JP4563815B2 - 光学的および周波数走査アレイ - Google Patents

Description

本発明はアンテナ、特にアクチブアレイアンテナ用のトランシーバに関する。

アクチブアレイレーダーシステムはミサイルターゲット追跡、空港管制制御、航空機誘導、地上マッピングシステムを含む種々の要求されている応用で使用される。このような応用は正確にターゲットを検出し追跡する確実で効率的で価格が適切なレーダーシステムを要求している。

ターゲット検出および追跡の正確性を強化するため、レーダーシステムはしばしば高周波マイクロ波またはミリメートル波を使用する。しかしながら、ミリメートル波または高周波マイクロ波は特にアンテナ素子の導波管給電体中で過剰な信号損失を生じる。これらの損失は付随するレーダーシステムの総合的なターゲット検出および追跡能力を減少するおそれがある。

小さいミリメートル波は小型のコンポーネントおよび近接したコンポーネント間隔を有する比較的複雑なアクチブアレイを必要とする。アンテナアレイ素子を給電するために使用される導波管は小さいアクチブアンテナアレイ素子に関してかさばっている。これは不所望な設計制約をアクチブアレイレーダーシステムに課す。

通常、アクチブアレイはアレイに与えられる信号の選択的な位相シフトを含むビーム指向技術により操縦される。これらの技術はしばしばアクチブアレイ素子毎に位相シフタを必要とする。残念ながら、位相シフタはしばしば損失があり、小さいミリメートル波アンテナ素子に関して大型である。素子毎の大型の位相シフタを設けることはアンテナアレイに不所望な設計制約を課すことになる。

代わりに、蛇行無線周波数導波管給電体が位相シフタの代りに使用される。所望の位相シフトは蛇行給電体の戦略的位置にタップを位置させることによって実現される。異なるタップからの放射はタップの間隔と入力周波数に応じて異なる位相を有する。残念ながら、これらの蛇行給電体は複雑でバルクであり、損失があり望ましくない。さらに、蛇行フィードおよび／または位相シフタを使用する通常のレーダーシステムは方位角と高低角の両者でレーダーアンテナを走査または操縦するために別々の送信／受信モジュールのセットを必要とする。過剰な送信／受信モジュールは容積を増加させ、付加的なレーダー設計制約を課す。

大型で損失のあるアンテナ給電体および位相シフタの必要性をなくす効率的なアクチブアンテナレーダー設計が技術で必要とされている。さらに、通常の位相シフタを必要とせずに、同一の送信／受信モジュールのセットで方位角と高低角において走査されることのできるアクチブアレイレーダーが必要とされている。

技術の要求は本発明のアンテナアレイを走査するシステムにより解決される。図示の実施形態では、システムはアクチブレーダーアレイシステムで使用するためのものである。そのシステムは予め定められた周波数で発振する光信号を発生する第１の機構を含んでいる。第２の機構は予め定められた位相関係を有するフィード信号を操縦するアンテナビームを得るために光信号を使用する。第３の機構はフィード信号を受信し、それに応答して対応する送信信号をアンテナアレイに放射する。

さらに特別な実施形態では、送信信号はマイクロ波周波数信号であり、第１の機構は周波数同調可能な光発振器を含んでいる。光信号は無線周波数信号で変調された光搬送波である。光発振器は遅延線を介して検出器へ通過する光フィードバック信号を含んでいる。検出器は光フィードバック信号を無線周波数フィードバック信号へ変換し、それは光発振器の光変調器にフィードバックされる。光変調器は光発振器の出力を提供する。

第１の機構は、第２の機構の第１の光マニホルドと第２の光マニホルドとをそれぞれ供給する第１の光発振器と第２の光発振器を含んでいる。システムが位相走査または方位角走査しているとき、第１の光発振器と第２の光発振器は制御装置から受信された制御信号に応答して予め定められた周波数オフセットを有する周波数で相互に追跡する。

第１の光発振器により発生された第１の周波数と、第２の光発振器により発生された第２の周波数との関係は、方位角のような所定のディメンションでアンテナアレイを走査するとき、第１の周波数と第２の周波数の混合が一定の出力周波数を発生するような関係である。したがってアンテナが放射した周波数はアンテナの走査周波数である第１の周波数の変化から独立して、一定の状態を維持する。

第１の光マニホルドは異なる長さの光フィードを介して第１の光発振器から出力された信号に遅延差を与える光フィードを含んでいる。結果的な異なる光遅延はアンテナ位相走査で必要とされる第３の機構の出力で漸進的な位相を発生する。光発振器の周波数の変化は異なる光遅延の漸進的な位相を発生することに注目すべきである。

第２の光マニホルドは等しい長さの光フィードを有するコーポレートフィードを含んでおり、それによって第２の光マニホルドを通過する光信号の周波数の変化は第１の光マニホルドを通過する信号を介して行われる方位角または高低角走査に影響しない。第２の光マニホルドはパルス圧縮またはその他の信号のコード化を助けるために第２の光マニホルドを通過する光信号の無線周波数変調へ選択的に位相コード化を付加するための光無線周波数位相シフタを含んでいる。

第３の機構は送信／受信モジュールを含んでいる。送信／受信モジュールは和および差無線周波数を出力するフォトダイオード検出器ミキサを含んでいる。送信／受信モジュールは和無線周波数を出力として選択するためのハイパスフィルタを含んでいる。

送信／受信モジュールは和周波数がアンテナアレイを操縦するための位相を提供し、受信信号のコヒーレントな加算を助けるために受信信号に与えられる位相を提供するように構成されている。第２の光マニホルドから出力された周波数は第１の光マニホルドに関連する走査に影響せずに変化されることができる。

図示の実施形態では、走査システムはそれに応答して和レーダー受信信号を提供するために受信信号をコヒーレントに加算する和マニホルドを含んでいる。レーダーシステムはさらにレーダーシステムにより使用されるため、和レーダー受信信号をデジタル信号に変換するためのアナログデジタル変換器を含んでいる。

好ましい実施形態では、アンテナアレイは連続的なトランスバーススタブアクチブアンテナアレイである。制御装置はアレイをビーム操縦するためにアクチブアレイフィードの漸進的な位相を制御するように光発振器から出力された周波数を選択的に変化するための制御信号を発生する。

