(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波の無線信号のアンテナ指向性制御装置において、
無線信号をサブキャリアとし、かつ波長可変機能を有するサブキャリア光源と、
前記サブキャリア光源から入力された光波長帯に応じて光出力端子を選択する波長分波器と、
前記波長分波器の各光出力線路上に設置され、光を無線信号に変換する複数の光検出器と、
前記複数の光検出器の各々に対応して設けられ各光検出器より出力される無線信号を空間に放射する複数の放射器と、
前記複数の放射器から放射された無線信号の放射パターンを制御するレンズと、
を具備することを特徴とするアンテナの指向性制御装置。
【請求項２】
前記サブキャリア光源は、
連続光を発生し、かつ波長可変機能を有するレーザと、
高周波電気信号を発生する発振器と、
前記レーザが出力した光信号を前記高周波電気信号によって変調する光変調器と、
前記レーザの素子温度を調節する温度コントローラと、
を具備することを特徴とする請求項１に記載のアンテナの指向性制御装置。
【請求項３】
前記サブキャリア光源は、
連続光を発生する複数のレーザと、
前記複数のレーザの出力線路を一つに束ねる合波器と、
高周波電気信号を発生する発振器と、
前記合波器から出射された光信号を前記高周波電気信号によって変調する光変調器と、
前記複数のレーザに電流を注入するための定電流源と、
前記定電流源より電流を注入するレーザを選択するためのスイッチと、
を具備することを特徴とする請求項１に記載のアンテナの指向性制御装置。
【請求項４】
前記サブキャリア光源は、
レーザに電流を注入し駆動するためのデータ信号を発生するデータ信号源と、
前記データ信号によって変調された光信号を発生する複数のレーザと、
前記複数のレーザの出力線路を一つに束ねる合波器と、
高周波電気信号を発生する発振器と、
前記合波器から出射された光信号を前記高周波電気信号によって変調する光変調器と、
前記複数のレーザの素子温度を調節する温度コントローラと、
を具備することを特徴とする請求項１に記載のアンテナの指向性制御装置。
【請求項５】
前記サブキャリア光源は、
レーザに入力するデータ信号を発生するデータ信号源と、
前記データ信号源から出力されるデータ信号を選択するためのマトリクススイッチと、
前記マトリクススイッチにより選択されたデータ信号によって変調された光信号を発生する複数のレーザと、
前記複数のレーザの出力線路を一つに束ねる合波器と、
前記複数のレーザに電流を注入するための定電流源と、
高周波電気信号を発生する発振器と、
前記合波器から出射された光信号を前記高周波電気信号によって変調する光変調器と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載のアンテナの指向性制御装置。
【請求項６】
前記サブキャリア光源は、
差周波数が無線信号周波数に一致する複数のレーザの組と、
前記各レーザに電流を注入するための定電流源と、
前記複数のレーザに入力するデータ信号を発生するデータ信号源と、
前記データ信号源から出力されるデータ信号を選択するためのマトリクススイッチと、
前記複数のレーザの出力線路を一つに束ねる合波器と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載のアンテナの指向性制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波やミリ波などの無線信号を用いた通信に適用可能なアンテナの指向性制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波やミリ波などの高周波信号を用いた無線通信システムは、その広帯域性、および新たな周波数資源の開拓という観点で注目されている。特に近年、６０ＧＨｚ帯など、特定小電力無線用に解放されたミリ波周波数帯を利用した移動体通信システムの開発が進められている。
しかし、ミリ波帯の無線信号は自由空間損失が大きく、また大気中の分子による吸収も著しい。
【０００３】
また、６０ＧＨｚ帯を用いる特定小電力無線にあっては、空中線電力が１０ｍＷに規制されていており、必ずしも十分な電力ではない。そのためシステムの実現、特に屋外での適用にあたっては、高利得アンテナの使用による実効放射電力の向上、および移動体を追尾可能な指向性制御技術が必要である。
指向性制御装置の構成例としては既に、フェイズドアレイアンテナを利用する装置、レンズを利用する装置などが公知である。図９は４素子の放射器をフェイズドアレイアンテナに用いた、従来の指向性制御装置の構成例を示している。
【０００４】
図９において、２１は発振器、２２ａ〜２２ｄは移相器、２３ａ〜２３ｄは放射器、２４は電力分配器、２５は電気線路である。ここで放射器２３ａ〜２３ｄは、隣接する素子間隔が一定値Ｄになるよう一直線上に配置されている。
図９に示す構成を用いた指向性制御装置の動作について説明する。まず、発振器２１はミリ波帯の電気信号を発生する。発生した信号は電気線路２５を介し、電力分配器２４に入力される。電力分配器２４で４分配された電気信号は各移相器２２ａ−２２ｄに入力され、所望の位相変化が与えられる。
