光制御型アレーアンテナ装置
【課題】システムの大型化、放射レンズアレー数の増加に伴うコスト増大を防止できる光制御型アレーアンテナ装置を得る
【解決手段】多重化された光高周波信号を、光信号と光参照信号とに分配する光放射器２１と、分配された光信号を、所望のビーム走査範囲を得るように制御し、フーリエ変換レンズを介してビーム走査情報を有する光信号として出力する光制御走査部３０と、分配された光参照信号と、ビーム走査情報を有する光信号とを合成して光電変換し、所望の指向方向に高周波信号を送信する光制御放射部２０とを備え、光制御走査部３０は、所望のビーム走査範囲を複数の限定ビーム走査範囲に分割し、分割された限定ビーム走査範囲に応じて、フーリエ変換レンズ３５へ入力する光信号の入射位置を時分割制御してビーム走査情報を有する光信号を出力する。
【解決手段】多重化された光高周波信号を、光信号と光参照信号とに分配する光放射器２１と、分配された光信号を、所望のビーム走査範囲を得るように制御し、フーリエ変換レンズを介してビーム走査情報を有する光信号として出力する光制御走査部３０と、分配された光参照信号と、ビーム走査情報を有する光信号とを合成して光電変換し、所望の指向方向に高周波信号を送信する光制御放射部２０とを備え、光制御走査部３０は、所望のビーム走査範囲を複数の限定ビーム走査範囲に分割し、分割された限定ビーム走査範囲に応じて、フーリエ変換レンズ３５へ入力する光信号の入射位置を時分割制御してビーム走査情報を有する光信号を出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光制御型アレーアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の光制御型アレーアンテナ装置は、送信において、複数の電波ビームを形成でき、かつ走査できるものである（例えば、特許文献１参照）。このような従来の光制御型アレーアンテナ装置は、開口分布を形成するフーリエ変換レンズへ入力する光の入射位置を制御することで、実際の電波ビームの指向方向を制御する。
【０００３】
フーリエ変換レンズへの光の入射位置は、放射レンズアレーおよび光放射器で制御しており、光放射器から電波ビームの所望の指向方向に対応した放射レンズアレーのある一部のみに光を送り出すことで動作する。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１３９６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
このような従来の構成においては、放射レンズアレーのレンズ間隔でビーム走査の指向角度間隔が決定する。このため、細かなビーム走査の指向角度間隔を必要とするレーダ装置等に対して従来の光制御型アレーアンテナを用いた場合には、例えば、±６０度のビーム走査範囲で０．０１度の角度刻みが必要な場合には、レンズアレーの数は、（６０×２）／０．０１＝１２０００個が必要となり、放射レンズの数が膨大となる。
【０００６】
すなわち、細かなビーム走査の刻みを要するレーダ装置等に従来の光制御型アレーアンテナを用いた場合には、膨大な放射レンズの数が必要となり、この結果として、アンテナシステムの大型化、放射レンズアレー数によるコストの増大等が問題となる。
【０００７】
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、細かなビーム走査の刻みを要するレーダ装置等に適用する際に、アンテナシステムの大型化、放射レンズアレー数の増加に伴うコストの増大を防止することのできる光制御型アレーアンテナ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る光制御型アレーアンテナ装置は、多重化された光高周波信号を受信し、ビーム走査情報の元となる光信号と、高周波信号情報の元となる光参照信号とに分配する光放射器と、光放射器により分配された光信号を、所望のビーム走査範囲を得るように制御し、フーリエ変換レンズを介してビーム走査情報を有する光信号として出力する光制御走査部と、光放射器により分配された光参照信号と、光制御走査部により出力されたビーム走査情報を有する光信号とを合成して合成光信号を生成し、合成光信号を光電変換して所望の指向方向に高周波信号を送信する光制御放射部とを備えた光制御型アレーアンテナ装置において、光制御走査部は、所望のビーム走査範囲を複数の限定ビーム走査範囲に分割し、分割された限定ビーム走査範囲に応じて、フーリエ変換レンズへ入力する光信号の入射位置を時分割制御してビーム走査情報を有する光信号を出力するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、所望のビーム走査範囲のすべてを１回の制御でカバーするのではなく、複数に分割された限定ビーム走査範囲ごとに時分割制御可能な光制御走査部を備えることにより、細かなビーム走査の刻みを要するレーダ装置等に適用する際に、アンテナシステムの大型化、放射レンズアレー数の増加に伴うコストの増大を防止することのできる光制御型アレーアンテナ装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の光制御型アレーアンテナ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における光制御型アレーアンテナ装置の構成図である。この光制御型アレーアンテナ装置は、光制御励振部１０、光制御放射部２０、および光制御走査部３０で構成される。
【００１２】
ここで、光制御励振部１０は、Ｎ個の光高周波発生器１１（１）〜１１（Ｎ）（ただし、Ｎは、２以上の整数）、および１個の光多重器１５で構成される。さらに、ｎを、１≦ｎ≦Ｎの整数としたときのそれぞれの光高周波発生器１１（ｎ）は、光源１２（ｎ）、高周波信号源１３（ｎ）、および光変調器１４（ｎ）で構成される。
【００１３】
