rows, two columns, or four or more columns.
  • the array antenna does not have to be configured with square antenna elements such as 3 rows and 3 columns or 4 rows and 4 columns.
  • the input terminal and output terminal of the weighting circuit may change depending on the number of rows and columns of antenna elements included in the array antenna.
  • the demultiplexer 13 first demultiplexes the optical signal into a carrier wave and a sideband wave, but the invention is not limited to this, and demultiplexes the optical signal into a first optical signal and a second optical signal.
  • the demultiplexer 13 may demultiplex the optical signal into an upper band wave and a lower band wave, and output them to the first changeover switch 14 and the second changeover switch 15, respectively.
  • the demultiplexer 13 is a splitter that splits an optical signal into two optical signals, an SSB converter that converts one optical signal into an upper sideband, and another optical signal into a lower sideband.
  • An SSB converter may be provided, and the upper sideband and lower sideband may be output to the first changeover switch 14 and the second changeover switch 15, respectively.
  • 1 Transmission directivity control device 11 Light source, 12 Optical modulator, 13 Demultiplexer, 14 First changeover switch, 15 Second changeover switch, 16 Weighting unit, 161 First axis weighting circuit, 162 Second axis weight attaching circuit, 163 multiplexer, 164 weighting circuit, 165 demultiplexer, 17 photomixing section, 171 antenna element, 1711 multiplexer, 1712 square law detection section, 1713 antenna, 1714 mirror

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Abstract

光信号を第一光信号と第二光信号とに分波する分波器と、空間上のある軸である第一軸における位相傾斜を前記第一光信号に付与する第一軸位相傾斜付与部と、前記第二光信号に前記第一軸と垂直である第二軸における位相傾斜を付与する第二軸位相傾斜付与部と、位相傾斜が付与された前記第一光信号と、位相傾斜が付与された前記第二光信号とをフォトミキシングする出力部と、を備える送信指向性制御装置。

Description

送信指向性制御装置及び送信指向性制御方法
　本発明は、送信指向性制御装置及び送信指向性制御方法に関する。
