ビーム形成回路
【課題】広帯域の高周波信号を受信することが可能で、また、小型化を図ることができるビーム形成回路を提供する。
【解決手段】複数のアンテナ素子１１が受信した高周波信号を用いて、キャリア波とする光波を受信信号毎に変調するＥ／Ｏ変換部１３と、Ｅ／Ｏ変換部１３が受信信号毎に生成した各光波を入射し、キャリア波とする光波の周波数を有するローカル光とキャリア波の周波数にオフセットを加えた周波数を有する信号光に分波する光分波器２４と、信号光を入射して各アンテナ素子１１の受信信号に対応する位相変調を行った信号光を生成する位相変調器２５と、ローカル光を入射して各アンテナ素子１１の受信信号に対応する強度変調を行ったローカル光を生成する強度変調器２６と、位相変調器２５からの信号光と強度変調器２６からのローカル光とを合波して高周波信号へ復調し受信ビームを生成するＯ／Ｅ変換部１５とを備える。
【解決手段】複数のアンテナ素子１１が受信した高周波信号を用いて、キャリア波とする光波を受信信号毎に変調するＥ／Ｏ変換部１３と、Ｅ／Ｏ変換部１３が受信信号毎に生成した各光波を入射し、キャリア波とする光波の周波数を有するローカル光とキャリア波の周波数にオフセットを加えた周波数を有する信号光に分波する光分波器２４と、信号光を入射して各アンテナ素子１１の受信信号に対応する位相変調を行った信号光を生成する位相変調器２５と、ローカル光を入射して各アンテナ素子１１の受信信号に対応する強度変調を行ったローカル光を生成する強度変調器２６と、位相変調器２５からの信号光と強度変調器２６からのローカル光とを合波して高周波信号へ復調し受信ビームを生成するＯ／Ｅ変換部１５とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マルチビームフェーズドアレーアンテナ（以下、ＭＢ−ＰＡＡと記載する）に用いられるビーム形成回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＭＢ−ＰＡＡは、複数のアンテナ素子を平面状に配列したものであり、受信動作時に給電回路によって各アンテナ素子の給電位相を制御することにより、電気的なビーム走査を行っている。
そのため、ＭＢ−ＰＡＡの給電回路には、アンテナ素子毎に供給電力の振幅と位相とを制御するビーム形成回路が必要になる。このビーム形成回路（以下、ＢＦＮと記載する）には、大きく分けてアナログ方式とデジタル方式のものがある。
【０００３】
図１１は、従来のアナログ方式のＢＦＮを用いたＭＢ−ＰＡＡの概略構成を示すブロック図である。この図はＮ個の受信ビームを出力する構成例を示したものであり、複数のアンテナ素子１０１毎に低雑音増幅器１０２を備えている。また、各低雑音増幅器１０２の出力信号を、受信ビーム毎に設けられている各減衰器１０３へ分配するように構成されている。また、各減衰器１０３にはそれぞれ移相器１０４が接続されている。なお、図１１に示された減衰器１０３および移相器１０４は、アナログデバイスによって構成されている。
【０００４】
図１１に示した各アンテナ素子１０１が受信した高周波信号は、例えば非特許文献１に記載されているように、各低雑音増幅器１０２によって増幅され、各低雑音増幅器１０２の出力信号がＮ個の減衰器１０３へ分配される。各減衰器１０３は、それぞれの低雑音増幅器１０２から出力された高周波信号の振幅を適当な大きさに調整する。
各移相器１０４は、それぞれの減衰器１０３によって振幅が調整された高周波信号の位相を適当に調整する。このように各減衰器１０３および各移相器１０４によって、それぞれの受信ビーム形成に応じた振幅と位相に設定された各高周波信号は、受信ビーム毎に合成されて受信ビームＢ１〜ＢＮからなる受信マルチビームが生成される。
【０００５】
図１２は、従来のデジタル方式のＢＦＮを用いたＭＢ−ＰＡＡの概略構成を示すブロック図である。この図は、図１１に例示したものと同様に、Ｎ個の受信ビームを出力する構成例を示したものであり、アレーアンテナを形成するように配列された複数のアンテナ素子１０１、および各々のアンテナ素子１０１に接続された低雑音増幅器１０２を備えている。また、各低雑音増幅器１０２の出力信号を入力するダウンコンバータ１０５と、ダウンコンバータ１０５のアナログ出力信号をデジタル信号に変換するアナログ・デジタルコンバータ１０６とを、それぞれアンテナ素子１０１毎に、即ち低雑音増幅器１０２と同数備えている。また、各アナログ・デジタルコンバータ１０６の出力信号を入力し、受信マルチビームを生成するデジタル信号処理回路１０７を備えている。
【０００６】
図１２に示した各アンテナ素子１０１が受信した高周波信号は、例えば特許文献１に記載されているように、各低雑音増幅器１０２によって増幅され、各ダウンコンバータ１０５へ入力される。ダウンコンバータ１０５は、低雑音増幅器１０２によって増幅された高周波信号の周波数帯域を所定の低い周波数帯域に変換し、ベースバンド信号を生成する。
アナログ・デジタルコンバータ１０６は、ダウンコンバータ１０５から入力したアナログ信号のベースバンド信号をデジタル信号へ変換し、デジタル信号処理回路１０７へ出力する。デジタル信号処理回路１０７は、各アナログ・デジタルコンバータ１０６から入力した各デジタルベースバンド信号が示す内容に応じて振幅や位相を設定し、これらの信号を受信ビーム毎に加算して、例えばＮ個の受信ビームＢ１〜ＢＮからなる受信マルチビームを生成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許６８８２３１１ Ｂ２公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ａｋｉｒａ Ａｋａｉｓｈｉ，Ｍａｓａａｋｉ Ｉｇｕｃｈｉ，Ｍａｓａａｋｉ Ｓｈｉｍａｄａ，Ｔｏｍｏｎｏｒｉ Ｋｕｒｏｄａ ａｎｄ Ｍａｓａｎｏｂｕ Ｙａｊｉｍａ，“Ｋａ−ｂａｎｄ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｈａｓｅｅ Ａｒｒａｙ Ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ ＷＩＮＤＳ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ”ＡＩＡＡ２１ｔｈ，ＩＣＳＳＣ，２００３−４．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述のアナログ方式のＢＦＮは、アンテナ素子の数と受信ビームの数の積で表される個数の移相器ならびに減衰器を備えている。このように、アナログ方式のＢＦＮは、膨大な数の移相器が必要になることから、ビーム形成回路もしくは当該回路を有する装置の寸法や重量が大きくなり、また、消費電力も相当に大きくなるという問題点があった。
【００１０】
また、デジタル方式のＢＦＮは、アンテナ素子が受信した高周波信号をベースバンド信号に変換し、これをアナログ・デジタルコンバータでデジタル信号に変換して、デジタル信号処理によって受信ビームを生成している。
上記のベースバンド信号からデジタル信号を生成するアナログ・デジタルコンバータや、受信ビームを生成するデジタル信号処理回路等は、信号の内容を確実に処理するためにベースバンド信号の伝送速度の２倍以上の処理速度が必要になる。しかしながら、アナログ・デジタルコンバータやデジタル信号処理回路を成すプロセッサ等は、処理速度に限界がある。そのため、デジタル方式のＢＦＮは、これらデバイスの処理速度によって受信帯域の広帯域化に制約が生じるという問題点があった。
【００１１】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、広帯域の高周波信号を受信することが可能で、また、小型化を図ることができるビーム形成回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るビーム形成回路は、複数のアンテナ素子が受信した高周波信号を用いて、キャリア波とする光波を前記アンテナ素子の受信信号毎に変調する光変調部と、前記光変調部が前記受信信号毎に生成した各光波を入射し、前記キャリア波の周波数を有するローカル光と前記キャリア波の周波数にオフセットを加えた周波数を有する信号光に分波する光分波部と、前記信号光を入射して前記各アンテナ素子の受信信号に対応する位相変調を行った信号光を生成する位相変調部と、前記ローカル光を入射して前記各アンテナ素子の受信信号に対応する強度変調を行ったローカル光を生成する強度変調部と、前記位相変調部からの信号光と前記強度変調部からのローカル光とを合波して高周波信号へ復調し受信ビームを生成する光復調部と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、前記光分波部は、前記光変調部から出射された各光波を伝送する第１のファイバアレーと、前記第１のファイバアレーからの光波を前記受信ビーム毎にまとめたビーム光を出射するマイクロレンズと、前記マイクロレンズから出射されたビーム光を偏光方向に応じて前記ローカル光と前記信号光とに分波する空間光分波器と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、前記位相変調部は、前記光分波部からの信号光に所定量の偏光を与えるファラデー回転子と、前記ファラデー回転子を通過して偏光された信号光を反射することにより位相を付加する空間光位相変調器と、前記空間光変調器によって反射されて再び前記ファラデー回転子を通過した垂直偏光波の信号光を反射し前記位相変調を行った信号光として出射する偏光分波器と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、前記強度変調部は、前記光分波部からのローカル光に所定量の偏波回転を与える１／２波長板と、前記１／２波長板を通過して偏波回転されたローカル光を反射することにより楕円偏波を与える空間光位相変調器と、前記空間光変調器によって反射されて再び前記１／２波長板を通過したローカル光の垂直方向の偏光成分を反射し前記強度変調を行ったローカル光として出射する偏光分波器と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、前記光復調部は、前記位相変調部から出射される信号光と前記強度変調部から出射されるローカル光とを合成したビーム光を出射する光合波器と、前記光合波器からコリメートレンズを介して入射したビーム光を伝送する第２のファイバアレーと、前記第２のファイバアレーから入射したビーム光を高周波信号に変換し受信ビームを生成する光復調器と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、広帯域の受信信号から受信ビームを生成することを可能とし、また回路装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例によるビーム形成回路を用いたマルチビームフェーズドアレーアンテナの概略構成図である。