また、光制御放射部２０は、光放射器２１、放射レンズ２２、光合成器２３、ファイバーアレー２４、Ｎ個の光電変換器２５（１）〜２５（Ｎ）、Ｎ個の増幅器２６（１）〜２６（Ｎ）、およびＮ個の放射素子アンテナ２７（１）〜２７（Ｎ）で構成される。さらに、光制御走査部３０は、ミラー３１、放射レンズアレー３２、ビーム走査時分割制御部３３、焦点位置制御レンズ３４、およびフーリエ変換レンズ３５で構成される。
【００１４】
次に、図１に示した光制御型アレーアンテナ装置の動作について説明する。まず始めに、Ｎ個の光高周波発生器１１（１）〜１１（Ｎ）の動作について、ｎ個目の光高周波発生器１１（ｎ）を例にして説明する。光高周波発生器１１（ｎ）において、光源１２（ｎ）で生成された光搬送波信号と、高周波信号源１３（ｎ）で生成された高周波信号とが、光変調器１４（ｎ）に入力される。
【００１５】
光搬送波信号と高周波信号とが入力された光変調器１４（ｎ）は、光搬送波信号をキャリア信号として高周波信号を搬送するように変調され、高周波信号の情報を搬送する光高周波信号を生成する。そして、光高周波発生器１１（ｎ）の出力信号となる。
【００１６】
Ｎ個の電波ビームの送受信を実現させる場合には、光制御励振部１０は、図１に示すように、電波ビームと同数となるＮ個の光高周波発生器１１（１）〜１１（Ｎ）を有することになる。
【００１７】
そして、光多重器１５は、Ｎ本の光ファイバを介して、それぞれの光高周波発生器１１（１）〜１１（Ｎ）により発生したＮ個の光高周波信号を受信して多重化し、１つの多重化光信号として出力する。
【００１８】
図２は、本発明の実施の形態１における光多重器１５で多重化された多重化光信号４０に含まれるＮ個の光高周波信号４１（１）〜４１（Ｎ）の周波数帯域を示した図である。図２の上段に示したように、ｎ個目の光高周波発生器１１（ｎ）で生成された光高周波信号４１（ｎ）は、周波数ｆｏｐｔ（ｎ）を有し、ビーム走査情報の元となる光信号４２（ｎ）と、光信号４２（ｎ）から周波数ｆＦＲだけ離れた周波数ｆｏｐｔ（ｎ）＋ｆＦＲを有し、高周波信号情報の元となる光参照信号４３（ｎ）とが含まれている。
【００１９】
そして、Ｎ個の光高周波信号４１（１）〜４１（Ｎ）の情報は、図２の下段に示したように、各々が干渉しないような十分離れた周波数帯域で、Ｎ個の光高周波発生器１１（１）〜１１（Ｎ）のそれぞれにより生成される。そして、このような光高周波信号４１（１）〜４１（Ｎ）のそれぞれは、光ファイバを介して光多重器１５に入力され、最終的に１つの多重化光信号４０として波長多重される。
【００２０】
なお、このとき、Ｎ個の光高周波信号４１（１）〜４１（Ｎ）の情報を搬送する多重化光信号４０の高周波信号の周波数は、キャリアとなる光信号の周波数が異なるため、全て同じ周波数でも問題ない。また、本発明の光制御型アレーアンテナ装置は、上述した変調方式には限定されず、任意の変調方式を適用することが可能である。
【００２１】
光制御励振部１０から出力された、波長多重された高周波信号の情報を搬送する多重化光信号は、光ファイバを介して光放射器２１に入力される。光放射器２１は、図２における周波数ｆopt（１）〜ｆopt（Ｎ）を有し、ビーム走査情報の元となる光信号４２（１）〜４２（Ｎ）と、図２における周波数ｆopt（１）＋ｆＲＦ〜ｆopt（Ｎ）＋ｆＲＦを有し、高周波信号情報の元となる光参照信号４３（１）〜４３（Ｎ）とに分配する。
【００２２】
そして、分配された光信号４２（１）〜４２（Ｎ）は、空間へ出力され、光参照信号４３（１）〜４３（Ｎ）は、光ファイバを介して放射レンズ２２へ出力される。なお、図２おける光信号４２（１）〜４２（Ｎ）と光参照信号４３（１）〜４３（Ｎ）との関係は、例えば、光信号４２（１）〜４２（Ｎ）が周波数ｆopt（１）＋ｆＲＦ〜ｆopt（Ｎ）＋ｆＲＦを有し、光参照信号４３（１）〜４３（Ｎ）が周波数ｆopt（１）〜ｆopt（Ｎ）を有するような逆の関係になった場合にも、本実施の形態１については成立する。
【００２３】
空間へ出力された光信号４２（１）〜４２（Ｎ）は、光制御走査部３０内のミラー３１を介して放射レンズアレー３２へ入力する。放射レンズアレー３２は、ビーム走査時分割制御部３３より、ビーム走査範囲と動作レンズを指定する外部指令を受ける。ビーム走査時分割制御部３３から出力される外部指令の情報は、同時に、焦点位置制御レンズ３４にも送られる。
【００２４】
次に、ビーム走査時分割制御部３３による放射レンズアレー３２および焦点位置制御レンズ３４の時分割制御方法について説明する。まず、ビーム走査時分割制御部３３からビーム走査範囲と動作レンズを指定する外部指令を受けた放射レンズアレー３２は、ビーム走査範囲の空間を限定するため、外部指令の情報に基づいて放射レンズアレー３２全面に対して限定されたビーム走査範囲と動作レンズを割当てる。この割り当ての詳細については、図３〜５を用いて後述する。
【００２５】
そして、放射レンズアレー３２は、ビーム走査時分割制御部３３より割り当てられたビーム走査範囲に対応する動作レンズを動作させて、焦点位置制御レンズ３４へ光信号を送る。
【００２６】
これに対して、焦点位置制御レンズ３４は、ビーム走査時分割制御部３３より送られてきた外部指令の情報により、放射レンズアレー３２に割り付けられた限定ビーム走査範囲における光信号に応じて、フーリエ変換レンズ３５に対して所望の焦点距離と位置に変換するレンズが選択される。この結果、放射レンズアレー３２から出力される光信号は、所望の焦点距離と位置に変換するレンズを介してフーリエ変換レンズ３５へ出力されることとなる。
【００２７】
次に、ビーム走査時分割制御部３３による限定されたビーム走査範囲と動作レンズの割当てについて、具体例を説明する。図３は、本発明の実施の形態１における光制御走査部３０の詳細な動作説明図である。
【００２８】
例えば、所望のビーム走査範囲として、最大ビーム走査角が水平方向±６０度の１次元ビーム走査のアンテナシステムを考える。このシステムにおいて、放射レンズアレー３２のビーム走査範囲として、ある中心に対して±１５度を割り当て、水平面方向３５度にビーム走査する場合について説明する。
【００２９】
図３において、ビーム走査時分割制御部３３は、放射レンズアレー３２に対して、水平方向３５度のビーム走査をするために、一例として、放射レンズアレー３２の中心が水平方向３０度、ビーム走査範囲として±１５度の範囲になるようにビーム走査範囲を指定し、かつ、平面方向３５度に対応するレンズを動作レンズとして指定する指令を与える。
