JP3830848B2 - Phase modulator - Google Patents

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JP3830848B2
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    • H01P1/20Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/2005Electromagnetic photonic bandgaps [EPB], or photonic bandgaps [PBG]

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶を利用した位相変調素子および位相変調装置に係り、特に、ミリ波帯またはマイクロ波帯の周波数を有する信号(以下、「ミリ波信号またはマイクロ波信号」という。)の位相を変化させることができる位相変調素子および位相変調装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、ミリ波信号またはマイクロ波信号を利用した無線システム、例えば、超高速無線ローカルエリアネットワーク、高速無線回線システム、ホームリンク、車車間通信システム等の開発が積極的に提唱されている。
【0003】
無線システムにおいてデータ伝送を行う一法として、位相変調がある。位相変調は、例えば位相変調装置を用いて行うことができる。種々のタイプの位相変調装置が知られているが、その中の1つに、液晶を利用したものがある。
【0004】
例えば、特開2001−237604号公報に記載されている位相変調装置(位相可変装置)では、セル容器を構成する2枚の基板のうちの一方の基板の内側表面上に蛇行形状の伝送線路を配置し、この伝送線路に流れるミリ波信号またはマイクロ波信号の位相を、セル容器内に形成した液晶層の誘電率を変化させることによって制御する。
【0005】
液晶層の誘電率を変化させるために、上記の伝送線路の周囲には、この伝送線路から所定の間隔をあけて接地導体が配置される。また、セル容器を構成する2枚の基板それぞれの内側表面上には配向膜が配置され、これらの基板それぞれの外側表面上には、各々が伝送線路と接地導体との平面視上の間に位置するようにして、複数の電極(外部電極)が配置される。
【0006】
一方の基板の外側表面上に配置された外部電極の各々と、他方の基板の外側表面上に配置された外部電極の各々とに、1つの電源から所定の大きさの交流バイアス電圧を同時に印加することによって、伝送線路の周囲の液晶分子が一様に再配列し、伝送線路の周囲の液晶層の誘電率が一様に変化する。この変化に伴って伝送線路の電気長が変化し、その結果として、伝送線路の一端に供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号とは異なる位相を有するミリ波信号またはマイクロ波信号が、伝送線路の他端から出力される。位相変調を行うことができる。
【0007】
また、同公報には、セル容器を構成する2枚の基板それぞれの外側表面上に外部電極を設けずに、伝送線路にミリ波信号またはマイクロ波信号と一緒に液晶駆動用の交流電圧を供給することによって位相変調を行うタイプの位相変調装置も記載されている。このタイプの位相変調装置においても、位相変調の際には、伝送線路の周囲の液晶分子を一様に再配列させて、伝送線路の周囲の液晶層の誘電率を一様に変化させる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に記載されている位相変調装置では、伝送線路の周囲の液晶分子の配列をこの伝送線路に沿って一様に制御することから、液晶層による誘電体損失が比較的多い。
【0009】
本発明の目的は、液晶を利用した位相変調素子であって、液晶層による誘電体損失を少なくすることができる位相変調素子を提供することである。
【0010】
本発明の他の目的は、液晶を利用した位相変調装置であって、液晶層による誘電体損失を少なくすることができる位相変調装置を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、(i) 一表面上にミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線が設けられた第1の基板と、(ii)前記第1の基板に対向して配置され、前記第1の基板に対向する一表面上に、前記伝送線の延在方向に関して該伝送線内の信号の波長のほぼ1/4以下のピッチで配置された複数本の電極を有する第2の基板と、(iii) 前記第1および第2の基板間に挟持され、前記電極に電圧を印加することによって、前記伝送線からみた誘電率が変化する液晶層とを有する位相変調素子が提供される。
【0012】
本発明の他の観点によれば、(i) 一表面上にミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線が設けられ、前記一表面と向かい合う他の一表面上に、前記伝送線の延在方向に関して該伝送線内の信号の波長のほぼ1/4以下のピッチで配置された複数本の第1電極を有する第1の基板と、(ii)前記第1の基板に対向して配置され、前記第1の基板に対向する一表面と向かい合う他の一表面上に、前記複数本の第1電極と平面視上重なる複数本の第2電極を有する第2の基板と、(iii) 前記第1および第2の基板間に挟持され、前記第1および第2電極に電圧を印加することによって、前記伝送線からみた誘電率が変化する液晶層とを有する位相変調素子が提供される。
【0013】
本発明の更に他の観点によれば、(i) 一表面上にミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線が設けられ、前記一表面と向かい合う他の一表面上に、前記伝送線の延在方向に関して該伝送線内の信号の波長のほぼ1/4以下のピッチで配置された複数本の第1電極を有する第1の基板と、(ii)前記第1の基板に対向して配置され、前記第1の基板に対向する一表面上に、前記複数本の第1電極に平面視上重なる複数本の第2電極を有する第2の基板と、(iii) 前記第1および第2の基板間に挟持され、前記第1および第2電極に電圧を印加することによって、前記伝送線からみた誘電率が変化する液晶層とを有する位相変調素子が提供される。
【0014】
本発明の更に他の観点によれば、(A) (i) 一表面上にミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線が設けられた第1の基板と、(ii)前記第1の基板に対向して配置され、前記第1の基板に対向する一表面上に、前記伝送線の延在方向に関して該伝送線内の信号の波長のほぼ1/4以下のピッチで配置された複数本の電極を有する第2の基板と、(iii) 前記第1および第2の基板間に挟持され、前記電極に電圧を印加することによって、前記伝送線からみた誘電率が変化する液晶層とを有する位相変調素子と、(B) 前記複数本の電極それぞれに駆動信号を供給することができる駆動回路と、(C) 前記駆動回路の動作を制御して、前記液晶層に誘電率分布を形成することができる制御回路とを備えた位相変調装置が提供される。
【0015】
本発明の更に他の観点によれば、(A) (i) 一表面上にミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線が設けられ、前記一表面と向かい合う他の一表面上に、前記伝送線の延在方向に関して該伝送線内の信号の波長のほぼ1/4以下のピッチで配置された複数本の第1電極を有する第1の基板と、(ii)前記第1の基板に対向して配置され、前記第1の基板に対向する一表面と向かい合う他の一表面上に、前記複数本の第1電極と平面視上重なる複数本の第2電極を有する第2の基板と、(iii) 前記第1および第2の基板間に挟持され、前記第1および第2電極に電圧を印加することによって、前記伝送線からみた誘電率が変化する液晶層とを有する位相変調素子と、(B) 前記複数本の第1電極および前記複数本の第2電極それぞれに駆動信号を印加することができる駆動回路と、(C) 前記駆動回路の動作を制御して、前記液晶層に誘電率分布を形成することができる制御回路とを備えた位相変調装置が提供される。