【図２】図１に示したＥ／Ｏ変換部の概略構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示したファイバアレーの概略構成を示す説明図である。
【図４】図１に示した空間光分波器の概略構成を示す説明図である。
【図５】図２に示すＥ／Ｏ変換部の光変調器の出力光スペクトラムを示す説明図である。
【図６】エタロンフィルタの通過特性及び反射特性を示す説明図である。
【図７】図１に示した位相変調器の概略構成を示す説明図である。
【図８】図１に示した強度変調器の概略構成を示す説明図である。
【図９】空間光位相変調器の概略構成を示す説明図である。
【図１０】図１に示に示した光復調器の概略構成図である。
【図１１】従来のアナログ方式のＢＦＮを用いたＭＢ−ＰＡＡの概略構成を示すブロック図である。
【図１２】従来のデジタル方式のＢＦＮを用いたＭＢ−ＰＡＡの概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明のビーム形成回路は、受信用マルチビームフェーズドアレーアンテナにおいて、各アンテナ素子が受信した高周波信号を光波に変換し、アンテナ素子の受信信号が示した振幅と位相とを光波の処理として一括制御し、所定のビーム数となるように光波を高周波信号に変換して所定数の受信ビームを生成するものである。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【実施例】
【００２０】
図１は、本発明の実施例によるビーム形成回路を用いたマルチビームフェーズドアレーアンテナの概略構成図である。この図は、複数のアンテナ素子１１を平面上に配列したアレーアンテナに接続された光制御型のＢＦＮ１の構成を示すブロック図であり、このＢＦＮ１は、例えば４つの受信ビームを生成するように構成されたものである。
各アンテナ素子１１は、受信した高周波信号を増幅する低雑音増幅器１２がそれぞれ接続されている。各低雑音増幅器１２は、増幅した高周波信号をＢＮＦ１へ出力するように接続されている。
【００２１】
ＢＮＦ１は、各低雑音増幅器１２から高周波信号を入力するＥ／Ｏ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ／Ｏｐｔｉｃａｌ）変換部１３、Ｅ／Ｏ変換部１３から出力される光信号の振幅および位相を調整する振幅・位相分布形成部１４、振幅・位相分布形成部１４によって処理された光信号から４つの受信ビームを生成するＯ／Ｅ（Ｏｐｔｉｃａｌ／Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ）変換部１５を備えている。
Ｅ／Ｏ変換部１３は、各低雑音増幅器１２からそれぞれ高周波信号を入力する光変調器２１と、光変調器２１にレーザ光を供給するレーザ発光器２２とを備えている。光変調器２１は、アンテナ素子１１と同数備えられ、各低雑音増幅器１２の出力信号をそれぞれ入力し、また、レーザ発光器２２が発光したレーザ光を入射するように接続構成されている。
【００２２】
振幅・位相分布形成部１４は、各光変調器２１から出力される光変調信号を各々入力する光分配器２３、および、光分配器２３から出力される光波を後述する信号光とローカル光に分波する空間光分波器２４を備えている。
光分配器２３は、光変調器２１と同数備えられ、各光変調器２１から出力される光変調信号を、ＢＦＮ１から出力される受信ビームと同数に分けるように構成されており、図１に例示したものは、光変調信号を４つに分けるように構成されている。
また、振幅・位相分布形成部１４は、空間光分波器２４から信号光を入射する位相変調器２５、空間光分波器２４からローカル光を入射する強度変調器２６、および、位相変調器２５から出射される信号光の経路を受信ビーム毎に揃えるドーププリズム２７を備えている。
【００２３】
また、振幅・位相分布形成部１４は、各光分配器２３から出力される光変調信号を伝送するファイバアレーＦＡ１、ファイバアレーＦＡ１から空間へ出射される光波を拡大するマイクロレンズ２８を備えている。
マイクロレンズ２８は、ＢＦＮ１から出力される受信ビームの数量と同数備えられ、図１に例示したものには４つのマイクロレンズ２８が備えられている。
また、振幅・位相分布形成部１４は、ドーププリズム２７から出射される信号光と強度変調器２６から出射されるローカル光とを合波し、コリメータレンズ２９へ入射させる偏光分波器（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｓｐｒｉｔｔｅｒ、以下ＰＢＳと記載し、各ＰＢＳの符号をカッコ内に記載する）Ｐ４、および、コリメータレンズ２９によって収束された光波を伝送するファイバアレーＦＡ２を備えている。
コリメータレンズ２９は、ＢＦＮ１から出力される受信ビームの数量と同数備えられ、図１に例示したものには４つ備えられている。
【００２４】
空間光分波器２４は、ＰＢＳ（Ｐ１）を備え、位相変調器２５はＰＢＳ（Ｐ２）を備え、強度変調器２６は、ＰＢＳ（Ｐ３）を備えている。
マイクロレンズ２８を介したファイバアレーＦＡ１と空間光分波器２４との間、空間光分波器２４と位相変調器２５との間、また、空間光分波器２４と強度変調器２６との間にリレー光学系Ｌ１が形成される。
リレー光学系Ｌ１は、ファイバアレーＦＡ１、位相変調器２５、強度変調器２６について、位相変調器２５および強度変調器２６の入射面で互いに焦点が存在する共役関係となるように、これらのものが設定配置されている。
また、位相変調器２５とドーププリズム２７との間、強度変調器２６もしくはＰＢＳ（Ｐ３）とＰＢＳ（Ｐ４）との間、また、ＰＢＳ（Ｐ４）と各コリメータレンズ２９との間にリレー光学系Ｌ２が形成される。
リレー光学系Ｌ２は、位相変調器２５、強度変調器２６、ファイバアレーＦＡ２について、ファイバアレーＦＡ２の入射面で互いに焦点が存在する共役関係となるように、これらのもが設定配置されている。
【００２５】
Ｏ／Ｅ変換部１５は、ファイバアレーＦＡ２によって伝送された光波を高周波信号からなる受信ビームに変換する光復調器３０を、ＢＦＮ１から出力する受信ビームの数量と同数備える。図１に例示したＯ／Ｅ変換部１５は、４つの光復調部３０を備えて受信ビームＢ１〜Ｂ４を出力するように構成されている。
【００２６】
次に動作について説明する。
各アンテナ素子１１が受信した高周波信号は、各アンテナ素子１１に接続されている低雑音増幅器１２によって、所定の信号レベルに増幅される。低雑音増幅器１２は、ＢＦＮ１において、高周波信号を光変調信号に変換したとき、当該光変調信号の信号強度が以降の処理を行うことが可能なレベルとなるように、アンテナ素子１１から入力した高周波信号を増幅する。
【００２７】
ＢＦＮ１のＥ／Ｏ変換部１３は、各低雑音増幅器１２から高周波（マイクロ波）信号を入力すると、それぞれの光変調器２１が入力した高周波信号を光変調信号に変換する。
このとき、各光変調器２１は、レーザ発光器２２から供給されたレーザ光をキャリア波として用い、また入力した高周波信号を変調波として振幅ならびに位相を反映させ、例えば残留搬送波単側波帯変調を行う。なお、レーザ光を変調した光波は直線偏光となっている。
各光変調器２１から出力された光変調信号は、当該光変調器２１に接続された光ファイバケーブル等を介してそれぞれの光分配器２３に伝送される。
図１に例示した光分配器２３は、入力した光変調信号を４つに分け、それぞれの光波をファイバアレーＦＡ１を成す各光ファイバへ分配する。
【００２８】
ファイバアレーＦＡ１は、上記のように各光ファイバの一端を光分配器２３の出力部に接続させており、当該光ファイバの他端をマイクロレンズ２８の近傍に配置し、各光ファイバの他端から出射される光波がそれぞれのマイクロレンズ２８を透過するように設置されている。
４つのマイクロレンズ２８は、各々受信ビームに対応させて配置されている。ファイバアレーＦＡ１を成す各光ファイバの他端は、受信ビーム毎に対応させて束ねられ、それぞれのマイクロレンズ２８に、合成によって所定のビーム光となる各光波が入射するように配置固定されている。
【００２９】
ファイバアレーＦＡ１から出射され、各マイクロレンズ２８を透過したそれぞれのビーム光は、空間光分波器２４のＰＢＳ（Ｐ１）へ入射し、ローカル光と信号光に分波される。
空間光分波器２４は、ＰＢＳ（Ｐ１）や後述するエタロンフィルタ等のバンドパスフィルタを備え、光波に含まれるローカル光を透過し、また信号光を反射する。
空間光分波器２４において反射された信号光は、位相変調器２５へ向かう。
信号光を入射した位相変調部２５は、各ビーム光の中のアンテナ素子１１に対応する部分で必要な位相を当該信号光に付加する。換言すると、各アンテナ素子１１の受信信号に応じた位相を、他のアンテナ素子１１の受信信号のものと識別することができるように、ビーム光である信号光の上記受信信号と対応する部分に付加する。
位相変調器２５によって位相変調が行われた信号光は、ＰＢＳ（Ｐ２）を透過し、さらにドーププリズム２７およびＰＢＳ（Ｐ４）を経てコリメータレンズ２９へ入射する。
コリメータレンズ２９へ入射した信号光は、一点に収束されてファイバアレーＦＡ２を成す光ファイバの一端へ入射する。ファイバアレーＦＡ２へ入射した信号光は、当該ファイバアレーＦＡ２の他端に接続されている光復調器３０へ入射する。
【００３０】
一方、空間光分波器２４を通過したローカル光は、強度変調器２６へ入射する。
強度変調器２６は、各ビーム光の中のアンテナ素子１１に対応する部分で必要な強度分布を与える。
換言すると、各アンテナ素子１１の受信信号の振幅に対応する光強度となるように、ビーム光であるローカル光の上記受信信号に対応する部分を強度変調する。
その際、他のアンテナ素子１１の受信信号のものと識別することができるように、それぞれの受信信号に応じた光強度が与えられることから、当該ローカル光の強度分布が形成される。
強度変調器２６において上記のような強度分布が与えられたローカル光は、ＰＢＳ（Ｐ３）によって反射されて光合波器をなすＰＢＳ（Ｐ４）に入射し、当該ＰＢＳ（Ｐ４）によって前述の信号光と合波されてコリメータレンズ２９へ入射する。
【００３１】
コリメータレンズ２９へ入射したビーム光は、一点に収束されてファイバアレーＦＡ２の一端に入射する。
ファイバアレーＦＡ２は、受信ビームＢ１〜Ｂ４毎に、コリメータレンズ２９を介して入射するビーム光を空間的にサンプリングして光復調器３０へ伝送する。