【００３０】
放射レンズアレー３２は、ビーム走査時分割制御部３３からの指令を外部指令として受けることにより、放射レンズアレー３２の中心が水平方向３０度、ビーム走査範囲として±１５度の範囲になるように、放射レンズアレー３２面にビーム走査空間が割り付けられる。さらに、その割当てされた放射レンズアレー３２面において、水平方向３５度に対応する放射レンズアレー３２の一部のレンズを動作レンズとして動作させて、焦点位置制御レンズ３４へ光信号を送る。
【００３１】
一方、焦点位置制御レンズ３４は、ビーム走査時分割制御部３３より送られた外部指令の情報に基づいて、放射レンズアレー３２の中心が水平方向３０度、ビーム走査範囲として±１５度に対応したレンズが選択され、フーリエ変換レンズ３５へ所望の光信号が入力されることとなる。
【００３２】
図３を用いた上述の説明では、中心が水平方向３０度、ビーム走査範囲として±１５度の範囲になるように、放射レンズアレー３２面のビーム走査空間を割り付け、水平面方向３５度にビーム走査する場合について説明した。これを踏まえて、次に、所望のビーム走査範囲を得るために、ビーム走査時分割制御部３３が行う時分割制御について説明する。
【００３３】
図４は、本発明の実施の形態１における焦点位置制御レンズ３４の構成を示した例示図である。所望のビーム走査範囲が水平方向±６０度の１次元ビーム走査であり、放射レンズアレー３２に限定して割り付けられるビーム走査範囲が±１５度である場合には、図４に示すように、中心位置を−４５度、−１５度、１５度、４５度とし、各々が走査範囲±１５度をカバーできる４つのレンズ群を備えた焦点位置制御レンズ３４を用いることが、一例として考えられる。
【００３４】
図４のような４枚のレンズ群を備えた焦点位置制御レンズ３４を用いる場合には、ビーム走査時分割制御部３３は、ビーム走査範囲が±１５度の範囲となり、そのときの放射レンズアレー３２の中心が水平方向−４５度、−１５度、１５度、４５度となるような４つの指令を与える。この結果、ビーム走査時分割制御部３３は、４つの指令のそれぞれにより、放射レンズアレー３２面にビーム走査空間を時分割で割り当てるとともに、割り付けに対応するレンズを焦点位置制御レンズ３４から選択することにより、最終的に、所望のビーム走査範囲のすべてをカバーすることができる。
【００３５】
なお、図４では、焦点位置制御レンズ３４を構成する４つのレンズの走査範囲のそれぞれが互いにラップしない場合を示しているが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。図５は、本発明の実施の形態１における焦点位置制御レンズ３４の別の構成を示した例示図であり、レンズの走査範囲の一部が他のレンズの走査範囲とラップするような構成を示している。
【００３６】
図５に示すように、中心位置を−４５度、−３０度、−１５度、０度、１５度、３０度、４５度とし、各々が走査範囲±１５度をカバーできる７つのレンズ群を備えた焦点位置制御レンズ３４を用いることも可能である。このように、互いの走査範囲がラップする場合には、ビーム走査時分割制御部３３は、放射レンズアレー３２の動作レンズとして、すべてのレンズではなく、特定の部分のレンズを指定することにより、フーリエ変換レンズ３５へ入力される光信号の重複を避けつつ、所望のビーム走査範囲のすべてをカバーすることができる。
【００３７】
さらに、図５のように、焦点位置制御レンズ３４の個々のレンズの走査範囲をラップして構成することにより、１次元ビーム走査ばかりでなく、２次元ビーム走査に対しても、本発明の時分割制御によるビーム走査を拡張して適用することが可能となる。
【００３８】
従来の光制御型アレーアンテナでは、最大ビーム走査角である±６０度を放射レンズアレー全体に固定して割当てるため、例えば、放射レンズアレーが１０００個で形成されていた場合、（６０×２）／１０００＝０．１２度の角度刻みのビーム走査となる。
【００３９】
これに対して、本実施の形態１のような時分割制御を行う場合には、例えば、図４、図５に示したように、焦点位置が異なる複数のレンズを具備した焦点位置制御レンズ３４を組み合わせて動作させることにより、放射レンズアレー全体には±１５度を割当てればよいこととなる。この結果、（１５×２）／１０００＝０．０３度のビーム走査角度刻みとなり、放射レンズアレーの個数を増やすことなく、細かなビーム走査が可能となる。
【００４０】
なお、図４を用いた上述の説明においては、限定されるビーム走査範囲を±１５度として割り付け、放射レンズアレー３２の中心位置を４回に分けて時分割制御する場合を例示したが、要求される分解能、あるいは要求されるビーム径に応じて、放射レンズアレー３２に対して適切な中心位置と限定されるビーム走査範囲とを割り付けることが可能である。
【００４１】
この結果、限られたレンズ個数により構成された放射レンズアレー３２を用いた場合にも、用途に応じた要求精度を満たすような所望のビーム走査範囲を時分割制御により得ることができる。
【００４２】
光合成器２３は、フーリエ変換レンズ３５を介して出力された光信号と、光ファイバを介して光放射器２１より出力された光参照信号とを合成し、ビーム走査情報と高周波信号情報を搬送する光信号となる。そして、ビーム走査情報と高周波信号情報を搬送する光信号は、ファイバーアレー２４へ出力される。
【００４３】
光合成器２３からの光信号は、ファイバーアレー２４により、放射素子アンテナ２７（１）〜２７（Ｎ）の数に分配され、光ファイバを介して光電変換器２５（１）〜２５（Ｎ）に出力される。
【００４４】
光電変換器２５（１）〜２５（Ｎ）は、光信号から高周波信号への変換を行う。さらに、変換後の高周波信号は、その先にある増幅器２６（１）〜２６（Ｎ）で所望な振幅に増幅される。そして、最終的に、放射素子アンテナ２７（１）〜２７（Ｎ）から所望のビーム走査方向に高周波信号が送信される。
【００４５】