【0016】
本発明の更に他の観点によれば、(A) (i) 一表面上にミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線が設けられ、前記一表面と向かい合う他の一表面上に、前記伝送線の延在方向に関して該伝送線内の信号の波長のほぼ1/4以下のピッチで配置された複数本の第1電極を有する第1の基板と、(ii)前記第1の基板に対向して配置され、前記第1の基板に対向する一表面上に、前記複数本の第1電極に平面視上重なる複数本の第2電極を有する第2の基板と、(iii) 前記第1および第2の基板間に挟持され、前記第1および第2電極に電圧を印加することによって、前記伝送線からみた誘電率が変化する液晶層とを有する位相変調素子と、(B) 前記複数本の第1電極および前記複数本の第2電極それぞれに駆動信号を印加することができる駆動回路と、(C) 前記駆動回路の動作を制御して、前記液晶層に誘電率分布を形成することができる制御回路とを備えた位相変調装置が提供される。
【0017】
ここで、本明細書でいう「ミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線」とは、ミリ波信号またはマイクロ波信号を伝搬することができる伝送線を意味する。「ミリ波信号」は、周波数が概ね30G〜300GHzの信号を意味し、「マイクロ波信号」は、周波数が概ね3G〜30GHzの信号を意味する。
【0018】
位相変調素子の外部から伝送線に供給されて当該伝送線内を伝播するミリ波信号またはマイクロ波信号の波長のほぼ1/4以下のピッチで、上述のように複数本の電極を配置し、これらの電極に印加する電圧を適宜制御することにより、液晶層の誘電率を伝送線の延在方向に沿って概ね前記の波長の周期で変化させることができる。
【0019】
液晶層の誘電率の周期的変化に伴って、伝送線の電気長(特性インピーダンス)も周期的に変化する。伝送線の電気長を概ね前記の波長の周期で変化させることによって、伝送線内に、ミリ波信号またはマイクロ波信号に対する禁止帯を効率よく形成することができる。この禁止帯は、光に対する禁止帯(フォトニックバンドギャップ)と同様のものである。本明細書においては、伝送線内に形成されるこの禁止帯についても「フォトニックバンドギャップ」(以下、「PBG」と略記する。)と呼ぶものとする。
【0020】
伝送線内にPBGが形成されると、伝送線内を伝播するミリ波信号またはマイクロ波信号はPBGへは侵入できずに反射する。PBGの形成位置を適宜変更することにより、伝送線に供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号とは異なる位相のミリ波信号またはマイクロ波信号を生成することができる。位相変調を行うことができる。
【0021】
この位相変調は、例えば、伝送線内でのPBGの開始端の位置を、伝送線内のミリ波信号またはマイクロ波信号の波長以下の長さを有する領域内で適宜変更することによって行うことが可能である。
【0022】
伝送線の周囲の液晶分子の配列をこの伝送線に沿って一様に変化させて位相変調を行う従来の装置に比べて、液晶層による誘電体損失を大幅に少なくすることができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
図1は、第1の実施例による位相変調素子の平面形状を概略的に示す。同図に示す位相変調素子50は、第1および第2の基板10、20を有するセル容器30と、このセル容器30内に充填された液晶によって構成される液晶層(図示せず。)とを備える。
【0024】
第1の基板10は電気的絶縁材料によって形成され、その一表面上には、ミリ波信号またはマイクロ波信号を伝搬することができる伝送線(ミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線)11が配置される。この伝送線11は、例えば金(Au)によって、あるいは、金(Au)層と銅(Cu)層との積層体によって形成することができる。
【0025】
第2の基板20も電気的絶縁材料によって形成され、その一表面上には、伝送線11を平面視上横切る所定本数の電極21が一定のピッチで互いに並列に配置される。電極21の各々は、金属や、導電性の金属酸化物等によって形成することができる。
【0026】
これら第1および第2の基板10、20は、伝送線11と電極21とが互いに向かい合う向きで配置されて、セル容器30を構成する。伝送線11の入力端には、必要に応じてパッドPが設けられる。
【0027】
以下、位相変調素子50の構成を、図2(A)および図2(B)を参照しつつより詳細に説明する。
【0028】
図2(A)は、図1に示したIIA−IIA線に沿った断面を概略的に示し、図2(B)は、図1に示したIIB−IIB線に沿った断面を概略的に示す。
【0029】
これらの図に示すように、伝送線11は第1の配向膜12によって覆われ、電極21の各々は第2の配向膜22によって覆われている。
【0030】
第1および第2の配向膜12、22それぞれの材質は、適宜選定可能である。また、これらの配向膜12、22に施す配向処理も適宜選択可能である。
【0031】
ただし、位相変調素子50の応答性を高めるうえからは、液晶分子に大きなプレチルト角(配向膜表面を基準面にして測定したプレチルト角)を付与することができ、また、極角アンカリングエネルギーが高い配向膜が好ましい。このような配向膜は、例えば、アルキル側鎖を有するポリイミド系材料によって形成された膜にラビング処理を施すことによって得られる。
【0032】
第1の基板10と第2の基板20とは、スペーサ(図示せず。)が分散されたシール材15によって互いに一体化されて、セル容器30を形成する。伝送線11と電極21の各々とは、セル容器30の外側にまで延在する。セル容器30内には、前述したように、液晶層25が形成される。
【0033】
応答性の高い位相変調素子を得るうえからは、屈折率が高く、粘性が低い液晶材料、例えばネマティック液晶によって液晶層25を形成することが好ましい。必要に応じて、ポリマーまたはオリゴマーが分散された液晶(高分子分散型液晶や高分子安定化液晶)を用いることもできる。
【0034】
上記の高分子分散型液晶や高分子安定化液晶は、液晶中に数wt%〜数十wt%のポリマーまたはオリゴマーを分散させ、さらに、当該ポリマーまたはオリゴマーに対して数wt%の光反応開始剤を添加させたものである。この高分子分散型または高分子安定化液晶では、空セル(セル容器)内への充填後に紫外線等を照射すると上記のポリマーまたはオリゴマーが重合して、液晶層中にポリマーネットワークが形成され、液晶層がゾルゲル状もしくは固体状になる。そのため、メインシールが不要になるばかりでなく、応答性も向上する。ただし、ポリマーの比率が高くなるにつれて誘電異方性(Δε)が減少するので、液晶中に分散させるモノマーまたはオリゴマーの量は、概ね10wt%以下とすることが好ましい。
【0035】
応答性の高い位相変調素子を得るうえからは、セル厚(液晶層25の厚さ)を薄くすることが好ましい。また、液晶層25とセル容器30とによって構成されるセルは、必要に応じて、ハイブリッド配向セル、パイ(π)セル、垂直配向セルとすることもできる。
【0036】
ただし、位相変調を容易かつ正確に行ううえからは、液晶層25にカイラル剤を添加しない方がよい。また、電圧を印加しない状態での液晶分子の配向方向は、伝送線11の延在方向に平行であることが好ましい。
【0037】