システムは変性高エネルギ移動度トランジスタ（ＭＨＥＭＴ）を含んでいる送信／受信モジュールを含んでいる。送信／受信モジュールは送信と受信との間で送信信号を切換えるための１以上のマイクロ電子機械スイッチを含むことができる。

本発明は光コンポーネントを有する同調可能なマイクロ波周波数を発生する。第２の機構の第１のマニホルドおよび光学的な第２のマニホルドを介して構成される特有のフィードにより、本発明の教示にしたがって構成されたレーダーシステムが１組の送信／受信モジュールを有する方位角および高低角の両者で連続的なトランスバースのアクチブアレイアンテナを効率的に操縦することが可能である。第１の光マニホルドは通常のかさばった位相シフタの必要をなくすためにファイバ出力間で差遅延と適切な漸進的な位相関係を実行するために異なる長さの光ファイバを使用することにより方位角での走査を容易にする。第２の光マニホルドは等しい長さである第２の光マニホルドファイバから出力された周波数を変化することによって高低角での走査を容易にする。第１および第２の光発振器により第１および第２の光マニホルドに入力される周波数を選択的に調節することにより、アンテナは走査され、即ち所望のアンテナ出力周波数を維持しながら方位角のような所定のディメンションでビーム指向または操縦されることができる。大きいマイクロ波導波管の代りに比較的小さい光コンポーネントの使用と、かさばった位相シフタおよび付加的な送信／受信モジュールの省略を可能にする本発明の光フィードの特有の設計は効率的で、確実で、コンパクトで多能性のアクチブアレイレーダーシステムを生成する。

本発明を特定の応用のための図示の実施形態を参照してここで説明するが、本発明はそれに限定されるものではないことを理解すべきである。当業者は付加的な変更、応用、実施形態をその技術的範囲および本発明が非常に有用である付加的な分野で認識するであろう。

図１は本発明の教示にしたがって構成された光子周波数走査されたアクチブアレイレーダーシステムを示す図である。明白にするために、電源、冷却システム等の種々のよく知られたコンポーネントは図面から省略されている。しかしながら、当業者は所定の応用の要求を満たすために、どのようなコンポーネントを使用し、どのようにして構成するかについてはよく知っているであろう。

レーダーシステム10は制御装置／信号プロセッサ14と通信するプラットフォームインターフェース12を含み、制御装置／信号プロセッサ14は表示装置16と通信する。制御装置／信号プロセッサ14は第１の光発振器18および第２の光発振器20と通信する。制御装置／信号プロセッサ14はまた制御入力をｎ個の送信／受信（Ｔ／Ｒ）モジュール22とレーザ24へ与える。ｎ個のＴ／Ｒモジュール22はｎ個の対応するアンテナポート28を介してアクチブアンテナアレイ26へ信号を送信し、そこから信号を受信する。

本発明の特別な実施形態では、アクチブアンテナアレイ26は連続的なトランスバーススタブ（ＣＴＳ）アンテナアレイであり、これは技術で知られ、レイセオンカンパニーから購入されることができる。ＣＴＳアンテナは米国特許第5,266,961号明細書（発明の名称“CONTINUOUS TRANSVERSE STUB ELEMENT DEVICES AND METHODS OF MAKING SAME”）に十分に説明されており、ここで参考文献とされている。

レーザ24は光搬送波として使用するためにレーザビームをスプリッタ30に供給する。スプリッタ30はレーザビームを第１の光発振器18と第２の光発振器20へ出力し、これらは送信マニホルド36のそれぞれ差マニホルド32とコーポレートマニホルド34へ入力として与えられる。差マニホルド32はｎ個の異なる入力をｎ個の対応するＴ／Ｒモジュール22へ提供する。同様に、コーポレートマニホルド34はｎ個の等しい入力をｎ個の対応するＴ／Ｒモジュール22へ提供する。

受信マニホルド38はｎ個の異なる入力をｎ個の対応するＴ／Ｒモジュール22から受信し、ｎ個の対応する入力を受信信号加算器44へ提供する。受信信号加算器44は入力をアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器46へ提供し、これは制御装置／信号プロセッサ14への入力を提供する。

動作において、レーザ24は光スプリッタ30を介して第１および第２の発振器18、20へ光搬送波を与える。第１および第２の光発振器18、20は制御装置／信号プロセッサ14から受信された制御情報に基づいて、光搬送波を無線周波数（ＲＦ）またはミリメートル波信号で変調する。制御装置／信号プロセッサ14は当業者により構成されることができるか技術において他の方法で既に知られているコンピュータを動作させる種々のソフトウェアにより動作される。

第１および第２の光発振器18、20は変調された光信号を光送信マニホルド36の差マニホルド32およびコーポレートマニホルド34へそれぞれ与える。レーダーシステム10が方位角でアンテナアレイ26を操縦しているとき、即ちアンテナアレイ26の方位角走査を実行しているとき、第１および第２の光発振器18、20の出力は周波数において相互に追跡する。第２の光発振器20から出力された変調された光信号の周波数は第１の光発振器18から出力された周波数から予め定められた量だけオフセットされる。

第１および第２の光発振器18、20から出力された変調された光信号の周波数は、第１の光発振器18から出力された周波数が方位角走査のために調節されるときでさえも、所望の総周波数がアンテナアレイ26から放射されることができるように調節される。差マニホルド32の出力における位相変化を与えるために、第１の光発振器18により出力される第１の光信号の変調周波数を調節することによるアンテナアレイ26の走査はまた位相走査とも呼ばれている。