【０００５】
移相器２２ａ〜２２ｄを出力した電気信号は放射器２３ａ〜２３ｄにそれぞれ給電され、空間へ無線信号として放射される。ここで、隣接する移相器の位相差はすべてφであるとすると、各放射器より放射される無線信号で形成される等位相面が、
θ＝ｓｉｎ-1 （λ¢／２πＤ）  （１）
で与えられる角度θの方向（θは各放射器からの放射方向軸より測った角度）に現れる。すなわちθの方向に放射方向が限定される。ここでλは自由空間における無線信号の波長である。よって、各移相器２２ａ〜２２ｄの位相差φを制御することにより無線信号の指向性制御が可能となる。
【０００６】
また、図１０は、レンズを利用した従来のアンテナの指向性制御装置の構成例を示している。同図において、３１は発振器、３２はスイッチ、３３ａ〜３３ｄは放射器、３４はレンズ、３５は電気線路である。ここで放射器３３ａ〜３３ｄは隣接する素子間隔が一定になるよう一直線上に配置されており、またその鉛直上方にレンズ３４が配置されている。レンズ３４の焦点距離はＦとし、各放射器とレンズ３４の距離もＦとする。
【０００７】
図１０の構成を用いた指向性制御装置の動作について説明する。まず発振器３１はミリ波帯の電気信号を発生する。発生した電気信号は電気線路３５を介し、スイッチ３２に入力される。スイッチ３２において４つの出力端子のいずれかに出力された電気信号は、放射器３３ａ〜３３ｄのうちどれか一つに給電され、図９上、上方へ無線信号として放射される。さらに放射された無線信号はレンズ３４を通過し、放射パターンの変化を受ける。ここで、放射器がレンズの光軸からｘ離れた位置にあるとき、レンズ３４を通過した無線信号の放射方向ｘ’は近似的に、
ｘ’＝ｘ／Ｆ    （２）
となる。すなわち、無線信号が放射される放射器の位置に応じて放射方向が限定される。よって、スイッチ３２の出力端子を切替制御することにより無線信号の指向性制御が可能となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図９、図１０に示される指向性制御装置を用いた無線通信システムでは、図９および図１０に示す装置が電柱などに設置される。これを本明細書では「アンテナ基地局」と呼ぶ。アンテナ基地局は無線通信システムにおいて膨大な数を必要とすることから、その装置のサイズやコストの削減は無線通信システムの実現にあたって重要な要素である。
【０００９】
しかしながら、図９、図１０に示す装置をアンテナ基地局として用いた場合、ミリ波帯で動作する発振器を設置する必要があるため、装置の構成が大型、かつ複雑になるという問題があった。
また、ミリ波帯の発振器としてはガンダイオードが多く使用されているが、温度に対する周波数安定度が２ＭＨｚ／Ｋ程度であり、例えば５０度以上の温度変化を伴うと発振周波数が１００ＭＨｚ以上変化してしまう。そのため特に屋外での適用には、著しい温度変化にも対応し得る周波数安定化装置を用いる必要があり、装置の構成が大型、かつ複雑になるという問題があった。
【００１０】
なお、上記発振器が著しい温度変化を受けないように発振器に接続される電気線路の線路長を長くし、発振器をアンテナ基地局から離れた、著しい温度変化の影響を受けない位置に設置することも可能だが、発振器とアンテナ基地局間に低損失な電気線路、例えば、導波管など大型な装置を使用しなければならなかった。
また、図９に示す構成例の場合、発振器２１に加えて、ミリ波帯で動作する移相器２２ａ〜２２ｄ、および電力分配器２４を設置する必要があるため、装置の構成が大型、かつ複雑になるという問題があった。
さらに、移相器２２ａ〜２２ｄを制御するためには装置に複雑な制御回路を追加する必要があった。
【００１１】
また、複数のユーザ（移動体）に対して同時に指向性制御を行う場合、図９、図１０に示す構成例ではアンテナ基地局の構成がさらに大型になり、かつ複雑になるという問題点があった。図９の構成例の場合、各移動体について図９の構成が必要となる。例えば、４つの移動体を収容する場合、図９に示す構成を４つ設置した大型なアンテナ基地局が必要となる。
また、図１０に示す構成例の場合も、ミリ波帯で動作するマトリクススイッチなど、高価で複雑な部品を設置する必要があり、同様に大型なアンテナ基地局が必要となる。よって、指向性制御を用いた複数の移動体への多元接続システムを実現することは困難であった。
【００１２】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、小型、簡素化を図ったアンテナの指向性制御装置を提供することを第１の目的とする。
また、本発明は、高分解能の指向性制御が可能なアンテナの指向性制御装置を提供することを第２の目的とする。
