WO2023242931A1 - 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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WO2023242931A1
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optical signal
phase
input
phase gradient
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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
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    • 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

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 is to apply a phase inclination to an input optical signal in a first axis, which is a certain axis in space, and to impart a phase inclination that differs depending on the control content and output the first axis phase inclination. and a phase gradient in a second axis orthogonal to the first axis, with respect to the optical signal input from the first axis phase gradient imparting unit, the phase gradient being input from the first axis phase gradient imparting unit.
  • the present invention is a transmission directivity control device including a second axis phase gradient imparting section that imparts a phase gradient that differs depending on the wavelength of an optical signal.
  • One aspect of the present invention is to provide a phase inclination in a first axis, which is a certain axis in space, to an input optical signal, and to provide a first axis phase in which a different phase inclination is imparted and output based on control details.
  • This is a transmission directivity control method comprising: a step of imparting a second axis phase inclination;
  • 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.
  • 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 flowchart showing the operation of the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a modification of the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a modification of the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a modification 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.
  • FIG. 7 is a diagram showing a modification of the transmission directivity control device 1 according to the second embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a transmission directivity control device 1. As shown in FIG. 1
  • the transmission directivity control device 1 includes a light source 11 , an optical modulator 12 , a control section 13 , a first axis phase gradient imparting section 14 , a second axis phase gradient imparting section 15 , and a two-dimensional array antenna 16 .
  • the light source 11 outputs light to the optical modulator 12.
  • the light source 11 is a wavelength tunable light source.
  • the optical modulator 12 generates an optical signal by modulating input light.
  • the optical modulator 12 generates an optical signal by modulating, for example, light output from a light source with a transmission signal.
  • the control unit 13 controls the light source 11 and the first axis phase gradient imparting unit 14.
  • the control unit 13 controls the wavelength of the optical signal input to the first axis phase tilting unit 14 by controlling the wavelength of the light output from the light source 11 .
  • the first axis phase gradient imparting unit 14 imparts a phase gradient on the first axis, which is a certain axis in space, to the input optical signal.
  • the first axis phase gradient imparting section 14 outputs the optical signal to which the phase gradient has been imparted to the second axis phase gradient imparting section 15 from one of the plurality of output terminals.
  • the first axis phase gradient imparting section 14 imparts different phases to the optical signal depending on conditions.
  • the first axis phase gradient imparting unit 14 imparts different phases to the optical signal depending on the wavelength of the optical signal, for example.
  • the first axis phase gradient imparting section 14 imparts a phase to the optical signal based on control by the control section 13, for example.
  • the second axis phase gradient imparting unit 15 imparts a phase gradient in a second axis perpendicular to the first axis to the input optical signal.
  • the first axis and the second axis are, for example, the horizontal direction and the vertical direction.
  • Optical signals are input to the second axis phase gradient imparting section 15 from a plurality of input terminals corresponding to the plurality of output terminals of the first axis phase gradient imparting section 14, respectively.
  • the second axis phase gradient imparting unit 15 imparts different phase gradients to the optical signal depending on the input terminal to which the optical signal is input.
  • the second axis phase gradient imparting unit 15 outputs the optical signal to which the phase gradient has been imparted to the two-dimensional array antenna 16 .
  • the two-dimensional array antenna 16 transmits the input optical signal.
  • the two-dimensional array antenna 16 combines, for example, an input optical signal and an optical signal output from a light source different from the light source 11, and generates electromagnetic waves having a frequency that is the frequency difference between the two optical signals.
  • two optical signals are photomixed by a photodiode to generate electromagnetic waves.
  • beam scanning is performed in the horizontal direction by the two-dimensional array antenna 16 based on the phase gradient in the first axis, and the azimuth of the beam is determined.
  • vertical beam scanning is performed based on the phase tilt in the second axis to determine the beam elevation angle.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment.
  • the first axis phase gradient imparting section according to the first embodiment includes a first switching circuit 141 and a first axis weighting circuit 142.
  • the second axis phase gradient imparting section 15 includes a plurality of duplexers 151 and a second axis weighting circuit 152.
  • the two-dimensional array antenna 16 includes a plurality of antenna elements 161.