変調された光入力信号を第１の光発振器18から受信する差マニホルド32は変調された光入力信号を異なる長さをそれぞれ有する光ファイバのような複数の光導波体へ供給する。その長さは、漸進的な位相関係が、本発明の説明では差フィードと呼ばれる異なる光導波体から出力された信号間に存在するように選択される。変調された光入力信号の周波数がビーム指向へ変化されるとき、即ち制御装置／信号プロセッサ14から受信された制御信号に応答してアクチブアレイ26の出力を走査するとき、漸進的な位相関係が維持される。技術でよく知られているように、このような漸進的な位相関係はアンテナアレイの走査に必要とされる。アレイの操縦において、アンテナ素子により放射または受信される信号の相対的位相は実効的なビーム指向方向を制御する。指向角度、素子分離、搬送波周波数（波長）に関する位相シフトの計算式は次式で示される。
θ_ｎ＝（２πｄ ｓｉｎ（ｎ−１））／λ [１]
ここでλは励起信号の波長であり、ｃ／ｆに等しく、θ_ｎは素子ｎの位相シフトであり、ｎは１からｍまで変化する整数であり、ｍは放射素子の数であり、ｃは空気中の無線周波数信号の速度であり、ｆは励起信号の周波数である。各位相シフタはその対応するアンテナ素子へ信号を提供し、そこから信号を受信する。指向角度は適切な位相シフトを各位相シフタにおける送信および受信信号へ与えることにより設定される。ＲＦ（無線周波数）波頭は各アンテナ素子から送信された、またはそこで受信された信号が位相において一線に並ぶラインを表している。ビーム指向方向はＲＦ波頭に垂直である。ビーム指向方向およびＲＦ波頭はアンテナ素子の平面、即ちアレイの広い側またはボアサイトに関するビーム指向角度θを規定する。実効ビーム指向角度は信号がアレイの素子により送信または受信されるときに適切な位相シフトを信号に与えることによって送信および受信信号に対して設定される。前述の式を使用して計算される位相シフトは各放射素子の位相が１からｍまで変化する整数ｎによりインクリメントされるので漸進的な位相シフトである。

以下、ＣＴＳアンテナのためのアンテナビーム指向を、各Ｔ／Ｒモジュールからの漸進的な位相を使用する方位角走査について説明する。高低角ビームの操縦はビーム操縦を行うために漸進的な位相を発生するように周波数の使用により行われる。類似のビーム操縦は、方位角ディメンションが高低角ディメンションになるようにＣＴＳが回転されるならば、行われる。

差マニホルド32を介して構成されるｎ個の差供給信号はｎ個のＴ／Ｒモジュール22のそれぞれへのｎ個の対応する入力として供給される。ｎ個の入力のそれぞれはＣＴＳアンテナアレイ26の方位角走査に必要な漸進的な位相関係を設定するために必要とされる。Ｔ／Ｒモジュール22の数、差フィードの数、コーポレートフィードの数に対応するアンテナアレイ素子の数ｎは用途特定であり、所定の応用の要求を満たすために当業者により決定される。

コーポレートマニホルド34は第２の光発振器20から入力を受信し、入力をｎ個のコーポレートフィードへ分割する。ｎ個のコーポレートフィードは同一の長さを有し、ｎ個のコーポレートフィードの出力で同一の位相を生じる。ｎ個のコーポレートフィードの出力はｎ個のＴ／Ｒモジュール22のそれぞれへの入力を提供する。

ｎ個のＴ／Ｒモジュール22は差マニホルド32とコーポレートマニホルド34からの入力を検出して混合するために使用されるミキサ、フィルタ、増幅器等を含んでいる。Ｔ／Ｒモジュール22はマニホルド32、34から受信された光信号を検出し、即ちマイクロ波信号へ変換し、それらはアンテナアレイ26を介して送信するための処理をするためにアンテナポート28へ与えられ、放射ポート48から送信する。アンテナアレイ26の開口はページから外方向を向いている。種々のアンテナアレイ素子はアンテナポート28により供給され、進行波フィードとして機能をし、各放射ポート48から特定の量の放射を行う。

Ｔ／Ｒモジュール22はまた受信された信号を中間周波数（ＩＦ）またはベースバンド信号へ混合して下方変換するために送信周波数を使用するミキサを含んでいる。ＩＦまたはベースバンド信号はその後、受信マニホルド38へ入力される。受信マニホルド38は受信された信号をコヒーレントに加算するように処理するために増幅器、利得制御回路等の回路を含んでいる。受信マニホルド38の正確な詳細は用途により特定され、所定の応用の要求を満たすために当業者により決定されることができる。受信マニホルド38は本発明の技術的範囲を逸脱せずに省略されることができる。

受信信号加算装置44はコヒーレントにｎ個のＴ／Ｒモジュール22から出力された受信信号に対応するｎ個の受信信号を加算する。結果的な和信号はＡ／Ｄ変換器46を介してデジタル信号へ変換されるアナログ信号である。Ａ／Ｄ変換器46はその後、デジタル受信信号を制御装置／信号プロセッサ14へ入力として提供する。

制御装置／信号プロセッサ14はディスプレイ16によりターゲット情報を表示するためにＡ／Ｄ変換器46からの入力を使用できる。制御装置／信号プロセッサ14はまたプラットフォームインターフェース12へターゲット情報を提供する。さらに、制御装置／信号プロセッサ14はアンテナアレイ26のビーム指向のためのアルゴリズムに対する入力としてＡ／Ｄ変換器46から得られた受信信号情報を使用できる。

ビーム指向のため、即ち方位角におけるアンテナアレイ26の走査または操縦のために、制御装置／信号プロセッサ14は光発振器18の変調周波数を調節し、それは差マニホルド32の差フィード出力間の位相関係を変化する。差マニホルド32の差フィードの長さの差は予め定められ、進行性であるので、位相関係は周波数と共に予測可能に変化する。差Ｔ／Ｒモジュール22へ入力される信号の位相の変化はアンテナアレイ26から出力されたマイクロ波またはミリメートル波の電磁エネルギの結果的なビームに対応する変化をもたらす。

第２の光発振器20から出力された変調周波数は第１の光発振器18の出力の変調周波数を追跡する。差マニホルド32の差フィードとコーポレートマニホルド34のコーポレートフィードは調節された変調周波数を有する信号をＴ／Ｒモジュール22へ供給する。Ｔ／Ｒモジュール22は光送信マニホルド36からの光信号をマイクロ波信号に変換し、それは第１の光発振器18から出力された変調周波数の変化に対応する予め定められた量だけ方位角においてアンテナアレイ26を走査する。