また、本発明は、高速の指向性制御が可能なアンテナの指向性制御装置を提供することを第３の目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、高周波の無線信号のアンテナ指向性制御装置において、無線信号をサブキャリアとし、かつ波長可変機能を有するサブキャリア光源と、前記サブキャリア光源から入力された光波長帯に応じて光出力端子を選択する波長分波器と、前記波長分波器の各光出力線路上に設置され、光を無線信号に変換する複数の光検出器と、前記複数の光検出器の各々に対応して設けられ各光検出器より出力される無線信号を空間に放射する複数の放射器と、前記複数の放射器から放射された無線信号の放射パターンを制御するレンズとを具備することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアンテナの指向性制御装置において、前記サブキャリア光源は、連続光を発生し、かつ波長可変機能を有するレーザと、高周波電気信号を発生する発振器と、前記レーザが出力した光信号を前記高周波電気信号によって変調する光変調器と、前記レーザの素子温度を調節する温度コントローラとを具備することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のアンテナの指向性制御装置において、前記サブキャリア光源は、連続光を発生する複数のレーザと、前記複数のレーザの出力線路を一つに束ねる合波器と、高周波電気信号を発生する発振器と、前記合波器から出射された光信号を前記高周波電気信号によって変調する光変調器と、前記複数のレーザに電流を注入するための定電流源と、前記定電流源より電流を注入するレーザを選択するためのスイッチとを具備することを特徴とする。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のアンテナの指向性制御装置において、前記サブキャリア光源は、レーザに電流を注入し駆動するためのデータ信号を発生するデータ信号源と、  前記データ信号によって変調された光信号を発生する複数のレーザと、  前記複数のレーザの出力線路を一つに束ねる合波器と、高周波電気信号を発生する発振器と、前記合波器から出射された光信号を前記高周波電気信号によって変調する光変調器と、前記複数のレーザの素子温度を調節する温度コントローラとを具備することを特徴とする。
【００１７】
また、請求項５に記載の発明は、前記サブキャリア光源は、レーザに入力するデータ信号を発生するデータ信号源と、前記データ信号源から出力されるデータ信号を選択するためのマトリクススイッチと、前記マトリクススイッチにより選択されたデータ信号によって変調された光信号を発生する複数のレーザと、前記複数のレーザの出力線路を一つに束ねる合波器と、前記複数のレーザに電流を注入するための定電流源と、高周波電気信号を発生する発振器と、前記合波器から出射された光信号を前記高周波電気信号によって変調する光変調器とを具備することを特徴とする請求項１に記載のアンテナの指向性制御装置。
【００１８】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載のアンテナの指向性制御装置において、前記サブキャリア光源は、差周波数が無線信号周波数に一致する複数のレーザの組と、前記各レーザに電流を注入するための定電流源と、前記複数のレーザに入力するデータ信号を発生するデータ信号源と、前記データ信号源から出力されるデータ信号を選択するためのマトリクススイッチと、前記複数のレーザの出力線路を一つに束ねる合波器とを具備することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の第１の実施形態に係る指向性制御装置の構成を図１に示す。同図において、本実施形態に係る指向性制御装置はサブキャリア光源１と、光検出器２ａ〜２ｄと、放射器３ａ〜３ｄと、レンズ４と、光ファイバ５と、波長分波器６と、シリコン基板７とを有している。
サブキャリア光源１は、ミリ波帯の無線信号（本実施形態での周波数は６０ＧＨｚ）がサブキャリアとして重畳された光信号を発生する光源である。サブキャリア光源１の構成の詳細については後述する。
【００２０】
また、波長分波器６は入力光波長帯によって出力光導波路を選択する導波路形回折格子であり、回折格子のように入力光を波長に応じて異なる方向へ選択的に回折する機能を有する（参考文献：特願平０２−２４４１０５号公報「導波路形回折格子」）。波長分波器６はシリコン基板７上に形成された導波路素子であり、４チャネルの光出力端子を有し、またチャネル周波数間隔は１００ＧＨｚである。光検出器２ａ〜２ｄはそれぞれミリ波周波数に応答する超高速のフォトダイオードであり、波長分波器６と同一のシリコン基板７上にハイブリッド実装されている。
【００２１】
また、放射器３ａ〜３ｄはマイクロストリップ線路、もしくはコプレーナ線路の終点に設けられた平面アンテナであり、隣接する素子間隔が一定になるよう一直線上に配置されている。
また、放射器３ａ〜３ｄの鉛直上方にセラミックを使用したレンズ４が配置されている。レンズ４の焦点距離はＦとし、各放射器とレンズ４の距離もＦとする。ここで、アンテナ基地局はサブキャリア光源１を除く部品で構成され、サブキャリア光源１はアンテナ基地局より離れた位置に光ファイバ５を介して設置されている。
【００２２】