  • the number of branching filters 151 and second axis weighting circuits 152 are three each, and the number of antenna elements 161 is nine, but this is not intended to limit the embodiment.
  • the optical modulator 12 is controlled by the control unit 13 and outputs an optical signal having one of the three wavelengths ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3.
  • the first switching circuit 141 includes one input terminal and three output terminals.
  • the first switching circuit 141 outputs an optical signal input from the optical modulator 12 to one input terminal from one of three output terminals.
  • the output terminal from which the first switching circuit 141 outputs the optical signal is controlled by the control unit 13.
  • the first switching circuit 141 is, for example, an optical switch.
  • the first axis weighting circuit 142 includes three input terminals and three output terminals. Three input terminals of the first axis weighting circuit 142 are connected to three output terminals of the first switching circuit 141, respectively.
  • the first axis weighting circuit 142 applies a phase slope on the first axis, which differs depending on the input terminal to which the optical signal is input.
  • the first axis weighting circuit 142 outputs phased optical signals from three output terminals. For example, when an optical signal is input to the first input terminal, the first axis weighting circuit 142 outputs an optical signal to which no phase is added from the first output terminal, and outputs an optical signal to which the phase ⁇ H1 is added to the first output terminal.
  • the optical signal is outputted from the second output terminal, and the optical signal to which the phase 2 ⁇ H1 is added is outputted from the third output terminal.
  • the first axis weighting circuit 142 outputs an optical signal to which no phase is added from the first output terminal, and outputs an optical signal to which the phase ⁇ H2 is added to the first output terminal.
  • the optical signal is outputted from the second output terminal, and the optical signal to which the phase 2 ⁇ H2 is added is outputted from the third output terminal.
  • the first axis weighting circuit 142 when an optical signal is input to the third input terminal, the first axis weighting circuit 142 outputs an optical signal to which no phase is added from the first output terminal, and outputs an optical signal to which the phase ⁇ H3 is added to the first output terminal.
  • the optical signal is outputted from the second output terminal, and the optical signal to which the phase 2 ⁇ H3 is added is outputted 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 .
  • phase gradients of 0, ⁇ H3 and 2 ⁇ H3 are given to the optical signal input to the third input terminal. More specifically, the phase tilt is 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, etc.
  • the first axis weighting circuit 142 does not need to output an optical signal to which no phase is added; for example, the phase gradients to be applied may be ⁇ , 2 ⁇ , or 3 ⁇ .
  • the demultiplexer 151 demultiplexes the optical signal input from the first axis phase gradient imparting section 14.
  • the demultiplexer 151 is designed to demultiplex optical signals of wavelengths ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3.
  • the demultiplexer 151 has three output terminals and outputs demultiplexed optical signals from different output terminals depending on the wavelength. That is, the demultiplexer 151 outputs the optical signal with the wavelength ⁇ 1 from the first output terminal, the optical signal with the wavelength ⁇ 2 from the second output terminal, and the optical signal with the wavelength ⁇ 3 from the third output terminal.
  • the duplexer 151 is, for example, an AWG (Arrayed waveguide grating).
  • the second axis weighting circuit 152 includes three input terminals and three output terminals. Three input terminals of the second axis weighting circuit 152 are connected to three output terminals of the duplexer 151, respectively.
  • the second axis weighting circuit 152 applies a phase slope in the second axis, which differs depending on the input terminal to which the optical signal is input.
  • the second axis weighting circuit 152 outputs phased optical signals from three output terminals. For example, when an optical signal is input to the first input terminal, the second axis weighting circuit 152 outputs an optical signal to which no phase is added from the first output terminal, and outputs an optical signal to which the phase ⁇ V1 is added to the first output terminal.
  • the optical signal is outputted from the second output terminal, and the optical signal to which the phase 2 ⁇ V1 is added is outputted from the third output terminal.
  • the second axis weighting circuit 152 outputs an optical signal to which no phase is added from the first output terminal, and outputs an optical signal to which the phase ⁇ V2 is added to the first output terminal.
  • the optical signal is outputted from the second output terminal, and the optical signal to which the phase 2 ⁇ V2 is added is outputted from the third output terminal.
  • the second axis weighting circuit 152 when an optical signal is input to the third input terminal, the second axis weighting circuit 152 outputs an optical signal to which no phase is added from the first output terminal, and outputs an optical signal to which the phase is added to the optical signal from the first output terminal.
