JPH1013145A - ロットマンレンズおよび光ヘテロダインシステムを使用するミリメートル波アレイ - Google Patents

ロットマンレンズおよび光ヘテロダインシステムを使用するミリメートル波アレイ

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JPH1013145A
JPH1013145A JP9046226A JP4622697A JPH1013145A JP H1013145 A JPH1013145 A JP H1013145A JP 9046226 A JP9046226 A JP 9046226A JP 4622697 A JP4622697 A JP 4622697A JP H1013145 A JPH1013145 A JP H1013145A
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array antenna
frequency
lens
laser light
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JP9046226A
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J J Lee
ジャー・ジェイ・リー
Willie W Ng
ウィリー・ダブリュ・ヌグ
Gregory L Tangonan
グレゴリー・エル・タンゴナン
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Raytheon Co
Original Assignee
Hughes Aircraft Co
HE Holdings Inc
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  • Optical Communication System (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、光ヘテロダインシステムを使用す
るミリメートル波(MMW)アレイアンテナで生じる問
題を克服すことを目的とする。 【解決手段】 ロットマン光レンズ54と、このレンズ54
の送信面周辺に配置された光周波数ω1 のn個のレーザ
56と、レンズ送信面の中心軸上に配置された光周波数ω
2 の中心レーザ56c と、それらレーザの放射する光エネ
ルギを受信するロットマンレンズ54の受信面に設けられ
たN個の光受信素子58と、各受信素子58と対応する検出
器素子62との間に接続されたN個の同一長の光ファイバ
60と、各検出器素子62の出力をアレイアンテナの対応す
るMMW放射素子70に接続する増幅器66と、光周波数ω
1 で動作するn個のレーザの1つを選択する選択装置52
とを備え、MMW周波数ω0 =ω1 −ω2 であり、特定
のレーザの選択によりアレイアンテナのビーム方向を決
定することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はミリメートル波(M
MW)アレイアンテナ、特にロットマン(Rotman)レン
ズおよび光ヘテロダインシステムを使用するアレイアン
テナに関する。
【0002】
【従来の技術】最も一般的なフェーズドアレイはアンテ
ナビームを操作するための各素子に対して位相シフタを
使用する。MMWでは、素子の間隔と許容誤差が非常に
厳密であるのでこれらはこのような個別のパッケージン
グ方法を不可能にするので個別に位相設定を制御するこ
とは実際的ではない。従ってMMWアレイでは、アレイ
のビーム走査を制御するための効率的な方法が研究され
ている。
【0003】ロットマンレンズは技術上よく知られてい
る。光ヘテロダイン技術も本質的に知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、放射源を生
成し、ビーム走査用の個別の位相設定を制御することに
よって通常の設計のMMWアレイアンテナで生じる幾つ
かの問題を克服すことを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】この目的は、光ヘテロダ
イン技術と、光学系とRFドメイン間の位相変換システ
ムを使用して達成される。必要な位相シフトは集合的に
波伝播により生成され空間供給システムで混合される。
したがって、微分位相シフトは光周波数ドメインで生成
され、それに続いて動作RF周波数に変換される。この
光子供給の利点は、(1)MMW波長に匹敵する小さい
寸法と、(2)アレイアンテナの高密度のパッケージン
グのためのファイバの特有のフレキシブル形態係数であ
る。さらに、この光ヘテロダイン方法は信号発生および
ビーム走査の効率的な技術を提供する。