以上のように、実施の形態１によれば、ビーム走査範囲と動作レンズを指定する外部指令に応じて放射レンズアレーに限定されたビーム走査範囲を時分割で割り付けるとともに、限定されたビーム走査範囲に応じた適切なレンズを、焦点位置制御レンズを構成する複数のレンズの中から選択することにより、放射レンズアレーの個数を増やすことなく、細かなビーム走査が可能となる。そして、このような構成を有する光制御型アレーアンテナ装置を、細かなビーム走査を必要とするレーダシステム等に適用することにより、システムの大型化、放射レンズアレー数の増加に伴うコストの増大を防止することができる。
【００４６】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２における光制御型アレーアンテナ装置の構成図である。本実施の形態２における図６の構成は、先の実施の形態１における図１の構成と比較すると、光制御走査部３０の構成が異なっている。より具体的には、本実施の形態２における光制御走査部３０は、ビーム走査時分割制御部３３、フーリエ変換レンズ３５、および放射方向が可変できる放射レンズ３６で構成される。この放射レンズ３６は、特定方向放射レンズに相当する。
【００４７】
本実施の形態２において、光制御励振部１０で高周波信号を光信号として搬送し、光放射器２１で光信号４２（１）〜４２（Ｎ）と光参照信号４３（１）〜４３（Ｎ）を生成するまでは、先の実施の形態１と同じ動作である。
【００４８】
光信号４２（１）〜４２（Ｎ）は、光ファイバを介して放射方向が可変できる放射レンズ３６に入力される。このとき、放射方向が可変できる放射レンズ３６は、ビーム走査時分割制御部３３より、ビーム走査方向を指定する外部指令を受け、放射方向が特定される。ビーム走査時分割制御部３３からの外部指令に応じて放射方向が可変する放射レンズ３６から放射されたビームは、フーリエ変換レンズ３５の所望の位置に入力され、その結果、所望のビーム走査範囲すべてのビーム走査が可能となる。
【００４９】
以上のように、実施の形態２によれば、ビーム走査方向を指定する指令に対応して放射方向が可変する放射レンズを用いることで、細かなビーム走査が可能となる。さらに、放射レンズアレーを用いることなく、細かなビーム走査が可能となり、システムの大規模化を防止するとともに、システムの低コスト化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態１における光制御型アレーアンテナ装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１における光多重器で多重化された多重化光信号に含まれるＮ個の光高周波信号の周波数帯域を示した図である。
【図３】本発明の実施の形態１における光制御走査部の詳細な動作説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１における焦点位置制御レンズの構成を示した例示図である。
【図５】本発明の実施の形態１における焦点位置制御レンズの別の構成を示した例示図である。
【図６】本発明の実施の形態２における光制御型アレーアンテナ装置の構成図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 光制御励振部、１１（１）〜１１（Ｎ） 光高周波発生器、１２（１）〜１２（Ｎ） 光源、１３（１）〜１３（Ｎ） 高周波信号源、１４（１）〜１４（Ｎ） 光変調器、１５ 光多重器、２０ 光制御放射部、２１ 光放射器、２２ 放射レンズ、２３ 光合成器、２４ ファイバーアレー、２５（１）〜２５（Ｎ） 光電変換器、２６（１）〜２６（Ｎ） 増幅器、２７（１）〜２７（Ｎ） 放射素子アンテナ、３０ 光制御走査部、３１ ミラー、３２ 放射レンズアレー、３３ ビーム走査時分割制御部、３４ 焦点位置制御レンズ、３５ フーリエ変換レンズ、３６ 放射方向が可変する放射レンズ（特定方向放射レンズ）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光制御型アレーアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の光制御型アレーアンテナ装置は、送信において、複数の電波ビームを形成でき、かつ走査できるものである（例えば、特許文献１参照）。このような従来の光制御型アレーアンテナ装置は、開口分布を形成するフーリエ変換レンズへ入力する光の入射位置を制御することで、実際の電波ビームの指向方向を制御する。
【０００３】
フーリエ変換レンズへの光の入射位置は、放射レンズアレーおよび光放射器で制御しており、光放射器から電波ビームの所望の指向方向に対応した放射レンズアレーのある一部のみに光を送り出すことで動作する。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１３９６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
このような従来の構成においては、放射レンズアレーのレンズ間隔でビーム走査の指向角度間隔が決定する。このため、細かなビーム走査の指向角度間隔を必要とするレーダ装置等に対して従来の光制御型アレーアンテナを用いた場合には、例えば、±６０度のビーム走査範囲で０．０１度の角度刻みが必要な場合には、レンズアレーの数は、（６０×２）／０．０１＝１２０００個が必要となり、放射レンズの数が膨大となる。
【０００６】
すなわち、細かなビーム走査の刻みを要するレーダ装置等に従来の光制御型アレーアンテナを用いた場合には、膨大な放射レンズの数が必要となり、この結果として、アンテナシステムの大型化、放射レンズアレー数によるコストの増大等が問題となる。
【０００７】