第１の光発振器18により出力された周波数（第１の周波数）と第２の光発振器20により発生された周波数（第２の周波数）は、アンテナアレイ26を方位角で走査するとき、第１の周波数と第２の周波数の混合がアンテナアレイ26から一定の出力周波数を発生するように設定されている。結果として、アンテナが放射した周波数は第１の周波数の変化と無関係に一定の状態であり、これは選択的に方位角で走査するように調節される。

アンテナアレイ26はコーポレートマニホルド34により出力された信号の変調周波数を選択的に調節することによって高低角で走査される。コーポレートマニホルド34により出力された信号の変調周波数は第２の光発振器20を介して制御装置／信号プロセッサ14によって調節される。アンテナアレイ26を高低角で走査するとき、アンテナアレイ26からの出力放射全体の周波数は第２の発振器20からの周波数を変化することにより変化される。

当業者はアンテナアレイ26が差マニホルド32とコーポレートマニホルド34を介してそれぞれ部分的に実行される高低角と方位角の走査を切換えるために回転されてもよいことを認識するであろう。本発明の目的で、用語、方位角と高低角はそれぞれ水平および垂直のディメンションのような２つの異なるアンテナディメンションを指している。これらのディメンションは本発明の技術的範囲を逸脱せずに交換されてもよい。用語、高低角の例は用語、方位角と置換されることも、その逆も可能であり、本説明は適用可能である。

本発明は米国特許第5,933,113号明細書に記載されているものに関連するあるアンテナ走査方法を使用する。しかしながら、この特許明細書に開示されているレーダーシステムは高周波数マイクロ波またはそこで変調されたミリメートル波を有する光信号を発生するために電圧同調された光発振器を使用していない。

レーダーシステム10は光ファイバマニホルド32、34と、電気信号マニホルド（Ｔ／Ｒモジュールの出力）22を介して高いマイクロ波周波数で連続的な横方向のアクチブアレイ26を使用してビーム操縦を行い、電気信号マニホルド22はアクチブアレイ26に光ファイバの電圧同調可能なマイクロ波発振器ソース18、20からの入力を供給する。レーダーシステム10は方位角および高低角の両者で位相走査を行うために周波数走査されることができ、通常の個々の位相シフタを必要としない。両方の場合に、周波数走査は位相走査（またはビーム指向）を獲得するために使用されることが理解されるべきである。周波数走査はＣＴＳアンテナでの高低角位相走査を得るために使用される技術とは異なる技術で方位角で位相走査を行う。

第１および第２の光発振器18、20の周波数はアレイ26をビーム操縦するためにアレイマニホルドアンテナフィード（Ｔ／Ｒモジュールの出力）22に漸進的な位相を発生するように制御装置／信号プロセッサ14からの制御信号に応答して変化される。レーダーシステム10は適切な場合に、変性高エネルギ移動度トランジスタ（ＭＨＥＭＴ）とマイクロ電子機械（ＭＥＭＳ）技術を含んでもよい。Ｔ／Ｒモジュール22は受信信号を下方変換するのに必要とされる信号を提供するため送信信号を使用する。

このレーダーシステム10はアンテナのフィードの損失を減少し、コンポーネントのサイズを減少するために多数の異なる技術を使用し、これはアンテナシステムの設計の制約を減少させる。その技術は光送信マニホルド36の使用を含んでおり、これは無視できる程度のファイバマニホルド損失を示し、通常の導波管アンテナフィードに関して小さい。光周波数ソース（光発振器）18、20と、ＣＴＳアンテナアレイ26を操縦するための光マニホルド32、34の使用は本発明により与えられる種々の前述の利点を生じる。

レーダーシステム10は光子的に周波数が発生されて走査されたアクチブアレイレーダーシステムである。ＣＴＳアンテナアレイ26は高いパワー送信信号と低い雑音の受信信号の典型的なアクチブアレイＴ／Ｒ機能を提供する送信／受信（Ｔ／Ｒ）モジュール22を有するが、送信および受信の一方でビーム操縦するための位相シフタをもたない。ビーム操縦は２つの光発振器18、20により供給され、これは２つの光マニホルド32、34へ供給される。Ｔ／Ｒモジュール22の出力は受信マニホルド38中で走査され、アンテナアレイ26は制御装置／信号プロセッサ14を介して制御され、これは制御マニホルドを介して実行されることができる。受信されたマニホルド38の出力は受信信号加算器44により加算され、和受信信号を形成するために走査され、その後Ａ／Ｄ変換器46でデジタル化され、制御装置／信号プロセッサ14に転送され、その後ディスプレイ16に転送される。

アクチブアレイレーダーシステム10の個々のコンポーネントは技術で知られている。結果として、レーダーシステム10は過度の実験をせずに、本発明を使用して当業者により構成されることができる。

図２は、図１のアクチブアレイレーダーシステムの光発振器18、20および光送信マニホルド36を示すさらに詳細な図である。アンテナアレイ26はｎ個のモジュール22からの入力により給電される。各Ｔ／Ｒモジュール22は、光送信マニホルド36の差マニホルド32からのｎ個の入力のうちの１つと、コーポレートマニホルド34からのｎ個の入力のうちの１つを受信する。

差マニホルド32は、第１の光発振器18からの光入力を異なる長さのｎ個の光導波体フィード52へ分割する第１の光スプリッタ50を含んでいる。光導波体フィード52はそれらの長さが方位角走査に必要なフィード出力間の必要とされる漸進的な位相関係を実現するのに必要とされる少量だけ異なるため、差フィードと呼ばれる。第１の光発振器18から入力された第１の光信号の周波数の変化は差フィード52の位相を変化し、それによって方位角についてアンテナアレイ26を操縦する。

コーポレートマニホルド34は、第２の光発振器20からの光入力を等しい長さのｎ個の光導波体フィード56へ分割する第２の光スプリッタ54を含んでいる。光導波体フィード56はそれらの長さが等しいため、コーポレートフィードと呼ばれる。第２の光発振器20から出力された第２の光信号の周波数の変化は差マニホルド32により行われる方位角走査に影響しない。

本発明はその位相を変化するように同調された電圧であるＲＦ位相シフタを使用して同調された周波数である１以上の光発振器18、20を使用する。（ＲＦ位相シフタのない）関連する光発振器は文献（“Optoelectronic Microwave Oscillator”、X. S. Yao、L. Maleki、J. Optial Society of America出版、13巻、No.8、1996年８月、1725〜1735頁）に記載されている。本発明の教示により、当業者は余分な実験をせずに光発振器18、20を構成することができる。