次に、図１に示す構成からなる本発明の第１の実施形態に係る指向性制御装置の動作について説明する。まず、周波数６０ＧＨｚの電気信号が重畳されたサブキャリア光源１の出力が、光ファイバ５を介してシリコン基板７上に集積された波長分波器６に入力される。波長分波器６に入力された光信号は、波長分波器６によって、その光波長帯に応じて、４チャネルの光出力端子のうちのいずれか一端子より出力される。
【００２３】
波長分波器６の４つの出力端子はそれぞれ光検出器２ａ〜２ｄに接続されており、波長分波器６を出力した光信号は、光検出器２ａ〜２ｄのうちのいずれか一つの光検出器で光電変換され、当該光検出器からは周波数６０ＧＨｚの電気信号が出力される。
光検出器２ａ〜２ｄには放射器３ａ〜３ｄがそれぞれ電気的に接続されおり、光検出器で発生した電気信号は放射器３ａ〜３ｄのうちいずれか一つの放射器に給電され、上方へ無線信号として放射される。
【００２４】
さらに、放射された無線信号はレンズ４を通過し、放射パターンの変化を受ける。ここでレンズの光軸に対して距離ｘずれた位置にある放射器から無線信号が出力された時、レンズ４を通過した無線信号の放射方向ｘ’は図９に示す従来例と同様、式（２）で表される。すなわち、無線信号が放射される放射器の位置に応じて放射方向が限定される。ここで、無線信号が放射される放射器は、波長分波器６に入力されるサブキャリア光源１より発生する光の波長帯を選択することによって決定される。
【００２５】
以上の動作により、サブキャリア光源１の発振光波長帯を制御することにより無線信号の指向性制御が可能となる。ここで、アンテナ基地局はサブキャリア光源１を含まないため、構成が大型かつ複雑なミリ波帯の発振器をアンテナ基地局から分離することができる。
さらに、光ファイバ５は低損失なミリ波サブキャリア多重光の伝送が可能であるため、サブキャリア光源１をアンテナ基地局より離れた位置に設置することが可能となる。
また、アンテナ基地局には複雑な制御回路を必要とせず、基地局のさらなる小型化、簡素化が可能となる。さらに、サブキャリア光源１を遠隔地に設置して指向性の遠隔制御が可能となる。
【００２６】
次に、サブキャリア光源１の第１の実施形態での構成を図２に示す。同図において、サブキャリア光源１は連続光を発生するレーザ１０１と、ミリ波周波数に応答する光変調器１０２と、ミリ波帯の高周波信号を発生する発振器１０３と、レーザを駆動する定電流源１０４と、レーザの温度を調節する温度コントローラ１０５とを有している。ここでレーザ１０１は、１５５０ｎｍ付近に発振周波数を有するＩｎＧａＡｓＰ系の半導体レーザである。
【００２７】
次に、図２に示したサブキャリア光源１の動作について説明する。図２において、定電流源１０４から注入された電流によってレーザ１０１から発生した連続光信号は、光変調器１０２に入力される。光変調器１０２には発振器１０３で発生した高周波電気信号が同時に入力されるため、光信号は変調される。よって光変調器１０２出力、すなわちサブキャリア光源１からはミリ波サブキャリア周波数で変調された光信号が出力される。
【００２８】
本実施形態では、連続光を発生するレーザの素子温度を温度コントローラ１０５により変化させ、波長を変化させる機能を実現した。３０Ｋ程度の温度変化が可能であるため、３．２ｎｍ程度の光波長（周波数では４００ＧＨｚ程度）の制御が可能であった。よって、１００ＧＨｚのチャネル間隔を持つ４チャネルの波長分波器６におけるすべての光出力端子を選択可能である。
また、温度コントローラ１０５にはサーミスタ、ベルチェ素子を用いておりミリケルビン程度の温度分解能を有する。すなわちサブキャリア光源１の発振波長帯を高分解能に変化させることが可能である。
【００２９】
なお、本実施形態で使用したサブキャリア光源１はレーザ１０１と光変調器１０２を用いているが、両部品がモノリシック集積化された光源を使用することも可能である。また光変調器をレーザの光共振器内に組み込んだモード同期レーザも使用可能である。
また、定電流源１０４をデータ信号により変調し、データ信号が重畳したサブキャリア多重光を発生することもできる。
【００３０】
次に、本発明の第２の実施形態に係る指向性制御装置について説明する。本実施形態に係る指向性制御装置が第１の実施形態に係る指向性制御装置と構成上、異なるのはサブキャリア光源１の構成のみであり、他の構成は第１の実施形態と同様であるので、サブキャリア光源１についてのみ説明し、重複する説明は省略する。
【００３１】
サブキャリア光源１の第２の実施形態での構成を図３に示す。同図において、本実施形態に係る指向性制御装置におけるサブキャリア光源１は、連続光を発生するレーザ２０１ａ〜２０１ｄと、ミリ波周波数に応答する光変調器２０２と、ミリ波帯の高周波信号（本実施例での周波数は６０ＧＨｚ）を発生する発振器２０３と、レーザを駆動する定電流源２０４と、電流を注入するレーザを選択するためのスイッチ２０５と、レーザ２０１ａ〜２０１ｄの各光出力線路を一つに束ねる合波器２０６とを有している。
【００３２】
ここで、レーザ２０１ａ〜２０１ｄの発振波長はそれぞれ、１５４９．２ｎｍ、１５５０．０ｎｍ、１５５０．８ｎｍ、１５５１．６ｎｍと０．８ｎｍ間隔（周波数間隔は約１００ＧＨｚ）である。