光復調部３０は、ファイバアレーＦＡ２を介して入射したビーム光を、所定の周波数帯域の高周波信号に変換し、当該高周波信号からなる受信ビームを生成する。
各光復調器３０へ入射される夫々のビーム光は、複数のアンテナ素子１１が受信した各高周波信号を光波に変換して合成したものであり、それぞれの光復調器３０から出力される受信ビームＢ１〜Ｂ４は、それぞれ所定のアンテナ素子１１の受信信号が合成されたものとなる。
なお、上記のファイバアレーＦＡ１やファイバアレーＦＡ２は、例えば偏波保持ファイバによって構成されている。
【００３２】
次に各部の詳細な動作を説明する。
図２は、図１に示したＥ／Ｏ変換部の概略構成を示すブロック図である。なお、説明を簡略化するため、図２には光変調器２１を一つ図示する。
図１に示したようにＥ／Ｏ変換部１３は、レーザ発光器２２と複数の光変調器２１によって構成されている。レーザ発光器２２は、例えば、図２に示したように偏波面保持型のＰＭ−ＥＤＦＬ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ Ｅｒ−ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ）である。
【００３３】
光変調器２１は、低雑音増幅器１２から出力された高周波信号の位相を変調する位相変調器２１１と、例えばＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）から成る基板を用いたマッハツェンダー型の干渉計（ＬＮ−ＭＺＭ：ＬｉＮｂＯ３ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）２１２とを有している。
レーザ発光器２２の出射部分と干渉計２１２の入力部との間は、偏波保持ファイバ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ Ｆｉｂｅｒ）ＰＭＦによって接続されている。また、干渉計２１２の出力部にも偏波保持ファイバＰＭＦが接続され、この偏波保持ファイバＰＭＦによって光変調器２１と光分配器２３とが接続されている。
【００３４】
光変調器２１は、前述のように残留搬送波単側波帯変調を行うもので、レーザ発光器２２が発生したレーザ光をキャリア波として使用する。レーザ発光器２２は、例えば周波数ｆｃのレーザ光を発光し、偏波保持ファイバＰＭＦを用いて干渉計２１２へ入力する。
光変調器２１は、低雑音増幅器１２からの高周波信号を位相変調器２１１へ入力し、所定の位相量を付加する。位相変調器２１１によって変調された高周波信号は、上記のレーザ光と共に干渉計２１２へ入力される。ここで、位相変調器２１１から出力される高周波信号の周波数を例えばｆｍとする。
【００３５】
干渉計２１２は、周波数ｆｃのレーザ光を周波数ｆｍの高周波信号で強度変調し、周波数ｆｃの光波（ローカル光）と、高周波信号で周波数がオフセットされた光波、即ち周波数ｆｃ＋ｆｍの光波（信号光）とを生成する。
上記のローカル光と信号光からなる光波は、干渉計２１２の出力部に接続された偏波保持ファイバＰＭＦを介して振幅・位相分布形成部１４へ伝送される。
【００３６】
振幅・位相分布形成部１４は、前述のように各光変調器２３からの光波を光分配器２３に入力し、各光分配器２３において受信ビームの数量に分ける。各光分配器２３によって分けられた光波は、ファイバアレーＦＡ１へ入力される。
図３は、図１に示したファイバアレーの概略構成を示す説明図である。この図は、ファイバアレーＦＡ１の構成例を示したもので、図３（ａ）にはファイバアレーＦＡ１の端部を束ねて固定するレンズホルダ２１４を当該ファイバアレーＦＡ１と共に示している。また、図３（ｂ）にはレンズホルダ２１４を斜視した概観を示し、図３（ｃ）にはレンズホルダ２１４に配置固定された複数のマイクロレンズ２８を正面視したときの態様を示している。
【００３７】
ファイバアレーＦＡ１の一端は、前述のように各光分配器２３の出力部に接続され、例えばコネクタ２１３や図示を省略した光ファイバケーブル等を介して接続されている。
ファイバアレーＦＡ１の他端は、ＭＢ−ＰＡＡにおいて平面状に配置された各アンテナ素子１１の配列と対応するように、当該ファイバアレーＦＡ１を成す各光ファイバの端部が二次元的に束ねられている。この端部は、ＢＦＮ１から出力される受信ビームＢ１〜Ｂ４毎となるように束ねられ、伝送した光波が受信ビームＢ１〜Ｂ４毎に設けられている各マイクロレンズ２８へ入射するように配置固定されている。
【００３８】
換言すると、各受信ビームＢ１〜Ｂ４に対応するそれぞれのマイクロレンズ２８は、ファイバアレーＦＡ１の他端から出射される、受信ビームＢ１〜Ｂ４毎に束ねられた各信号光およびローカル光を入射するように、レンズホルダ２１４に配置固定されている。
各マイクロレンズ２８は、コリメートレンズとして構成されたものであり、入射した信号光およびローカル光をコリメートし、これらの光波を平行光線のビーム光として出射する。
なお、ここで例示したＢＦＮ１は、出力する受信ビームが４つであるため、マイクロレンズ２８も上述のように４つ備えられているが、受信ビームを多数出力するビーム形成回路では、例えば図３（ｃ）に示すように、相当数のマイクロレンズ２８がレンズホルダ２１４の正面においてマトリクス状に配設される。
【００３９】
図４は、図１に示した空間光分波器の概略構成を示す説明図である。この図は、図１の空間光分波器２４の概観を図４（ａ）に示し、また、空間光分波器２４の概略構成を図４（ｂ）に示す。
なお、図４（ｂ）に示した矢印Ｓ１はローカル光の偏波状態を示し、矢印Ｓ２は信号光の偏波状態を示している
空間光分波器２４は、前述のようにＰＢＳ（Ｐ１）を備え、さらに１／４波長板２４１、エタロンフィルタ２４２、１／４波長板２４３を備えている。
【００４０】
図５は、Ｅ／Ｏ変換部の光変調器の出力光スペクトラムを示す説明図であり、この出力光はローカル光をキャリアとする残留搬送波単側波帯変調波であることを表している。また、図中、実線の上向きの矢印はローカル光スペクトラムを示し、破線の上向きの矢印は上側波帯の信号光スペクトラムを示している。
光変調器２１の出力光は、光分配器２３およびマイクロレンズ２８を経由して空間光分波器２４へ入射される。光波の強度は、図５に示したようにローカル光と信号光において、それぞれピークとなり、これらのピークは図示したように十分な周波数間隔を有している。ここで例示した光波は、ローカル光に対して信号光は周波数が１８ＧＨｚほど高くオフセットされている。
マイクロレンズ２８によってコリメートされてＰＢＳ（Ｐ１）に入射する光波は、垂直方向の直線偏光となっているので、ＰＢＳ（Ｐ１）の内部を通過して１／４波長板２４１へ入射する。
１／４波長板２４１へ入射した光波は、当該１／４波長板２４１によって右旋円偏光が与えられ、エタロンフィルタ２４２へ向かって出射される。
【００４１】
図６は、エタロンフィルタの通過特性及び反射特性を示す説明図である。この図は、エタロンフィルタ２４２へ入射された光波の透過率と反射率を示したもので、エタロンフィルタ２４２は、ローカル光の周波数において透過率がピークとなり、また反射率が急峻に低下する特性を有することを表している。なお、図示した数値は一例であり、エタロンフィルタ２４２は、図６に示した数値を有するものに限定されない。
１／４波長板２４１によって右旋円偏光とされた光波は、エタロンフィルタ２４２に入射し、この入射した光波のうちローカル光はエタロンフィルタ２４２を透過し、信号光はエタロンフィルタ２４２によって反射される。
エタロンフィルタ２４２を透過したローカル光は、１／４波長板２４３へ入射し、当該１／４波長板２４３によって水平方向の直線偏光波とされて空間光分波器２４から出射される。
【００４２】
一方、エタロンフィルタ２４２によって反射された信号光は、この反射によって右旋円偏光が左旋円偏光になり、この偏光状態で先程とは逆方向から１／４波長板２４１へ入射し、水平方向の直線偏光波となる。この１／４波長板２４１から出射された信号光は、ＰＢＳ（Ｐ１）へ入射し、当該ＰＢＳ（Ｐ１）に反射されて空間光分波器２４から出射される。
【００４３】
図７は、図１に示した位相変調器の概略構成を示す説明図である。この図は、位相変調器２５を構成するＰＢＳ（Ｐ２）、ファラデー回転子２５１、空間光位相変調器２５２の概略配置と、これらの各部によって偏光される光波の偏光状態Ｓ３を示している。なお、説明を分かり易くするため、図７には、一つの信号光を入射光として示しているが、位相変調器２５には各受信ビームＢ１〜Ｂ４に対応する信号光が入射される。
【００４４】
ＰＢＳ（Ｐ２）に入射した入射光、即ち空間光分波器２４から出射された信号光は、前述の水平偏光波の状態を保ったままＰＢＳ（Ｐ２）を通過し、ファラデー回転子２５１へ入射する。ファラデー回転子２５１は、４５°の偏光を与えるように構成されており、水平偏光波の信号光を４５°偏光させる。このように偏光された信号光は、空間光位相変調器２５２へ入射し、当該空間光位相変調器２５２によってアンテナ素子１１の受信信号に対応する位相量が与えられる。詳しくは、各アンテナ素子１１の受信信号の位相量が識別することができるように、信号光に各位相が付加される。
空間光位相変調器２５２によって反射され、このとき上記のように位相が付加された信号光は、先程とは逆方向からファラデー回転子２５１へ入射し、さらに４５°の偏光が与えられ、垂直偏光波となってＰＢＳ（Ｐ２）へ入射する。ＰＢＳ（Ｐ２）は、垂直偏光波となった信号光を反射し、位相変調光となった信号光をＥ／Ｏ部１５へ向けて出射する。
なお、ＰＢＳ（Ｐ２）は、後述するＰＢＳ（Ｐ３）と同様に垂直偏光波のみを反射するものである。
【００４５】
図８は、図１に示した強度変調器の概略構成を示す説明図である。この図は、強度変調器２６を構成するＰＢＳ（Ｐ３）、１／２波長板２６１、空間光位相変調器２６２の概略配置と、これらの各部によって偏光される光波の偏光状態Ｓ４を示している。なお、説明を分かり易くするため、図８には、一つのローカル光を入射光として示しているが、強度変調器２６には、前述のように各受信ビームＢ１〜Ｂ４に対応するローカル光が入射される。
【００４６】
ＰＢＳ（Ｐ３）に入射した入射光、即ち空間光分波器２４から出力されたローカル光は、前述の水平偏光波の状態を保ったままＰＢＳ（Ｐ３）を通過し、１／２波長板２６１へ入射する。１／２波長板２６１は、入射したローカル光に４５°の偏波回転を与えて空間光位相変調器２６２へ出射する。
空間光位相変調器２６２は、偏波回転が与えられたローカル光を反射する際に位相を変化させ、楕円偏光とされたローカル光を１／２波長板２６１へ向けて出射する。先程とは逆方向から１／２波長板２６１へ入射されたローカル光は、当該１／２波長板２６１を通過してＰＢＳ（Ｐ３）へ向けて出射される。