本発明により使用される特別な光学的外部変調器を構成するため、X. S. YaoとL. Malekiによる先に参照した文献に説明されている光変調器は、文献（“Demonstration of a Photonically Controlled RF Phase Shifter”、S. S. Lee、A. H. Udupa、H. Erlig、H. Zhang、Y. Chang、C. Zhang、D. H. Chang、D. Bhaltacharay、B. Tsap、W. H. Steier、L. R. Dalton、H. R. Felterman、IEEE Microwave and Guided Wave Letters出版、９巻、No.9、1999年９月、357〜359頁）に記載されているＲＦ位相シフタのようなＲＦ位相シフタにより置換される。

先に参照した文献には本発明の教示にしたがって図２の特別な光学的な外部変調器60、74と光学的ＲＦ位相シフタ86の構成を容易にするため付加的な教示が詳細にされており、これらは技術で知られている。

図２の各特別な光学的変調器60、74は光学変調器と位相シフタを１つの光回路60、74で結合している。本発明の教示にしたがって先に参照した文献で説明している技術を組合わせることにより、当業者は余分な実験せずに、アクチブアレイレーダー10により使用する周波数同調可能な光発振器を構成できる。

第１の光発振器18は（前述の）第１の特別な光学的な外部変調器60、遅延線62、フォトダイオード検出器64、フィルタ66、ＲＦ増幅器68、随意選択的なＲＦ結合器70を含んでいる。第１の光増幅器72は光発振器18の特別な光学的な外部変調器60から出力された光信号を増幅する。第１の特別な光学的な外部変調器60は制御装置／信号プロセッサ14から入力された制御信号を受信し、スプリッタ30から入力された光搬送波信号を受信する。第１の特別な光学的な外部変調器60は出力を第１の遅延線62と光増幅器72へ提供する。第１の光増幅器72の出力は第１の光発振器18の出力を表し、光送信マニホルド36の第１の光スプリッタ50へ入力される。

第１の遅延線62の出力は第１のフォトダイオード検出器64への入力としてフィードバックされる。ＲＦ変調された電気信号を表す第１のフォトダイオード検出器64の出力はＲＦフィルタである第１のフィルタへ入力される。第１のフィルタ66の出力はＲＦの第１のＲＦ増幅器68へ入力され、その出力は第１の随意選択的なＲＦ結合器70へ入力される。第１の随意選択的なＲＦ結合器70はＲＦ電気出力を提供し、これは光発振器18の制御を助けるために制御装置／信号プロセッサ14へフィードバックされることができる。第１の随意選択的なＲＦ結合器70はまた第１の特別な光学的な外部変調器60へ入力を与える。

第２の光発振器20は第２の特別な光学的な外部変調器74、遅延線76、フォトダイオード検出器78、フィルタ80、ＲＦ増幅器82、ＲＦ結合器84、光学的ＲＦ位相シフタ86、第２の光増幅器88を含んでいる。第２の特別な光学的な外部変調器74は制御装置／信号プロセッサ14から入力を受信し、スプリッタ30から光搬送波入力を受信する。第２の特別な光学的な外部変調器74の出力は第２の遅延線76へ入力され、その出力は第２のフォトダイオード検出器78へ入力される。第２のフォトダイオード検出器78の出力はＲＦフィルタである第２のフィルタ80へ入力される。第２のフィルタ80の出力は第２のＲＦ増幅器82へ入力され、その出力は第２のＲＦ結合器84へ入力される。第２のＲＦ結合器の第１の出力は光学的なＲＦ位相シフタ86へ入力され、第２のＲＦ結合器84の第２の出力は第２の特別な光学的な外部変調器74へ入力される。光学的な第２のＲＦ位相シフタ86はスプリッタ30から光学的な搬送波信号を受信し、第２の光増幅器88への入力を与える。第２の光増幅器88の出力は第２の光発振器20の出力を表し、光送信マニホルド36のコーポレートフィード34の第２の光スプリッタ54へ入力される。

動作において、第１の光発振器18はスプリッタ30を介してレーザ24により与えられる光搬送波信号をミリメートル波信号のようなＲＦ信号で変調する。ＲＦ変調は制御装置／信号プロセッサ14から受信された制御信号に基づいて決定される。第１の特別な光学的な外部変調器60は制御入力における電圧の変化に応答する結合された電圧制御された変調器およびＲＦ位相シフタである。

本発明の特定の実施形態では、入力制御信号の電圧は選択的に変化され、それによって特別な光学的な外部変調器60の出力の位相を変化させる。光発振器18により出力される信号の変調周波数はその後、位相の変化に基づいて変化する。ＲＦ変調は遅延線62により促進され、これは第１の特別な光学的な外部変調器60から第１のフォトダイオード検出器64へ光出力の遅延されたバージョンを転送する。第１のフォトダイオード検出器64は第１の遅延線62の光出力を電気的なＲＦ信号へ変換する。電気的なＲＦ信号は第１のＲＦ結合器70を介して特別な光学的な外部変調器60へフィードバックされる前に、第１のフィルタ66と第１のＲＦ増幅器68により濾波され増幅される。第１の特別な光学的な外部変調器60からの光出力は差マニホルド32の第１の光スプリッタ50へ転送される前に第１の光増幅器72により増幅される。

第２の光発振器20は第１の光発振器18に類似して、第２の特別な光外部変調器74、第２の遅延線76、フォトダイオード検出器78、フィルタ80、ＲＦ増幅器82を介してＲＦ変調された光信号を発生する。しかしながら第１の光発振器18と異なって、第２のＲＦ結合器84はＲＦ変調された電気信号を光学的なＲＦ位相シフタ86へ出力し、これはスプリッタ30から入力された光搬送波を受信する。光学的なＲＦ位相シフタ86は光発振器20から出力されたＲＦ周波数を有する光搬送波への位相コード化のような特別な変調の付加を助ける。位相コード化はパルス圧縮を行うために使用され、これはレーダーシステム10の信号対雑音比を強加し、距離分解能および平均的な放射されるパワーを改良する。光学的なＲＦ位相シフタ86は位相コード化を容易にするために制御装置／信号プロセッサ14からの電圧入力を受信する。