位相変調素子50では、隣り合う電極21同士のピッチが、外部から伝送線11に供給されて当該伝送線11内を伝播するミリ波信号またはマイクロ波信号の波長λの概ね1/4以下に選定される。
【0038】
このように電極21が配置された位相変調素子50では、個々の電極21に供給する電圧を制御することにより、液晶層25の誘電率を伝送線11の延在方向に沿って概ね波長λの周期で変化させることができる。これに伴って、セル容器30内での伝送線11の電気長(特性インピーダンス)を、ほぼ波長λの周期で変化させることが可能になる。
【0039】
その結果として、ミリ波信号またはマイクロ波信号に対するPBGを伝送線11内に効率よく形成することが可能になる。伝送線11に供給されたミリ波信号やマイクロ波信号は、PBGへは侵入できずに反射し、位相変調素子50から出される。
【0040】
位相変調素子50を通信機器に利用する場合には、一般に位相角がπ/n(nは1以上の整数を表す。)ずつずれた2n相のミリ波信号またはマイクロ波信号によってnビットのデータの伝送が行われることから、PBGの形成位置をλ/4n単位(λは、伝送線11に供給されるミリ波信号またはマイクロ波信号の波長を表す。)でずらすことによって位相変調することが好ましい。そのためには、前記の波長λを単位長さとしたときに、伝送線11に沿った単位長さ当たり4n本の電極21を配置することが好ましい。
【0041】
以下、位相角がπ/2ずつずれた4相のミリ波信号またはマイクロ波信号を生成することが可能な位相変調装置を例にとり、その構成および動作を図3〜図5を参照しつつ具体的に説明する。
【0042】
図3は、実施例による位相変調装置の構成を概略的に示す。この位相変調装置100は、既に説明した位相変調素子50の他に、駆動装置60、制御回路70、電圧制御発振器80(以下、「VCO80」と略記する。)、サーキュレータ85、および放射器90を備える。
【0043】
駆動装置60は、制御回路70によって動作を制御されて、位相変調素子50およびVCO80を駆動するための駆動信号を生成する。位相変調素子50用の駆動信号は、電極21の各々に供給される駆動信号と、伝送線11に供給される駆動信号とに大別される。位相変調素子50に供給される駆動信号の詳細については、後述する。
【0044】
VCO80は、駆動回路60から供給される駆動信号に従って動作して、所定の波長および周波数を有するミリ波信号またはマイクロ波信号を発生する。この信号は、サーキュレータ85に供給される。
【0045】
サーキュレータ85は、VCO80から供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号を位相変調素子50の伝送線11へ供給すると共に、位相変調素子50から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号を放射器90に供給する。
【0046】
放射器90は例えばアンテナであり、位相変調素子50からサーキュレータ85を介して供給されるミリ波信号またはマイクロ波信号を放射する。
【0047】
図示の位相変調素子50では、伝送線11に供給されるミリ波信号またはマイクロ波信号の波長λを単位長さとしたときに、伝送線11に沿った単位長さ当たり8本の電極21が配置される。
【0048】
伝送線11内にPBGを効率よく形成するためには、伝送線11の電気長を、例えばほぼ波長λの周期で概ね4周期以上に亘って変化させることが望まれる。また、4相のミリ波信号またはマイクロ波信号を生成するためには、パッドP側でのPBGの開始端を、例えば連続する4電極の範囲内で変更することが好ましい。これらの理由から、位相変調素子50には、概ね19本以上の電極21を配置することが好ましい。
【0049】
これらの電極21は7本おきに共通結線されて、8つのグループに分かれる。各グループは、駆動回路60から駆動信号φ1〜φ8のいずれか1つの供給を受ける。1つのグループに1つの駆動信号が対応する。
【0050】
位相変調装置100の駆動時には、駆動信号φ1〜φ8のうち4つがハイレベルになり、残りの4つがローレベルになる。どの駆動信号をハイレベルにし、どの駆動信号をローレベルにするかは、生成しようとする4相のミリ波信号またはマイクロ波信号のうちのどの相の信号を生成するかに応じて異なる。伝送線11へは、駆動回路60から一定電位(例えば接地電位)の駆動信号が供給される。
【0051】
以下、図4(A)〜図4(C)および図5(A)〜図5(B)を参照しつつ、位相変調素子50へ供給する駆動信号φ1〜φ8のレベルと、位相変調素子50から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号の位相との関係を説明する。
【0052】
図4(A)は、駆動信号φ1〜φ4をハイレベルにし、駆動信号φ5〜φ8をローレベル(例えば接地電位)にして位相変調素子50を駆動させたときのPBGの形成位置を概略的に示す。
【0053】
同図においてハッチングが付されている電極21の各々にはハイレベルの駆動信号が供給され、ハッチングが付されていない電極21の各々へはローレベルの駆動信号が供給される(以下同様。)。
【0054】
駆動信号φ1〜φ8のレベルを上記のように制御すると、液晶層25(図2(A)参照)内に、相対的に誘電率の高い領域と相対的に誘電率の低い領域とが周期的に形成される。これらの領域は、パッドPに最も近い電極21下からその後方(伝送線11に沿って、パッドPから遠ざかる方向を意味する。以下同じ。)にかけて、ほぼ波長λの周期で形成される。伝送線11に沿った個々の領域の長さは、ほぼλ/2に相当する。
【0055】
その結果として、パッドPに最も近い電極21下からその後方にかけて、伝送線11の電気長がほぼ波長λの周期で変化し、ここにPBGが形成される。
【0056】
伝送線11内にPBGが形成されると、伝送線11に供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号はPBG内に侵入できずに反射してサーキュレータ85(図3参照)へ戻り、ここから放射器90へ供給される。
【0057】
このとき位相変調素子50から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号の位相は、供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号の位相に対して一定の位相差を有する。
【0058】
図4(B)〜図4(C)、および図5(A)〜図5(B)は、パッドP側でのPBGの開始端を図4(A)に示した状態からほぼ1電極、ほぼ2電極、ほぼ3電極、またはほぼ4電極後方にずらすときの各駆動信号φ1〜φ8のレベルと、PBGの形成位置との関係を概略的に示す。
【0059】
図4(B)に示すように、駆動信号φ2〜φ5をハイレベルにし、駆動信号φ1およびφ6〜φ8をローレベルにして位相変調素子50を駆動させると、パッドP側でのPBGの開始端が図4(A)に示した状態からほぼ1電極後方にずれる。
【0060】
このとき位相変調素子50から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号は、図4(A)の状態と比較して、往復で2電極分の差、すなわち、2π/4(=π/2)の位相差を生じる。
【0061】
図4(C)に示すように、駆動信号φ3〜φ6をハイレベルにし、駆動信号φ1〜φ2およびφ7〜φ8をローレベルにして位相変調素子50を駆動させると、パッドP側でのPBGの開始端が図4(A)に示した状態からほぼ2電極後方にずれる。
【0062】
このとき位相変調素子50から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号は、図4(A)の状態と比較して、4π/4(=π)の位相差を生じる。
【0063】
図5(A)に示すように、駆動信号φ4〜φ7をハイレベルにし、駆動信号φ1〜φ3およびφ8をローレベルにして位相変調素子50を駆動させると、パッドP側でのPBGの開始端が図4(A)に示した状態からほぼ3電極後方にずれる。