【0006】放射源およびビーム走査制御を行う光ヘテ
ロダインシステムを使用するミリメートル波(MMW)
アレイアンテナはロットマン光学レンズを含んでおり、
このレンズは中心軸と、第1の光周波数で光エネルギを
放射するためレンズの送信側の中心軸に位置される中心
レーザと、第2の光周波数で光エネルギを放射するため
レンズの送信側周辺で間隔を隔てられているn−1個の
レーザ光源とを有する。アレイアンテナのMMW動作周
波数は第1、第2の光周波数間のビート周波数に等し
い。N個の光受信素子はレーザにより放射される光エネ
ルギを受信するためロットマンレンズの受信面に沿って
間隔を隔てられている。各レーザ光源はレンズを通って
全ての光受信素子を照射するように広い視野を有する。
【0007】N個の等しい長さの光ファイバが使用さ
れ、それぞれ1つの対応する受信素子に接続された第1
のファイバ端部と、対応する光検出器素子に接続された
第2の端部とを有する。各N個の増幅器は1つの光ファ
イバの対応する第2のファイバ端部に接続された入力
と、アレイアンテナの対応するMMW放射素子に接続さ
れた出力とを有する。選択装置は光源として動作するよ
うにn−1レーザの特定のものを選択するために設けら
れており、特定のレーザの選択はアレイアンテナにより
生成されるビーム方向を決定する。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明のこれらおよび他の特徴と
利点は添付図面で図示されているように例示的な実施形
態の以下の詳細な説明から明白になるであろう。放射源
およびビーム走査制御を行う光ヘテロダインシステムを
有するミリメートル波(MMW)アレイアンテナが本発
明の1例の実施形態として示されている。アレイは光供
給システムを使用し、(i)2つのレーザ光源の混合に
よりMMWを生成し、(ii)ロットマンレンズと光ファ
イバを通って放射素子のアレイへ信号源を分配し、(ii
i )光領域でビーム走査するために微分位相シフトを生
成し、(iv)入力ポートを切換えることによりビーム方
向を変化し、または(v)第2のレーザ光源の周波数を
変化することによりビームを走査する。
【0009】図1は本発明を実施し、送信モードで動作
しているMMWアレイシステム50の簡単化されたブロッ
ク図である。システム50は1:nスイッチ52とを有し、
ロットマンレンズはレンズの送信面54a上のn個のレー
ザ56と、レンズの受信面54b上のN個の光受信素子58を
含んでいる。レーザ56の数nは光受信素子58の数Nと同
数である必要はなく、典型的には異なっている。この実
施形態のロットマンレンズ54はシリコン基体で作られて
いる光用の高シリカ平面導波体である。このような光ロ
ットマンレンズの製造は例えば文献(“Design and Fab
rication of Integrated-Optics 8×8 Star Couple
r”、K. Okamoto、Electronics Letters 、27巻、No.
9、 774〜775 頁、1991年4月25日)で記載されている
ような光スターカプラの製造方法と類似している。
【0010】各レーザ56への制御入力は1:nスイッチ
52の出力ポートに接続されている。n個のレーザ56の任
意所定の時間に動作されるレーザを決定するために指令
入力信号がスイッチ52の入力ポートに与えられる(中心
レーザ56cはアレイシステムの動作期間では常に動作さ
れている)。各レーザ56の出力は光ファイバによりn個
のビーム入力ポート58aのうち1つの対応するものに結
合される。スイッチ52は1以上のレーザが所定の時間で
動作することを可能にするように構成され、それによっ
て多数の同時のビーム動作能力を与える。
【0011】各受信素子58bは等しいライン長のファイ
バ60によりピッグテール接続され、光検出器62で終端さ
れる。受信素子は入射光を集光しこれを光ファイバと光
検出器へ誘導するためガラスビードのような受信レンズ
レットであることが好ましい。フィルタ64と増幅器66は
レーザ周波数の合計のような不所望な信号成分をフィル
タで除去するために使用されてもよく、等しい長さのケ
ーブル72により各受信素子58に結合されているアレイ素
子70により放射される前に、各光検出器により発生され
たRF信号を増幅する。ケーブル72は開口接地平面74を
通過される。
【0012】送信面54上の各レーザ56は、中心軸54cに
位置されるレーザ56cを除いて、周波数(カラー)ω2
で光信号を放射する。受信素子58の間隔dxは公称上
0.5λ2 、即ちω2 の波長である。受信素子58の大き
さはこぼれ信号損失を最小にするためにこれらが相互に
接触するように選択される。いずれのレーザ56がスイッ
チ52により動作するように指令されるかに関係なく、中
心軸のレーザ54cは周波数(カラー)ω1 で基準信号を