光発振器18、20の個々のコンポーネントは技術で知られている。当業者は余分な実験をせずに光発振器18、20を構成できる。光発振器18、20は８０乃至１００ＧＨｚの間のＷ帯域を含むマイクロ波帯域を通して変調周波数を実現できる。

差フィード52およびコーポレートフィード56は最小の信号損失を示す空間的効率のよい光導波体52、56により一般的な大型で損失のある導波管構造を置換する。さらに、差遅延52の使用はかさばった位相シフタの必要性を避ける。さらに、単一の光レーザ光源24の使用は光搬送波を変調するＲＦ信号だけがＴ／Ｒモジュール28で混合することを確実にすることを助ける。さらに、コーポレートフィード56は付加的な位相コード変調がコーポレートフィードの出力に含まれることを可能にする。コーポレートフィード56の出力は方位角走査に影響しない。

コーポレートフィード56の長さは等しい。結果として、第２の光発振器20の変調周波数の変化によりコーポレートフィード56から出力された信号の変調周波数を変化することはコーポレートフィード56の出力で異なる相対的な位相を生じない。したがって第２の光発振器20に関連する第２の周波数は制御装置／信号プロセッサ14、第１の光発振器18、差マニホルド32を介して部分的に構成される方位角走査に影響せずに変化されることができる。これは位相コード化のような付加的な変調が第２の光発振器20の出力に付加されることを可能にする。

さらに、ＣＴＳアンテナアレイ26は第１の周波数とは無関係に第２の周波数を調節することにより方位角走査に影響せずに高低角で走査されることができる。方位角走査中に維持される固定した周波数オフセットまたは第１の周波数と第２の周波数の差は高低角で走査するときに維持される必要はなく、したがって放射される周波数は変化する。アンテナアレイ26のようなＣＴＳアクチブアンテナアレイがＣＴＳアンテナアレイ26により放射される周波数を変更することによって高低角で走査されることができることは技術でよく知られている。

コーポレートフィード56は本発明の技術的範囲を逸脱せずに、差フィード52で置換されることができる。しかしながら、この場合には、コーポレートフィードはアンテナを走査せずに周波数を変更できない。結果として、コーポレートフィードで行われる位相コード化または広帯域変調は方位角走査に影響する。

本発明の特定の実施形態では、光送信マニホルド36の出力に対応する光走査フィードは差フィード52とコーポレートフィード56に対応する２つの別々のセクションで構成される。これらのフィードセクション52、56はＣＴＳアレイ26をフィードし、方位角走査と高低角走査の両者を容易にする。

当業者はＣＴＳアンテナアレイ26が本発明の技術的範囲を逸脱せずに、通常のアクチブアレイと置換されることができることを認識するであろう。この場合には、アクチブアレイは高低角での走査を可能にするために付加的な光送信マニホルドを必要とする。

発振器18、20はそれらの光変調器（図示せず）の一部分として構成されるＲＦ位相シフタを介して発振器18、20の電圧周波数同調を可能にする特別な光学的な外部変調器60、74を使用する。発振器18、20は光搬送波のＲＦとしておよび電気的にＲＦ信号として周波数走査出力を与える。２つの発振器18、20はＣＴＳアンテナアレイ26をフィードし、方位角のような予め定められたディメンションで走査するときにアンテナ走査を行うため一定の周波数オフセットを有する周波数で相互に追跡するように電圧制御される。

第１の光発振器18は差遅延フィード52を通って供給される周波数を変化することによりアンテナ26の走査を容易にする。アレイ26の各Ｔ／Ｒモジュール22に対する異なる光遅延はアンテナアレイ位相走査に必要とされる漸進的なＲＦ位相を発生する。

第２の光発振器20は別の周波数をコーポレート光フィード56を介して各アレイＴ／Ｒモジュール22へ供給する。２つの発振器18、20は相互に追跡し、それによって差光フィード52の周波数が変化するときにコーポレート光フィード56の周波数は一定の周波数分離で追跡し、２つの周波数の混合は常に同一の出力周波数を発生する。結果として、アンテナが放射する周波数は常に同一であり、差光フィード52の走査周波数変化から独立している。

コーポレートフィード56としてフィード52、56の１つを使用すると、他のフィード52により行われる方位角走査に影響せずに、放射された周波数を変化するために信号周波数を使用することが可能である。したがって、ＣＴＳアレイ26を介して送信周波数を変化することにより、アレイ26は方位角走査から独立して高低角で周波数走査される。これはＣＴＳアレイ26の構成が高低角ビーム走査に使用されることのできる１つのディメンションで周波数走査能力を与えるためである。例示的な周波数走査技術は米国特許第5,933,113号明細書（発明の名称“SIMULTANEOUS MULTIBEAM AND FREQUENCY ACTIVE PHOTONIC ARRAY RADAR APPARATUS”）に記載されており、ここで参考文献とされている。

差フィード52間の基本的な差（デルタ）長は第１の発振器18が周波数を変化するとき走査を行い、それによって方位角においてアレイ26を操縦するための順次変化する位相値を発生する。図２の実施形態はサブアレイの使用を必要としない。しかしながらサブアレイは本発明の技術的範囲から逸脱せずに使用されることができる。当業者は所定の応用の必要性を満たすために余分な実験をせずにサブアレイおよび／または蛇行線を使用するために本発明の教示に適合する方法を知っているであろう。

単一のレーザ24はレーダーシステム10の全ての光回路18、20、36に供給するために使用される。これは光搬送波を変調したＲＦ信号だけがフォトダイオード検出器ミキサで混合され、異なるレーザ光源が使用される場合にさらに容易に生じる直接的な光信号混合を避けることを確実にする。

方位角アンテナ走査だけが必要とされるとき、２つの光マニホルド32、34は方位角周波数走査中に同一の周波数を放射しながら周波数走査を可能にするために相互に追跡する異なる周波数で動作される。高低角走査が所望されるとき、出力送信周波数は差マニホルド32で変化が追跡されずにコーポレートマニホルド34で周波数を変化することにより方位角周波数走査から独立して変化されることができる。