【0064】
このとき位相変調素子50から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号は、図4(A)の状態と比較して、6π/4(=3π/2)の位相差を生じる。
【0065】
図5(B)に示すように、駆動信号φ5〜φ8をハイレベルにし、駆動信号φ1〜φ4をローレベルにして位相変調素子50を駆動させると、パッドP側でのPBGの開始端が図4(A)に示した状態からほぼ4電極後方にずれるが、PBGの開始端は図4(A)に示した位置と電気的に同等になる。
【0066】
このとき位相変調素子50から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号は、図4(A)の状態と比較して、2πの位相差を生じる。信号としては、図4(A)の状態下で出力される信号と同等となる。
【0067】
図4(A)〜図4(C)、および図5(A)〜図5(B)から理解されるように、位相変調素子50から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号の位相は、パッドP側でのPBGの開始端をほぼ1電極後方にずらす毎に、ほぼλ/4(π/2)遅れる。パッドP側でのPBGの開始端を連続する4電極の範囲内で適宜変更することにより、4相のミリ波信号またはマイクロ波信号を生成することができる。
【0068】
このようにして位相変調を行う位相変調装置100は、伝送線の周囲の液晶分子の配列を伝送線に沿って一様に変化させて位相変調を行うタイプの装置に比べて、液晶層による誘電体損失を容易に少なくすることができる。
【0069】
次に、第2の実施例による位相変調素子について説明する。
【0070】
図6(A)は、第2実施例による位相変調素子の平面形状を概略的に示す。同図に示した位相変調素子150は、伝送線11がセル容器30の外側においてキャパシタCに接続されているという点で、第1の実施例による位相変調素子50と構成上異なる。位相変調素子150の他の構成は、位相変調素子50と同様である。
【0071】
図6(A)に示した構成要素のうち、既に図1に示した構成要素については、図1で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。上記のキャパシタCについては、図6(B)を参照しつつ詳述する。
【0072】
図6(B)は、キャパシタCの一例を拡大して示す。同図に示したキャパシタCは、1本のミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線の途中に方形波状のギャップを形成することによって作製されている。パッドPとキャパシタCとの間の伝送線を、参照符号11aで示している。
【0073】
キャパシタCは、このキャパシタCを設けない場合と同様にミリ波信号またはマイクロ波信号が伝送線11a、11間を伝播することを許容する一方で、電極21に駆動信号を供給したときに伝送線11、11aがアース線として機能するのを抑止するためのものである。
【0074】
キャパシタCの特性は、位相変調素子150に供給するミリ波信号またはマイクロ波信号の周波数等に応じて、適宜変更可能である。
【0075】
キャパシタCを有する位相変調素子150では、液晶層25(図2(A)参照)中の液晶分子を、隣り合う電極21間に形成した電界(横電界)によって再配列させることができる。位相変調素子150の駆動時には、電極21の各々に所定の駆動信号が供給され、伝送線11にはミリ波信号またはマイクロ波信号のみが供給される。
【0076】
横電界を利用して位相変調素子150中の液晶分子の配向を制御して位相角がπ/nずつずれた2n相のミリ波信号またはマイクロ波信号を生成する場合には、伝送線11を伝播するミリ波信号またはマイクロ波信号の波長λを単位長さとしたときに、単位長さ当たり4n本の電極21を配置することが好ましい。このとき、隣り合う電極21同士の間の間隔よりも各電極21の線幅を狭くすることが好ましい。また、液晶層25の厚さは、薄い方が好ましい。
【0077】
以下、位相角がπ/2ずつずれた4相のミリ波信号またはマイクロ波信号を生成する場合を例にとり、位相変調素子150での各電極21の配置、および位相変調素子150の駆動方法を具体的に説明する。
【0078】
位相変調素子150によって4相のミリ波信号またはマイクロ波信号を生成する場合には、伝送線11に供給されるミリ波信号またはマイクロ波信号の波長λを単位長さとしたときに、伝送線11に沿った単位長さ当たり8本の電極21が配置される。
【0079】
これらの電極21は7本おきに共通結線されて、8つのグループに分かれる。各グループは、駆動回路から駆動信号φ1〜φ8のいずれか1つの供給を受ける。1つのグループに1つの駆動信号が対応する。
【0080】
位相変調装置100の駆動時には、例えば駆動信号φ1〜φ8のうちの6つがハイレベルになり、残りの2つがローレベルになる。駆動信号φ1〜φ8のうちの2つをローレベルにし、残りの6つをハイレベルにすることもできる。
【0081】
どの駆動信号をハイレベルにし、どの駆動信号をローレベルにするかは、生成しようとする4相のミリ波信号またはマイクロ波信号のうちのどの相の信号を生成するかに応じて異なる。伝送線11へは、ミリ波信号またはマイクロ波信号のみが供給される。
【0082】
図7(A)〜図7(C)および図8(A)〜図8(B)を参照しつつ、位相変調素子150へ供給する駆動信号のレベルと、位相変調素子150から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号の位相との関係を説明する。
【0083】
図7(A)は、駆動信号φ2およびφ4〜φ8をハイレベルにし、駆動信号φ1およびφ3をローレベル(例えば接地電位)にして位相変調素子150を駆動させたときのPBGの形成位置を概略的に示す。
【0084】
同図においてハッチングが付されている電極21の各々にはハイレベルの駆動信号が供給され、ハッチングが付されていない電極21の各々へはローレベルの駆動信号が供給される(以下同様。)。
【0085】
互いに隣り合う2本の電極の一方にハイレベルの駆動信号を供給し、他方にローレベルの駆動信号を供給すると、これら2本の電極間に横電界が形成される。互いに隣り合う2本の電極それぞれに同じレベルの駆動信号を供給すると、これら2本の電極間に横電界が形成されない。
【0086】
駆動信号φ1〜φ8のレベルを上記のように制御すると、液晶層25(図2(A)参照)内に、相対的に誘電率の高い領域と相対的に誘電率の低い領域とが周期的に形成される。これらの領域は、パッドPに最も近い電極21下からその後方にかけて、ほぼ波長λの周期で形成される。伝送線11に沿った個々の領域の長さは、ほぼλ/2に相当する。
【0087】
その結果として、パッドPに最も近い電極21下からその後方にかけて、伝送線11の電気長がほぼ波長λの周期で変化し、ここにPBGが形成される。
【0088】
供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号に対して一定の位相差を有するミリ波信号またはマイクロ波信号が、位相変調素子150から出力される。
【0089】
図7(B)、図7(C)、図8(A)および図8(B)は、パッドP側でのPBGの開始端を図7(A)に示した状態からほぼ1電極、ほぼ2電極、ほぼ3電極、またはほぼ4電極後方にずらすときの各駆動信号φ1〜φ8のレベルと、PBGの形成位置との関係を概略的に示す。
【0090】
図7(B)に示すように、駆動信号φ1、φ3およびφ5〜φ8をハイレベルにし、駆動信号φ2およびφ4をローレベルにして位相変調素子150を駆動させると、パッドP側でのPBGの開始端が図7(A)に示した状態からほぼ1電極後方にずれる。
【0091】
