(57)【要約】【課題】信号光と参照光の分配比を１：１にすることで高効率な光制御型アレーアンテナ装置を得る。【解決手段】信号光と参照光を分配する光分配器９、分配された信号光を空間的に変調された信号光に変換する空間光強度変調器１２、変調された信号光をフーリエ変換してアンテナビームパターンのアンテナ開口分布に対応した開口分布となる光信号に変換するフーリエ変換レンズ１４、分配された参照光を前記開口分布となる光信号と同等なビーム幅に拡大するビーム拡大レンズ２１、フーリエ変換レンズとビーム拡大レンズを介した光信号を合成しファイバアレーに出力する光合成器２３を備え、かつ光分配器９内の光フィルタとして、信号光と参照光の通過帯域を制御するための光帯域可変フィルタ１１を用いると共に、分配された信号光と参照光の振幅レベルをモニタして分配比が１対１になるよう光帯域可変フィルタの通過帯域を制御するフィルタ制御部２０を備えた。【選択図】図１
2008211496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光と参照光とを生成する光マイクロ波発生器と、
光ファイバを介して多重伝送される前記光マイクロ波発生器の光信号から前記信号光と前記参照光とを分配する光分配器と、
前記光分配器により分配された前記信号光の振幅を空間的に変調された信号光に変換する空間光強度変調器と、
前記空間光強度変調器により変調された信号光を逆フーリエ変換してアンテナビームパターンのアンテナ開口分布に対応した開口分布となる光信号に変換するフーリエ変換レンズと、
前記光分配器により分配された前記参照光を前記開口分布となる光信号と同等なビーム幅に拡大するビーム拡大レンズと、
前記フーリエ変換レンズを介した光信号と前記ビーム拡大レンズを介した光信号とを合成し、合成された光信号をファイバアレーに出力する光合成器と
を備えた光制御型アレーアンテナ装置において、
前記光分配器内に用いる光フィルタとして、前記信号光と前記参照光との通過帯域を制御するための光帯域可変フィルタを用いると共に、
前記光分配器により分配された前記信号光と前記参照光との振幅レベルをモニタし、前記信号光と前記参照光との分配比が１対１になるように前記光帯域可変フィルタの通過帯域を制御するフィルタ制御部を備えた
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】
信号光と参照光とを生成する光マイクロ波発生器と、
光ファイバを介して多重伝送される前記光マイクロ波発生器の光信号から前記信号光と前記参照光とを分配する光分配器と、
前記光分配器により分配された前記信号光の振幅を空間的に変調された信号光に変換する空間光強度変調器と、
前記空間光強度変調器により変調された信号光を逆フーリエ変換してアンテナビームパターンのアンテナ開口分布に対応した開口分布となる光信号に変換するフーリエ変換レンズと、
前記光分配器により分配された前記参照光を前記開口分布となる光信号と同等なビーム幅に拡大するビーム拡大レンズと、
前記フーリエ変換レンズを介した光信号と前記ビーム拡大レンズを介した光信号とを合成し、合成された光信号をファイバアレーに出力する光合成器と
を備えた光制御型アレーアンテナ装置において、
前記光マイクロ波発生器に用いる光源として、前記信号光と前記参照光の波長を可変する波長可変型光源を用いると共に、
前記光分配器により分配された前記信号光と前記参照光との振幅レベルをモニタし、前記信号光と前記参照光との分配比が１対１になるように前記波長可変型光源の波長を制御する光源波長制御部を備えた
ことを特徴とする光制御型アレーアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、フェーズドアレーアンテナに係り、特に光制御型アレーアンテナ装置の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
光制御型フェーズドアレーアンテナ装置は、現在、艦船や航空機等で運用されているマイクロ波制御型フェーズドアレーアンテナを用いたレーダ装置の発展型として研究等が成されており、その技術は特許や学会論文等で近年、数多く公開されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このようなレーダ装置に用いられる光制御型のフェーズドアレーアンテナ装置について説明する。電子ビーム走査やビームパターン形状の情報を伝送するための信号光と、前記信号光の周波数に対しアンテナから放射されるマイクロ波の周波数だけオフセットした周波数を持つ参照光とが光マイクロ波発生器より生成され、この２つの光信号は光ファイバで多重伝送され光分配器で分配される。