ＣＴＳアレイが使用されるとき、この送信周波数の変化は高低角においてアレイ26を操縦する。組合わされた方位角および高低角の走査では、光マニホルド32、34の周波数はこの二重走査を可能にするために制御されることができる。これはその入力周波数が変化されるときコーポレートマニホルド34がアレイの方位角の位相変化を生じないためである。

ＣＴＳアレイの使用は各マニホルドでＲＦ周波数を選択的に制御することにより２つの光マニホルド32、34を介して二重の方位角および高低角走査を容易にする。

ＣＴＳアンテナアレイ26の各フィードポート28は進行波フィードである高低角方向（図１の垂直方向26）で信号を発射し、この場合ＲＦエネルギはフィードに沿ってポートで放射され、各高低角放射ポート48間で等しい遅延が存在する。この高低角放射ポート間の一定のデルタ遅延により、漸進的な位相が発生され、したがって送信周波数の変化を使用して高低角アンテナ走査が得られる。

サブアレイを使用して通常の（ＣＳではない）アンテナアレイシステムで高低角走査を得るために、アレイ26は高低角走査を行うために各高低角サブアレイ間のマイクロ波位相シフタにより主要な高低角サブアレイに分割されることができる。各高低角サブアレイにはそれぞれマイクロ波位相シフタ（図示せず）を有する同一の方位角フィードが与えられている。

レーダーシステム10はアレイ26を操縦するために個々の位相シフタではなく光発振器18、20を使用して発生される周波数走査技術を使用する。光技術は電子的に走査されるアクチブアレイおよび機械的に走査されるアレイの現在実用されている構成にまさる利点を与える。さらに光走査は、サブアレイレベルで、光学および電気的技術の両者を使用して、結合された方位角走査を行うためにマイクロ波蛇行線を使用して走査される各サブアレイと結合されることができる。

図３は図２の差光送信マニホルドの別の実施形態32’の図である。代わりの差マニホルド32’はサブアレイと共に使用するように構成されている。本発明の別の実施形態では、図１および２のアンテナアレイ26はｋ個の２次サブアレイとして扱われ、各サブアレイはファイバの漸進的な長さ１乃至ｊにより生成される順次増加する位相により供給されたｊ個の素子を有する。

この別の差マニホルド32’は１次の光サブアレイフィード100を含んでおり、これは入力として図１および２の第１の光発振器18から第１の光信号を受信し、出力を全てのｋ個のサブアレイ102へ与える。１次の光サブアレイフィード100は光入力信号を異なる漸進的な長さのｋ個の導波体へ分割するスプリッタ（図示せず）を含んでいる。１次光フィード100からの異なる長さのファイバによりそれぞれ与えられる２次サブアレイ102がｋ個存在する。各ｋ個のファイバの長さは正確な位相をｋ個の２次サブアレイに提供するように長さが漸進的に増加しており、アレイを横切って連続的な漸進的に変化する位相を与える。

したがって、１次の光サブアレイフィード100のｋ個の導波体の長さはアンテナの方位角走査を容易にするために所望の漸進的に変化する位相関係が各光サブアレイフィード102の出力間で維持されるように調節される。その代りに、別のセットのｋ個の光サブアレイフィード（図示せず）の光導波体は全てコーポレートフィード周波数をアレイの全てのＴ／Ｒモジュールへ提供するために同一の長さを有する。このようなサブアレイの使用は大きいアレイを有する応用で有効である。

本発明の光サブアレイフィードは本発明の技術的範囲を逸脱せずに、光フィードの代りに蛇行線によって、または光フィードと蛇行線の組合わせにより構成されることができる。

図４は図１のアクチブアレイレーダーシステム26のＴ／Ｒモジュール22の一つのさらに詳細な図である。Ｔ／Ｒモジュール22は、送信路中に順次接続されているフォトダイオード検出器／ミキサ110、ハイパスフィルタ112、スイッチ114、高パワー増幅器116、スイッチ120を含んでいる。Ｔ／Ｒモジュール22はまた低雑音増幅器122、下方変換器ミキサ118、ビデオ増幅器124を含んでおり、これらも連続的に接続されている。ＭＥＭＳスイッチ114もまた下方変換器ミキサ118に接続されている。

フォトダイオード検出器／ミキサ110は入力として図１および図２における第１の光発振器18から第１の光信号を受信し、第２の光発振器20から第２の光信号を受信する。フォトダイオード検出器／ミキサ110は受信された光信号を混合し、ＲＦ変調された出力信号へ変換する。ＲＦ変調された出力信号は光入力の混合から生じる和および差周波数の両者を表している。光入力で変調されたＲＦ信号が比較的高い変調周波数であるために、結果的なＲＦ変調された信号の差周波数成分は和周波数成分に関して小さい。ハイパスフィルタ112は小さい差周波数成分を除去する。結果的な和周波数成分はスイッチ114へ入力される。スイッチ114はハイパスフィルタ112からの出力を２つの別々のパスへ分割し、その一方は高パワー増幅器116へのパスであり、他方は下方変換器ミキサ118へのパスである。和周波数成分信号は図１および２のアンテナアレイ26により受信される受信信号をコヒーレントに下方変換するために基準発振器信号として下方変換器ミキサ118により使用され、スイッチ120および低雑音増幅器122を介して下方変換器ミキサ118へ転送される。

スイッチ114の動作は図１の制御装置／信号プロセッサ14からの入力を経て制御されることができる。スイッチ114は図１の制御装置／信号プロセッサ14からの制御信号に応答して、ハイパスフィルタ112の出力を高パワー増幅器116または下方変換器ミキサ118の入力へ選択的に切換える。

高パワー増幅器116はスイッチ114から出力された和信号を増幅し、増幅された信号をスイッチ120へ転送する。スイッチ120は送信機能と受信機能との間でアンテナアレイのリソースを共有することを助けるデュプレクサまたはスイッチとして動作する。スイッチ120の動作は図１の制御装置／信号プロセッサ14から受信された制御信号により制御されることができる。