　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ため（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）、こうした高周波帯では多くの場合高い利得を持つアンテナが使用される。高利得のアンテナは必ず高い指向性を持つため、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り、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須となる。また、無線通信に限らず、例えばレーダ、イメージングや無線電力伝送といった用途においても、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、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などが考案され使用されている。また、機械的な可動部分を使用しないため耐久性や移動の追従性が高く、アンテナの小型・軽量化に適したフェーズドアレーアンテナが多く用いられている。
　フェーズドアレーアンテナは、線上または面上に複数配置されたアンテナ素子に接続された可変遅延回路や可変減衰器回路、ディジタル信号処理等の手段を用いて、各アンテナ素子に給電されるＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；無線周波数）信号の位相と振幅を制御（以下、位相と振幅の制御を重みづけと呼ぶ）することにより電子的にビームステアリングを行う。
　ミリ波帯を使用する第５世代移動通信システムやミリ波帯無線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。
　多くの無線通信システムにおいて無線通信の相手局が存在する範囲は、２次元平面内ではなく、３次元空間内で変化するため、例えば方位角と仰角のように２軸でのビームステアリングが必要である。そのため、フェーズドアレーアンテナには、面的にアンテナ素子を配置した２次元アレーアンテナを用いて２次元のビームステアリングを行うための重みづけが必要である。
　例えば、非特許文献１は２８ＧＨｚ帯での第５世代移動通信用基地局に使用する２５６素子のフェーズドアレーアンテナを開示する。例えば、３００ＧＨｚなど無線周波数が約１０倍になると、自由空間の伝播損は１００倍となり、数万個のアンテナ素子が必要になると考えられる。
　無線周波数が３００ＧＨｚの場合、自由空間波長は１ｍｍであるため、アンテナ素子の間隔は波長の半分、つまり０．５ｍｍとすることが一般的である。このとき、アンテナ素子の間隔と同等の間隔で、アンテナ素子の近傍に移相器回路を設置することは難しい。また、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ず、さらに困難となることが想定される。
　アンテナ素子の数に応じた移相器回路を実装するのではなく、固定移相量を持つ受動回路を使用してその入力端子を切り替えて使用する方式がある。例えば、非特許文献２は受動回路を使用して２次元のビームステアリングを行う方式を開示する。しかし、回路を立体的に組み上げる必要があり、高周波数帯での実装は導波管で構成する必要があるため量産が難しく、また、多素子化への対応が難しい。
　非特許文献３は、信号を光に変換し、光回路により重みづけを行う方法を提案する。光回路により重みづけを行う方法としては、特許文献１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を開示する。非特許文献４は、光波長を変換しながら移相器を反復再利用するループ構成を用いる方法を開示する。非特許文献５は、平面構成の移相回路と、光波長に依存して遅延時間が異なるFBG(fiber bragg gratings)反射線路を組み合わせて、平面構成の移相回路によって行う１次元（１平面内）のビームステアリングに加えて、FBG反射線路により行う前記平面と直交する平面の方向でのビームステアリングを可能にして、２次元ビームステアリングを実施する手段を開示する。特許文献２は、波長多重を用いたマルチビーム形成手段を開示する。
　しかしながら、上記開示された装置や方法においては、周波数の増大に伴い立体構造の製造が難しいことや部品点数が莫大な数になるといった欠点がある。
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. Dong-Hun KIM  Jiro HIROKAWA  Makoto ANDO, "One-Body 2-D Beam-Switching Butler Matrix with Waveguide Short-Slot 2-Plane Couplers," IEICE TRANSACTIONS on Electronics, Vol.E100-C, No.10, pp.884-892 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. B. Ortega, J. Mora and R. Chulia, "Optical Beamformer for 2-D Phased Array Antenna With Subarray Partitioning Capability," in IEEE Photonics Journal, vol. 8, no. 3, pp. 1-9, June 2016