  • the optical signal is outputted from the second output terminal, and the optical signal to which the phase 2 ⁇ V3 is added is outputted from the third output terminal.
  • the optical signal input to the first input terminal is given a phase gradient of 0, ⁇ V1 , 2 ⁇ V1
  • the optical signal input to the second 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 third input terminal. More specifically, the phase tilt is 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, etc.
  • the second axis weighting circuit 152 does not need to output an optical signal to which no phase is added; for example, the phase gradients to be applied may be ⁇ , 2 ⁇ , or 3 ⁇ .
  • the first axis weighting circuit 142 and the second axis weighting circuit 152 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 two-dimensional array antenna 16 includes nine antenna elements 161.
  • Nine optical signals output from the second axis phase tilting section 15 are input to the nine antenna elements 161, respectively.
  • the antenna element 161 converts the input optical signal into an RF signal and transmits it.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment.
  • the optical modulator 12 generates an optical signal (step S10).
  • the first switching circuit 141 outputs the input optical signal from one of the plurality of terminals (step S11).
  • the first axis weighting circuit 142 applies a phase gradient to the optical signal input from the first switching circuit 141 (step S12).
  • the demultiplexer 151 demultiplexes the optical signal input from the first axis weighting circuit 142 (step S13).
  • the second axis weighting circuit 152 applies a phase gradient to the demultiplexed optical signal (step S14).
  • the antenna element 161 converts the optical signal into an RF signal (step S15).
  • the transmission directivity control device 1 can weight the two axes using the optical circuit and perform beam steering electronically. Furthermore, even if the number of antenna elements increases, the internal configurations of the first axis phase tilt imparting section 14 and the second axis phase tilt imparting section 15 can be changed so that the antenna element 161 and the first axis phase tilt imparting section 14 and the second axis phase tilt imparting section It is only necessary to increase the number of connections with the axial phase inclination imparting section 15, and complexity can be suppressed.
  • FIG. 4 is a diagram showing a modification of the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment.
  • the transmission directivity control device 1 shown in FIG. 3 differs from the transmission directivity control device 1 shown in FIG. 2 in that it includes two light sources 11 and two optical modulators 12, and the first switching circuit 141 includes two input terminals.
  • the first switching circuit 141 independently outputs the optical signals input to the two input terminals from one of the three output terminals based on the control by the control unit 13.
  • the first switching circuit 141 is, for example, a matrix switch.
  • the two optical signals may be output from the same output terminal of the first switching circuit 141.
  • the transmission directivity control device 1 shown in FIG. 3 can transmit two beams from the two-dimensional array antenna 16. Similarly, by increasing the number of input terminals of the first switching circuit 141 to three or more, three or more multi-beams can be transmitted.
  • FIG. 5 is a diagram showing a modification of the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment. In the transmission directivity control device 1 shown in FIG. 5, the demultiplexer 151 demultiplexes into eight optical signals.
  • the optical modulator 12 outputs optical signals of eight wavelengths
  • the second axis weighting circuit 152 includes eight input terminals and eight output terminals.
  • the two-dimensional array antenna 16 becomes an 8 ⁇ 3 two-dimensional array antenna.
  • FIG. 6 is a diagram showing a modification of the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment.
  • the first switching circuit 141 includes eight output terminals.
  • the first axis weighting circuit 142 includes eight input terminals and eight output terminals, and outputs from the eight output terminals optical signals to which different phase slopes are applied depending on the input terminals to which the optical signals are input.
  • the second axis phase gradient imparting section 15 includes eight duplexers 151 and a second axis weighting circuit 152.
  • the two-dimensional array antenna 16 becomes a 3 ⁇ 8 two-dimensional array antenna.
  • the modification of the transmission directivity control device 1 shown in FIG. 6 even when the number of antenna elements 161 of the two-dimensional array antenna 16 is increased, the required frequency bandwidth of light can be kept small.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of a transmission directivity control device 1 according to the second embodiment.
  • the first axis phase gradient applying section 14 according to the second embodiment includes a duplexer 143 unlike the first axis phase slope applying section 14 according to the first embodiment.