図１および２を参照して、高パワー増幅器116から出力される増幅された送信信号はアンテナアレイ26から送信するための処理をするために１つのアンテナポート28へ転送される。本発明の図示の実施形態では、スイッチ120は出力をアンテナアレイ26へ提供する。受信信号はスイッチ120でＴ／Ｒモジュール22に入り、そのスイッチ120は受信信号を低雑音増幅器122へ転送する。低雑音増幅器122は増幅された受信信号を生成するために入力信号を増幅する。増幅された受信信号は下方変換器ミキサ18と、スイッチ114により送信路から与えられる局部発振器信号とを介してベースバンドまたは適切な中間周波数（ＩＦ）へ下方変換される。下方変換器ミキサ118は信号に受信された信号の共役位相を与える。ミキサへ入力されるこの共役位相の信号は、送信と受信との間で光マニホルド（図１の36参照）中のＲＦ周波数を切換えることにより発生される。結果的なベースバンドまたはＩＦ信号は図１の受信マニホルド38へ転送される前にビデオ増幅器124により増幅される。

フォトダイオードミキサ／検出器110を介して入力光信号の検出および混合の両者を含む混合技術により、送信のためにアレイ26を操縦する位相の発生に使用される同一の光マニホルド36は図１の受信信号加算器44を介してコヒーレント加算を助けるために受信信号に与えられる共役位相の発生に使用されることができる。混合は受信のときに差周波数を得るために使用されるので、ミキサ110からの混合された位相は受信された信号を位相において加算させるのに必要な共役位相ではない。受信のときに正確な位相を得るために、スイッチ114から出力される発振器信号は正確な位相、即ち共役位相を発生するために送信と受信との間で周波数を調節され、それによって図１の受信信号加算器44から出力された和ＲＦ受信信号を得るために全ての受信された信号をコヒーレントに加算させる。コーポレートマニホルド34に関連する周波数はベースバンドビデオまたはＩＦへの混合に必要とされる正確な周波数値を得るように変更される。コーポレートマニホルド34は差マニホルド32により行われるアンテナ方位角走査に影響せずに、その周波数が変化されることができるので使用される。この周波数切換えは送信と受信との間、またはその逆で高速に行われることもできる。

図１の受信ベースバンドビデオまたはＩＦマニホルド（受信マニホルド）38は角度データが与えられることができるように方位角の和および差出力を有するように構成されることができる。また、動作されることのできる多数のＴ／Ｒモジュールが存在する。

動作されることのできる本発明の実効的な光コンポーネントと多数のＴ／Ｒモジュールによって、増幅器116、122、124は低いＲＦパワーで動作し、それは特に非常に高いパワー増幅器が実現するのに困難なミリメートル波周波数で有効である。

さらに、図２の光フィード52、56は蛇行導波体サブアレイフィードを伴ったサブアレイのフィードに使用されることができる。この場合、図４のＴ／Ｒモジュール22は周波数走査された、光学的に発生される漸進的な位相を各マイクロ波蛇行サブアレイ（図示せず）へ供給する。サブアレイＴ／Ｒモジュール22への光サブアレイフィードは各マイクロ波蛇行サブアレイ（図示せず）への漸進的な位相と共に使用される。周波数走査および両者のフィード（光サブアレイおよびマイクロ波サブアレイ蛇行）は全体のアレイの周波数走査が１つの周波数走査ソースを使用して生成されるように設計されている。周波数ソースは光学的または電気的である。

図４の本発明の実施形態では、Ｔ／Ｒモジュール22の増幅器コンポーネントは変性高エネルギ移動度トランジスタ（ＭＨＥＭＴ）技術を使用して構成されることができる。スイッチ114、120はマイクロ電子機械（ＭＥＭＳ）技術によって構成されることができる。

以上、本発明を特定の応用について特定の実施形態を参照してここで説明した。当業者は付加的な変更、応用、実施形態をその技術的範囲内で認識するであろう。それ故、特許請求の範囲は本発明の技術的範囲内において任意および全てのこのような応用、変更および実施形態をカバーすることを意図している。

本発明の考察にしたがって構成された光子周波数走査されたアクチブアレイレーダーシステムのブロック図。 図１のアクチブアレイレーダーシステムの光発振器および光送信マニホルドを示すさらに詳細なブロック図。 図２の差光送信マニホルドの別の実施形態のブロック図。 図１のアクチブアレイレーダーシステムの送信／受信モジュールのさらに詳細なブロック図。

Claims (1)

1. アンテナアレイ（26）を走査するシステム（10）において、
   周波数同調可能な第１および第２の光発振器（18、20）を具備し、予め定められた周波数で発振し光信号を発生する第１の機構（14、18、20、24）と、
   第１の光マニホルド（32）と第２の光マニホルド（34）とを具備し、前記光信号を使用して予め定められた位相関係を有するフィード信号を得るように構成されている第２の機構（32、34、50、52、54、56）と、
   前記フィード信号を受信し、それに応答して対応する送信信号をアンテナアレイ（26）に放射する第３の機構（22）とを具備し、
   前記第１の機構の第１および第２の光発振器（18、20）はそれぞれ光変調器（74）と検出器（64、78）と遅延線（62、76）とを具備し、前記光変調器（74）の出力信号の一部は光フィードバック信号として遅延線（62、76）を通って検出器（64、78）へ伝送され、検出器（64、78）はその光フィードバック信号を無線周波数フィードバック信号へ変換し、その無線周波数フィードバック信号は第１の光発振器（18）の光変調器（60）と第２の光発振器（20）の光変調器（74）にフィードバックされ、
   前記第１の機構の第１の光発振器（18）は前記第２の機構の第１の光マニホルド（32）をフィードし、前記第１の機構の第２の光発振器（20）は前記第２の機構の第２の光マニホルド（34）をフィードし、
   第１の光マニホルド（32）は複数の異なる長さの光フィード(52)を具備し、それによって信号に遅延差を与え、第２の光マニホルド（34）は複数の等しい長さの光フィード(56)を具備し、
   前記第１の機構の第２の光発振器（20）は、前記第２の光マニホルド（34）に供給される光信号を選択的に位相コード化するための光無線周波数位相シフタ（86）を具備し、
   前記第１および第２の光発振器（18、20）はアンテナアレイ（26）を走査するとき予め定められた周波数オフセットを有してそれぞれ周波数を追跡するように構成されていることを特徴とするシステム。

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