　本発明の目的は、より簡易に作成することができる送信指向性制御装置を提供することにある。
　本発明の一態様は、光信号を第一光信号と第二光信号とに分波する分波器と、前記第一光信号を複数の端子のいずれかより出力する第一切替スイッチと、前記第二光信号を複数の端子のいずれかより出力する第二切替スイッチと、前記第一光信号を、出力された前記第一切替スイッチの端子により異なり、空間上のある軸である第一軸における位相傾斜を付与し、前記第二光信号を、出力された前記第一切替スイッチの端子により異なり、前記第一軸と直交する第二軸における位相傾斜を付与する重みづけ部と、位相傾斜が付与された前記第一光信号と、位相傾斜が付与された前記第二光信号とをフォトミキシングするフォトミキシング部と、を備える送信指向性制御装置である。
　本発明の一態様は、光信号を第一光信号と第二光信号とに分波する分波ステップと、前記第一光信号を複数の端子のいずれかより出力する第一切替ステップと、前記第二光信号を複数の端子のいずれかより出力する第二切替ステップと、前記第一光信号を、前記第一切替ステップにおいて出力された端子により異なり、空間上のある軸である第一軸における位相傾斜を付与し、前記第二光信号を、前記第二切替ステップにおいて出力された端子により異なり、前記第一軸と直交する第二軸における位相傾斜を付与する重みづけステップと、位相傾斜が付与された前記第一光信号と、位相傾斜が付与された前記第二光信号とをフォトミキシングするフォトミキシングステップと、を有する送信指向性制御方法である。
　本発明によれば、より簡易に送信指向性制御装置を提供することができる。
第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１の構成例を示す図である。 アンテナ素子１７１の構成の一例を示す図である。 アンテナ素子１７１の構成の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１の動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る送信指向性制御装置１の構成例を示す図である。 第２の実施形態に係る送信指向性制御装置１の動作を示すフローチャートである。 分波器１３に入力される光信号の波長と、光信号が合波されるアンテナ素子１７１の関係例を示す図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下で説明する実施形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施形態は、以下の実施の形態に限られるわけではない。
　図１は、第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１の構成例を示す図である。
　送信指向性制御装置１は、光源１１、光変調器１２、分波器１３、第一切替スイッチ１４、第二切替スイッチ１５、重みづけ部１６、フォトミキシング部１７及び制御部１８を備える。
　光源１１は光変調器１２に光を出力する。光変調器１２は、入力される光を変調することで光信号を生成する。分波器１３は、光変調器１２より入力される光信号を分波する。分波器１３は、光信号を搬送波と側帯波に分波する。以下の説明において、搬送波ＬＨを式（１）、側帯波ＬＳを式（２）又は式（３）により表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　式（２）は上側帯波であり、式（３）は下側帯波を表す。分波器１３は、搬送波及び側帯波を分岐し、それぞれ第一切替スイッチ１４及び第二切替スイッチ１５に出力する。分波器１３は、例えばＡＷＧ(Arrayed waveguide grating)である。
　分波器１３は、分配器１３１及びＳＳＢ(single side-band)変調器１３２を備え、搬送波ＬＨと側帯波ＬＳとを生成してもよい。分配器１３１は、入力される光信号を２つの光信号に分配する。ＳＳＢ変調器１３２は、２つの光信号のうち一方の光信号の搬送波成分を抑圧し、側帯波に変換する。これにより、分配器１３１及びＳＳＢ変調器１３２は、搬送波及び側帯波を生成することができる。
　また、分波器１３は、分配器１３１と周期的な通過特性を有する光コムフィルタ１３３を２つ備え、搬送波ＬＨと側帯波ＬＳとを生成してもよい。分配器１３１は、入力される光信号を２つの光信号に分配する。１つの光コムフィルタ１３３は、１つの光信号から搬送波の異なる複数の波長の光のみを通過させ、もう１つの光コムフィルタ１３３は、もう１つの光信号から側帯波の異なる複数の波長の光のみを通過させる。分波器１３が分配器１３１並びにＳＳＢ変調器１３２を備える場合、及び分配器１３１並びに光コムフィルタ１３３を備える場合、異なる２つ以上の波長の光信号を搬送波と側帯波とに分波することができる。