次に、図３に示した本実施形態に係る指向性制御装置におけるサブキャリア光源１の動作について以下に説明する。レーザに直流電流を供給する定電流源２０４は、スイッチ２０５によってレーザ２０１ａ〜２０１ｄのうち、いずれか一つのみに接続される。
【００３３】
レーザから発生した連続光信号は、合波器２０６を通過した後に光変調器２０２に入力される。光変調器２０２には発振器２０３で発生した高周波電気信号が同時に入力されるため、光信号は変調される。よって光変調器２０２出力、すなわちサブキャリア光源１からはミリ波サブキャリア周波数で変調された光信号が出力される。本実施形態では、電流が注入された時のサブキャリア光源１の発振波長帯は、波長分波器６の各チャネル波長帯にあらかじめ設定されている。例えばレーザ２０１ａ〜２０１ｄで発生した光信号はそれぞれ光検出器２ａ〜２ｄに到達するよう調整した。そのため、スイッチの選択によって、サブキャリア光源１から発振する光波長帯を変化させることができる。
【００３４】
ここで、スイッチ２０５は半導体スイッチが使用されており、マイクロ秒を下回る高速なスイッチ動作、すなわちサブキャリア光源１の高速な波長可変動作が可能である。
なお、定電流源２０４より発生する電流をデータ信号により変調し、データ信号が重畳したサブキャリア多重光を発生することもできる。
【００３５】
次に、本発明の第３の実施形態に係る指向性制御装置について説明する。本実施形態に係る指向性制御装置が第１、第２の実施形態に係る指向性制御装置と構成上、異なるのはサブキャリア光源１の構成のみであり、他の構成は第１、第２の実施形態と同様であるので、サブキャリア光源１についてのみ説明し、重複する説明は省略する。
【００３６】
本発明の第３の実施形態に係る指向性制御装置におけるサブキャリア光源１の構成を図４に示す。同図において、本実施形態に係る指向性制御装置におけるサブキャリア光源１は、データ信号によって変調された光信号を発生するレーザ３０１ａ〜３０１ｄ（発振波長は１５５０ｎｍ帯）と、ミリ波周波数に応答する光変調器３０２と、ミリ波帯の高周波信号（本実施例での周波数は６０ＧＨｚ）を発生する発振器３０３と、レーザを駆動するデータ信号源３０４ａ〜３０４ｄと、レーザ３０１ａ−３０１ｄの温度を調節する温度コントローラ３０５と、レーザ３０１ａ〜３０１ｄの各光出力線路を一つに束ねる合波器３０６とを有している。
【００３７】
図４に示したキャリア光源１の動作について以下に説明する。図４において、データ信号源３０４ａ〜３０４ｄは、レーザを駆動する直流電流と情報信号が混合した電気信号を発生する。本実施形態では、データ信号源３０４ａ〜３０４ｄは、ビットレート１．２５Ｇｂｉｔ／ｓのデータ信号によってディジタル強度変調（ＡＳＫ）された信号を発生する。
レーザ３０１ａ〜３０１ｄからはそれぞれデータ信号源３０４ａ〜３０４ｄの電気信号によって光信号を発生する。
【００３８】
各レーザから発生した光信号は、合波器３０６を通過した後に光変調器３０２に入力される。光変調器３０２には発振器３０３で発生した高周波電気信号が同時に入力されるため、光信号は高周波電気信号によって変調される。よって光変調器３０２出力、すなわちサブキャリア光源１からはミリ波サブキャリア周波数で変調され、かつデータ信号によって強度変調された光信号が出力される。光信号はアンテナ基地局へ送信された後、光電変換後に空間へ放射される。その無線周波数は６０ＧＨｚであり、１．２５Ｇｂｉｔ／ｓのデータ信号によるＡＳＫ波となる。
【００３９】
ここで、温度コントローラ３０５の制御方法について説明する。本実施形態では連続光を発生する各レーザの素子温度を温度コントローラ３０５により変化させることにより、各レーザの発振波長を一括して変化させることができる。
本実施形態では３０Ｋ程度の温度変化が可能であるため、３．２ｎｍ程度の光波長（周波数では４００ＧＨｚ程度）の制御が可能であった。よって、各レーザは、その発振波長帯が温度コントローラ３０５の温度制御により波長分波器６のすべてのチャネル波長帯を選択可能であった。
【００４０】
さらに、温度コントローラ３０５は、同時刻に同一のチャネル波長帯を選択するレーザの組が無いように、その温度を制御する。以上の温度制御方法を用いて、セルごとに移動体を割り当てる多元接続方式、すなわちＳＤＭＡが実現可能となる。以下にＳＤＭＡの動作を詳細に説明する。
【００４１】
図５は、図１における放射器の位置に対するセルの割り当てを一次元上に模式的に表している。図中、３ａ〜３ｄは放射器、４はレンズであり、１０ａ〜１０ｄはセル、１１ａ〜１１ｄは移動体である。ここで矢印は、それぞれ放射器から出力した無線信号の指向性を表している。すなわち、放射器３ａ〜３ｄより放射された無線信号は、セル１０ａ〜１０ｄにそれぞれ到達する。
【００４２】
次に、移動体の時間的な位置変化に応じた放射器の設定方法について説明する。図６は、各移動体の各時刻において存在するセルと、選択されるべき放射器との対応例を示している。例えば、時刻Ｉの時、移動体１１ａ〜１１ｄは、それぞれセル１０ａ〜１０ｄに存在しているものとする。その時、アンテナ基地局において選択されるべき放射器はそれぞれ３ａ〜３ｄである。なお前述のように、ＳＤＭＡはセルごとに移動体を割り当てるので、同時刻において一つのセルに複数の移動体が存在することはできない。