  • the control unit 13 controls the light source 11, and the optical modulator 12 receives an optical signal of one wavelength from nine different wavelengths ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, ⁇ 4, ⁇ 5, ⁇ 6, ⁇ 7, ⁇ 8, and ⁇ 9. to be output.
  • the duplexer 143 has one input terminal and three output terminals.
  • the demultiplexer 143 demultiplexes the optical signal input from the optical modulator 12 to its input terminal, and outputs the optical signal from one of the three output terminals.
  • the demultiplexer 143 outputs optical signals with wavelengths ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 from a first output terminal, outputs optical signals with wavelengths ⁇ 4, ⁇ 5, and ⁇ 6 from a second output terminal, and outputs optical signals with wavelengths ⁇ 7, ⁇ 8, and ⁇ 9.
  • a signal is output from the third output terminal.
  • the duplexer 143 is, for example, an AWG.
  • the duplexers 151-1 to 151-3 according to the second embodiment have different types of signals demultiplexed by the duplexer 143. Optical signals of different wavelengths are input.
  • the demultiplexers 151-1 to 151-3 according to the second embodiment demultiplex input optical signals of different wavelengths.
  • the demultiplexer 151-1 demultiplexes optical signals with wavelengths ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3, and the demultiplexer 151-2 demultiplexes optical signals with wavelengths ⁇ 4, ⁇ 5, and ⁇ 6. demultiplexes optical signals of wavelengths ⁇ 7, ⁇ 8, and ⁇ 9.
  • the demultiplexer 151 according to the second embodiment is a filter with periodic pass characteristics, and is created using, for example, an optical ring resonator or an optical comb.
  • FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the transmission directivity control device 1 according to the second embodiment.
  • the optical modulator 12 generates an optical signal (step S20).
  • the demultiplexer 143 demultiplexes the input optical signal and outputs it from one of a plurality of terminals (step S21).
  • the first axis weighting circuit 142 imparts a phase gradient to the optical signal input from the demultiplexer 143 (step S22).
  • the demultiplexer 151 demultiplexes the optical signal input from the first axis weighting circuit 142 (step S23).
  • the second axis weighting circuit 152 applies a phase gradient to the demultiplexed optical signal (step S24).
  • the antenna element 161 extracts the RF signal from the optical signal (step S25).
  • the transmission directivity control device 1 according to the second embodiment differs from the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment in that the first axis phase gradient imparting section 14 includes the duplexer 143, The number of wavelengths of optical signals that can be output by the optical modulator 12 is increased, and the wavelengths of the optical signals to be demultiplexed by the plurality of demultiplexers 151 are made to be different.
  • the transmission directivity control device 1 according to the second embodiment can electronically perform beam steering simply by controlling the wavelength of the light output from the light source 11.
  • FIG. 9 is a diagram showing a modification of the transmission directivity control device 1 according to the second embodiment.
  • the transmission directivity control device 1 shown in FIG. 9 is different from the transmission directivity control device 1 shown in FIG.
  • the multiplexer 17 multiplexes the optical signals input from the two optical modulators 12 and outputs the multiplexed optical signals to the first axis phase gradient imparting section 14 .
  • the multiplexer 17 is, for example, an AWG.
  • the multiplexed optical signal is demultiplexed by a demultiplexer 143 and a demultiplexer 151 based on its wavelength.
  • the transmission directivity control device 1 shown in FIG. 9 can transmit two beams from the two-dimensional array antenna 16.
  • three or more multi-beams can be transmitted.
  • the number of demultiplexers 151 and the number of optical signals demultiplexed and outputted by the demultiplexer 151 do not have to be equal, and the number of demultiplexers 151 and the number of optical signals to be demultiplexed and outputted by the demultiplexer 151 do not have to be equal.
  • the dimensional antenna array does not have to be square.