【００４７】
空間光位相変調器２６２が反射したローカル光は、再び１／２波長板２６１を通過するときには楕円偏光の離心率が変化せず、光波全体が回転する。このように偏光したローカル光は、空間光位相変調器２６２から１／２波長板２６１を通過してＰＢＳ（Ｐ３）にて反射されるとき、垂直方向の直線偏光成分のみが反射される。
ここで、ローカル光に与えられる楕円偏光の離心率は、空間光位相変調器２６２が当該ローカル光を反射する際に付加する位相量によって定められる。
このことから、ＰＢＳ（Ｐ３）の反射光の強度は、空間光位相変調器２６２によって付加される位相量に依存し、入射したローカル光に対して、空間光位相変調器２６２が与える位相量が変化すると楕円偏光の離心率が変化し、ＰＢＳ（Ｐ３）が反射する光波の強度が変化する。
【００４８】
強度変調器２６は、空間光位相変調器２６２が反射したローカル光の位相量の変化に応じてＰＢＳ（Ｐ３）から出射される光波の強度を変化させ、当該ローカル光の強度変調を行う。また、強度変調器２６は、各受信ビームＢ１〜Ｂ４に対応するローカル光に対して上記の強度変調を行い、前述のようにＰＢＳ（Ｐ４）に向けて出射する。
【００４９】
図９は、空間光位相変調器の概略構成を示す説明図である。この図は、図７に示した空間光位相変調器２５２、ならびに図８に示した空間光位相変調器２６２の内部断面構成の一例を示したものである。
図示した空間光位相変調器は、シリコン駆動基板３０１の図中上側にアルミニウム電極３０２、誘電体ミラー３０３を順に積層配置し、誘電体ミラー３０３の上側に液晶セルＬＣを配置している。また、液晶セルＬＣの上側に透明電極３０４、カバーガラス３０５を順に積層配置している。
また、図示した空間光位相変調器は、図中左側において、アルミニウム電極３０２と透明電極３０４との間に電圧Ｖを印加し、図中右側において、上記の電極間に電圧Ｖ＋ΔＶを印加した状態を示している。
【００５０】
この空間光位相変調器は、アルミニウム電極３０２と透明電極３０４との間に印加する電圧を制御して液晶セルＬＣ内部の結晶体の向きを変化させ、等価的に反射光の位相を変化させている。
アルミニウム電極３０２と透明電極３０４との間に挟まれている液晶セルＬＣは、これら電極間に印加される電圧が低い場合、例えば印加電圧Ｖの場合には、長形の結晶体が両電極に対して平行な状態になる。このような状態の液晶セルＬＣへ入射し、その内部を通過して反射光となった光波には位相変調量が生じない。
また、アルミニウム電極３０２と透明電極３０４との間に印加される電圧が高い場合、例えば印加電圧Ｖ＋ΔＶの場合には、長形の結晶体が両電極に対して鉛直になる。このような状態の液晶セルＬＣの内部を通過した反射光には位相変調量Δψが生じる。
なお、液晶セルＬＣは、光波の位相を変化させる方向に対して、直交する偏光波の位相を変化させない性質を有している。
【００５１】
このように、空間光位相変調器は、二つの電極間に印加する電圧を用いて光波の位相を制御するように構成されており、位相変調器２５では、例えば、図示を省略した回路装置によって生成された各アンテナ素子１１の受信信号の位相を示す信号電圧が、空間光位相変調器２５２のアルミニウム電極３０２と透明電極３０４との間に印加される。また、強度変調器２６では、例えば、図示を省略した回路装置等によって生成された各アンテナ素子１１の受信信号の振幅を示す信号電圧が、空間光位相変調部２６２のアルミニウム電極３０２と透明電極３０４との間に印加される。
【００５２】
位相変調器２５によって位相変調が行われた信号光と、強度変調器２６によって強度変調が行われたローカル光は、前述のようにＰＢＳ（Ｐ４）へ入射する。なお、図１に示したＢＦＮ１は、ドーププリズム２７を信号光の光路に挿入し、位相変調器２５から出射された信号光を、ビーム毎に光路を揃えるように構成されているが、同様なドーププリズムを、強度変調器２６から出射されるローカル光の光路に挿入し、当該ローカル光をビーム毎に揃えるように構成してもよい。
位相変調器２５からの信号光は、ＰＢＳ（Ｐ４）を通過し、また、強度変調器２６からのローカル光は、上記の信号光に直交する方向からＰＢＳ（Ｐ４）へ入射し、当該ＰＢＳ（Ｐ４）の内部で反射し、上記の信号光と合成され、受信ビームＢ１〜Ｂ４に対応するビーム光となって同一方向へ出射する。
ＰＢＳ（Ｐ４）から出射された各ビーム光は、受信ビームＢ１〜Ｂ４毎に備えられた各コリメータレンズ２９を介してファイバアレーＦＡ２を成す各光ファイバの一端へ入射される。
【００５３】
ファイバアレーＦＡ２は、アンテナ素子１１と同数の光ファイバをビーム光毎に束ねたもので、概ねファイバアレーＦＡ１と同様に構成されている。
ファイバアレーＦＡ２は、他端をＯ／Ｅ変換部１５の光復調器３０に接続させている。
図１０は、図１に示した光復調器の概略構成図である。図示した光復調器３０は、一つのビーム光に含まれる信号と同数の、即ち当該信号を出力したアンテナ素子１１と同数の光波／高周波変換素子（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ、以下ＰＤと記載する）４０１を備えている。ＰＤ４０１のアノードは、ファイバアレーＦＡ２を成す光ファイバから出射された光波を入力するように構成されている。また、光復調器３０に備えられた全てのＰＤ４０１は、カソード同士が接続されており、当該接続点が光復調部３０の出力部となっている。
【００５４】
ＰＤ４０１は、ファイバアレーＦＡ２からローカル光と信号光とを合成した光波を入力すると、フォトダイオードの非線形性によるホモダイン検波を行い、位相変調器２５によって変調された位相と強度変調器２６によって変調された光強度に比例する振幅とを有する、予め設定されている周波数の高周波（マイクロ波）信号を生成する。
光復調器３０は、前述のように各ＰＤ４０１のカソード同士が接続されていることから、各ＰＤ４０１が生成した高周波信号が加算され、前述の出力部から受信ビームとして出力される。
【００５５】
ＢＦＮ１は、アナログ方式のＢＦＮにおける減衰器や移相器等と同様な機能を有する光学系の装置によって構成され、光領域において信号を処理することから、大量の信号を取り扱うように構成した装置の小型軽量化を図ることができる。
また、波長の短い光領域を用いることから、装置全体を非常に小型に構成することができる。
また、光領域の信号を処理するデバイスを用いて信号の振幅および位相等の制御を行い、当該デバイスの動作周波数帯域の信号を高周波（マイクロ波）帯域の信号に反映することが可能になり、比較的容易な構成で広帯域の信号を取り扱うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明によるビーム形成回路は、回路装置の小型化を図ることが容易なため、多数のスポットビームを要する衛星搭載用のマルチビームアンテナに用いることに適している。また、通信信号の広帯域化を図ることができるため、高速通信用のマルチビームアンテナに用いることに適している。
【符号の説明】
【００５７】
１ ビーム形成回路（ＢＦＮ）
１１、１０１ アンテナ素子
１２、１０２ 低雑音増幅器
１３ Ｅ／Ｏ変換部
１４ 振幅・位相分布形成部
１５ Ｏ／Ｅ変換部
２１ 光変調器
２２ レーザ発光器
２３ 光分配器
２４ 空間光分波器
２５ 位相変調器
２６ 強度変調器
２７ ドーププリズム
２８ マイクロレンズ
２９ コリメータレンズ
３０ 光復調器
１０３ 減衰器
１０４ 移相器
１０５ ダウンコンバータ
１０６ アナログ・デジタルコンバータ
１０７ デジタル信号処理回路
２１１ 位相変調器
２１２ 干渉計
２１３ コネクタ
２１４ レンズホルダ
２４１、２４３ １／４波長板
２４２ エタロンフィルタ
２５１ ファラデー回転子
２５２、２６２ 空間光位相変調器
２６１ １／２波長板
３０１ シリコン駆動基板
３０２ アルミニウム電極
３０３ 誘電体ミラー
３０４ 透明電極
３０５ カバーガラス
４０１ ＰＤ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マルチビームフェーズドアレーアンテナ（以下、ＭＢ−ＰＡＡと記載する）に用いられるビーム形成回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＭＢ−ＰＡＡは、複数のアンテナ素子を平面状に配列したものであり、受信動作時に給電回路によって各アンテナ素子の給電位相を制御することにより、電気的なビーム走査を行っている。
そのため、ＭＢ−ＰＡＡの給電回路には、アンテナ素子毎に供給電力の振幅と位相とを制御するビーム形成回路が必要になる。このビーム形成回路（以下、ＢＦＮと記載する）には、大きく分けてアナログ方式とデジタル方式のものがある。
【０００３】
図１１は、従来のアナログ方式のＢＦＮを用いたＭＢ−ＰＡＡの概略構成を示すブロック図である。この図はＮ個の受信ビームを出力する構成例を示したものであり、複数のアンテナ素子１０１毎に低雑音増幅器１０２を備えている。また、各低雑音増幅器１０２の出力信号を、受信ビーム毎に設けられている各減衰器１０３へ分配するように構成されている。また、各減衰器１０３にはそれぞれ移相器１０４が接続されている。なお、図１１に示された減衰器１０３および移相器１０４は、アナログデバイスによって構成されている。
【０００４】
図１１に示した各アンテナ素子１０１が受信した高周波信号は、例えば非特許文献１に記載されているように、各低雑音増幅器１０２によって増幅され、各低雑音増幅器１０２の出力信号がＮ個の減衰器１０３へ分配される。各減衰器１０３は、それぞれの低雑音増幅器１０２から出力された高周波信号の振幅を適当な大きさに調整する。
各移相器１０４は、それぞれの減衰器１０３によって振幅が調整された高周波信号の位相を適当に調整する。このように各減衰器１０３および各移相器１０４によって、それぞれの受信ビーム形成に応じた振幅と位相に設定された各高周波信号は、受信ビーム毎に合成されて受信ビームＢ１〜ＢＮからなる受信マルチビームが生成される。
【０００５】
図１２は、従来のデジタル方式のＢＦＮを用いたＭＢ−ＰＡＡの概略構成を示すブロック図である。この図は、図１１に例示したものと同様に、Ｎ個の受信ビームを出力する構成例を示したものであり、アレーアンテナを形成するように配列された複数のアンテナ素子１０１、および各々のアンテナ素子１０１に接続された低雑音増幅器１０２を備えている。また、各低雑音増幅器１０２の出力信号を入力するダウンコンバータ１０５と、ダウンコンバータ１０５のアナログ出力信号をデジタル信号に変換するアナログ・デジタルコンバータ１０６とを、それぞれアンテナ素子１０１毎に、即ち低雑音増幅器１０２と同数備えている。また、各アナログ・デジタルコンバータ１０６の出力信号を入力し、受信マルチビームを生成するデジタル信号処理回路１０７を備えている。