【０００４】
光分配器で分配された前記信号光は、外部から入力される所望のビーム走査や形状の情報を受けて駆動する空間光強度変調器によりビーム光に変換され、その先に設置したフーリエ変換レンズに入力される。前記ビーム光は、前記フーリエ変換レンズによりアンテナビームパターンに対応した開口分布となる光信号に変換され、その先の光合成器に入力される。
【０００５】
一方、前記光分配器より出力された参照光は、ビーム拡大レンズを介して前記開口分布となる光信号と同じビーム幅にまで拡大され、その先に設置した光合成器で前記開口分布となる光信号と合成される。その後、合成された光信号は、複数の光ファイバを束ねて構成されるファイバアレーに入力され、複数のファイバに分割されて伝送され、前記複数のファイバと接続された複数の光マイクロ波変換器で信号光と参照光の差分の周波数が検波されてマイクロ波に変換され、複数のアンテナを介して空間に放射される。この構成により、光信号で電子的にビーム走査やビーム形状を制御することができる光制御型フェーズドアレーアンテナ装置となり、マイクロ波信号で制御するフェーズドアレーアンテナと同様な動作を有する。
【０００６】
【特許文献１】特公平６−６６５８０号公報（第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来の光制御型アレーアンテナ装置では、光分配器における信号光と参照光の光強度バランスを調整する機能を備えておらず、温度や湿度等の周囲環境条件の変化に応じて光源の波長が変化することで光分配器の周波数帯域を外れるため、信号光と参照光の光強度がアンバランスとなっていた。その結果、光合成器における信号光と参照光の光合成効率が劣化するので、ファイバアレーへ入力される光強度が小さくなり、アンテナからの放射電力が低下する問題があった。
【０００８】
この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、信号光と参照光の分配比を１：１にすることで、高効率な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】
【０００９】
この発明に係る光制御型アレーアンテナ装置は、信号光と参照光とを生成する光マイクロ波発生器と、光ファイバを介して多重伝送される前記光マイクロ波発生器の光信号から前記信号光と前記参照光とを分配する光分配器と、前記光分配器により分配された前記信号光の振幅を空間的に変調された信号光に変換する空間光強度変調器と、前記空間光強度変調器により変調された信号光を逆フーリエ変換してアンテナビームパターンのアンテナ開口分布に対応した開口分布となる光信号に変換するフーリエ変換レンズと、前記光分配器により分配された前記参照光を前記開口分布となる光信号と同等なビーム幅に拡大するビーム拡大レンズと、前記フーリエ変換レンズを介した光信号と前記ビーム拡大レンズを介した光信号とを合成し、合成された光信号をファイバアレーに出力する光合成器とを備えた光制御型アレーアンテナ装置において、前記光分配器内に用いる光フィルタとして、前記信号光と前記参照光との通過帯域を制御するための光帯域可変フィルタを用いると共に、前記光分配器により分配された前記信号光と前記参照光との振幅レベルをモニタし、前記信号光と前記参照光との分配比が１対１になるように前記光帯域可変フィルタの通過帯域を制御するフィルタ制御部を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、他の発明に係る光制御型アレーアンテナ装置は、信号光と参照光とを生成する光マイクロ波発生器と、光ファイバを介して多重伝送される前記光マイクロ波発生器の光信号から前記信号光と前記参照光とを分配する光分配器と、前記光分配器により分配された前記信号光の振幅を空間的に変調された信号光に変換する空間光強度変調器と、前記空間光強度変調器により変調された信号光を逆フーリエ変換してアンテナビームパターンのアンテナ開口分布に対応した開口分布となる光信号に変換するフーリエ変換レンズと、前記光分配器により分配された前記参照光を前記開口分布となる光信号と同等なビーム幅に拡大するビーム拡大レンズと、前記フーリエ変換レンズを介した光信号と前記ビーム拡大レンズを介した光信号とを合成し、合成された光信号をファイバアレーに出力する光合成器とを備えた光制御型アレーアンテナ装置において、前記光マイクロ波発生器に用いる光源として、前記信号光と前記参照光の波長を可変する波長可変型光源を用いると共に、前記光分配器により分配された前記信号光と前記参照光との振幅レベルをモニタし、前記信号光と前記参照光との分配比が１対１になるように前記波長可変型光源の波長を制御する光源波長制御部を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、信号光と参照光をモニタし、光分配器の信号光と参照光の分配比を調整し、かつその分配比を１：１にすることで、高効率な光制御型アレーアンテナ装置を実現できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る光制御型アレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１に示す光制御型アレーアンテナ装置において、周波数がｆ２の光源１と、周波数がｆ１のマイクロ波を発生させるマイクロ波信号源２と、光強度変調器３とで構成された光マイクロ波発生器４により、周波数がｆ２の信号光５と、周波数が（ｆ１＋ｆ２）の参照光６の２つの光信号が生成され、一つの出力端に多重化して出力される。出力された２つの光信号は、光ファイバ７ａを介して空間に放射され、集光レンズ８ａを介して光分配器９に入力する。
【００１３】
前記光分配器９は、ハーフミラー１０と光帯域可変フィルタ１１とから構成されている。光分配器９に入力された２つの光信号は、まず、ハーフミラー１０を通過し光帯域可変フィルタ１１に入力する。光帯域可変フィルタ１１は、参照光６の周波数（ｆ１＋ｆ２）のみを通過させ、信号光５の周波数ｆ２は遮断するよう制御されるため、遮断された信号光５のみがハーフミラー１０側へ反射されて空間光強度変調器１２側に伝送される。
【００１４】
前記空間光強度変調器１２では、実現したいアンテナビームパターン形状やビーム走査位置をイメージ画像としてビーム走査及びビーム形状命令部１３から前記空間光強度変調器１２に与えておくことで、投影された信号光５の振幅は、イメージ画像の形状や位置に応じて空間的に変調された信号となり、フーリエ変換レンズ１４側に入力される。フーリエ変換レンズ１４に入力された信号光５は、逆フーリエ変換されて、アンテナビームパターンのアンテナ開口分布に対応した開口分布となる光信号１５に変換される。
【００１５】
本装置においては、光分配器９の信号光５の出力先に光分配手段１６ａが設けられており、そこで、信号光５の一部が分配され、集光レンズ８ｂと、光受光部１７ａ、さらに光ファイバ７ｂを介して光強度計１８ａに入力される。前記光分配手段１６ａは、プリズムや回折格子などの分配機器ならなんでもよい。前記光強度計１８ａで計測される振幅強度レベルは、前記光分配手段１６ａの直前に設けられた光分配器９より出力される信号光５の振幅強度レベルとなる。前記信号光５の振幅強度レベルの情報は、光強度モニタ伝送線１９ａを介してフィルタ制御部２０に伝送される。
【００１６】
一方、前記光分配器９内の前記光帯域可変フィルタ１１を通過した参照光６は、ビーム拡大レンズ２１で開口分布となる光信号１５と同等なビーム幅に拡大された後、ミラー２２で反射され、その先にある光合成器２３で前記開口分布となる光信号１５と合成される。その際、ビーム拡大レンズ２１の直後に設けられた光分配手段１６ｂで参照光６の一部が分配される。その後、集光レンズ８ｃと光受光部１７ｂ、さらに光ファイバ７ｃを介して光強度計１８ｂに入力される。前記光強度計１８ｂで計測される振幅強度レベルは、前記光分配手段１６ｂの直前に設けられた光分配器９より出力される参照光６の振幅強度レベルとなる。前記参照光６の振幅強度レベルの情報は、光強度モニタ伝送線１９ｂを介して前記フィルタ制御部２０に伝送される。
【００１７】
上記フィルタ制御部２０は、光強度モニタ伝送線１９ａと光強度モニタ伝送線１９ｂから送られる各々の振幅強度バランスを前記光分配器９内の前記光帯域可変フィルタ１１の通過帯域を制御することで、通過する前記参照光６の通過振幅レベルと、前記ハーフミラー１０側に反射する信号光５の遮断振幅レベルを調整し、温度や湿度、振動の周囲環境による光源１の出力不安定化、各光部品材料の伸縮等で発生する前記光帯域可変フィルタ１１との帯域のずれを補正し、所望な振幅強度レベルのバランスを得る。
【００１８】