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Abstract

入力される光信号に対して、空間上のある軸である第一軸における位相傾斜であって、制御内容により異なる位相傾斜を付与し出力する第一軸位相傾斜付与部と、前記第一軸位相傾斜付与部から入力された光信号に対して、前記第一軸と直交する第二軸における位相傾斜であって、前記第一軸位相傾斜付与部から入力された光信号の波長により異なる位相傾斜を付与する第二軸位相傾斜付与部と、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二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、入力される光信号に対して、空間上のある軸である第一軸における位相傾斜であって、制御内容により異なる位相傾斜を付与し出力する第一軸位相傾斜付与部と、前記第一軸位相傾斜付与部から入力された光信号に対して、前記第一軸と直交する第二軸における位相傾斜であって、前記第一軸位相傾斜付与部から入力された光信号の波長により異なる位相傾斜を付与する第二軸位相傾斜付与部と、を備える送信指向性制御装置である。
　本発明の一態様は、入力される光信号に対して、空間上のある軸である第一軸における位相傾斜であって、制御内容に基づいて異なる位相傾斜を付与し出力する第一軸位相傾斜付与ステップと、前記第一軸における位相傾斜が付与された光信号に対して、前記第一軸と直交する第二軸における位相傾斜であって、前記光信号の波長により異なる位相傾斜を付与する第二軸位相傾斜付与ステップと、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。
送信指向性制御装置１の構成例を示す図である。 第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１の構成例を示す図である。 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１の実施形態に係る送信指向性制御装置１の変形例を示す図である。 第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１の変形例を示す図である。 第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１の変形例を示す図である。 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。 第２の実施形態に係る送信指向性制御装置１の変形例を示す図である。
　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、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、制御部１３、第一軸位相傾斜付与部１４、第二軸位相傾斜付与部１５、二次元アレーアンテナ１６を備える。
　光源１１は光変調器１２に光を出力する。光源１１は波長可変光源である。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。光変調器１２は、例えば光源から出力される光を送信信号で変調することで光信号を生成する。
　制御部１３は、光源１１及び第一軸位相傾斜付与部１４を制御する。制御部１３は、光源１１から出力される光の波長を制御することで、第一軸位相傾斜付与部１４に入力される光信号の波長を制御する。
　第一軸位相傾斜付与部１４は、入力される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する。第一軸位相傾斜付与部１４は、位相傾斜を付与した光信号を複数の出力端子のうちいずれかの端子から第二軸位相傾斜付与部１５に出力する。第一軸位相傾斜付与部１４は、条件により異なる位相を光信号に付与する。第一軸位相傾斜付与部１４は、例えば、光信号の波長により異なる位相を光信号に付与する。第一軸位相傾斜付与部１４は、例えば、制御部１３により制御に基づく位相を光信号に付与する。
　第二軸位相傾斜付与部１５は、入力される光信号に第一軸と直交する第二軸における位相傾斜を付与する。第一軸と第二軸は例えば、水平方向と垂直方向である。第二軸位相傾斜付与部１５には、第一軸位相傾斜付与部１４の複数の出力端子にそれぞれ対応する複数の入力端子から光信号が入力される。第二軸位相傾斜付与部１５は、光信号が入力される入力端子により異なる位相傾斜を光信号に付与する。第二軸位相傾斜付与部１５は、位相傾斜を付与した光信号を二次元アレーアンテナ１６に出力する。
　二次元アレーアンテナ１６は、入力される光信号を送信する。二次元アレーアンテナ１６は、例えば入力される光信号と光源１１と異なる光源から出力される光信号を合波し、２つの光信号の周波数差の周波数を有する電磁波を発生させる。例えば、２つの光信号はフォトダイオードによりフォトミキシングされ、電磁波が発生する。第一軸が水平方向であり、第二軸が垂直方向であるとき、二次元アレーアンテナ１６により、第一軸における位相傾斜に基づいて水平方向のビーム走査が行われビームの方位角が決定され、第二軸における位相傾斜に基づいて垂直方向のビーム走査が行われビームの仰角が決定される。