このとき位相変調素子150から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号は、図7(A)の状態と比較して、2π/4(=π/2)の位相差を生じる。
【0092】
図7(C)に示すように、駆動信号φ1〜φ2、φ4、およびφ6〜φ8をハイレベルにし、駆動信号φ3およびφ5をローレベルにして位相変調素子150を駆動させると、パッドP側でのPBGの開始端が図7(A)に示した状態からほぼ2電極後方にずれる。
【0093】
このとき位相変調素子50から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号は、図7(A)の状態と比較して、4π/4(=π)の位相差を生じる。
【0094】
図8(A)に示すように、駆動信号φ1〜φ3、φ5、およびφ7〜φ8をハイレベルにし、駆動信号φ4およびφ6をローレベルにして位相変調素子150を駆動させると、パッドP側でのPBGの開始端が図7(A)に示した状態からほぼ3電極後方にずれる。
【0095】
このとき位相変調素子50から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号は、図7(A)の状態と比較して、6π/4(=3π/2)の位相差を生じる。
【0096】
図8(B)に示すように、駆動信号φ1〜φ4、φ6、およびφ8をハイレベルにし、駆動信号φ5およびφ7をローレベルにして位相変調素子150を駆動させると、パッドP側でのPBGの開始端が図7(A)に示した状態からほぼ4電極後方にずれるが、PBGの開始端は図7(A)に示した位置と電気的に同等になる。
【0097】
このとき位相変調素子50から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号は、図7(A)の状態と比較して、2πの位相差を生じる。信号としては、図7(A)の状態下で出力される信号と同等となる。
【0098】
図7(A)〜図7(C)、および図8(A)〜図8(B)から理解されるように、位相変調素子150から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号の位相は、パッドP側でのPBGの開始端をほぼ1電極後方にずらす毎に、ほぼλ/4(π/2)遅れる。パッドP側でのPBGの開始端を連続する4電極の範囲内で適宜変更することにより、4相のミリ波信号またはマイクロ波信号を生成することができる。
【0099】
このようにして位相変調を行うことができる位相変調素子150は、伝送線の周囲の液晶分子の配列を伝送線に沿って一様に変化させて位相変調を行うタイプの装置に比べて、液晶層による誘電体損失を容易に少なくすることができる。
【0100】
次に、第3の実施例による位相変調素子について説明する。
【0101】
図9は、第3実施例による位相変調素子の断面構造を概略的に示す。同図に示した位相変調素子250は、(i) 第1の基板10の外側表面上に電極13が複数本配置される点、および、(ii)第2の基板20の内側表面上に電極が配置されずに、外側表面上に電極23が複数本配置される点で、第1の実施例による位相変調素子50とは構成上異なる。位相変調素子250の他の構成は、位相変調素子50の構成と同様である。
【0102】
図9に示した構成要素のうち、電極13および電極23をそれぞれ除いた構成要素については、図2(A)で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【0103】
図示の位相変調素子250においては、電極13の各々および電極23の各々が、第1の実施例による位相変調素子50における電極21の各々と同様に、伝送線11に供給されるミリ波信号またはマイクロ波信号の波長λのほぼ1/4未満の所定のピッチで配置される。これらの電極13、23は、いずれも伝送線11を平面視上横切る。1本の電極13に1本の電極23が対応し、互いに対応する電極13と電極23とは平面視上重なる。
【0104】
位相変調素子250は、前述した第1の実施例による位相変調素子50と同様の方法で駆動される。このとき、互いに対応する1対の電極13、23へは、同じレベルの駆動信号が供給される。伝送線11へは、駆動信号を供給しない。
【0105】
このようにして位相変調素子250を駆動させることにより、第1の実施例による位相変調素子50と同様に、供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号を位相変調させて出力することができる。伝送線の周囲の液晶分子の配列を伝送線に沿って一様に変化させて位相変調を行うタイプの装置に比べて、液晶層による誘電体損失を容易に少なくすることができる。
【0106】
次に、第4の実施例による位相変調素子について説明する。
【0107】
図10は、第4実施例による位相変調素子の断面構造を概略的に示す。同図に示した位相変調素子350は、第1の基板10の外側表面上に電極13が複数本配置される点で、第1の実施例による位相変調素子50とは構成上異なる。位相変調素子350の他の構成は、位相変調素子50の構成と同様である。
【0108】
図10に示した構成要素のうち、各電極13を除いた構成要素については、図2(A)で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【0109】
図示の位相変調素子350においては、電極13の各々および電極21の各々が、伝送線11に供給されるミリ波信号またはマイクロ波信号の波長λの1/2未満の所定のピッチで配置される。これらの電極13、21は、いずれも伝送線11を平面視上横切る。1本の電極13に1本の電極21が対応し、互いに対応する電極13と電極21とは平面視上重なる。
【0110】
位相変調素子350も、前述した第1の実施例による位相変調素子50と同様の方法で駆動される。このとき、互いに対応する1対の電極13、21へは、同じレベルの駆動信号が供給される。伝送線11へは、駆動信号を供給しない。
【0111】
このようにして位相変調素子350を駆動させることにより、第1の実施例による位相変調素子50と同様に、供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号を位相変調させて出力することができる。伝送線の周囲の液晶分子の配列を伝送線に沿って一様に変化させて位相変調を行うタイプの装置に比べて、液晶層による誘電体損失を容易に少なくすることができる。
【0112】
以上、実施例による位相変調素子および位相変調装置について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0113】
例えば、伝送線11に供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号の位相角をπ/nとは異なる値ずらして2n相のミリ波信号またはマイクロ波信号を生成しようとする場合には、単位長さ当たり4n本より多くの電極21を配置することも可能である。2相(n=1)のミリ波信号またはマイクロ波信号は、単位長さあたり3本の電極21を配置することによっても生成することが可能である。
【0114】
配向膜は、例えば第1および第2の基板が液晶分子に対する配向機能を有していれば、省略することも可能である。
【0115】
平面視したときのセル容器内での伝送線の形状は、直線状に限らず、例えば櫛形等にすることも可能である。伝送線と電極とを、平面視上互いに斜行させることも可能である。
【0116】
位相変調素子を利用して生成する複数相のミリ波信号またはマイクロ波信号の中で最も位相の進んだミリ波信号またはマイクロ波信号を生成する際のPBGの形成位置は、伝送線の入力端に最も近い電極下からの後方に亘る領域に限定されるものではない。
【0117】