【０００６】
図１２に示した各アンテナ素子１０１が受信した高周波信号は、例えば特許文献１に記載されているように、各低雑音増幅器１０２によって増幅され、各ダウンコンバータ１０５へ入力される。ダウンコンバータ１０５は、低雑音増幅器１０２によって増幅された高周波信号の周波数帯域を所定の低い周波数帯域に変換し、ベースバンド信号を生成する。
アナログ・デジタルコンバータ１０６は、ダウンコンバータ１０５から入力したアナログ信号のベースバンド信号をデジタル信号へ変換し、デジタル信号処理回路１０７へ出力する。デジタル信号処理回路１０７は、各アナログ・デジタルコンバータ１０６から入力した各デジタルベースバンド信号が示す内容に応じて振幅や位相を設定し、これらの信号を受信ビーム毎に加算して、例えばＮ個の受信ビームＢ１〜ＢＮからなる受信マルチビームを生成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許６８８２３１１ Ｂ２公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ａｋｉｒａ Ａｋａｉｓｈｉ，Ｍａｓａａｋｉ Ｉｇｕｃｈｉ，Ｍａｓａａｋｉ Ｓｈｉｍａｄａ，Ｔｏｍｏｎｏｒｉ Ｋｕｒｏｄａ ａｎｄ Ｍａｓａｎｏｂｕ Ｙａｊｉｍａ，“Ｋａ−ｂａｎｄ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｈａｓｅｅ Ａｒｒａｙ Ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ ＷＩＮＤＳ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ”ＡＩＡＡ２１ｔｈ，ＩＣＳＳＣ，２００３−４．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述のアナログ方式のＢＦＮは、アンテナ素子の数と受信ビームの数の積で表される個数の移相器ならびに減衰器を備えている。このように、アナログ方式のＢＦＮは、膨大な数の移相器が必要になることから、ビーム形成回路もしくは当該回路を有する装置の寸法や重量が大きくなり、また、消費電力も相当に大きくなるという問題点があった。
【００１０】
また、デジタル方式のＢＦＮは、アンテナ素子が受信した高周波信号をベースバンド信号に変換し、これをアナログ・デジタルコンバータでデジタル信号に変換して、デジタル信号処理によって受信ビームを生成している。
上記のベースバンド信号からデジタル信号を生成するアナログ・デジタルコンバータや、受信ビームを生成するデジタル信号処理回路等は、信号の内容を確実に処理するためにベースバンド信号の伝送速度の２倍以上の処理速度が必要になる。しかしながら、アナログ・デジタルコンバータやデジタル信号処理回路を成すプロセッサ等は、処理速度に限界がある。そのため、デジタル方式のＢＦＮは、これらデバイスの処理速度によって受信帯域の広帯域化に制約が生じるという問題点があった。
【００１１】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、広帯域の高周波信号を受信することが可能で、また、小型化を図ることができるビーム形成回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るビーム形成回路は、複数のアンテナ素子が受信した高周波信号を用いて、キャリア波とする光波を前記アンテナ素子の受信信号毎に変調する光変調部と、前記光変調部が前記受信信号毎に生成した各光波を入射し、前記キャリア波の周波数を有するローカル光と前記キャリア波の周波数にオフセットを加えた周波数を有する信号光に分波する光分波部と、前記信号光を入射して前記各アンテナ素子の受信信号に対応する位相変調を行った信号光を生成する位相変調部と、前記ローカル光を入射して前記各アンテナ素子の受信信号に対応する強度変調を行ったローカル光を生成する強度変調部と、前記位相変調部からの信号光と前記強度変調部からのローカル光とを合波して高周波信号へ復調し受信ビームを生成する光復調部と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、前記光分波部は、前記光変調部から出射された各光波を伝送する第１のファイバアレーと、前記第１のファイバアレーからの光波を前記受信ビーム毎にまとめたビーム光を出射するマイクロレンズと、前記マイクロレンズから出射されたビーム光を偏光方向に応じて前記ローカル光と前記信号光とに分波する空間光分波器と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、前記位相変調部は、前記光分波部からの信号光に所定量の偏光を与えるファラデー回転子と、前記ファラデー回転子を通過して偏光された信号光を反射することにより位相を付加する空間光位相変調器と、前記空間光変調器によって反射されて再び前記ファラデー回転子を通過した垂直偏光波の信号光を反射し前記位相変調を行った信号光として出射する偏光分波器と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、前記強度変調部は、前記光分波部からのローカル光に所定量の偏波回転を与える１／２波長板と、前記１／２波長板を通過して偏波回転されたローカル光を反射することにより楕円偏波を与える空間光位相変調器と、前記空間光変調器によって反射されて再び前記１／２波長板を通過したローカル光の垂直方向の偏光成分を反射し前記強度変調を行ったローカル光として出射する偏光分波器と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、前記光復調部は、前記位相変調部から出射される信号光と前記強度変調部から出射されるローカル光とを合成したビーム光を出射する光合波器と、前記光合波器からコリメートレンズを介して入射したビーム光を伝送する第２のファイバアレーと、前記第２のファイバアレーから入射したビーム光を高周波信号に変換し受信ビームを生成する光復調器と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、広帯域の受信信号から受信ビームを生成することを可能とし、また回路装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例によるビーム形成回路を用いたマルチビームフェーズドアレーアンテナの概略構成図である。
【図２】図１に示したＥ／Ｏ変換部の概略構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示したファイバアレーの概略構成を示す説明図である。
【図４】図１に示した空間光分波器の概略構成を示す説明図である。
【図５】図２に示すＥ／Ｏ変換部の光変調器の出力光スペクトラムを示す説明図である。
【図６】エタロンフィルタの通過特性及び反射特性を示す説明図である。
【図７】図１に示した位相変調器の概略構成を示す説明図である。
【図８】図１に示した強度変調器の概略構成を示す説明図である。
【図９】空間光位相変調器の概略構成を示す説明図である。
【図１０】図１に示に示した光復調器の概略構成図である。
【図１１】従来のアナログ方式のＢＦＮを用いたＭＢ−ＰＡＡの概略構成を示すブロック図である。
【図１２】従来のデジタル方式のＢＦＮを用いたＭＢ−ＰＡＡの概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明のビーム形成回路は、受信用マルチビームフェーズドアレーアンテナにおいて、各アンテナ素子が受信した高周波信号を光波に変換し、アンテナ素子の受信信号が示した振幅と位相とを光波の処理として一括制御し、所定のビーム数となるように光波を高周波信号に変換して所定数の受信ビームを生成するものである。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【実施例】
【００２０】
図１は、本発明の実施例によるビーム形成回路を用いたマルチビームフェーズドアレーアンテナの概略構成図である。この図は、複数のアンテナ素子１１を平面上に配列したアレーアンテナに接続された光制御型のＢＦＮ１の構成を示すブロック図であり、このＢＦＮ１は、例えば４つの受信ビームを生成するように構成されたものである。
各アンテナ素子１１は、受信した高周波信号を増幅する低雑音増幅器１２がそれぞれ接続されている。各低雑音増幅器１２は、増幅した高周波信号をＢＮＦ１へ出力するように接続されている。
【００２１】
ＢＮＦ１は、各低雑音増幅器１２から高周波信号を入力するＥ／Ｏ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ／Ｏｐｔｉｃａｌ）変換部１３、Ｅ／Ｏ変換部１３から出力される光信号の振幅および位相を調整する振幅・位相分布形成部１４、振幅・位相分布形成部１４によって処理された光信号から４つの受信ビームを生成するＯ／Ｅ（Ｏｐｔｉｃａｌ／Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ）変換部１５を備えている。
Ｅ／Ｏ変換部１３は、各低雑音増幅器１２からそれぞれ高周波信号を入力する光変調器２１と、光変調器２１にレーザ光を供給するレーザ発光器２２とを備えている。光変調器２１は、アンテナ素子１１と同数備えられ、各低雑音増幅器１２の出力信号をそれぞれ入力し、また、レーザ発光器２２が発光したレーザ光を入射するように接続構成されている。
【００２２】
振幅・位相分布形成部１４は、各光変調器２１から出力される光変調信号を各々入力する光分配器２３、および、光分配器２３から出力される光波を後述する信号光とローカル光に分波する空間光分波器２４を備えている。
光分配器２３は、光変調器２１と同数備えられ、各光変調器２１から出力される光変調信号を、ＢＦＮ１から出力される受信ビームと同数に分けるように構成されており、図１に例示したものは、光変調信号を４つに分けるように構成されている。
また、振幅・位相分布形成部１４は、空間光分波器２４から信号光を入射する位相変調器２５、空間光分波器２４からローカル光を入射する強度変調器２６、および、位相変調器２５から出射される信号光の経路を受信ビーム毎に揃えるドーププリズム２７を備えている。
【００２３】