（第１の実施形態）
　図２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。第１の実施形態に係る第一軸位相傾斜付与部は、第一切替回路１４１及び第一軸重みづけ回路１４２を備える。第二軸位相傾斜付与部１５は、複数の分波器１５１及び第二軸重みづけ回路１５２を備える。二次元アレーアンテナ１６は、複数のアンテナ素子１６１を備える。以下、分波器１５１及び第二軸重みづけ回路１５２の数がそれぞれ３つであり、アンテナ素子１６１が９つの場合を説明するが、実施形態を限定するものではない。
　第１の実施形態に係る光変調器１２は、制御部１３により制御され、３つの波長λ１、λ２、λ３のうち、いずれかの波長の光信号を出力する。
　第一切替回路１４１は、１つの入力端子と３つの出力端子を備える。第一切替回路１４１は、光変調器１２から１つの入力端子に入力される光信号を３つの出力端子のいずれかの出力端子から出力する。第一切替回路１４１が光信号を出力する出力端子は制御部１３により制御される。第一切替回路１４１は、例えば光スイッチである。
　第一軸重みづけ回路１４２は、３つの入力端子と３つの出力端子を備える。第一軸重みづけ回路１４２の３つの入力端子は、第一切替回路１４１の３つの出力端子とそれぞれ接続される。第一軸重みづけ回路１４２は、第一軸における位相傾斜であって、光信号が入力される入力端子により異なる位相傾斜を付与する。第一軸重みづけ回路１４２は、位相を付与した光信号を３つの出力端子から出力する。例えば、第一軸重みづけ回路１４２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、第一軸重みづけ回路１４２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、第一軸重みづけ回路１４２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。
　第一軸重みづけ回路１４２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。
　分波器１５１は、第一軸位相傾斜付与部１４から入力される光信号を分波する。分波器１５１は、波長λ１、λ２、λ３の光信号を分波するように設計される。分波器１５１は、３つの出力端子を有し、波長により異なる出力端子から分波した光信号を出力する。つまり、分波器１５１は、波長λ１の光信号は第１出力端子から出力し、波長λ２の光信号は第２出力端子から出力し、波長λ３の光信号は第３出力端子から出力する。分波器１５１は、例えばＡＷＧ(Arrayed waveguide gratings)である。
　第二軸重みづけ回路１５２は、３つの入力端子と３つの出力端子を備える。第二軸重みづけ回路１５２の３つの入力端子は、分波器１５１の３つの出力端子とそれぞれ接続される。第二軸重みづけ回路１５２は、第二軸における位相傾斜であって、光信号が入力される入力端子により異なる位相傾斜を付与する。第二軸重みづけ回路１５２は、位相を付与した光信号を３つの出力端子から出力する。例えば、第二軸重みづけ回路１５２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φV1を付与した光信号を第２出力端子から出力し、位相２φV1を付与した光信号を第３出力端子から出力する。例えば、第二軸重みづけ回路１５２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φV2を付与した光信号を第２出力端子から出力し、位相２φV2を付与した光信号を第３出力端子から出力する。例えば、第二軸重みづけ回路１５２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φV3を付与した光信号を第２出力端子から出力し、位相２φV3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、φV1、２φV1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、φV2、２φV2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、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。
　第二軸重みづけ回路１５２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。
　第一軸重みづけ回路１４２及び第二軸重みづけ回路１５２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、波長及び分波器１５１－１～１５１－３に入力される光信号の位相傾斜により異なる位相傾斜の組合せが付与された９つの光信号が、第二軸位相傾斜付与部１５から出力される。