　第一切替スイッチ１４は、出力端子を３つ有する。第一切替スイッチ１４は、いずれかの出力端子から搬送波を重みづけ部１６に出力する。第二切替スイッチ１５は、出力端子を３つ有する。第二切替スイッチ１５は、いずれかの出力端子から側帯波を重みづけ部１６に出力する。例えば、第一切替スイッチ１４及び第二切替スイッチ１５は分波器を有し、入力される搬送波又は側帯波の波長により、搬送波又は側帯波を出力する出力端子を決定する。第一切替スイッチ１４及び第二切替スイッチ１５に入力される搬送波又は側帯波の波長は、例えば制御部１８が光源１１を制御することで、変化される。また、例えば、制御部１８は、第一切替スイッチ１４及び第二切替スイッチ１５を制御することで、搬送波又は側帯波を出力する出力端子を切り替えてもよい。第一切替スイッチ１４及び第二切替スイッチ１５は例えば光スイッチにより実現される。
　重みづけ部１６は、入力端子を６つ有し、出力端子を６つ有する。例えば、重みづけ部１６の第１入力端子には、第一切替スイッチ１４の第１出力端子から搬送波が入力される。重みづけ部１６の第２入力端子には、第一切替スイッチ１４の第２出力端子から搬送波が入力される。重みづけ部１６の第３入力端子には、第一切替スイッチ１４の第３出力端子から搬送波が入力される。重みづけ部１６の第４入力端子には、第二切替スイッチ１５の第１出力端子から側帯波が入力される。重みづけ部１６の第５入力端子には、第二切替スイッチ１５の第２出力端子から側帯波が入力される。重みづけ部１６の第６入力端子には、第二切替スイッチ１５の第３出力端子から側帯波が入力される。
　重みづけ部１６は、第一切替スイッチ１４から入力された搬送波に、空間上のある軸である第一軸における位相傾斜φHi（ｉ＝１、２、３）を付与し、フォトミキシング部１７に出力する。重みづけ部１６は、第１入力端子に入力された搬送波に位相傾斜φH1を付与し、第１出力端子、第２出力端子及び第３出力端子から出力する。重みづけ部１６は、第２入力端子に入力された搬送波に位相傾斜φH2を付与し、第１出力端子、第２出力端子及び第３出力端子から出力する。重みづけ部１６は、第３入力端子に入力された搬送波に位相傾斜φH3を付与し、第１出力端子、第２出力端子及び第３出力端子から出力する。
　例えば、重みづけ部１６は、第１入力端子に光信号が入力された場合は、位相を付与しない光信号を第１出力端子から出力し、位相φH1を付与した光信号を第２出力端子から出力し、位相２φH1を付与した光信号を第３出力端子から出力する。例えば、重みづけ部１６は、第２入力端子に光信号が入力された場合は、位相を付与しない光信号を第１出力端子から出力し、位相φH2を付与した光信号を第２出力端子から出力し、位相２φH2を付与した光信号を第３出力端子から出力する。例えば、重みづけ部１６は、第３入力端子に光信号が入力された場合は、位相を付与しない光信号を第１出力端子から出力し、位相φH3を付与した光信号を第２出力端子から出力し、位相２φH3を付与した光信号を第３出力端子から出力する。つまり、第１入力端子に入力された光信号には０、φH1、２φH1という位相傾斜が付与され、第２入力端子に入力された光信号には０、φH2、２φH2という位相傾斜が付与され、第３入力端子に入力された光信号には０、φH3、２φH3という位相傾斜が付与される。より具体的には、位相傾斜は０度、４５度、９０度や０度、９０度、１８０度などである。
　重みづけ部１６は、位相を付与しない光信号を出力する必要はなく、例えば、付与する位相傾斜はφ、２φ、３φであってもよい。
　重みづけ部１６から出力される、位相傾斜が付与された搬送波ＬＨは、式（４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　重みづけ部１６は、第二切替スイッチ１５から入力された側帯波に、第一軸と直交する第二軸における位相傾斜φvj（ｊ＝１、２、３）を付与し、フォトミキシング部１７に出力する。重みづけ部１６は、第４入力端子に入力された搬送波に位相傾斜φv1を付与し、第４出力端子、第５出力端子及び第６出力端子から出力する。重みづけ部１６は、第５入力端子に入力された搬送波に位相傾斜φv2を付与し、第４出力端子、第５出力端子及び第６出力端子から出力する。重みづけ部１６は、第６入力端子に入力された搬送波に位相傾斜φv3を付与し、第４出力端子、第５出力端子及び第６出力端子から出力する。
　例えば、重みづけ部１６は、第４入力端子に光信号が入力された場合は、位相を付与しない光信号を第４出力端子から出力し、位相φV1を付与した光信号を第５出力端子から出力し、位相２φV1を付与した光信号を第６出力端子から出力する。例えば、重みづけ部１６は、第５入力端子に光信号が入力された場合は、位相を付与しない光信号を第４出力端子から出力し、位相φV2を付与した光信号を第５出力端子から出力し、位相２φV2を付与した光信号を第６出力端子から出力する。例えば、重みづけ部１６は、第６入力端子に光信号が入力された場合は、位相を付与しない光信号を第４出力端子から出力し、位相φV3を付与した光信号を第５出力端子から出力し、位相２φV3を付与した光信号を第６出力端子から出力する。つまり、第４入力端子に入力された光信号には０、φV1、２φV1という位相傾斜が付与され、第５入力端子に入力された光信号には０、φV2、２φV2という位相傾斜が付与され、第６入力端子に入力された光信号には０、φV3、２φV3という位相傾斜が付与される。より具体的には、位相傾斜は０度、４５度、９０度や０度、９０度、１８０度などである。