伝送線内にPBGを形成するにあたっては、この伝送線に供給されるミリ波信号またはマイクロ波信号の波長程度の周期で伝送線の電気長を変化させることが好適である。伝送線の電気長が前記の周期で変化しさえすれば、1周期の範囲に形成する相対的に電気長の大きな領域の平面視上の長さと、相対的に電気長の小さな領域の平面視上の長さとを合わせる必要性は必ずしもない。
【0118】
したがって、液晶層の誘電率を周期的に変化させるにあたっても、相対的に誘電率の高い領域の平面視上の長さ(伝送線に沿った長さ)と、相対的に誘電率の低い領域の平面視上の長さ(伝送線に沿った長さ)とを合わせる必要性は必ずしもない。
【0119】
更に、液晶層の誘電率の変化は、伝送線に供給されるミリ波信号またはマイクロ波信号の波長程度以下の周期性を有していさえすれば、高・中・低の3値に亘って、あるいは4値以上に亘っていてもよい。この場合でも、伝送線内にPBGを形成することができる。
【0120】
1つの位相変調装置で対応することができるミリ波信号またはマイクロ波信号の周波数を複数の値の中で適宜選択したい場合には、位相変調素子中の各電極を互いに電気的に独立させて、位相変調素子と駆動回路とを電気的に接続することが好ましい。
【0121】
位相変調素子から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号の位相は、伝送線の入力端から数えて2番目またはそれ以上後ろの所定の電極下からPBGを形成し、このPBGの形成位置を固定したまま、PBGよりも前記の入力端側にある電極に印加する電圧の値を適宜選定することによっても、制御することが可能である。
【0122】
その他、種々の変更、改良、組み合わせ、応用等が可能なことは当業者に自明であろう。
【0123】
上述した構成を有する位相変調素子および位相変調装置は小型化が容易であり、液晶層による誘電体損失も少ないことから、特に携帯用通信機器に好適に利用可能である。勿論、携帯用通信機器に限らず、種々の通信機器に利用可能である。また、車載レーダ等の探査装置にも利用可能である。
【0124】
セル容器に設ける電極の単位長さ当たりの本数を比較的容易に増やすことができるので、種々の性能の位相変調器を容易に構成することができる。音データや画像データ等、種々のデータの変調にも利用することができ、中間調の制御も比較的容易である。また、原理的に、位相変調が可能な周波数帯域が広い。
【0125】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の位相変調素子は、液晶を利用した素子でありながら、液晶層による誘電体損失を少なくすることができる。小型で消費電力の少ない位相変調素子および位相変調装置を提供することが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例による位相変調素子の平面形状を示す概略図である。
【図2】図2(A)は、図1に示したIIA−IIA線に沿った断面を示す概略図であり、図2(B)は、図1に示したIIB−IIB線に沿った断面を示す概略図である。
【図3】実施例による位相変調装置の構成を示す概略図である。
【図4】図4(A)〜図4(C)は、それぞれ、図3に示した位相変調素子に供給する各駆動信号のレベルと、伝送線内に形成されるフォトニックバンドギャップの位置との関係を示す概略図である。
【図5】図5(A)〜図5(B)は、それぞれ、図3に示した位相変調素子に供給する各駆動信号のレベルと、伝送線内に形成されるフォトニックバンドギャップの位置との他の関係を示す概略図である。
【図6】第2の実施例による位相変調素子の平面形状を示す概略図である。
【図7】図7(A)〜図7(C)は、それぞれ、図6に示した位相変調素子に供給する各駆動信号のレベルと、伝送線内に形成されるフォトニックバンドギャップの位置との関係を示す概略図である。
【図8】図8(A)〜図8(B)は、それぞれ、図6に示した位相変調素子に供給する各駆動信号のレベルと、伝送線内に形成されるフォトニックバンドギャップの位置との他の関係を示す概略図である。
【図9】第3実施例による位相変調素子の断面構造を示す概略図である。
【図10】第4実施例による位相変調素子の断面構造を示す概略図である。
【符号の説明】
10…第1の基板、 11…伝送線、 12…第1の配向膜、 13…第1の基板に設けられた電極、 15…シール材、 20…第2の基板、 21、23…第2の基板に設けられた電極、 22…第2の配向膜、 25…液晶層、 30…セル容器、 50、150、50B、50C…位相変調素子、 60…駆動回路、 70…制御回路、 80…電圧制御発振器、 85…サーキュレータ、90…放射器、 100…位相変調装置。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a phase modulation element and a phase modulation device using liquid crystal, and in particular, the phase of a signal having a frequency in the millimeter wave band or the microwave band (hereinafter referred to as “millimeter wave signal or microwave signal”). The present invention relates to a phase modulation element and a phase modulation device that can be changed.
[0002]
[Prior art]
In recent years, development of wireless systems using millimeter wave signals or microwave signals, such as ultrahigh-speed wireless local area networks, high-speed wireless line systems, home links, inter-vehicle communication systems, etc. has been actively proposed.
[0003]
One method for performing data transmission in a wireless system is phase modulation. The phase modulation can be performed using, for example, a phase modulation device. Various types of phase modulation devices are known, and one of them uses liquid crystal.
[0004]
For example, in the phase modulation device (phase variable device) described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-237604, a meandering transmission line is provided on the inner surface of one of the two substrates constituting the cell container. The phase of the millimeter wave signal or the microwave signal that is arranged and flows through the transmission line is controlled by changing the dielectric constant of the liquid crystal layer formed in the cell container.