　二次元アレーアンテナ１６は、９つのアンテナ素子１６１を備える。９つのアンテナ素子１６１には、第二軸位相傾斜付与部１５から出力される９つの光信号がそれぞれ入力される。アンテナ素子１６１は、入力された光信号をＲＦ信号に変換し送信する。
　図３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は、光信号を生成する（ステップＳ１０）。第一切替回路１４１は、入力された光信号を複数の端子のいずれかより出力する（ステップＳ１１）。第一軸重みづけ回路１４２が、第一切替回路１４１より入力される光信号に位相傾斜を付与する（ステップＳ１２）。分波器１５１は、第一軸重みづけ回路１４２より入力される光信号を分波する（ステップＳ１３）。その後、分波された光信号に対して、第二軸重みづけ回路１５２が位相傾斜を付与する（ステップＳ１４）。アンテナ素子１６１は、光信号をＲＦ信号に変換する（ステップＳ１５）。
　以上により、送信指向性制御装置１は、光回路により２つの軸により重みづけを行い、電子的にビームステアリングを行うことができる。また、アンテナ素子の数が増大しても、第一軸位相傾斜付与部１４及び第二軸位相傾斜付与部１５の内部構成を変化させアンテナ素子１６１と第一軸位相傾斜付与部１４及び第二軸位相傾斜付与部１５との接続数を増やすだけでよく、複雑化を抑制することができる。
（第１実施形態の変形例１）
　図４は、第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１の変形例を示す図である。図３に示す送信指向性制御装置１は、図２に示す送信指向性制御装置１と異なり、光源１１及び光変調器１２を２つ備え、第一切替回路１４１は２つの入力端子を備える。
　第一切替回路１４１は、２つの入力端子に入力される光信号をそれぞれ独立に、制御部１３による制御に基づいて３つの出力端子のいずれかの出力端子から出力する。第一切替回路１４１は、例えばマトリックススイッチである。
　２つの光変調器１２から出力される光信号の波長が等しくない場合、２つの光信号は第一切替回路１４１の同じ出力端子から出力されてもよい。
　これにより、図３に示す送信指向性制御装置１は、２つのビームを二次元アレーアンテナ１６から送信することができる。同様に、第一切替回路１４１の入力端子を３つ以上にすることで、３つ以上のマルチビームを送信することができる。
（第１実施形態の変形例２）
　以上の説明では、アレーアンテナが正方である場合、つまり、分波器１５１の数と分波器１５１が分波して出力する光信号の数が等しい場合を説明したがこれに限られず、分波器１５１の数と分波器１５１が分波して出力する光信号の数は等しくなくてもよい。図５は、第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１の変形例を示す図である。図５に示す送信指向性制御装置１において、分波器１５１は８つの光信号に分波する。このとき、光変調器１２は、８つの波長の光信号を出力し、第二軸重みづけ回路１５２は、８つの入力端子と８つの出力端子を備える。このとき、二次元アレーアンテナ１６は、８×３の二次元アレーアンテナとなる。図５に示す送信指向性制御装置１の変形例においては、二次元アレーアンテナ１６のアンテナ素子１６１が増えた場合でも、重みづけ回路の個数が増えるのを防ぐことができる。
（第１実施形態の変形例３）
　図６は、第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１の変形例を示す図である。図６に示す送信指向性制御装置１において、第一切替回路１４１は、８つの出力端子を備える。このとき、第一軸重みづけ回路１４２は、８つの入力端子と８つの出力端子を備え、光信号が入力される入力端子により異なる位相傾斜を付与した光信号を８つの出力端子から出力する。このとき、第二軸位相傾斜付与部１５は、８つの分波器１５１及び第二軸重みづけ回路１５２を備える。このとき、二次元アレーアンテナ１６は、３×８の二次元アレーアンテナとなる。図６に示す送信指向性制御装置１の変形例においては、二次元アレーアンテナ１６のアンテナ素子１６１が増えた場合でも、必要となる光の周波数帯域幅を小さく抑えることができる。
（第２の実施形態）
　図７は、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の実施形態に係る第一軸位相傾斜付与部１４は、第１の実施形態に係る第一軸位相傾斜付与部１４と異なり分波器１４３を備える。第２の実施形態において、制御部１３は光源１１を制御し、光変調器１２が異なる９つの波長λ１、λ２、λ３、λ４、λ５、λ６、λ７、λ８、λ９から１つの波長の光信号を出力するようにする。
　分波器１４３は、１つの入力端子と３つの出力端子を備える。分波器１４３は、光変調器１２から入力端子に入力された光信号を分波し、３つの出力端子のうちいずれかの出力端子から光信号を出力する。分波器１４３は、波長λ１、λ２、λ３の光信号を第１出力端子から出力し、波長λ４、λ５、λ６の光信号を第２出力端子から出力し、波長λ７、λ８、λ９の光信号を第３出力端子から出力する。分波器１４３は、例えばＡＷＧである。