　重みづけ部１６から出力される、位相傾斜が付与された側帯波ＬＳは、式（５）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　フォトミキシング部１７は、複数のアンテナ素子１７１を備える。複数のアンテナ素子は３行３列の２次元のアレーアンテナを形成する。第ｉ行第ｊ列に設置されたアンテナ素子１７１には、第一軸において位相傾斜φHi及び第二軸において位相傾斜φvjが付与された光信号が入力される。つまり、重みづけ部１６の第１出力端子は第１行のアンテナ素子１７１に位相傾斜φH1が付与された搬送波を出力する。重みづけ部１６の第２出力端子は第２行のアンテナ素子１７１に位相傾斜φH2が付与された搬送波を出力する。重みづけ部１６の第３出力端子は第３行のアンテナ素子１７１に位相傾斜φH3が付与された搬送波を出力する。重みづけ部１６の第４出力端子は第１列のアンテナ素子１７１に位相傾斜φV1が付与された側帯波を出力する。重みづけ部１６の第５出力端子は第２列のアンテナ素子１７１に位相傾斜φV2が付与された側帯波を出力する。重みづけ部１６の第６出力端子は第３列のアンテナ素子１７１に位相傾斜φV3が付与された側帯波を出力する。
　フォトミキシング部１７は、搬送波と側帯波との差の周波数の電磁波を発生させる。図２は、アンテナ素子１７１の構成の一例を示す図である。アンテナ素子１７１は、合波器１７１１、二乗検波部１７１２、アンテナ１７１３を備える。合波器１７１１は、重みづけ部１６から入力された搬送波と側帯波とを合波する。合波された光信号はＬＨ＋ＬＳで表される。合波器１７１１は、例えばＡＷＧである。
　二乗検波部１７１２は、合波された光信号をＲＦ信号に変換する。二乗検波部１７１２は例えばフォトダイオードである。アンテナ１７１３は、二乗検波部１７１２の出力周波数特性に依存した所定のＲＦ周波数帯域の成分のみを出力する。つまり、アンテナ１７１３からの出力ｖＲＦ＿ｉｊは（ＬＨ＋ＬＳ）２からＲＦ帯を取り出したものであり、式（６）に比例する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　よって、第ｉ行第ｊ列のアンテナ素子１７１の出力の位相傾斜はφvj-φHiである。
　図３は、アンテナ素子１７１の構成の一例を示す図である。アンテナ素子１７１において、合波器１７１１の代わりにミラー１７１４を用いて重みづけ部１６により位相付与された光信号と、重みづけ部１６により位相付与された光信号とを合波してもよい。
　図４は、第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１の動作を示すフローチャートである。光変調器１２が光源１１から出力された光を変調し、光信号を生成する（ステップＳ１０）。その後、分波器１３は光変調器１２から入力された光信号を搬送波と側帯波に分波する（ステップＳ１１）。第一切替スイッチ１４は、搬送波を複数の端子のいずれかより重みづけ部１６に出力する（ステップＳ１２－１）。第二切替スイッチ１５は、側帯波を複数の端子のいずれかより重みづけ部１６に出力する（ステップＳ１２－２）。重みづけ部１６は、搬送波に第一軸における位相傾斜を付与する（ステップＳ１３－１）。重みづけ部１６は、側帯波に第二軸における位相傾斜を付与する（ステップＳ１３－２）。フォトミキシング部１７は、各アンテナ素子１７１において搬送波と側帯波とをフォトミキシングする（ステップＳ１４）。フォトミキシングされた光信号は、アンテナ１７１３からＲＦ信号として出力される。
　図５は、第１の実施形態に係る重みづけ部１６の構成を示す図である。第１の実施形態に係る重みづけ部１６は、第一軸重みづけ回路１６１及び第二軸重みづけ回路１６２を備える。
　第一軸重みづけ回路１６１は、第一切替スイッチ１４から入力された搬送波に、位相傾斜φHiを付与し、フォトミキシング部１７に出力する。第一軸重みづけ回路１６１は、重みづけ部１６の第１入力端子に入力された搬送波に位相傾斜φH1を付与し、第１出力端子、第２出力端子及び第３出力端子から出力する。第一軸重みづけ回路１６１は、重みづけ部１６の第２入力端子に入力された搬送波に位相傾斜φH2を付与し、第１出力端子、第２出力端子及び第３出力端子から出力する。第一軸重みづけ回路１６１は、重みづけ部１６の第３入力端子に入力された搬送波に位相傾斜φH3を付与し、第１出力端子、第２出力端子及び第３出力端子から出力する。