信号光５と参照光６の振幅レベル調整について式を用いて説明する。前記信号光５と前記参照光６の振幅レベルは、光合成器２３による合成効率が最大にするように調整する必要がある。まず、光合成器２３における合波について式を用いて説明する。光分配器９の出力端の信号光５の振幅をＡ、位相をφとし、光分配器９から光合成器２３に到る信号光５の伝送損失、すなわち空間光強度変調器１２とフーリエ変換レンズ１４を介した信号光５の伝送損失をＬ１とし、光合成器２３の入力端の信号光５とＳ１とすると、式（１）の関係となる。また、光分配器９の出力端の参照光６の振幅をＢ、位相をθとし、光分配器９から光合成器２３に到る参照光６の伝送損失、すなわちビーム拡大レンズ２１とミラー２２を介した参照光６の伝送損失をＬ２とし、光合成器２３の入力端の参照光６をＳ２とすると、式（２）の関係となる。
【００１９】
Ｓ１＝Ｌ１×Ａｅｊφ                          （１）
Ｓ２＝Ｌ２×Ｂｅｊθ                          （２）
【００２０】
また、光分配器９の出力端の参照光６の振幅Ｂは、光分配器９の入力を１とすると、光分配器９の出力端の信号光５の振幅Ａを用いて式（３）で表せる。なお、光分配器９の内部損失は無視するものとする。
Ｂ＝（１−Ａ）                              （３）
よって、式（３）を用いて式（２）を表すと、式（４）となる。
Ｓ２＝Ｌ２×（１−Ａ）ｅｊθ                  （４）
【００２１】
光合成器２３における合成は、式（１）におけるＳ１と式（４）におけるＳ２との乗算で表すことができる。ここで、合波した信号をＳ３とし、式（５）に示す。
Ｓ３＝Ｓ１×Ｓ２＝（Ｌ１×Ａｅｊφ）×｛Ｌ２×（１−Ａ）ｅｊθ｝
＝Ｌ１×Ｌ２×（Ａ−Ａ２）ｅj(φ+θ)  （５）
【００２２】
ここで、式（５）におけるＡ、θ、φ、Ｓ１、Ｓ２、Ｌ１、Ｌ２は、式（１）及び式（４）と同一であり、Ｓ３は開口分布となる光信号１５と参照光６を合成した信号を示したものである。
【００２３】
式（３）におけるＳ３の大きさ｜Ｓ３｜を算出すると、位相の項は｜ｅｊ（φ＋θ）｜＝１であるから、｜Ｓ３｜＝Ｌ１×Ｌ２×（Ａ−Ａ２）となる。｜Ｓ３｜において、伝送損失であるＬ１とＬ２を定数とし、光分配器９の分配比を決める光分配器９より出力される信号光５の振幅Ａを変数に｜Ｓ３｜が最大となる条件を算出するとＡ＝０．５の場合であり、この条件は、光分配器９の分配比を１対１で合成した場合、最も高い効率を得ることを示している。なお、Ａの値を変化させた場合の｜Ｓ３｜は図２のような関係となる。
【００２４】
高効率に合成された光信号は、ファイバアレー受光部２４でアンテナ素子数分にサンプリングされ、アンテナ素子数分の光ファイバを介して複数の光マイクロ波変換器２５に入力する。そこでマイクロ波が検波され、複数のマイクロ波線路２６を介して複数のアンテナ素子２７に入力されて、空間にマイクロ波が放射される。
【００２５】
従って、実施の形態１によれば、従来の光制御型フェーズドアレーアンテナに、信号光５と参照光６をモニタする構成と、光分配器９の信号光５と参照光６の分配比を調整する機能を付加し、かつその分配比を１：１にすることで、高効率な光制御型フェーズドアレーアンテナ装置を実現できる効果がある。
【００２６】
実施の形態２．
図３は、この発明に実施の形態２に係る光制御型アレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図３に示す光制御型アレーアンテナ装置において、図１に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。新たな符号として、２８は波長可変型光源、２９は光フィルタ、３０は光源波長制御部である。
【００２７】
図３に示す光制御型アレーアンテナ装置において、波長可変型光源２８と、周波数がｆ１のマイクロ波を発生させるマイクロ波信号源２と、光強度変調器３とで構成された光マイクロ波発生器４により、周波数がｆ２の信号光５と、周波数が（ｆ１＋ｆ２）の参照光６の２つの光信号が生成され、一つの出力端に多重化して出力される。出力された２つの光信号は、光ファイバ７ａを介して空間に放射され、集光レンズ８ａを介して光分配器９に入力する。前記光分配器９は、ハーフミラー１０と光フィルタ２９から構成されている。２つの光信号は、まず、ハーフミラー１０を通過し光フィルタ２９に入力する。光フィルタ２９は、参照光６の周波数（ｆ１＋ｆ２）のみを通過させ、信号光５の周波数ｆ２は、遮断するよう制御されるため、遮断された信号光５のみがハーフミラー１０側へ反射されて空間光強度変調器１２側に伝送される。