また、振幅・位相分布形成部１４は、各光分配器２３から出力される光変調信号を伝送するファイバアレーＦＡ１、ファイバアレーＦＡ１から空間へ出射される光波を拡大するマイクロレンズ２８を備えている。
マイクロレンズ２８は、ＢＦＮ１から出力される受信ビームの数量と同数備えられ、図１に例示したものには４つのマイクロレンズ２８が備えられている。
また、振幅・位相分布形成部１４は、ドーププリズム２７から出射される信号光と強度変調器２６から出射されるローカル光とを合波し、コリメータレンズ２９へ入射させる偏光分波器（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｓｐｒｉｔｔｅｒ、以下ＰＢＳと記載し、各ＰＢＳの符号をカッコ内に記載する）Ｐ４、および、コリメータレンズ２９によって収束された光波を伝送するファイバアレーＦＡ２を備えている。
コリメータレンズ２９は、ＢＦＮ１から出力される受信ビームの数量と同数備えられ、図１に例示したものには４つ備えられている。
【００２４】
空間光分波器２４は、ＰＢＳ（Ｐ１）を備え、位相変調器２５はＰＢＳ（Ｐ２）を備え、強度変調器２６は、ＰＢＳ（Ｐ３）を備えている。
マイクロレンズ２８を介したファイバアレーＦＡ１と空間光分波器２４との間、空間光分波器２４と位相変調器２５との間、また、空間光分波器２４と強度変調器２６との間にリレー光学系Ｌ１が形成される。
リレー光学系Ｌ１は、ファイバアレーＦＡ１、位相変調器２５、強度変調器２６について、位相変調器２５および強度変調器２６の入射面で互いに焦点が存在する共役関係となるように、これらのものが設定配置されている。
また、位相変調器２５とドーププリズム２７との間、強度変調器２６もしくはＰＢＳ（Ｐ３）とＰＢＳ（Ｐ４）との間、また、ＰＢＳ（Ｐ４）と各コリメータレンズ２９との間にリレー光学系Ｌ２が形成される。
リレー光学系Ｌ２は、位相変調器２５、強度変調器２６、ファイバアレーＦＡ２について、ファイバアレーＦＡ２の入射面で互いに焦点が存在する共役関係となるように、これらのもが設定配置されている。
【００２５】
Ｏ／Ｅ変換部１５は、ファイバアレーＦＡ２によって伝送された光波を高周波信号からなる受信ビームに変換する光復調器３０を、ＢＦＮ１から出力する受信ビームの数量と同数備える。図１に例示したＯ／Ｅ変換部１５は、４つの光復調部３０を備えて受信ビームＢ１〜Ｂ４を出力するように構成されている。
【００２６】
次に動作について説明する。
各アンテナ素子１１が受信した高周波信号は、各アンテナ素子１１に接続されている低雑音増幅器１２によって、所定の信号レベルに増幅される。低雑音増幅器１２は、ＢＦＮ１において、高周波信号を光変調信号に変換したとき、当該光変調信号の信号強度が以降の処理を行うことが可能なレベルとなるように、アンテナ素子１１から入力した高周波信号を増幅する。
【００２７】
ＢＦＮ１のＥ／Ｏ変換部１３は、各低雑音増幅器１２から高周波（マイクロ波）信号を入力すると、それぞれの光変調器２１が入力した高周波信号を光変調信号に変換する。
このとき、各光変調器２１は、レーザ発光器２２から供給されたレーザ光をキャリア波として用い、また入力した高周波信号を変調波として振幅ならびに位相を反映させ、例えば残留搬送波単側波帯変調を行う。なお、レーザ光を変調した光波は直線偏光となっている。
各光変調器２１から出力された光変調信号は、当該光変調器２１に接続された光ファイバケーブル等を介してそれぞれの光分配器２３に伝送される。
図１に例示した光分配器２３は、入力した光変調信号を４つに分け、それぞれの光波をファイバアレーＦＡ１を成す各光ファイバへ分配する。
【００２８】
ファイバアレーＦＡ１は、上記のように各光ファイバの一端を光分配器２３の出力部に接続させており、当該光ファイバの他端をマイクロレンズ２８の近傍に配置し、各光ファイバの他端から出射される光波がそれぞれのマイクロレンズ２８を透過するように設置されている。
４つのマイクロレンズ２８は、各々受信ビームに対応させて配置されている。ファイバアレーＦＡ１を成す各光ファイバの他端は、受信ビーム毎に対応させて束ねられ、それぞれのマイクロレンズ２８に、合成によって所定のビーム光となる各光波が入射するように配置固定されている。
【００２９】
ファイバアレーＦＡ１から出射され、各マイクロレンズ２８を透過したそれぞれのビーム光は、空間光分波器２４のＰＢＳ（Ｐ１）へ入射し、ローカル光と信号光に分波される。
空間光分波器２４は、ＰＢＳ（Ｐ１）や後述するエタロンフィルタ等のバンドパスフィルタを備え、光波に含まれるローカル光を透過し、また信号光を反射する。
空間光分波器２４において反射された信号光は、位相変調器２５へ向かう。
信号光を入射した位相変調部２５は、各ビーム光の中のアンテナ素子１１に対応する部分で必要な位相を当該信号光に付加する。換言すると、各アンテナ素子１１の受信信号に応じた位相を、他のアンテナ素子１１の受信信号のものと識別することができるように、ビーム光である信号光の上記受信信号と対応する部分に付加する。
位相変調器２５によって位相変調が行われた信号光は、ＰＢＳ（Ｐ２）を透過し、さらにドーププリズム２７およびＰＢＳ（Ｐ４）を経てコリメータレンズ２９へ入射する。
コリメータレンズ２９へ入射した信号光は、一点に収束されてファイバアレーＦＡ２を成す光ファイバの一端へ入射する。ファイバアレーＦＡ２へ入射した信号光は、当該ファイバアレーＦＡ２の他端に接続されている光復調器３０へ入射する。
【００３０】
一方、空間光分波器２４を通過したローカル光は、強度変調器２６へ入射する。
強度変調器２６は、各ビーム光の中のアンテナ素子１１に対応する部分で必要な強度分布を与える。
換言すると、各アンテナ素子１１の受信信号の振幅に対応する光強度となるように、ビーム光であるローカル光の上記受信信号に対応する部分を強度変調する。
その際、他のアンテナ素子１１の受信信号のものと識別することができるように、それぞれの受信信号に応じた光強度が与えられることから、当該ローカル光の強度分布が形成される。
強度変調器２６において上記のような強度分布が与えられたローカル光は、ＰＢＳ（Ｐ３）によって反射されて光合波器をなすＰＢＳ（Ｐ４）に入射し、当該ＰＢＳ（Ｐ４）によって前述の信号光と合波されてコリメータレンズ２９へ入射する。
【００３１】
コリメータレンズ２９へ入射したビーム光は、一点に収束されてファイバアレーＦＡ２の一端に入射する。
ファイバアレーＦＡ２は、受信ビームＢ１〜Ｂ４毎に、コリメータレンズ２９を介して入射するビーム光を空間的にサンプリングして光復調器３０へ伝送する。
光復調部３０は、ファイバアレーＦＡ２を介して入射したビーム光を、所定の周波数帯域の高周波信号に変換し、当該高周波信号からなる受信ビームを生成する。
各光復調器３０へ入射される夫々のビーム光は、複数のアンテナ素子１１が受信した各高周波信号を光波に変換して合成したものであり、それぞれの光復調器３０から出力される受信ビームＢ１〜Ｂ４は、それぞれ所定のアンテナ素子１１の受信信号が合成されたものとなる。
なお、上記のファイバアレーＦＡ１やファイバアレーＦＡ２は、例えば偏波保持ファイバによって構成されている。
【００３２】
次に各部の詳細な動作を説明する。
図２は、図１に示したＥ／Ｏ変換部の概略構成を示すブロック図である。なお、説明を簡略化するため、図２には光変調器２１を一つ図示する。
図１に示したようにＥ／Ｏ変換部１３は、レーザ発光器２２と複数の光変調器２１によって構成されている。レーザ発光器２２は、例えば、図２に示したように偏波面保持型のＰＭ−ＥＤＦＬ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ Ｅｒ−ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ）である。
【００３３】
光変調器２１は、低雑音増幅器１２から出力された高周波信号の位相を変調する位相変調器２１１と、例えばＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）から成る基板を用いたマッハツェンダー型の干渉計（ＬＮ−ＭＺＭ：ＬｉＮｂＯ３ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）２１２とを有している。
レーザ発光器２２の出射部分と干渉計２１２の入力部との間は、偏波保持ファイバ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ Ｆｉｂｅｒ）ＰＭＦによって接続されている。また、干渉計２１２の出力部にも偏波保持ファイバＰＭＦが接続され、この偏波保持ファイバＰＭＦによって光変調器２１と光分配器２３とが接続されている。
【００３４】
光変調器２１は、前述のように残留搬送波単側波帯変調を行うもので、レーザ発光器２２が発生したレーザ光をキャリア波として使用する。レーザ発光器２２は、例えば周波数ｆｃのレーザ光を発光し、偏波保持ファイバＰＭＦを用いて干渉計２１２へ入力する。
光変調器２１は、低雑音増幅器１２からの高周波信号を位相変調器２１１へ入力し、所定の位相量を付加する。位相変調器２１１によって変調された高周波信号は、上記のレーザ光と共に干渉計２１２へ入力される。ここで、位相変調器２１１から出力される高周波信号の周波数を例えばｆｍとする。
【００３５】
干渉計２１２は、周波数ｆｃのレーザ光を周波数ｆｍの高周波信号で強度変調し、周波数ｆｃの光波（ローカル光）と、高周波信号で周波数がオフセットされた光波、即ち周波数ｆｃ＋ｆｍの光波（信号光）とを生成する。
上記のローカル光と信号光からなる光波は、干渉計２１２の出力部に接続された偏波保持ファイバＰＭＦを介して振幅・位相分布形成部１４へ伝送される。
【００３６】
振幅・位相分布形成部１４は、前述のように各光変調器２３からの光波を光分配器２３に入力し、各光分配器２３において受信ビームの数量に分ける。各光分配器２３によって分けられた光波は、ファイバアレーＦＡ１へ入力される。
図３は、図１に示したファイバアレーの概略構成を示す説明図である。この図は、ファイバアレーＦＡ１の構成例を示したもので、図３（ａ）にはファイバアレーＦＡ１の端部を束ねて固定するレンズホルダ２１４を当該ファイバアレーＦＡ１と共に示している。また、図３（ｂ）にはレンズホルダ２１４を斜視した概観を示し、図３（ｃ）にはレンズホルダ２１４に配置固定された複数のマイクロレンズ２８を正面視したときの態様を示している。
【００３７】
ファイバアレーＦＡ１の一端は、前述のように各光分配器２３の出力部に接続され、例えばコネクタ２１３や図示を省略した光ファイバケーブル等を介して接続されている。