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、細かなビーム走査の刻みを要するレーダ装置等に適用する際に、アンテナシステムの大型化、放射レンズアレー数の増加に伴うコストの増大を防止することのできる光制御型アレーアンテナ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る光制御型アレーアンテナ装置は、多重化された光高周波信号を受信し、ビーム走査情報の元となる光信号と、高周波信号情報の元となる光参照信号とに分配する光放射器と、光放射器により分配された光信号を、所望のビーム走査範囲を得るように制御し、フーリエ変換レンズを介してビーム走査情報を有する光信号として出力する光制御走査部と、光放射器により分配された光参照信号と、光制御走査部により出力されたビーム走査情報を有する光信号とを合成して合成光信号を生成し、合成光信号を光電変換して所望の指向方向に高周波信号を送信する光制御放射部とを備えた光制御型アレーアンテナ装置において、光制御走査部は、所望のビーム走査範囲を複数の限定ビーム走査範囲に分割し、分割された限定ビーム走査範囲に応じて、フーリエ変換レンズへ入力する光信号の入射位置を時分割制御してビーム走査情報を有する光信号を出力するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、所望のビーム走査範囲のすべてを１回の制御でカバーするのではなく、複数に分割された限定ビーム走査範囲ごとに時分割制御可能な光制御走査部を備えることにより、細かなビーム走査の刻みを要するレーダ装置等に適用する際に、アンテナシステムの大型化、放射レンズアレー数の増加に伴うコストの増大を防止することのできる光制御型アレーアンテナ装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の光制御型アレーアンテナ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における光制御型アレーアンテナ装置の構成図である。この光制御型アレーアンテナ装置は、光制御励振部１０、光制御放射部２０、および光制御走査部３０で構成される。
【００１２】
ここで、光制御励振部１０は、Ｎ個の光高周波発生器１１（１）〜１１（Ｎ）（ただし、Ｎは、２以上の整数）、および１個の光多重器１５で構成される。さらに、ｎを、１≦ｎ≦Ｎの整数としたときのそれぞれの光高周波発生器１１（ｎ）は、光源１２（ｎ）、高周波信号源１３（ｎ）、および光変調器１４（ｎ）で構成される。
【００１３】
また、光制御放射部２０は、光放射器２１、放射レンズ２２、光合成器２３、ファイバーアレー２４、Ｎ個の光電変換器２５（１）〜２５（Ｎ）、Ｎ個の増幅器２６（１）〜２６（Ｎ）、およびＮ個の放射素子アンテナ２７（１）〜２７（Ｎ）で構成される。さらに、光制御走査部３０は、ミラー３１、放射レンズアレー３２、ビーム走査時分割制御部３３、焦点位置制御レンズ３４、およびフーリエ変換レンズ３５で構成される。
【００１４】
次に、図１に示した光制御型アレーアンテナ装置の動作について説明する。まず始めに、Ｎ個の光高周波発生器１１（１）〜１１（Ｎ）の動作について、ｎ個目の光高周波発生器１１（ｎ）を例にして説明する。光高周波発生器１１（ｎ）において、光源１２（ｎ）で生成された光搬送波信号と、高周波信号源１３（ｎ）で生成された高周波信号とが、光変調器１４（ｎ）に入力される。
【００１５】
光搬送波信号と高周波信号とが入力された光変調器１４（ｎ）は、光搬送波信号をキャリア信号として高周波信号を搬送するように変調され、高周波信号の情報を搬送する光高周波信号を生成する。そして、光高周波発生器１１（ｎ）の出力信号となる。
【００１６】
Ｎ個の電波ビームの送受信を実現させる場合には、光制御励振部１０は、図１に示すように、電波ビームと同数となるＮ個の光高周波発生器１１（１）〜１１（Ｎ）を有することになる。
【００１７】
そして、光多重器１５は、Ｎ本の光ファイバを介して、それぞれの光高周波発生器１１（１）〜１１（Ｎ）により発生したＮ個の光高周波信号を受信して多重化し、１つの多重化光信号として出力する。
【００１８】
図２は、本発明の実施の形態１における光多重器１５で多重化された多重化光信号４０に含まれるＮ個の光高周波信号４１（１）〜４１（Ｎ）の周波数帯域を示した図である。図２の上段に示したように、ｎ個目の光高周波発生器１１（ｎ）で生成された光高周波信号４１（ｎ）は、周波数ｆｏｐｔ（ｎ）を有し、ビーム走査情報の元となる光信号４２（ｎ）と、光信号４２（ｎ）から周波数ｆＦＲだけ離れた周波数ｆｏｐｔ（ｎ）＋ｆＦＲを有し、高周波信号情報の元となる光参照信号４３（ｎ）とが含まれている。
【００１９】
そして、Ｎ個の光高周波信号４１（１）〜４１（Ｎ）の情報は、図２の下段に示したように、各々が干渉しないような十分離れた周波数帯域で、Ｎ個の光高周波発生器１１（１）〜１１（Ｎ）のそれぞれにより生成される。そして、このような光高周波信号４１（１）〜４１（Ｎ）のそれぞれは、光ファイバを介して光多重器１５に入力され、最終的に１つの多重化光信号４０として波長多重される。
【００２０】
なお、このとき、Ｎ個の光高周波信号４１（１）〜４１（Ｎ）の情報を搬送する多重化光信号４０の高周波信号の周波数は、キャリアとなる光信号の周波数が異なるため、全て同じ周波数でも問題ない。また、本発明の光制御型アレーアンテナ装置は、上述した変調方式には限定されず、任意の変調方式を適用することが可能である。
【００２１】
光制御励振部１０から出力された、波長多重された高周波信号の情報を搬送する多重化光信号は、光ファイバを介して光放射器２１に入力される。光放射器２１は、図２における周波数ｆopt（１）〜ｆopt（Ｎ）を有し、ビーム走査情報の元となる光信号４２（１）〜４２（Ｎ）と、図２における周波数ｆopt（１）＋ｆＲＦ〜ｆopt（Ｎ）＋ｆＲＦを有し、高周波信号情報の元となる光参照信号４３（１）〜４３（Ｎ）とに分配する。
【００２２】
そして、分配された光信号４２（１）〜４２（Ｎ）は、空間へ出力され、光参照信号４３（１）〜４３（Ｎ）は、光ファイバを介して放射レンズ２２へ出力される。なお、図２おける光信号４２（１）〜４２（Ｎ）と光参照信号４３（１）〜４３（Ｎ）との関係は、例えば、光信号４２（１）〜４２（Ｎ）が周波数ｆopt（１）＋ｆＲＦ〜ｆopt（Ｎ）＋ｆＲＦを有し、光参照信号４３（１）〜４３（Ｎ）が周波数ｆopt（１）〜ｆopt（Ｎ）を有するような逆の関係になった場合にも、本実施の形態１については成立する。
【００２３】