【００４３】
次に、移動体１１ａのみの時間変化を見ると、時刻Ｉ〜時刻ＩＶにわたってセルを１０ａ→１０ｂ→１０ｃ→１０ｄと移動しており、そのとき放射器は３ａ→３ｂ→３ｃ→３ｄと選択されるべきである。以上のように、サブキャリア光源１よりアンテナ基地局に送信される複数の光信号の波長帯は、各移動体の位置に対応した放射器に入力されるように制御される。
【００４４】
また、温度コントローラ３０５にはサーミスタ、ベルチェ素子を用いており、ミリケルビン程度の温度分解能を有する。すなわち各移動体に送信されるサブキャリア光源１の発振波長帯を一括して変化させることができ、かつ各移動体に対して高分解能の指向性制御が可能となる。
【００４５】
なお、本実施形態に係る指向性制御装置におけるサブキャリア光源１において、光変調器３０２などの挿入損失を補償するため、光変調器３０２の後段などに光増幅器を設置することも可能である。
以上の動作により、ＳＤＭＡを用いた複数の移動体への無線信号の指向性制御が、小型化、簡素化されたアンテナ基地局を用いて可能となる。
【００４６】
次に、本発明の第４の実施形態に係る指向性制御装置について説明する。本実施形態に係る指向性制御装置が第１乃至第３の実施形態に係る指向性制御装置と構成上、異なるのはサブキャリア光源１の構成のみであり、他の構成は第１乃至第３の実施形態と同様であるので、サブキャリア光源１についてのみ説明し、重複する説明は省略する。
【００４７】
本発明の第４の実施形態に係る指向性制御装置におけるサブキャリア光源１の構成を図７に示す。同図において、本実施形態に係る指向性制御装置におけるサブキャリア光源１は、データ信号によって変調された光信号を発生するレーザ（発振波長は１５５０ｎｍ帯）４０１ａ〜４０１ｄと、ミリ波周波数に応答する光変調器４０２と、ミリ波帯の高周波信号（本実施例での周波数は６０ＧＨｚ）を発生する発振器４０３と、レーザに入力するデータ信号を発生するデータ信号源４０４ａ〜４０４ｄと、レーザに入力するデータ信号を選択するためのマトリクススイッチ４０５と、レーザ４０１ａ〜４０１ｄの各光出力線路を一つに束ねる合波器４０６と、レーザ４０１ａ〜４０１ｄにそれぞれ電流を注入するための定電流源４０７ａ〜４０７ｄとを有している。
【００４８】
図７に示したキャリア光源１の動作について以下に説明する。図７において、データ信号源４０４ａ〜４０４ｄからは、ビットレート１．２５Ｇｂｉｔ／ｓのデータ信号を発生する。
レーザ４０１ａ〜４０１ｄはそれぞれ定電流源４０７ａ〜４０７ｄからの電流で駆動されており、さらにデータ信号源からのデータ信号によってＡＳＫ変調された光信号を発生する。各レーザから発生した光信号は、合波器４０６を通過した後に光変調器４０２に入力される。
【００４９】
光変調器４０２には発振器４０３で発生した高周波電気信号が同時に入力されるため、光信号は高周波電気信号によって変調される。よって光変調器４０２出力、すなわちサブキャリア光源１からはミリ波サブキャリア周波数で変調され、かつデータ信号によって強度変調された光信号が出力される。光信号はアンテナ基地局へ送信されたのち、光電変換後に空間へ放射される。その無線周波数はそれぞれ６０ＧＨｚであり、１．２５Ｇｂｉｔ／ｓのデータ信号によるＡＳＫ波となる。
【００５０】
ここで、マトリクススイッチ４０５の制御方法を説明する。本実施形態では電流が注入された時の発振波長帯を波長分波器６の各チャネル波長帯にあらかじめ設定した。例えば、レーザ４０１ａ〜４０１ｄで発生した光信号はそれぞれ光検出器２ａ〜２ｄに到達するよう調整されている。
さらに、マトリクススイッチ４０５は、データ信号源４０４ａ〜４０４ｄの各データ信号について、すべてのレーザ入力端子を選択可能であり、かつ同時刻に同一の出力端子から複数のデータ信号が出力しないように制御される。
【００５１】
以上のスイッチ制御を行うことにより、ＳＤＭＡが実現可能となる。その際、サブキャリア光源１よりアンテナ基地局に送信される複数の光信号の波長帯は、各移動体の位置に対応した放射器に入力されるように制御される。 ＳＤＭＡの詳細な動作説明については、第３の実施形態と同様であるため省略する。
またマトリクススイッチ４０５は半導体スイッチが使用されており、マイクロ秒を下回る高速なスイッチ動作が可能である。すなわち各移動体に送信されるサブキャリア光源１の発振波長帯を一括して変化させることができ、かつ各移動体に対して高速の指向性制御が可能となる。
【００５２】
なお、本実施形態に係る指向性制御装置におけるサブキャリア光源１において、光変調器４０２などの挿入損失を補償するため、光変調器４０２の後段などに光増幅器を設置することも可能である。
以上の動作により、ＳＤＭＡを用いた複数の移動体への無線信号の指向性制御が、小型化、簡素化されたアンテナ基地局を用いて可能となる。
【００５３】