放射し、連続的に動作する。2つのレーザは例えば赤外
線スペクトルでそれぞれ動作してもよく、それぞれの波
長は所望のMMW動作波長により相違している。各レー
ザ光源はレンズ54の受信面54b上の全ての受信ポート素
子58bを照射するため広い視野を有する。ビート周波数
ω2 −ω1はアレイアンテナの所望の動作RF MMW
周波数ω0 である。光検出器62はω0 のみに応答するよ
うに設計されており、レーザ出力の周波数には応答しな
い。
【0013】中心軸54cに関するあらゆるレーザ56のオ
フセット角度はθ´で示されている。ロットマンレンズ
54のプロフィール(曲率)は、中心に位置するレーザ56
cにより生成される受信面54bの照射が振幅および位相
で準均一であるように通常設計されている。しかしなが
ら、θ´のレーザ光源では準線形の漸進的な位相分布が
受信素子58を横切って存在する。θ´におけるこの光源
による2つの隣接素子58間の微分位相シフトは(2π/
λg)dx sinθ´により与えられ、ここでλgは
シリカ導波体の管内波長ω2 である。この光が中心レー
ザ56cからの光と混合されるとき、この位相分布は検出
器58に保持されるが、結果として生じる周波数は、混合
によるビート周波数ω0 である。このω0 はRF伝送の
周波数である。
【0014】この線形位相波面が開口に伝送され、広い
面から方向θで放射されるとき、放射素子間の微分位相
シフトは(2π/λo)Dx sinθであり、ここで
Dxは放射素子(70)間隔であり、動作RF周波数の波
長の約半分である。この位相シフトはレンズ54の位相シ
フトと同一であり、(2π/λg)dx sinθ´に
等しい。この条件から、ビーム走査角度θと、レーザの
オフセット角度間の関係は次式で得られることができ
る。
【0015】(sinθ/sinθ')=(εr
1/2 (ω2 /ω0 )dX/DX
【0016】ビーム方向はレーザの位置の変化、または
連続方法でレーザ2の周波数ω2 を変化することにより
切換えられることに注意すべきである。
【0017】RF周波数を安定するため、アレイ50はω
0 でマスター発振器90により駆動される位相ロックルー
プ(PLL)80を含んでいる。光検出器62の出力はRF
ミキサ92で基準となるマスター発振器90の出力と混合す
るように分岐され、DC出力は周波数ω1 でレンズ54の
中心に位置されるレーザ56cの周波数を同調するために
使用される。
【0018】図2で図示されているアレイシステム50の
受信モードでは、プロセスは逆にされる。放射素子70で
受信された信号はフィルタ120 によりフィルタ処理さ
れ、光信号変調器104 の変調信号入力に接続される前に
増幅器122 により増幅される。変調器104 は直接的な変
調器またはマッハツェンダー変調器のような間接的/外
部変調器である。図2で示されているように、ω2 で動
作する単一レーザ100 は放射素子70で受信されるRF信
号により変調されるように光源を供給する。光パワー分
割装置102 はこの光源からの光をN個の信号に分離し、
それぞれ1つ1つを各アレイ素子と各変調器104 に割当
てる。1組の等しいライン長のファイバ106 はRF変調
された光をN個のエミッタ108 へ供給し、これはロット
マンレンズの面54b上で均等な間隔で配置されたビード
レンズ素子である。集光的に、光波は光受信素子110 に
集束し、光受信素子110 はまた前述の式により決定され
たオフセット角度θ´で位置された面54a上にビードレ
ンズ素子を含んでいる。同様に、焦点は周波数ω2 を変
化することによって制御されることができる。RF信号
を検出するため、レンズの面54bの中心に位置する基準
レーザ光源112 は全ての受信素子110 を照射するために
使用され、それによって、混合されたビート周波数ω0
は各光受信素子に接続されている光検出器114 により検
出されることができる。同様に、安定性のため、位相ロ
ックループ120 はレーザ112 の周波数(カラー)を制御
するために必要とされる。光検出器114 の出力の一部分
は分岐され、ミキサ132 で基準となるマスター発振器13
0 の信号と混合され、レーザ112の周波数を同調するた
めに使用されるミキサ出力と混合される。光検出器114
の出力はアレイアンテナのMMW動作周波数であり、
1:nのRFスイッチ140 のn個の入力ポートに接続さ
れる。スイッチ制御ポート142 への指令入力は、RF出
力として生じる信号としてn個のうちのいずれかの光検
出器出力信号を選択する。特定の光検出器の選択は選択
された受信ビームの走査角度を決定する。
【0019】図3は受信モードの別の実施形態を示して
いる。ここで、アンテナ構造150 は、低雑音増幅器(L
NA)154 とミキサ152 が各放射素子70に対して含まれ