　第二軸重みづけ回路１６２は、第二切替スイッチ１５から入力された側帯波に、位相傾斜φvjを付与し、フォトミキシング部１７に出力する。第二軸重みづけ回路１６２は、重みづけ部１６の第４入力端子に入力された搬送波に位相傾斜φv1を付与し、第４出力端子、第５出力端子及び第６出力端子から出力する。第二軸重みづけ回路１６２は、重みづけ部１６の第５入力端子に入力された搬送波に位相傾斜φv2を付与し、第４出力端子、第５出力端子及び第６出力端子から出力する。第二軸重みづけ回路１６２は、重みづけ部１６の第６入力端子に入力された搬送波に位相傾斜φv3を付与し、第４出力端子、第５出力端子及び第６出力端子から出力する。
　第一軸重みづけ回路１６１及び第二軸重みづけ回路１６２は、遅延線路、高分散線路、共振リング、行列回路などにより光信号に位相傾斜を付与する。行列回路は、例えばバトラー行列(Butler Matrix)やブラス回路(Blass Matrix)である。
　以上より、送信指向性制御装置１は、分波器１３、第一切替スイッチ１４、第二切替スイッチ１５、重みづけ部１６、フォトミキシング部１７を備える。送信指向性制御装置１は、光回路により１つの軸ごとに重みづけを行い、電子的にビームステアリングを行う。２つの軸の重みづけを１つの重みづけ回路により一括で行う場合、重みづけ回路の要素数は、アンテナ素子の数Ｍの２乗に比例する。しかし、本実施形態においては、１つの軸ごとに重みづけを行う場合、重みづけ回路の要素数は、２√Ｍに比例する。そのため、アンテナ増加に伴う複雑化を抑制することができる。
　また、送信指向性制御装置１は、アナログ回路による移相を行うことから、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。
　また、送信指向性制御装置１は、光信号のアナログ処理で移相を行っているため、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することができる。
（第２の実施形態）
　図６は、第２の実施形態に係る重みづけ部１６の構成例を示す図である。第２の実施形態に係る重みづけ部１６は、合波器１６３、重みづけ回路１６４、分波器１６５を備える。第２の実施形態に係る重みづけ部１６は、３つの合波器１６３－１、１６３－２及び１６３－３を備える。第２の実施形態に係る重みづけ部１６は、３つの分波器１６５－１、１６５－２及び１６５－３を備える。
　合波器１６３は、第一切替スイッチ１４及び第二切替スイッチ１５から入力された搬送波と側帯波とを合波する。合波器１６３－１は、第１入力端子に入力された搬送波と第４入力端子に入力された側帯波を合波する。合波器１６３－２は、第２入力端子に入力された搬送波と第５入力端子に入力された側帯波を合波する。合波器１６３－３は、第３入力端子に入力された搬送波と第６入力端子に入力された側帯波を合波する。合波器１６３は、重みづけ回路１６４の対応する端子に光信号を出力する。合波器１６３－１は、重みづけ回路１６４の第１入力端子に合波した光信号を出力する。合波器１６３－２は、重みづけ回路１６４の第２端子に合波した光信号を出力する。合波器１６３－３は、重みづけ回路１６４の第３端子に合波した光信号を出力する。合波器１６３は、第一切替スイッチ１４及び第二切替スイッチ１５のどちらか一方のみから光信号が入力された場合、入力された光信号を重みづけ回路１６４に出力する。合波器１６３は、例えばＡＷＧである。
　重みづけ回路１６４は、合波器１６３より入力される光信号に含まれる搬送波に、空間上のある軸である第一軸における位相傾斜を付与し、分波器１６５に出力する。重みづけ回路１６４は、光信号が入力された端子により異なる位相傾斜を搬送波に付与し、分波器１６５に出力する。例えば、重みづけ回路１６４は、第１入力端子に入力された搬送波に位相傾斜φH１を付与し、分波器１６５－１、１６５－２及び１６５－３に出力する。重みづけ回路１６４は、第２入力端子に入力された搬送波に位相傾斜φH２を付与し、分波器１６５－１、１６５－２及び１６５－３に出力する。重みづけ回路１６４は、第３入力端子に入力された搬送波に位相傾斜φH３を付与し、分波器１６５－１、１６５－２及び１６５－３に出力する。
　重みづけ回路１６４は、合波器１６３より入力される光信号に含まれる側帯波に、第一軸と直交する第二軸における位相傾斜を付与し、分波器１６５に出力する。重みづけ回路１６４は、光信号が入力された端子により異なる位相傾斜を側帯波に付与し、分波器１６５に出力する。例えば、重みづけ回路１６４は、第１入力端子に入力された側帯波に位相傾斜φｖ１を付与し、分波器１６５－１、１６５－２及び１６５－３に出力する。重みづけ回路１６４は、第２入力端子に入力された側帯波に位相傾斜φｖ２を付与し、分波器１６５－１、１６５－２及び１６５－３に出力する。重みづけ回路１６４は、第３入力端子に入力された側帯波に位相傾斜φｖ３を付与し、分波器１６５－１、１６５－２及び１６５－３に出力する。