ファイバアレーＦＡ１の他端は、ＭＢ−ＰＡＡにおいて平面状に配置された各アンテナ素子１１の配列と対応するように、当該ファイバアレーＦＡ１を成す各光ファイバの端部が二次元的に束ねられている。この端部は、ＢＦＮ１から出力される受信ビームＢ１〜Ｂ４毎となるように束ねられ、伝送した光波が受信ビームＢ１〜Ｂ４毎に設けられている各マイクロレンズ２８へ入射するように配置固定されている。
【００３８】
換言すると、各受信ビームＢ１〜Ｂ４に対応するそれぞれのマイクロレンズ２８は、ファイバアレーＦＡ１の他端から出射される、受信ビームＢ１〜Ｂ４毎に束ねられた各信号光およびローカル光を入射するように、レンズホルダ２１４に配置固定されている。
各マイクロレンズ２８は、コリメートレンズとして構成されたものであり、入射した信号光およびローカル光をコリメートし、これらの光波を平行光線のビーム光として出射する。
なお、ここで例示したＢＦＮ１は、出力する受信ビームが４つであるため、マイクロレンズ２８も上述のように４つ備えられているが、受信ビームを多数出力するビーム形成回路では、例えば図３（ｃ）に示すように、相当数のマイクロレンズ２８がレンズホルダ２１４の正面においてマトリクス状に配設される。
【００３９】
図４は、図１に示した空間光分波器の概略構成を示す説明図である。この図は、図１の空間光分波器２４の概観を図４（ａ）に示し、また、空間光分波器２４の概略構成を図４（ｂ）に示す。
なお、図４（ｂ）に示した矢印Ｓ１はローカル光の偏波状態を示し、矢印Ｓ２は信号光の偏波状態を示している
空間光分波器２４は、前述のようにＰＢＳ（Ｐ１）を備え、さらに１／４波長板２４１、エタロンフィルタ２４２、１／４波長板２４３を備えている。
【００４０】
図５は、Ｅ／Ｏ変換部の光変調器の出力光スペクトラムを示す説明図であり、この出力光はローカル光をキャリアとする残留搬送波単側波帯変調波であることを表している。また、図中、実線の上向きの矢印はローカル光スペクトラムを示し、破線の上向きの矢印は上側波帯の信号光スペクトラムを示している。
光変調器２１の出力光は、光分配器２３およびマイクロレンズ２８を経由して空間光分波器２４へ入射される。光波の強度は、図５に示したようにローカル光と信号光において、それぞれピークとなり、これらのピークは図示したように十分な周波数間隔を有している。ここで例示した光波は、ローカル光に対して信号光は周波数が１８ＧＨｚほど高くオフセットされている。
マイクロレンズ２８によってコリメートされてＰＢＳ（Ｐ１）に入射する光波は、垂直方向の直線偏光となっているので、ＰＢＳ（Ｐ１）の内部を通過して１／４波長板２４１へ入射する。
１／４波長板２４１へ入射した光波は、当該１／４波長板２４１によって右旋円偏光が与えられ、エタロンフィルタ２４２へ向かって出射される。
【００４１】
図６は、エタロンフィルタの通過特性及び反射特性を示す説明図である。この図は、エタロンフィルタ２４２へ入射された光波の透過率と反射率を示したもので、エタロンフィルタ２４２は、ローカル光の周波数において透過率がピークとなり、また反射率が急峻に低下する特性を有することを表している。なお、図示した数値は一例であり、エタロンフィルタ２４２は、図６に示した数値を有するものに限定されない。
１／４波長板２４１によって右旋円偏光とされた光波は、エタロンフィルタ２４２に入射し、この入射した光波のうちローカル光はエタロンフィルタ２４２を透過し、信号光はエタロンフィルタ２４２によって反射される。
エタロンフィルタ２４２を透過したローカル光は、１／４波長板２４３へ入射し、当該１／４波長板２４３によって水平方向の直線偏光波とされて空間光分波器２４から出射される。
【００４２】
一方、エタロンフィルタ２４２によって反射された信号光は、この反射によって右旋円偏光が左旋円偏光になり、この偏光状態で先程とは逆方向から１／４波長板２４１へ入射し、水平方向の直線偏光波となる。この１／４波長板２４１から出射された信号光は、ＰＢＳ（Ｐ１）へ入射し、当該ＰＢＳ（Ｐ１）に反射されて空間光分波器２４から出射される。
【００４３】
図７は、図１に示した位相変調器の概略構成を示す説明図である。この図は、位相変調器２５を構成するＰＢＳ（Ｐ２）、ファラデー回転子２５１、空間光位相変調器２５２の概略配置と、これらの各部によって偏光される光波の偏光状態Ｓ３を示している。なお、説明を分かり易くするため、図７には、一つの信号光を入射光として示しているが、位相変調器２５には各受信ビームＢ１〜Ｂ４に対応する信号光が入射される。
【００４４】
ＰＢＳ（Ｐ２）に入射した入射光、即ち空間光分波器２４から出射された信号光は、前述の水平偏光波の状態を保ったままＰＢＳ（Ｐ２）を通過し、ファラデー回転子２５１へ入射する。ファラデー回転子２５１は、４５°の偏光を与えるように構成されており、水平偏光波の信号光を４５°偏光させる。このように偏光された信号光は、空間光位相変調器２５２へ入射し、当該空間光位相変調器２５２によってアンテナ素子１１の受信信号に対応する位相量が与えられる。詳しくは、各アンテナ素子１１の受信信号の位相量が識別することができるように、信号光に各位相が付加される。
空間光位相変調器２５２によって反射され、このとき上記のように位相が付加された信号光は、先程とは逆方向からファラデー回転子２５１へ入射し、さらに４５°の偏光が与えられ、垂直偏光波となってＰＢＳ（Ｐ２）へ入射する。ＰＢＳ（Ｐ２）は、垂直偏光波となった信号光を反射し、位相変調光となった信号光をＥ／Ｏ部１５へ向けて出射する。
なお、ＰＢＳ（Ｐ２）は、後述するＰＢＳ（Ｐ３）と同様に垂直偏光波のみを反射するものである。
【００４５】
図８は、図１に示した強度変調器の概略構成を示す説明図である。この図は、強度変調器２６を構成するＰＢＳ（Ｐ３）、１／２波長板２６１、空間光位相変調器２６２の概略配置と、これらの各部によって偏光される光波の偏光状態Ｓ４を示している。なお、説明を分かり易くするため、図８には、一つのローカル光を入射光として示しているが、強度変調器２６には、前述のように各受信ビームＢ１〜Ｂ４に対応するローカル光が入射される。
【００４６】
ＰＢＳ（Ｐ３）に入射した入射光、即ち空間光分波器２４から出力されたローカル光は、前述の水平偏光波の状態を保ったままＰＢＳ（Ｐ３）を通過し、１／２波長板２６１へ入射する。１／２波長板２６１は、入射したローカル光に４５°の偏波回転を与えて空間光位相変調器２６２へ出射する。
空間光位相変調器２６２は、偏波回転が与えられたローカル光を反射する際に位相を変化させ、楕円偏光とされたローカル光を１／２波長板２６１へ向けて出射する。先程とは逆方向から１／２波長板２６１へ入射されたローカル光は、当該１／２波長板２６１を通過してＰＢＳ（Ｐ３）へ向けて出射される。
【００４７】
空間光位相変調器２６２が反射したローカル光は、再び１／２波長板２６１を通過するときには楕円偏光の離心率が変化せず、光波全体が回転する。このように偏光したローカル光は、空間光位相変調器２６２から１／２波長板２６１を通過してＰＢＳ（Ｐ３）にて反射されるとき、垂直方向の直線偏光成分のみが反射される。
ここで、ローカル光に与えられる楕円偏光の離心率は、空間光位相変調器２６２が当該ローカル光を反射する際に付加する位相量によって定められる。
このことから、ＰＢＳ（Ｐ３）の反射光の強度は、空間光位相変調器２６２によって付加される位相量に依存し、入射したローカル光に対して、空間光位相変調器２６２が与える位相量が変化すると楕円偏光の離心率が変化し、ＰＢＳ（Ｐ３）が反射する光波の強度が変化する。
【００４８】
強度変調器２６は、空間光位相変調器２６２が反射したローカル光の位相量の変化に応じてＰＢＳ（Ｐ３）から出射される光波の強度を変化させ、当該ローカル光の強度変調を行う。また、強度変調器２６は、各受信ビームＢ１〜Ｂ４に対応するローカル光に対して上記の強度変調を行い、前述のようにＰＢＳ（Ｐ４）に向けて出射する。
【００４９】
図９は、空間光位相変調器の概略構成を示す説明図である。この図は、図７に示した空間光位相変調器２５２、ならびに図８に示した空間光位相変調器２６２の内部断面構成の一例を示したものである。
図示した空間光位相変調器は、シリコン駆動基板３０１の図中上側にアルミニウム電極３０２、誘電体ミラー３０３を順に積層配置し、誘電体ミラー３０３の上側に液晶セルＬＣを配置している。また、液晶セルＬＣの上側に透明電極３０４、カバーガラス３０５を順に積層配置している。
また、図示した空間光位相変調器は、図中左側において、アルミニウム電極３０２と透明電極３０４との間に電圧Ｖを印加し、図中右側において、上記の電極間に電圧Ｖ＋ΔＶを印加した状態を示している。
【００５０】
この空間光位相変調器は、アルミニウム電極３０２と透明電極３０４との間に印加する電圧を制御して液晶セルＬＣ内部の結晶体の向きを変化させ、等価的に反射光の位相を変化させている。
アルミニウム電極３０２と透明電極３０４との間に挟まれている液晶セルＬＣは、これら電極間に印加される電圧が低い場合、例えば印加電圧Ｖの場合には、長形の結晶体が両電極に対して平行な状態になる。このような状態の液晶セルＬＣへ入射し、その内部を通過して反射光となった光波には位相変調量が生じない。
また、アルミニウム電極３０２と透明電極３０４との間に印加される電圧が高い場合、例えば印加電圧Ｖ＋ΔＶの場合には、長形の結晶体が両電極に対して鉛直になる。このような状態の液晶セルＬＣの内部を通過した反射光には位相変調量Δψが生じる。
なお、液晶セルＬＣは、光波の位相を変化させる方向に対して、直交する偏光波の位相を変化させない性質を有している。
【００５１】
このように、空間光位相変調器は、二つの電極間に印加する電圧を用いて光波の位相を制御するように構成されており、位相変調器２５では、例えば、図示を省略した回路装置によって生成された各アンテナ素子１１の受信信号の位相を示す信号電圧が、空間光位相変調器２５２のアルミニウム電極３０２と透明電極３０４との間に印加される。また、強度変調器２６では、例えば、図示を省略した回路装置等によって生成された各アンテナ素子１１の受信信号の振幅を示す信号電圧が、空間光位相変調部２６２のアルミニウム電極３０２と透明電極３０４との間に印加される。
【００５２】
位相変調器２５によって位相変調が行われた信号光と、強度変調器２６によって強度変調が行われたローカル光は、前述のようにＰＢＳ（Ｐ４）へ入射する。なお、図１に示したＢＦＮ１は、ドーププリズム２７を信号光の光路に挿入し、位相変調器２５から出射された信号光を、ビーム毎に光路を揃えるように構成されているが、同様なドーププリズムを、強度変調器２６から出射されるローカル光の光路に挿入し、当該ローカル光をビーム毎に揃えるように構成してもよい。
位相変調器２５からの信号光は、ＰＢＳ（Ｐ４）を通過し、また、強度変調器２６からのローカル光は、上記の信号光に直交する方向からＰＢＳ（Ｐ４）へ入射し、当該ＰＢＳ（Ｐ４）の内部で反射し、上記の信号光と合成され、受信ビームＢ１〜Ｂ４に対応するビーム光となって同一方向へ出射する。