　第２の実施形態に係る分波器１５１－１～１５１－３には、第１の実施形態に係る分波器１５１－１～１５１－３と異なり、分波器１４３により分波された異なる波長の光信号がそれぞれ入力される。第２の実施形態に係る分波器１５１－１～１５１－３は、入力されるそれぞれ異なる波長の光信号を分波する。分波器１５１－１は、波長λ１、λ２、λ３の光信号を分波し、分波器１５１－２は、波長λ４、λ５、λ６の光信号を分波し、分波器１５１－３は、波長λ７、λ８、λ９の光信号を分波する。第２の実施形態に係る分波器１５１は、周期的な通過特性を持つフィルタであり、例えば、光リング共振器又は光コムを用いて作成される。
　図８は、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。光変調器１２は、光信号を生成する（ステップＳ２０）。分波器１４３は、入力された光信号を分波し、複数の端子のいずれかより出力する（ステップＳ２１）。第一軸重みづけ回路１４２が、分波器１４３より入力される光信号に位相傾斜を付与する（ステップＳ２２）。分波器１５１は、第一軸重みづけ回路１４２より入力される光信号を分波する（ステップＳ２３）。その後、分波された光信号に対して、第二軸重みづけ回路１５２が位相傾斜を付与する（ステップＳ２４）。アンテナ素子１６１は、光信号からＲＦ信号を取り出す（ステップＳ２５）。
　以上により、第２の実施形態に係る送信指向性制御装置１は、第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１と異なり、第一軸位相傾斜付与部１４が分波器１４３を備え、光変調器１２が出力できる光信号の波長の数を多くし、複数の分波器１５１が分波する光信号の波長を異ならせる。これにより、第２の実施形態に係る送信指向性制御装置１は、光源１１から出力される光の波長を制御するだけで、電子的にビームステアリングを行うことができる。
（第２の実施形態の変形例）
　図９は、第２の実施形態に係る送信指向性制御装置１の変形例を示す図である。図９に示す送信指向性制御装置１は、図７に示す送信指向性制御装置１と異なり、光源１１及び光変調器１２を２つ備え、合波器１７を備える。合波器１７は、２つの光変調器１２から入力された光信号を合波し、第一軸位相傾斜付与部１４に出力する。合波器１７は、例えばＡＷＧである。合波された光信号は、その波長に基づき分波器１４３及び分波器１５１により分波される。これにより、図９に示す送信指向性制御装置１は、２つのビームを二次元アレーアンテナ１６から送信することができる。同様に、合波器１７が３つ以上の光信号を合波することで、３つ以上のマルチビームを送信することができる。
　また、第２の実施形態においても第１の実施形態と同様の手法により、分波器１５１の数と分波器１５１が分波して出力する光信号の数は等しくなくてもよく、２次元アンテナアレーが正方でなくてもよい。
　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。
１　送信指向性制御装置、１１　光源、１２　光変調器、１３　制御部、１４　第一軸位相傾斜付与部、１４１　第一切替回路、１４２　第一軸重みづけ回路、１４３　分波器、１５　第二軸位相傾斜付与部、１５１　分波器、１５２　第二軸重みづけ回路、１６　二次元アレーアンテナ、１６１　アンテナ素子、１７　合波器

Claims (4)

  1. 　入力される光信号に対して、空間上のある軸である第一軸における位相傾斜であって、制御内容により異なる位相傾斜を付与し出力する第一軸位相傾斜付与部と、
    　前記第一軸位相傾斜付与部から入力された光信号に対して、前記第一軸と直交する第二軸における位相傾斜であって、前記第一軸位相傾斜付与部から入力された光信号の波長により異なる位相傾斜を付与する第二軸位相傾斜付与部と、
    　を備える送信指向性制御装置。
  2. 　前記第一軸位相傾斜付与部は、第一切替回路及び第一軸重みづけ回路を備え、
    　前記第一切替回路は、制御により入力される光信号を出力する端子を変更し、
    　前記第一軸重みづけ回路は、前記第一切替回路から入力される端子ごとに光信号に付与する位相傾斜を変更する、
    　請求項１に記載の送信指向性制御装置。
  3. 　前記第一軸位相傾斜付与部は、入力される光信号に対して、入力される光信号の波長により異なる位相傾斜を付与する、
    　請求項１に記載の送信指向性制御装置。
  4. 　入力される光信号に対して、空間上のある軸である第一軸における位相傾斜であって、制御内容に基づいて異なる位相傾斜を付与し出力する第一軸位相傾斜付与ステップと、
    　前記第一軸における位相傾斜が付与された光信号に対して、前記第一軸と直交する第二軸における位相傾斜であって、前記光信号の波長により異なる位相傾斜を付与する第二軸位相傾斜付与ステップと、
    　を有する送信指向性制御方法。
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