空間へ出力された光信号４２（１）〜４２（Ｎ）は、光制御走査部３０内のミラー３１を介して放射レンズアレー３２へ入力する。放射レンズアレー３２は、ビーム走査時分割制御部３３より、ビーム走査範囲と動作レンズを指定する外部指令を受ける。ビーム走査時分割制御部３３から出力される外部指令の情報は、同時に、焦点位置制御レンズ３４にも送られる。
【００２４】
次に、ビーム走査時分割制御部３３による放射レンズアレー３２および焦点位置制御レンズ３４の時分割制御方法について説明する。まず、ビーム走査時分割制御部３３からビーム走査範囲と動作レンズを指定する外部指令を受けた放射レンズアレー３２は、ビーム走査範囲の空間を限定するため、外部指令の情報に基づいて放射レンズアレー３２全面に対して限定されたビーム走査範囲と動作レンズを割当てる。この割り当ての詳細については、図３〜５を用いて後述する。
【００２５】
そして、放射レンズアレー３２は、ビーム走査時分割制御部３３より割り当てられたビーム走査範囲に対応する動作レンズを動作させて、焦点位置制御レンズ３４へ光信号を送る。
【００２６】
これに対して、焦点位置制御レンズ３４は、ビーム走査時分割制御部３３より送られてきた外部指令の情報により、放射レンズアレー３２に割り付けられた限定ビーム走査範囲における光信号に応じて、フーリエ変換レンズ３５に対して所望の焦点距離と位置に変換するレンズが選択される。この結果、放射レンズアレー３２から出力される光信号は、所望の焦点距離と位置に変換するレンズを介してフーリエ変換レンズ３５へ出力されることとなる。
【００２７】
次に、ビーム走査時分割制御部３３による限定されたビーム走査範囲と動作レンズの割当てについて、具体例を説明する。図３は、本発明の実施の形態１における光制御走査部３０の詳細な動作説明図である。
【００２８】
例えば、所望のビーム走査範囲として、最大ビーム走査角が水平方向±６０度の１次元ビーム走査のアンテナシステムを考える。このシステムにおいて、放射レンズアレー３２のビーム走査範囲として、ある中心に対して±１５度を割り当て、水平面方向３５度にビーム走査する場合について説明する。
【００２９】
図３において、ビーム走査時分割制御部３３は、放射レンズアレー３２に対して、水平方向３５度のビーム走査をするために、一例として、放射レンズアレー３２の中心が水平方向３０度、ビーム走査範囲として±１５度の範囲になるようにビーム走査範囲を指定し、かつ、平面方向３５度に対応するレンズを動作レンズとして指定する指令を与える。
【００３０】
放射レンズアレー３２は、ビーム走査時分割制御部３３からの指令を外部指令として受けることにより、放射レンズアレー３２の中心が水平方向３０度、ビーム走査範囲として±１５度の範囲になるように、放射レンズアレー３２面にビーム走査空間が割り付けられる。さらに、その割当てされた放射レンズアレー３２面において、水平方向３５度に対応する放射レンズアレー３２の一部のレンズを動作レンズとして動作させて、焦点位置制御レンズ３４へ光信号を送る。
【００３１】
一方、焦点位置制御レンズ３４は、ビーム走査時分割制御部３３より送られた外部指令の情報に基づいて、放射レンズアレー３２の中心が水平方向３０度、ビーム走査範囲として±１５度に対応したレンズが選択され、フーリエ変換レンズ３５へ所望の光信号が入力されることとなる。
【００３２】
図３を用いた上述の説明では、中心が水平方向３０度、ビーム走査範囲として±１５度の範囲になるように、放射レンズアレー３２面のビーム走査空間を割り付け、水平面方向３５度にビーム走査する場合について説明した。これを踏まえて、次に、所望のビーム走査範囲を得るために、ビーム走査時分割制御部３３が行う時分割制御について説明する。
【００３３】
図４は、本発明の実施の形態１における焦点位置制御レンズ３４の構成を示した例示図である。所望のビーム走査範囲が水平方向±６０度の１次元ビーム走査であり、放射レンズアレー３２に限定して割り付けられるビーム走査範囲が±１５度である場合には、図４に示すように、中心位置を−４５度、−１５度、１５度、４５度とし、各々が走査範囲±１５度をカバーできる４つのレンズ群を備えた焦点位置制御レンズ３４を用いることが、一例として考えられる。
【００３４】
図４のような４枚のレンズ群を備えた焦点位置制御レンズ３４を用いる場合には、ビーム走査時分割制御部３３は、ビーム走査範囲が±１５度の範囲となり、そのときの放射レンズアレー３２の中心が水平方向−４５度、−１５度、１５度、４５度となるような４つの指令を与える。この結果、ビーム走査時分割制御部３３は、４つの指令のそれぞれにより、放射レンズアレー３２面にビーム走査空間を時分割で割り当てるとともに、割り付けに対応するレンズを焦点位置制御レンズ３４から選択することにより、最終的に、所望のビーム走査範囲のすべてをカバーすることができる。
【００３５】
なお、図４では、焦点位置制御レンズ３４を構成する４つのレンズの走査範囲のそれぞれが互いにラップしない場合を示しているが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。図５は、本発明の実施の形態１における焦点位置制御レンズ３４の別の構成を示した例示図であり、レンズの走査範囲の一部が他のレンズの走査範囲とラップするような構成を示している。
【００３６】
図５に示すように、中心位置を−４５度、−３０度、−１５度、０度、１５度、３０度、４５度とし、各々が走査範囲±１５度をカバーできる７つのレンズ群を備えた焦点位置制御レンズ３４を用いることも可能である。このように、互いの走査範囲がラップする場合には、ビーム走査時分割制御部３３は、放射レンズアレー３２の動作レンズとして、すべてのレンズではなく、特定の部分のレンズを指定することにより、フーリエ変換レンズ３５へ入力される光信号の重複を避けつつ、所望のビーム走査範囲のすべてをカバーすることができる。
【００３７】
さらに、図５のように、焦点位置制御レンズ３４の個々のレンズの走査範囲をラップして構成することにより、１次元ビーム走査ばかりでなく、２次元ビーム走査に対しても、本発明の時分割制御によるビーム走査を拡張して適用することが可能となる。
【００３８】