　重みづけ回路１６４は、遅延線路、高分散線路、共振リング、行列回路などにより光信号に位相傾斜を付与する。行列回路は、例えばバトラー行列(Butler Matrix)やブラス回路(Blass Matrix)である。
　分波器１６５は、重みづけ回路１６４から出力される光信号を、搬送波と側帯波の波長により分波する。分波器１６５－１は、位相傾斜φH１及びφｖ１が付与された光信号を分波する。分波器１６５－２は、位相傾斜φH２及びφｖ２が付与された光信号を分波する。分波器１６５－３は、位相傾斜φH３及びφｖ３が付与された光信号を分波する。分波器１６５は、例えばＡＷＧである。
　分波器１６５は、分波した搬送波と側帯波とをフォトミキシング部１７に出力する。分波器１６５－１は、第１出力端子から位相傾斜を付与した搬送波を出力し、第４出力端子から位相傾斜を付与した側帯波を出力する。分波器１６５－２は、第２出力端子から位相傾斜を付与した搬送波を出力し、第５出力端子から位相傾斜を付与した側帯波を出力する。分波器１６５－３は、第３出力端子から位相傾斜を付与した搬送波を出力し、第６出力端子から位相傾斜を付与した側帯波を出力する。
　以上より、第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１は重みづけ回路を２つ備えているのに対し、第２の実施形態に係る送信指向性制御装置１は重みづけ回路を１つ備えている。そのため、重みづけ回路の数を減らすことができ、より少ない要素で同様の効果を奏する送信指向性制御装置を構成することができる。
（波長に基づく切替方法）
　第１の実施形態において、第一切替スイッチ１４及び第二切替スイッチ１５が入力される光信号の波長により、光信号を出力する重みづけ部の出力端子を切り替える場合の実施例を説明する。図７は、分波器１３に入力される光信号の波長と、光信号が合波されるアンテナ素子１７１の関係例を示す図である。隣り合う波長の差（例えば、λ１とλ２との差やλ２とλ３の差）は、光信号の搬送波と側帯波の周波数差に対応する波長より大きくなるように設定される。
　例えば、第一切替スイッチ１４は、波長λ１、λ２及びλ３の搬送波は重みづけ部１６の第１入力端子に出力し、波長λ４、λ５及びλ６の搬送波は重みづけ部１６の第２入力端子に出力し、波長λ７、λ８及びλ９の搬送波は重みづけ部１６の第３入力端子に出力する。また、例えば、第二切替スイッチ１５は、波長λ１、λ４及びλ７の側帯波は重みづけ部１６の第４入力端子に出力し、波長λ２、λ５及びλ８の側帯波は重みづけ部１６の第５入力端子に出力し、波長λ３、λ６及びλ９の側帯波は重みづけ部１６の第６入力端子に出力する。第一切替スイッチ１４及び第二切替スイッチ１５は、例えば分波器を有し、上記波長を振り分けるように構成される。
　これにより、波長λ１の光信号は、搬送波が重みづけ部１６の第１入力端子に入力され位相傾斜が付与され、側帯波が重みづけ部１６の第４入力端子に入力され位相傾斜が付与され、２つの光信号が９つのアンテナ素子１７１において合波される。また、波長λ２の光信号は、搬送波が重みづけ部１６の第１端子に入力され位相傾斜が付与され、側帯波が重みづけ部１６の第５端子に入力され位相傾斜が付与され、２つの光信号が９つのアンテナ素子１７１において合波される。以上のように、分波器１３に入力される光信号の波長により、光信号に付与する位相傾斜を変化させ、アンテナ素子１７１から送信することができる。
　また、送信指向性制御装置１は複数の光源１１及び光変調器１２を備え、分波器１３が複数の光信号をそれぞれ搬送波と側帯波とに分波してもよい。このとき、第一切替スイッチ１４は、複数の光信号ごとに、第一光信号を複数の端子のいずれかより出力する。第二切替スイッチ１５は、複数の光信号ごとに、第二光信号を複数の端子のいずれかより出力する。重みづけ部１６は、複数の光信号ごとに、第一光信号に第一軸における位相傾斜を付与し、第二光信号に第二軸における位相傾斜を付与する。フォトミキシング部１７は、複数の光信号ごとに、位相傾斜が付与された第一光信号と、位相傾斜が付与された第二光信号とをフォトミキシングする。これにより、アンテナ素子１７１は、それぞれの光信号に基づく方向に信号を送信することができ、マルチビームを送信する動作を行うことができる。
　以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
　例えば、上述した実施形態では重みづけ回路の入力端子及び出力端子は３つであり、フォトミキシング部１７に含まれるアレーアンテナは３行３列のアンテナ素子を有するが、これに限られない。例えば、アレーアンテナは２行でもよく、４行以上であってもよく、２列であっても、４列以上であってもよい。また、アレーアンテナは３行３列や４行４列のように正方のアンテナ素子により構成されなくてもよい。重みづけ回路の入力端子及び出力端子は、アレーアンテナに含まれるアンテナ素子の行数及び列数により変化してもよい。