[0005]
In order to change the dielectric constant of the liquid crystal layer, a ground conductor is disposed around the transmission line at a predetermined interval from the transmission line. An alignment film is disposed on the inner surface of each of the two substrates constituting the cell container, and each of the substrates is disposed on the outer surface between the transmission line and the ground conductor in plan view. A plurality of electrodes (external electrodes) are arranged so as to be positioned.
[0006]
An AC bias voltage of a predetermined magnitude is simultaneously applied to each of the external electrodes arranged on the outer surface of one substrate and each of the external electrodes arranged on the outer surface of the other substrate. By doing so, the liquid crystal molecules around the transmission line are rearranged uniformly, and the dielectric constant of the liquid crystal layer around the transmission line changes uniformly. With this change, the electrical length of the transmission line changes, and as a result, the millimeter wave signal or microwave signal having a phase different from that of the millimeter wave signal or microwave signal supplied to one end of the transmission line Is output from the other end. Phase modulation can be performed.
[0007]
In addition, the publication discloses that an AC voltage for driving a liquid crystal is supplied to a transmission line together with a millimeter wave signal or a microwave signal without providing an external electrode on the outer surface of each of the two substrates constituting the cell container. There is also described a type of phase modulation apparatus that performs phase modulation. Also in this type of phase modulation apparatus, during phase modulation, liquid crystal molecules around the transmission line are uniformly rearranged to uniformly change the dielectric constant of the liquid crystal layer around the transmission line.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the phase modulation device described in the above publication, since the arrangement of liquid crystal molecules around the transmission line is uniformly controlled along the transmission line, the dielectric loss due to the liquid crystal layer is relatively large.
[0009]
An object of the present invention is to provide a phase modulation element using liquid crystal, which can reduce dielectric loss due to a liquid crystal layer.
[0010]
Another object of the present invention is to provide a phase modulation device using liquid crystal, which can reduce dielectric loss due to a liquid crystal layer.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention, (i) a first substrate provided with a millimeter-wave band or a microwave-band transmission line on one surface, and (ii) disposed opposite to the first substrate, A second electrode having a plurality of electrodes arranged on a surface facing the first substrate at a pitch of about 1/4 or less of a wavelength of a signal in the transmission line with respect to an extending direction of the transmission line; There is provided a phase modulation element having a substrate and (iii) a liquid crystal layer sandwiched between the first and second substrates and changing a dielectric constant as viewed from the transmission line by applying a voltage to the electrode. The
[0012]
According to another aspect of the present invention, (i) a millimeter wave band or a microwave band transmission line is provided on one surface, and an extension direction of the transmission line is provided on another surface facing the one surface. A first substrate having a plurality of first electrodes disposed at a pitch of approximately ¼ or less of the wavelength of a signal in the transmission line; and (ii) disposed opposite to the first substrate, A second substrate having a plurality of second electrodes overlapping the plurality of first electrodes in plan view on another surface facing the first surface facing the first substrate; and (iii) the first A phase modulation element is provided that includes a liquid crystal layer that is sandwiched between a second substrate and a voltage applied to the first and second electrodes to change a dielectric constant viewed from the transmission line.
[0013]
According to still another aspect of the present invention, (i) a millimeter wave band or a microwave band transmission line is provided on one surface, and the extension direction of the transmission line is provided on the other surface facing the one surface. A first substrate having a plurality of first electrodes disposed at a pitch of approximately ¼ or less of the wavelength of the signal in the transmission line, and (ii) disposed opposite the first substrate, A second substrate having a plurality of second electrodes overlapping the plurality of first electrodes in plan view on one surface facing the first substrate; and (iii) the first and second substrates There is provided a phase modulation element having a liquid crystal layer sandwiched between and having a dielectric constant as seen from the transmission line by applying a voltage to the first and second electrodes.
[0014]
According to still another aspect of the present invention, (A) (i) a first substrate provided with a millimeter-wave band or a microwave-band transmission line on one surface, and (ii) facing the first substrate A plurality of electrodes arranged on one surface facing the first substrate at a pitch of about 1/4 or less of the wavelength of the signal in the transmission line with respect to the extending direction of the transmission line. And (iii) a liquid crystal layer that is sandwiched between the first and second substrates and has a liquid crystal layer that changes a dielectric constant viewed from the transmission line by applying a voltage to the electrodes. A modulation element; (B) a drive circuit capable of supplying a drive signal to each of the plurality of electrodes; and (C) controlling the operation of the drive circuit to form a dielectric constant distribution in the liquid crystal layer. A phase modulation device including a control circuit capable of performing the above is provided.
[0015]
According to still another aspect of the present invention, (A) (i) a millimeter-wave band or a microwave-band transmission line is provided on one surface, and the transmission line is provided on the other surface facing the one surface. A first substrate having a plurality of first electrodes disposed at a pitch of approximately ¼ or less of the wavelength of the signal in the transmission line with respect to the extending direction; and (ii) facing the first substrate. A second substrate having a plurality of second electrodes disposed on another surface facing the first substrate and facing the first substrate and overlapping the plurality of first electrodes in plan view; and (iii) A phase modulation element having a liquid crystal layer sandwiched between the first and second substrates and having a dielectric constant as viewed from the transmission line by applying a voltage to the first and second electrodes; B) A drive signal can be applied to each of the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes. There is provided a phase modulation device comprising: a drive circuit that controls the operation of the drive circuit, and a control circuit that can form a dielectric constant distribution in the liquid crystal layer.
[0016]
According to still another aspect of the present invention, (A) (i) a millimeter-wave band or a microwave-band transmission line is provided on one surface, and the transmission line is provided on the other surface facing the one surface. A first substrate having a plurality of first electrodes disposed at a pitch of approximately ¼ or less of the wavelength of the signal in the transmission line with respect to the extending direction; and (ii) facing the first substrate. A second substrate disposed on one surface facing the first substrate and having a plurality of second electrodes overlapping the plurality of first electrodes in plan view; and (iii) the first and first A phase modulation element having a liquid crystal layer that is sandwiched between two substrates and changes a dielectric constant viewed from the transmission line by applying a voltage to the first and second electrodes, and (B) the plurality of A drive circuit capable of applying a drive signal to each of the first electrode and the plurality of second electrodes, and (C) And controls the operation of the dynamic circuit, a phase modulation apparatus that includes a control circuit capable of forming a dielectric constant distribution on the liquid crystal layer is provided.
[0017]
Here, “millimeter wave band or microwave band transmission line” in this specification means a transmission line capable of propagating a millimeter wave signal or a microwave signal. The “millimeter wave signal” means a signal having a frequency of about 30 G to 300 GHz, and the “microwave signal” means a signal having a frequency of about 3 G to 30 GHz.