従来の光制御型アレーアンテナでは、最大ビーム走査角である±６０度を放射レンズアレー全体に固定して割当てるため、例えば、放射レンズアレーが１０００個で形成されていた場合、（６０×２）／１０００＝０．１２度の角度刻みのビーム走査となる。
【００３９】
これに対して、本実施の形態１のような時分割制御を行う場合には、例えば、図４、図５に示したように、焦点位置が異なる複数のレンズを具備した焦点位置制御レンズ３４を組み合わせて動作させることにより、放射レンズアレー全体には±１５度を割当てればよいこととなる。この結果、（１５×２）／１０００＝０．０３度のビーム走査角度刻みとなり、放射レンズアレーの個数を増やすことなく、細かなビーム走査が可能となる。
【００４０】
なお、図４を用いた上述の説明においては、限定されるビーム走査範囲を±１５度として割り付け、放射レンズアレー３２の中心位置を４回に分けて時分割制御する場合を例示したが、要求される分解能、あるいは要求されるビーム径に応じて、放射レンズアレー３２に対して適切な中心位置と限定されるビーム走査範囲とを割り付けることが可能である。
【００４１】
この結果、限られたレンズ個数により構成された放射レンズアレー３２を用いた場合にも、用途に応じた要求精度を満たすような所望のビーム走査範囲を時分割制御により得ることができる。
【００４２】
光合成器２３は、フーリエ変換レンズ３５を介して出力された光信号と、光ファイバを介して光放射器２１より出力された光参照信号とを合成し、ビーム走査情報と高周波信号情報を搬送する光信号となる。そして、ビーム走査情報と高周波信号情報を搬送する光信号は、ファイバーアレー２４へ出力される。
【００４３】
光合成器２３からの光信号は、ファイバーアレー２４により、放射素子アンテナ２７（１）〜２７（Ｎ）の数に分配され、光ファイバを介して光電変換器２５（１）〜２５（Ｎ）に出力される。
【００４４】
光電変換器２５（１）〜２５（Ｎ）は、光信号から高周波信号への変換を行う。さらに、変換後の高周波信号は、その先にある増幅器２６（１）〜２６（Ｎ）で所望な振幅に増幅される。そして、最終的に、放射素子アンテナ２７（１）〜２７（Ｎ）から所望のビーム走査方向に高周波信号が送信される。
【００４５】
以上のように、実施の形態１によれば、ビーム走査範囲と動作レンズを指定する外部指令に応じて放射レンズアレーに限定されたビーム走査範囲を時分割で割り付けるとともに、限定されたビーム走査範囲に応じた適切なレンズを、焦点位置制御レンズを構成する複数のレンズの中から選択することにより、放射レンズアレーの個数を増やすことなく、細かなビーム走査が可能となる。そして、このような構成を有する光制御型アレーアンテナ装置を、細かなビーム走査を必要とするレーダシステム等に適用することにより、システムの大型化、放射レンズアレー数の増加に伴うコストの増大を防止することができる。
【００４６】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２における光制御型アレーアンテナ装置の構成図である。本実施の形態２における図６の構成は、先の実施の形態１における図１の構成と比較すると、光制御走査部３０の構成が異なっている。より具体的には、本実施の形態２における光制御走査部３０は、ビーム走査時分割制御部３３、フーリエ変換レンズ３５、および放射方向が可変できる放射レンズ３６で構成される。この放射レンズ３６は、特定方向放射レンズに相当する。
【００４７】
本実施の形態２において、光制御励振部１０で高周波信号を光信号として搬送し、光放射器２１で光信号４２（１）〜４２（Ｎ）と光参照信号４３（１）〜４３（Ｎ）を生成するまでは、先の実施の形態１と同じ動作である。
【００４８】
光信号４２（１）〜４２（Ｎ）は、光ファイバを介して放射方向が可変できる放射レンズ３６に入力される。このとき、放射方向が可変できる放射レンズ３６は、ビーム走査時分割制御部３３より、ビーム走査方向を指定する外部指令を受け、放射方向が特定される。ビーム走査時分割制御部３３からの外部指令に応じて放射方向が可変する放射レンズ３６から放射されたビームは、フーリエ変換レンズ３５の所望の位置に入力され、その結果、所望のビーム走査範囲すべてのビーム走査が可能となる。
【００４９】
以上のように、実施の形態２によれば、ビーム走査方向を指定する指令に対応して放射方向が可変する放射レンズを用いることで、細かなビーム走査が可能となる。さらに、放射レンズアレーを用いることなく、細かなビーム走査が可能となり、システムの大規模化を防止するとともに、システムの低コスト化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態１における光制御型アレーアンテナ装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１における光多重器で多重化された多重化光信号に含まれるＮ個の光高周波信号の周波数帯域を示した図である。
【図３】本発明の実施の形態１における光制御走査部の詳細な動作説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１における焦点位置制御レンズの構成を示した例示図である。
【図５】本発明の実施の形態１における焦点位置制御レンズの別の構成を示した例示図である。
【図６】本発明の実施の形態２における光制御型アレーアンテナ装置の構成図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 光制御励振部、１１（１）〜１１（Ｎ） 光高周波発生器、１２（１）〜１２（Ｎ） 光源、１３（１）〜１３（Ｎ） 高周波信号源、１４（１）〜１４（Ｎ） 光変調器、１５ 光多重器、２０ 光制御放射部、２１ 光放射器、２２ 放射レンズ、２３ 光合成器、２４ ファイバーアレー、２５（１）〜２５（Ｎ） 光電変換器、２６（１）〜２６（Ｎ） 増幅器、２７（１）〜２７（Ｎ） 放射素子アンテナ、３０ 光制御走査部、３１ ミラー、３２ 放射レンズアレー、３３ ビーム走査時分割制御部、３４ 焦点位置制御レンズ、３５ フーリエ変換レンズ、３６ 放射方向が可変する放射レンズ（特定方向放射レンズ）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重化された光高周波信号を受信し、ビーム走査情報の元となる光信号と、高周波信号情報の元となる光参照信号とに分配する光放射器と、