ている前端部を除いて図1の送信システム50と同一であ
り、同一の符号は同様の素子と同一であることを示すた
めに用いられている。送信の場合と同一方向、即ち図3
で示されているように0での平面波入射を受信するた
め、反対の共役位置0´に位置するレーザはビーム成形
回路網の出力ポートに沿って、即ち図3の例示の回路網
の増幅器66の出力で分配される周波数ω2 の線形に漸進
的な位相波面を生成するようにオンに切換えられる。こ
れらの信号はしたがって同一周波数ω0 で入来信号と混
合される。ミキサはω0 の情報をベースバンドへ低下さ
せる。全てのミキサ152 の出力を合計する簡単な合計装
置160 が受信機の最大出力を生成するようにミキサ152
の出力は全て同一である。この受信システムは入来波を
検出するために複素共役応答特性を発生する空間整合フ
ィルタとして動作する。
【0020】要約すると、説明した本発明はMMWアレ
イアンテナのコンパクトな光ビーム成形システムであ
り、放射源の生成および、シリカロットマンレンズで構
成されている光ヘテロダイン技術により走査されるビー
ムの制御のために設計されている。
【0021】本発明は光学的空間供給ロットマンレンズ
装置を使用するシステムに限定されない。例えば空間供
給レンズはN個の受信子に導かれるn個のソースのそれ
ぞれからの個別の光スプリッタおよびファイバと置換さ
れ、即ち限定された供給装置と置換されることができ
る。この代わりの方法は複雑性および寸法/容積が増加
する欠点を有する。本発明は光周波数ヘテロダインに限
定されるものではなくRF周波数のヘテロダインが実行
されることもできる。しかしこれは寸法/容量が増加す
る欠点がある。
【0022】前述の実施例は本発明の原理を表した可能
な特別の実施形態の単なる例示であることが理解されよ
う。他の装置は本発明の技術的範囲を逸脱することなく
当業者によりこれらの原理にしたがって容易に実行され
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を送信モードで実施したMMWアレイシ
ステムの簡単化されたブロック図。
【図2】受信モードで動作する図1のMMWアレイシス
テムの簡単化されたブロック図。
【図3】交互のアレイ受信モードシステムの簡単化され
たブロック図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H04B 10/00 H04B 9/00 Z (72)発明者 ウィリー・ダブリュ・ヌグ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91301、アゴーラ・ヒルズ、ウィローツリ ー・ドライブ 5748 (72)発明者 グレゴリー・エル・タンゴナン アメリカ合衆国、カリフォルニア州 93035、オックサンド、サンタ・ロサ 141

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 放射源およびビーム走査制御装置を構成
    するための光ヘテロダインシステムを使用するミリメー
    トル波アレイアンテナにおいて、 中心軸を有するロットマン光レンズと、 第1の光周波数で光エネルギを放射するためのレンズの
    送信面周辺に間隔を隔てて配置されているn個のレーザ
    光源と、 第2の光周波数で光エネルギを放射するための前記レン
    ズ送信面の中心軸上に配置された中心レーザ光源と、 前記レーザ光源により放射される光エネルギを受信する
    ためロットマンレンズの受信面に沿って間隔を隔てられ
    ているN個の光受信素子とを具備し、 アレイアンテナのミリメートル波動作周波数が第1、第
    2の光周波数間のビート周波数に等しくなるように前記
    第1、第2の光周波数が選定され、 前記第1の周波数で動作する前記n個の各レーザ光源
    と、前記第2の周波数で動作する前記中心レーザ光源
    は、前記レンズを介して全ての前記光受信素子を照射す
    るため広視野を有し、 さらにミリメートル波アレイアンテナは、 対応する1つの前記受信素子に接続された第1のファイ
    バ端部と、対応する検出器素子に接続された第2の端部
    とをそれぞれ有するN個の等しい長さの光ファイバと、 前記光ファイバのうちの1つの対応する第2のファイバ
    端部に接続された入力と、前記アレイアンテナの対応す
    るミリメートル波放射素子に接続された出力とを有する
    N個の増幅器と、 光源として動作するように第1の光周波数で動作する前
    記n個のレーザのうちの特定の1つを選択する選択装置
    とを具備し、前記特定のレーザの選択は前記アレイアン
    テナにより生成されるビームの方向を決定することを特
    徴とするアレイアンテナ。
  2. 【請求項2】 前記選択装置は、選択指令を受信する指