ＰＢＳ（Ｐ４）から出射された各ビーム光は、受信ビームＢ１〜Ｂ４毎に備えられた各コリメータレンズ２９を介してファイバアレーＦＡ２を成す各光ファイバの一端へ入射される。
【００５３】
ファイバアレーＦＡ２は、アンテナ素子１１と同数の光ファイバをビーム光毎に束ねたもので、概ねファイバアレーＦＡ１と同様に構成されている。
ファイバアレーＦＡ２は、他端をＯ／Ｅ変換部１５の光復調器３０に接続させている。
図１０は、図１に示した光復調器の概略構成図である。図示した光復調器３０は、一つのビーム光に含まれる信号と同数の、即ち当該信号を出力したアンテナ素子１１と同数の光波／高周波変換素子（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ、以下ＰＤと記載する）４０１を備えている。ＰＤ４０１のアノードは、ファイバアレーＦＡ２を成す光ファイバから出射された光波を入力するように構成されている。また、光復調器３０に備えられた全てのＰＤ４０１は、カソード同士が接続されており、当該接続点が光復調部３０の出力部となっている。
【００５４】
ＰＤ４０１は、ファイバアレーＦＡ２からローカル光と信号光とを合成した光波を入力すると、フォトダイオードの非線形性によるホモダイン検波を行い、位相変調器２５によって変調された位相と強度変調器２６によって変調された光強度に比例する振幅とを有する、予め設定されている周波数の高周波（マイクロ波）信号を生成する。
光復調器３０は、前述のように各ＰＤ４０１のカソード同士が接続されていることから、各ＰＤ４０１が生成した高周波信号が加算され、前述の出力部から受信ビームとして出力される。
【００５５】
ＢＦＮ１は、アナログ方式のＢＦＮにおける減衰器や移相器等と同様な機能を有する光学系の装置によって構成され、光領域において信号を処理することから、大量の信号を取り扱うように構成した装置の小型軽量化を図ることができる。
また、波長の短い光領域を用いることから、装置全体を非常に小型に構成することができる。
また、光領域の信号を処理するデバイスを用いて信号の振幅および位相等の制御を行い、当該デバイスの動作周波数帯域の信号を高周波（マイクロ波）帯域の信号に反映することが可能になり、比較的容易な構成で広帯域の信号を取り扱うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明によるビーム形成回路は、回路装置の小型化を図ることが容易なため、多数のスポットビームを要する衛星搭載用のマルチビームアンテナに用いることに適している。また、通信信号の広帯域化を図ることができるため、高速通信用のマルチビームアンテナに用いることに適している。
【符号の説明】
【００５７】
１ ビーム形成回路（ＢＦＮ）
１１、１０１ アンテナ素子
１２、１０２ 低雑音増幅器
１３ Ｅ／Ｏ変換部
１４ 振幅・位相分布形成部
１５ Ｏ／Ｅ変換部
２１ 光変調器
２２ レーザ発光器
２３ 光分配器
２４ 空間光分波器
２５ 位相変調器
２６ 強度変調器
２７ ドーププリズム
２８ マイクロレンズ
２９ コリメータレンズ
３０ 光復調器
１０３ 減衰器
１０４ 移相器
１０５ ダウンコンバータ
１０６ アナログ・デジタルコンバータ
１０７ デジタル信号処理回路
２１１ 位相変調器
２１２ 干渉計
２１３ コネクタ
２１４ レンズホルダ
２４１、２４３ １／４波長板
２４２ エタロンフィルタ
２５１ ファラデー回転子
２５２、２６２ 空間光位相変調器
２６１ １／２波長板
３０１ シリコン駆動基板
３０２ アルミニウム電極
３０３ 誘電体ミラー
３０４ 透明電極
３０５ カバーガラス
４０１ ＰＤ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子が受信した高周波信号を用いて、キャリア波とする光波を前記アンテナ素子の受信信号毎に変調する光変調部と、
前記光変調部が前記受信信号毎に生成した各光波を入射し、前記キャリア波の周波数を有するローカル光と前記キャリア波の周波数にオフセットを加えた周波数を有する信号光に分波する光分波部と、
前記信号光を入射して前記各アンテナ素子の受信信号に対応する位相変調を行った信号光を生成する位相変調部と、
前記ローカル光を入射して前記各アンテナ素子の受信信号に対応する強度変調を行ったローカル光を生成する強度変調部と、
前記位相変調部からの信号光と前記強度変調部からのローカル光とを合波して高周波信号へ復調し受信ビームを生成する光復調部と、
を備えることを特徴とするビーム形成回路。
【請求項２】
前記光分波部は、
前記光変調部から出射された各光波を伝送する第１のファイバアレーと、
前記第１のファイバアレーからの光波を前記受信ビーム毎にまとめたビーム光を出射するマイクロレンズと、
前記マイクロレンズから出射されたビーム光を偏光方向に応じて前記ローカル光と前記信号光とに分波する空間光分波器と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のビーム形成回路。
【請求項３】
前記位相変調部は、
前記光分波部からの信号光に所定量の偏光を与えるファラデー回転子と、
前記ファラデー回転子を通過して偏光された信号光を反射することにより位相を付加する空間光位相変調器と、
前記空間光変調器によって反射されて再び前記ファラデー回転子を通過した垂直偏光波の信号光を反射し前記位相変調を行った信号光として出射する偏光分波器と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のビーム形成回路。
【請求項４】
前記強度変調部は、
前記光分波部からのローカル光に所定量の偏波回転を与える１／２波長板と、
前記１／２波長板を通過して偏波回転されたローカル光を反射することにより楕円偏波を与える空間光位相変調器と、
前記空間光変調器によって反射されて再び前記１／２波長板を通過したローカル光の垂直方向の偏光成分を反射し前記強度変調を行ったローカル光として出射する偏光分波器と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のビーム形成回路。
【請求項５】
前記光復調部は、
前記位相変調部から出射される信号光と前記強度変調部から出射されるローカル光とを合成したビーム光を出射する光合波器と、
前記光合波器からコリメートレンズを介して入射したビーム光を伝送する第２のファイバアレーと、
前記第２のファイバアレーから入射したビーム光を高周波信号に変換し受信ビームを生成する光復調器と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のビーム形成回路。
【請求項１】
複数のアンテナ素子が受信した高周波信号を用いて、キャリア波とする光波を前記アンテナ素子の受信信号毎に変調する光変調部と、
前記光変調部が前記受信信号毎に生成した各光波を入射し、前記キャリア波の周波数を有するローカル光と前記キャリア波の周波数にオフセットを加えた周波数を有する信号光に分波する光分波部と、
前記信号光を入射して前記各アンテナ素子の受信信号に対応する位相変調を行った信号光を生成する位相変調部と、
前記ローカル光を入射して前記各アンテナ素子の受信信号に対応する強度変調を行ったローカル光を生成する強度変調部と、
前記位相変調部からの信号光と前記強度変調部からのローカル光とを合波して高周波信号へ復調し受信ビームを生成する光復調部と、
を備えることを特徴とするビーム形成回路。
【請求項２】
前記光分波部は、
前記光変調部から出射された各光波を伝送する第１のファイバアレーと、
前記第１のファイバアレーからの光波を前記受信ビーム毎にまとめたビーム光を出射するマイクロレンズと、
前記マイクロレンズから出射されたビーム光を偏光方向に応じて前記ローカル光と前記信号光とに分波する空間光分波器と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のビーム形成回路。
【請求項３】
前記位相変調部は、
前記光分波部からの信号光に所定量の偏光を与えるファラデー回転子と、
前記ファラデー回転子を通過して偏光された信号光を反射することにより位相を付加する空間光位相変調器と、
前記空間光変調器によって反射されて再び前記ファラデー回転子を通過した垂直偏光波の信号光を反射し前記位相変調を行った信号光として出射する偏光分波器と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のビーム形成回路。
【請求項４】
前記強度変調部は、
前記光分波部からのローカル光に所定量の偏波回転を与える１／２波長板と、
前記１／２波長板を通過して偏波回転されたローカル光を反射することにより楕円偏波を与える空間光位相変調器と、
前記空間光変調器によって反射されて再び前記１／２波長板を通過したローカル光の垂直方向の偏光成分を反射し前記強度変調を行ったローカル光として出射する偏光分波器と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のビーム形成回路。
【請求項５】
前記光復調部は、
前記位相変調部から出射される信号光と前記強度変調部から出射されるローカル光とを合成したビーム光を出射する光合波器と、
前記光合波器からコリメートレンズを介して入射したビーム光を伝送する第２のファイバアレーと、
前記第２のファイバアレーから入射したビーム光を高周波信号に変換し受信ビームを生成する光復調器と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のビーム形成回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−２６９４４（Ｐ２０１３−２６９４４Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６１６３３（Ｐ２０１１−１６１６３３）
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２３年度、総務省委託「電波資源拡大のための研究開発」の一環、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２３年度、総務省委託「電波資源拡大のための研究開発」の一環、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
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