前記光放射器により分配された前記光信号を、所望のビーム走査範囲を得るように制御し、フーリエ変換レンズを介してビーム走査情報を有する光信号として出力する光制御走査部と、
前記光放射器により分配された前記光参照信号と、前記光制御走査部により出力された前記ビーム走査情報を有する光信号とを合成して合成光信号を生成し、前記合成光信号を光電変換して所望の指向方向に高周波信号を送信する光制御放射部と
を備えた光制御型アレーアンテナ装置において、
前記光制御走査部は、前記所望のビーム走査範囲を複数の限定ビーム走査範囲に分割し、分割された前記限定ビーム走査範囲に応じて、前記フーリエ変換レンズへ入力する光信号の入射位置を時分割制御して前記ビーム走査情報を有する光信号を出力することを特徴とする光制御型アレーアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光制御型アレーアンテナ装置において、
前記光制御走査部は、
ビーム走査範囲と動作レンズを指定する外部指令に応じて前記限定ビーム走査範囲が割り付けられる放射レンズアレーと、
前記放射レンズアレーに割り付けられた前記限定ビーム走査範囲における光信号に応じて、前記フーリエ変換レンズに対して所望の焦点距離および所望の位置となるような光信号に変換する複数のレンズを有する焦点位置制御レンズと、
あらかじめ分割されたビーム走査範囲ごとに、前記放射レンズアレーに対して前記外部指令を出力して限定ビーム走査範囲を設定するとともに、前記焦点位置制御レンズの前記複数のレンズの中から、設定した前記限定ビーム走査範囲に対応したレンズを動作レンズとして選択し、前記光放射器により分配された前記光信号を時分割制御することで前記所望のビーム走査範囲のビーム走査を行うビーム走査時分割制御部と
を備えることを特徴とする光制御型アレーアンテナ装置。
【請求項３】
請求項１に記載の光制御型アレーアンテナ装置において、
前記光制御走査部は、
ビーム走査方向を指定する外部指令に応じて前記光放射器により分配された前記光信号を特定の放射方向に放射して前記フーリエ変換レンズへ入力させる特定方向放射レンズと、
あらかじめ分割されたビーム走査方向ごとに、前記特定方向放射レンズに対して前記外部指令を出力し、前記光放射器により分配された前記光信号を時分割制御することで前記所望のビーム走査範囲のビーム走査を行うビーム走査時分割制御部と
を備えることを特徴とする光制御型アレーアンテナ装置。
【請求項１】
多重化された光高周波信号を受信し、ビーム走査情報の元となる光信号と、高周波信号情報の元となる光参照信号とに分配する光放射器と、
前記光放射器により分配された前記光信号を、所望のビーム走査範囲を得るように制御し、フーリエ変換レンズを介してビーム走査情報を有する光信号として出力する光制御走査部と、
前記光放射器により分配された前記光参照信号と、前記光制御走査部により出力された前記ビーム走査情報を有する光信号とを合成して合成光信号を生成し、前記合成光信号を光電変換して所望の指向方向に高周波信号を送信する光制御放射部と
を備えた光制御型アレーアンテナ装置において、
前記光制御走査部は、前記所望のビーム走査範囲を複数の限定ビーム走査範囲に分割し、分割された前記限定ビーム走査範囲に応じて、前記フーリエ変換レンズへ入力する光信号の入射位置を時分割制御して前記ビーム走査情報を有する光信号を出力することを特徴とする光制御型アレーアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光制御型アレーアンテナ装置において、
前記光制御走査部は、
ビーム走査範囲と動作レンズを指定する外部指令に応じて前記限定ビーム走査範囲が割り付けられる放射レンズアレーと、
前記放射レンズアレーに割り付けられた前記限定ビーム走査範囲における光信号に応じて、前記フーリエ変換レンズに対して所望の焦点距離および所望の位置となるような光信号に変換する複数のレンズを有する焦点位置制御レンズと、
あらかじめ分割されたビーム走査範囲ごとに、前記放射レンズアレーに対して前記外部指令を出力して限定ビーム走査範囲を設定するとともに、前記焦点位置制御レンズの前記複数のレンズの中から、設定した前記限定ビーム走査範囲に対応したレンズを動作レンズとして選択し、前記光放射器により分配された前記光信号を時分割制御することで前記所望のビーム走査範囲のビーム走査を行うビーム走査時分割制御部と
を備えることを特徴とする光制御型アレーアンテナ装置。
【請求項３】
請求項１に記載の光制御型アレーアンテナ装置において、
前記光制御走査部は、
ビーム走査方向を指定する外部指令に応じて前記光放射器により分配された前記光信号を特定の放射方向に放射して前記フーリエ変換レンズへ入力させる特定方向放射レンズと、
あらかじめ分割されたビーム走査方向ごとに、前記特定方向放射レンズに対して前記外部指令を出力し、前記光放射器により分配された前記光信号を時分割制御することで前記所望のビーム走査範囲のビーム走査を行うビーム走査時分割制御部と
を備えることを特徴とする光制御型アレーアンテナ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２１１６５５（Ｐ２００８−２１１６５５Ａ）
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−４７８２６（Ｐ２００７−４７８２６）
【出願日】平成１９年２月２７日（２００７．２．２７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２７日（２００７．２．２７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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