    令入力ポートと、n個の出力ポートを有するスイッチ装
    置を具備し、ここで前記選択指令は、前記ビーム方向を
    決定するために特定の瞬間に動作する前記n個のうちの
    1つのレーザ光源を決定する請求項1記載のアレイアン
    テナ。
  3. 【請求項3】 アレイアンテナのミリメートル波周波数
    を安定するための位相ロックループを含んでおり、この
    位相ロックループは、前記アンテナの所望の動作ミリメ
    ートル波周波数で動作する基準信号を与えるマスター発
    振器と、前記中心レーザ光源の制御入力に接続されたD
    C制御信号を与えるため前記光検出器からの出力と前記
    基準信号を混合し、それによって前記中心レーザ光源の
    出力を同調し、前記ミリメートル波周波数を安定させる
    ミキサ手段とをさらに具備している請求項1または2記
    載のアレイアンテナ。
  4. 【請求項4】 前記ロットマンレンズはシリコン基体上
    に形成された平面光導波体を含んでいる請求項1乃至3
    のいずれか1項記載のアレイアンテナ。
  5. 【請求項5】 前記受信素子は距離dxだけ間隔を隔て
    られており、ここで前記受信素子は距離dxにほぼ等し
    い寸法を有し、それによって受信素子はこぼれ信号損失
    を最小にするように相互に接触している請求項1乃至4
    のいずれか1項記載のアレイアンテナ。
  6. 【請求項6】 前記検出器素子は第1または第2の波長
    の光エネルギに応答せず、アレイアンテナの前記ミリメ
    ートル波動作周波数の入射エネルギにのみ応答する請求
    項1乃至5のいずれか1項記載のアレイアンテナ。
  7. 【請求項7】 ビーム走査制御を行うために光ヘテロダ
    インシステムを使用するミリメートル波アレイアンテナ
    において、 中心軸を有するロットマン光レンズと、 第1の光周波数で光エネルギを放射するためのレンズの
    送信面周辺に間隔を隔てて配置されているn個のレーザ
    光源と、 第2の光周波数で光エネルギを放射するための前記レン
    ズ送信面の中心軸上に配置された中心レーザ光源と、 前記レーザ光源により放射される光エネルギを受信する
    ためロットマンレンズの受信面に沿って間隔を隔てられ
    ているN個の光受信素子とを具備し、 アレイアンテナのミリメートル波動作周波数が第1、第
    2の光周波数間のビート周波数に等しくなるように前記
    第1、第2の光周波数が選定され、 前記n個のレーザ光源と中心レーザ光源は、前記レンズ
    を介して全ての前記光受信素子を照射するため広視野を
    有し、 さらにミリメートル波アレイアンテナは、 対応する1つの前記受信素子に接続された第1のファイ
    バ端部と、対応する検出器素子に接続された第2の端部
    とをそれぞれ有するN個の等しい長さの光ファイバと、 前記光ファイバのうちの1つの対応する第2のファイバ
    端部に接続された入力と、前記アレイアンテナの対応す
    るミリメートル波放射素子に接続された出力とを有する
    N個の増幅器と、 それぞれ対応する検出素子に接続する入力と、対応する
    ミキサ装置に接続する出力とを有するN個の増幅器と、 N個のミリメートル波受信アンテナ素子と、 対応する受信素子に接続された入力と、光検出器装置か
    らの対応する信号と混合するためにN個のミキサ装置の
    うちの対応する1つに接続された出力とを有するN個の
    低雑音増幅器と、 合計された出力を与えるために前記N個のミキサ装置の
    それぞれからの出力信号を合計する合計回路と、 光源として動作するように第1の光周波数で動作する前
    記n個のレーザ光源のうちの特定の1つを選択する選択
    装置とを具備し、前記特定のレーザ光源の選択は前記ア
    レイアンテナの受信ビームの方向を決定することを特徴
    とするアレイアンテナ。
  8. 【請求項8】 前記選択されたレーザ光源は前記検出器
    素子の出力に沿って線形に漸進的位相面分布を生成する
    ために前記受信素子を照射する請求項7記載のアレイア
    ンテナ。
  9. 【請求項9】 前記受信ビームの方向は前記中心軸に関
    して反対の共役角度位置にある請求項7または8記載の
    アレイアンテナ。
  10. 【請求項10】 前記受信素子は距離dxだけ間隔を隔
    てられており、ここで前記受信素子は距離dxにほぼ等
    しい寸法を有し、それによって受信素子はこぼれ信号損
    失を最小にするように相互に接触している請求項7、
    8、または9項記載のアレイアンテナ。
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