　上述した実施形態では、最初に分波器１３は光信号を搬送波と側帯波とに分波するがこれに限られず、第一光信号と第二光信号とに分波する。例えば、分波器１３は光信号を上側帯波と下側帯波とに分波し、それぞれを第一切替スイッチ１４と第二切替スイッチ１５とに出力してもよい。例えば、分波器１３は光信号を２つの光信号に分配する分配器と、１つの光信号を上側帯波に変換するＳＳＢ変換器と、もう１つの光信号を下側波帯に変換するＳＳＢ変換器とを備え、上側帯波及び下側波帯をそれぞれ第一切替スイッチ１４と第二切替スイッチ１５に出力してもよい。
１　送信指向性制御装置、１１　光源、１２　光変調器、１３　分波器、１４　第一切替スイッチ、１５　第二切替スイッチ、１６　重みづけ部、１６１　第一軸重みづけ回路、１６２　第二軸重みづけ回路、１６３　合波器、１６４　重みづけ回路、１６５　分波器、１７　フォトミキシング部、１７１　アンテナ素子、１７１１　合波器、１７１２　二乗検波部、１７１３　アンテナ、１７１４　ミラー

Claims (8)

  1. 　光信号を第一光信号と第二光信号とに分波する分波器と、
    　前記第一光信号を複数の端子のいずれかより出力する第一切替スイッチと、
    　前記第二光信号を複数の端子のいずれかより出力する第二切替スイッチと、
    　前記第一光信号に、出力された前記第一切替スイッチの端子により異なり、空間上のある軸である第一軸における位相傾斜を付与し、前記第二光信号に、出力された前記第二切替スイッチの端子により異なり、前記第一軸と直交する第二軸における位相傾斜を付与する重みづけ部と、
    　位相傾斜が付与された前記第一光信号と、位相傾斜が付与された前記第二光信号とをフォトミキシングするフォトミキシング部と、
    　を備える送信指向性制御装置。
  2. 　前記重みづけ部は、
    　前記第一軸における位相傾斜を前記第一光信号に付与する第一軸位相傾斜付与部と、
    　前記第二軸における位相傾斜を前記第二光信号に付与する第二軸位相傾斜付与部と、
    　を備える請求項１に記載の送信指向性制御装置。
  3. 　前記重みづけ部は、
    　前記第一切替スイッチから入力される前記第一光信号と、前記第二切替スイッチから入力される前記第二光信号とを合波する合波器と、
    　前記合波された光信号に含まれる前記第一光信号に、空間上のある軸である第一軸における位相傾斜を付与し、前記合波された光信号に含まれる前記第二光信号に、前記第一軸と垂直である第二軸における位相傾斜を付与する重みづけ回路と、
    　前記重みづけ回路から出力される光信号を分波する分波器と、
    　を備える請求項１に記載の送信指向性制御装置。
  4. 　前記第一光信号及び前記第二光信号に付与される位相傾斜は、前記第一光信号及び前記第二光信号の波長に基づく、
    　請求項１に記載の送信指向性制御装置。
  5. 　前記分波器は、複数の光信号をそれぞれ第一光信号と第二光信号とに分波し、
    　前記第一切替スイッチは、前記複数の光信号ごとに、前記第一光信号を複数の端子のいずれかより出力し、
    　前記第二切替スイッチは、前記複数の光信号ごとに、前記第二光信号を複数の端子のいずれかより出力し、
    　前記重みづけ部は、前記複数の光信号ごとに、前記第一光信号に前記第一軸における位相傾斜を付与し、前記第二光信号に前記第二軸における位相傾斜を付与し、
    　前記フォトミキシング部は、前記複数の光信号ごとに、位相傾斜が付与された前記第一光信号と、位相傾斜が付与された前記第二光信号とをフォトミキシングする、
    　請求項４に記載の送信指向性制御装置。
  6. 　前記第一光信号及び前記第二光信号は、搬送波及び側帯波又は上側帯波及び下側帯波である、
    　請求項１に記載の送信指向性制御装置。
  7. 　前記分波器は、分配器とＳＳＢ(single side-band)変調器を備え、
    　前記分配器は、入力される光信号を２つの光信号に分配し、
    　前記ＳＳＢ変調器は、前記２つの光信号のうち１つの光信号を側帯波に変換する、
    　請求項６に記載の送信指向性制御装置。
  8. 　光信号を第一光信号と第二光信号とに分波する分波ステップと、
    　前記第一光信号を複数の端子のいずれかより出力する第一切替ステップと、
    　前記第二光信号を複数の端子のいずれかより出力する第二切替ステップと、
    　前記第一光信号を、前記第一切替ステップにおいて出力された端子により異なり、空間上のある軸である第一軸における位相傾斜を付与し、前記第二光信号を、前記第二切替ステップにおいて出力された端子により異なり、前記第一軸と直交する第二軸における位相傾斜を付与する重みづけステップと、
    　位相傾斜が付与された前記第一光信号と、位相傾斜が付与された前記第二光信号とをフォトミキシングするフォトミキシングステップと、
    　を有する送信指向性制御方法。
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