次に、本発明の第５の実施の形態に係る指向性制御装置について説明する。本実施形態に係る指向性制御装置が第１乃至第４の実施形態に係る指向性制御装置と構成上、異なるのはサブキャリア光源１の構成のみであり、他の構成は第１乃至第４の実施形態と同様であるので、サブキャリア光源１についてのみ説明し、重複する説明は省略する。
【００５４】
本発明の第５の実施形態に係る指向性制御装置におけるサブキャリア光源１の構成を図８に示す。同図において、本実施形態に係る指向性制御装置におけるサブキャリア光源１は、光信号を発生するレーザ（発振波長は１５５０ｎｍ帯）５０１ａ−５０１ｈと、レーザに入力するデータ信号を発生するデータ信号源５０２ａ−５０２ｄと、レーザに入力するデータ信号を選択するためのマトリクススイッチ５０３と、レーザ５０１ａ−５０１ｈの各光出力線路を一つに束ねる合波器５０４と、レーザ５０１ａ−５０１ｈにそれぞれ電流を注入するための定電流源５０５ａ−５０５ｈとを有している。
【００５５】
図８に示したキャリア光源１の動作について以下に説明する。図８において、データ信号源５０２ａ〜５０２ｄは、ビットレート１．２５Ｇｂｉｔ／ｓのデータ信号を発生する。レーザ５０１ａ〜５０１ｈはそれぞれ、定電流源５０５ａ〜５０５ｈからの電流で駆動されており、さらにデータ信号源５０２ａ〜５０２ｄからのデータ信号によってＡＳＫ変調された光信号を発生する。
ここで、隣接するレーザ（例えば、レーザ５０１ａとレーザ５０１ｂ）の発振周波数は、その差周波数が所望の無線信号周波数に一致するよう（例えば６０ＧＨｚ）設定されている。
【００５６】
各レーザから発生した光信号は、合波器５０４を通過した後にアンテナ基地局へ送信される。アンテナ基地局において、隣接するレーザの差周波数に一致する電気信号が光検出により発生した後、無線信号として空間へ放射される。その無線周波数はそれぞれ６０ＧＨｚであり、１．２５Ｇｂｉｔ／ｓのデータ信号によるＡＳＫ波となる。
ここで、マトリクススイッチ５０３の制御方法を説明する。本実施例では電流が注入された時の発振波長帯が、隣接するレーザの組ごとに波長分波器５０４の各チャネル波長帯にあらかじめ設定されている。
【００５７】
例えば、レーザ５０１ａ、５０１ｂで発生した光信号はそれぞれ図１に示す光検出器２ａに、５０１ｃ、５０１ｄで発生した光信号はそれぞれ光検出器２ｂに、５０１ｅ、５０１ｆで発生した光信号はそれぞれ光検出器２ｃに、５０１ｇ、５０１ｈで発生した光信号はそれぞれ光検出器２ｄに到達するよう調整されている。
さらにマトリクススイッチ５０３は、データ信号源５０２ａ−５０２ｄの各データ信号について、すべてのレーザの組への入力端子を選択可能であり、かつ同時刻に同一の出力端子から複数のデータ信号が出力しないように制御される。
【００５８】
以上のスイッチ制御を行うことにより、ＳＤＭＡが実現可能となる。その際、サブキャリア光源１よりアンテナ基地局に送信される複数の光信号の波長帯は、各移動体の位置に対応した放射器に入力されるように制御される。 ＳＤＭＡの詳細な動作説明については、第３の実施形態、第４の実施形態と同様であるため省略する。
【００５９】
なお、隣接するセルに送信される無線周波数が同一の場合は、セルの重複領域で複数の移動体が混信する恐れがあるが、本実施形態の場合、無線周波数はレーザに入力される定電流源の電流値を調整することにより容易に変化させることができる。そのため、セルごとに異なる無線周波数を使用することにより複数の移動体による混信を避けることが容易に可能となる。
【００６０】
またマトリクススイッチ５０３は半導体スイッチが使用されており、マイクロ秒を下回る高速なスイッチ動作が可能である。すなわち各移動体に送信されるサブキャリア光源１の発振波長帯を一括して変化させることができ、かつ各移動体に対して高速の指向性制御が可能となる。
なお、本実施形態のサブキャリア光源１は、隣接する２個のレーザによるビートを用いたミリ波発生技術であるため、他の実施形態において用いられている光変調器（光部品の中では比較的高価である。）、及び発振器が不要でありながらも高出力、高変調度を有する光サブキャリア信号が容易に生成可能となる。
【００６１】
市販品として既に入手可能な数十ｍＷ以上の光出力を持つレーザを使用することにより、光の損失を補償するための光増幅器を設置することなく、特定小電力無線における空中線電力の上限値（１０ｍＷ）の無線信号を出力することも可能である。本実施形態ではアンテナ基地局における光検出器２ａ〜２ｄとして、高出力特性を有する「単一走行キャリアフォトダイオード」（参考文献：特開平０９−２７５２２４公報「フォトダイオード」）を用いたため、光増幅器なしで十分な空中線電力を得ることができた。
【００６２】
また、図８において、マトリクススイッチ５０３によって選択されたデータ信号は、隣接するレーザ（例えば、レーザ５０１ａとレーザ５０１ｂ）の両方に入力されているが、いずれか一方のみに入力しても良い。なお、これら光サブキャリア光源１の駆動方法に関しては、特願２０００−２５２８７９公報「光サブキャリア通信用多波長光源の駆動方法およびその装置」に開示されている技術が適用可能である。