【００２８】
前記空間光強度変調器１２では、実現したいアンテナビームパターン形状やビーム走査位置をイメージ画像としてビーム走査及びビーム形状命令部１３から前記空間光強度変調器１２に与えておくことで、投影された信号光５の振幅は、イメージ画像の形状や位置に応じて空間的に変調され、フーリエ変換レンズ１４側に入力される。フーリエ変換レンズ１４に入力された信号光５は、逆フーリエ変換されて、アンテナビームパターンのアンテナ開口分布に対応した開口分布となる光信号１５に変換される。
【００２９】
本装置においては、実施の形態１と同様に、光分配器９の信号光５の出力先に光分配手段１６ａが設けられており、そこで信号光５の一部が分配され、集光レンズ８ｂと光受光部１７ａ、さらに光ファイバ７ｂを介して光強度計１８ａに入力される。前記光強度計１８ａで計測される振幅強度レベルは、前記光分配手段１６ａの直前に設けられた光分配器９より出力される信号光５の振幅強度レベルとなる。前記信号光５の振幅強度レベルの情報は、光強度モニタ伝送線１９ａを介して光源波長制御部３０に伝送される。
【００３０】
一方、前記光分配器９内の前記光フィルタ２９を通過した前記参照光６は、ビーム拡大レンズ２１で開口分布となる光信号１５と同等なビーム幅に拡大された後、ミラー２２で反射され、その先にある光合成器２３で前記開口分布となる光信号１５と合成される。その際、ビーム拡大レンズ２１の直前に設けられた光分配手段１６ｂで参照光６の一部が分配される。その後、集光レンズ８ｃと光受光部１７ｂ、さらに光ファイバ７ｃを介して光強度計１８ｂに入力される。前記光強度計１８ｂで計測される振幅強度レベルは、前記光分配手段１６ｂの直前に設けられた光分配器９より出力される参照光６の振幅強度レベルとなる。前記参照光６の振幅強度レベルの情報は、光強度モニタ伝送線１９ｂを介して前記光源波長制御部３０に伝送される。
【００３１】
上記光源波長制御部３０は、光強度モニタ伝送線１９ａと光強度モニタ伝送線１９ｂとから送られる各々の振幅強度レベルがアンバランスならば、波長可変型光源２８の波長を制御して信号光５と参照光６の周波数をシフトさせ、温度や湿度、振動の周囲環境による波長可変型光源２８の出力不安定、各光部品材料の伸縮等で発生する前記光フィルタ２９との帯域のずれを補正し、所望な振幅強度レベルのバランスを得る。
【００３２】
信号光５と参照光６の振幅強度レベル調整方法については、実施の形態１と同様である。
【００３３】
従って、実施の形態２によれば、安価な光フィルタを用いることで低コスト化が図れる。また、実施の形態２では、周囲環境変化による波長変動を波長可変型光源２８で調整し、或る一定の波長に留める方式のため、波長に対して最適距離が変化する集光レンズの焦点距離などは、周囲環境変化に依存することなく、常に最適な集光度を保つことが可能となり、耐環境性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明の実施の形態１に係る光制御型アレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る光制御型アレーアンテナ装置の信号光と参照光の合成効率を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る光制御型アレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  光源、２  マイクロ波信号源、３  光強度変調器、４  光マイクロ波発生器、５  信号光、６  参照光、７  光ファイバ、８  集光レンズ、９  光分配器、１０  ハーフミラー、１１  光帯域可変フィルタ、１２  空間光強度変調器、１３  ビーム走査及びビーム形状命令部、１４  フーリエ変換レンズ、１５  開口分布となる光信号、１６  光分配手段、１７  光受光部、１８  光強度計、１９  光強度モニタ伝送線、２０  フィルタ制御部、２１  ビーム拡大レンズ、２２  ミラー、２３  光合成器、２４  ファイバアレー受光部、２５  複数の光マイクロ波変換器、２６  複数のマイクロ波線路、２７  複数のアンテナ素子、２８  波長可変型光源、２９  光フィルタ、３０  光源波長制御部。
【図１】
2008211496.tif 000003
【図２】
2008211496.tif 000004
【図３】
2008211496.tif 000005