【００６３】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、発振器をアンテナ基地局から離すことが出来るのでアンテナ基地局を小型、簡素にすることが可能となる。また低損失の光ファイバを介してミリ波信号を遠距離伝送できるため、発振器に要求される温度変化耐性などの性能を緩和することが可能となる。また、サブキャリア光源の発振波長帯を変化させることにより放射方向が制御できるため、アンテナ基地局に複雑な制御回路を必要とせず、基地局のさらなる小型化、簡素化が可能となる。さらに、光源を遠隔地に設置して指向性の遠隔制御が可能となる。
【００６４】
また、請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明により得られる効果に加えて、温度コントローラにより高分解能の光波長可変が可能であるため、高分解能の指向性制御が可能となるという効果が得られる。
【００６５】
また、請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明により得られる効果に加えて、スイッチの切り替えにより高速の光波長可変が可能であるため、高速の指向性制御が可能となるという効果が得られる。
【００６６】
また、請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明により得られる効果に加えて、無線通信区域（セル）ごとに移動体を割り当てる多元接続方式、すなわち空間多重無線アクセス（Space  Division  Multiple  Access，ＳＤＭＡ）が、小型化、簡素化されたアンテナ基地局を用いて可能となるという効果が得られる。
さらに、温度コントローラにより、各移動体に送信されるサブキャリア光源の発振波長帯を一括して変化させることができ、各移動体に対して高分解能の指向性制御が可能となる。
【００６７】
また、請求項５に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明により得られる効果に加えて、ＳＤＭＡによる多元接続システムが、小型化、簡素化されたアンテナ基地局を用いて可能となるという効果が得られる。
さらに、マトリクススイッチにより、各移動体に送信されるサブキャリア光源の発振波長帯を一括して変化させることができ、各移動体に対して高速の指向性制御が可能となる。
【００６８】
また、請求項６に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明により得られる効果に加えて、ＳＤＭＡによる多元接続システムが、小型化、簡素化されたアンテナ基地局を用いて可能となるという効果が得られる。
さらに、サブキャリア周波数をセルごとに変更できるため、混信が生じにくいＳＤＭＡが可能となる。
さらに、マトリクススイッチにより、各移動体に送信されるサブキャリア光源１の発振波長帯を一括して変化させることができ、各移動体に対して高速の指向性制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に係る指向性制御装置の全体構成を示す構成図。
【図２】  本発明の第１の実施形態に係る指向性制御装置におけるサブキャリア光源の構成を示すブロック図。
【図３】   本発明の第２の実施形態に係る指向性制御装置におけるサブキャリア光源の構成を示すブロック図。
【図４】  本発明の第３の実施形態に係る指向性制御装置におけるサブキャリア光源の構成を示すブロック図。
【図５】  図１に示した指向性制御装置における放射器の位置に対するセルの割り当てを一次元上に模式的に示した説明図。
【図６】  各移動体の各時刻において存在するセルと、選択されるべき放射器との対応例を示す説明図。
【図７】  本発明の第４の実施形態に係る指向性制御装置におけるサブキャリア光源の構成を示すブロック図。
【図８】  本発明の第５の実施形態に係る指向性制御装置におけるサブキャリア光源の構成を示すブロック図。
【図９】  ４素子の放射器をフェイズドアレイアンテナに用いた、従来の指向性制御装置の構成例を示す図。
【図１０】  レンズを利用した従来の指向性制御装置の構成例を示す図。
【符号の説明】
１…サブキャリア光源
２ａ〜２ｄ…光検出器
３ａ〜３ｄ…放射器
４…レンズ
５…光ファイバ
６…波長分波器
７…シリコン基板
１０１、２０１ａ〜２０１ｄ、３０１ａ〜３０１ｄ、４０１ａ〜４０１ｄ、５０１ａ〜５０１ｈ…レーザ
１０２、２０２、３０２、４０２…光変調器
１０３、２０３、３０３、４０３…発振器
１０４、２０４、４０７ａ〜４０７ｄ、５０５ａ〜５０５ｈ…定電流源
１０５、３０５…温度コントローラ
２０５…スイッチ
２０６、３０６、４０６、５０４…合波器
３０４ａ〜３０４ｄ、４０４ａ〜４０４ｄ、５０２ａ〜５０２ｄ…データ信号源
４０５、５０３…マトリクススイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003701599.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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