[0018]
A plurality of electrodes are arranged as described above at a pitch of about 1/4 or less of the wavelength of the millimeter wave signal or microwave signal supplied to the transmission line from the outside of the phase modulation element and propagating through the transmission line, By appropriately controlling the voltage applied to these electrodes, the dielectric constant of the liquid crystal layer can be changed approximately in the period of the wavelength along the extending direction of the transmission line.
[0019]
As the dielectric constant of the liquid crystal layer changes periodically, the electrical length (characteristic impedance) of the transmission line also changes periodically. By changing the electrical length of the transmission line approximately with the period of the wavelength, a forbidden band for the millimeter wave signal or the microwave signal can be efficiently formed in the transmission line. This forbidden band is the same as the forbidden band for light (photonic band gap). In this specification, this forbidden band formed in the transmission line is also referred to as “photonic band gap” (hereinafter abbreviated as “PBG”).
[0020]
When the PBG is formed in the transmission line, the millimeter wave signal or the microwave signal propagating in the transmission line is reflected without being able to enter the PBG. By appropriately changing the formation position of the PBG, a millimeter wave signal or a microwave signal having a phase different from that of the millimeter wave signal or the microwave signal supplied to the transmission line can be generated. Phase modulation can be performed.
[0021]
This phase modulation can be performed, for example, by appropriately changing the position of the start end of the PBG in the transmission line within a region having a length equal to or shorter than the wavelength of the millimeter wave signal or microwave signal in the transmission line. Is possible.
[0022]
Compared to a conventional device that performs phase modulation by uniformly changing the arrangement of liquid crystal molecules around the transmission line along the transmission line, the dielectric loss due to the liquid crystal layer can be greatly reduced.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 schematically shows a planar shape of a phase modulation element according to the first embodiment. A phase modulation element 50 shown in the figure includes a cell container 30 having first and second substrates 10 and 20, and a liquid crystal layer (not shown) composed of liquid crystal filled in the cell container 30. Is provided.
[0024]
The first substrate 10 is formed of an electrically insulating material, and a transmission line (millimeter wave band or microwave band transmission line) 11 capable of propagating a millimeter wave signal or a microwave signal is disposed on one surface thereof. Is done. The transmission line 11 can be formed of, for example, gold (Au) or a laminate of a gold (Au) layer and a copper (Cu) layer.
[0025]
The second substrate 20 is also formed of an electrically insulating material, and a predetermined number of electrodes 21 crossing the transmission line 11 in plan view are arranged in parallel at a constant pitch on one surface thereof. Each of the electrodes 21 can be formed of a metal, a conductive metal oxide, or the like.
[0026]
The first and second substrates 10 and 20 are arranged with the transmission line 11 and the electrode 21 facing each other to constitute a cell container 30. A pad P is provided at the input end of the transmission line 11 as necessary.
[0027]
Hereinafter, the configuration of the phase modulation element 50 will be described in more detail with reference to FIGS. 2 (A) and 2 (B).
[0028]
2A schematically shows a cross section taken along the line IIA-IIA shown in FIG. 1, and FIG. 2B schematically shows a cross section taken along the line IIB-IIB shown in FIG. Show.
[0029]
As shown in these drawings, the transmission line 11 is covered with a first alignment film 12, and each of the electrodes 21 is covered with a second alignment film 22.
[0030]
The material of each of the first and second alignment films 12 and 22 can be selected as appropriate. In addition, the alignment treatment applied to the alignment films 12 and 22 can be appropriately selected.
[0031]
However, in order to increase the responsiveness of the phase modulation element 50, a large pretilt angle (a pretilt angle measured using the alignment film surface as a reference plane) can be imparted to the liquid crystal molecules, and the polar angle anchoring energy is increased. A high alignment film is preferred. Such an alignment film can be obtained, for example, by subjecting a film formed of a polyimide material having an alkyl side chain to a rubbing treatment.
[0032]
The first substrate 10 and the second substrate 20 are integrated with each other by a sealing material 15 in which spacers (not shown) are dispersed to form a cell container 30. Each of the transmission line 11 and the electrode 21 extends to the outside of the cell container 30. As described above, the liquid crystal layer 25 is formed in the cell container 30.
[0033]
In order to obtain a highly responsive phase modulation element, it is preferable to form the liquid crystal layer 25 with a liquid crystal material having a high refractive index and a low viscosity, such as a nematic liquid crystal. If necessary, a liquid crystal (polymer dispersed liquid crystal or polymer stabilized liquid crystal) in which a polymer or an oligomer is dispersed may be used.
[0034]
The above polymer dispersed liquid crystal and polymer stabilized liquid crystal disperse several wt% to several tens wt% polymer or oligomer in the liquid crystal, and further initiate photo reaction of several wt% with respect to the polymer or oligomer. An agent is added. In this polymer-dispersed or polymer-stabilized liquid crystal, the polymer or oligomer is polymerized when irradiated with ultraviolet rays after filling into an empty cell (cell container), and a polymer network is formed in the liquid crystal layer. The layer becomes sol-gel or solid. Therefore, not only the main seal becomes unnecessary, but also the responsiveness is improved. However, since the dielectric anisotropy (Δε) decreases as the polymer ratio increases, the amount of the monomer or oligomer dispersed in the liquid crystal is preferably about 10 wt% or less.
[0035]
In order to obtain a highly responsive phase modulation element, it is preferable to reduce the cell thickness (thickness of the liquid crystal layer 25). Moreover, the cell comprised by the liquid crystal layer 25 and the cell container 30 can also be made into a hybrid alignment cell, a pi ((pi)) cell, and a vertical alignment cell as needed.
[0036]
However, in order to perform phase modulation easily and accurately, it is better not to add a chiral agent to the liquid crystal layer 25. In addition, the alignment direction of the liquid crystal molecules in a state where no voltage is applied is preferably parallel to the extending direction of the transmission line 11.
[0037]
In the phase modulation element 50, the pitch between the adjacent electrodes 21 is selected to be approximately ¼ or less of the wavelength λ of the millimeter wave signal or the microwave signal that is supplied to the transmission line 11 from the outside and propagates through the transmission line 11. Is done.
[0038]
In the phase modulation element 50 in which the electrodes 21 are arranged in this way, by controlling the voltage supplied to each electrode 21, the dielectric constant of the liquid crystal layer 25 is approximately equal to the wavelength λ along the extending direction of the transmission line 11. It can be changed with the period. Accordingly, the electrical length (characteristic impedance) of the transmission line 11 in the cell container 30 can be changed with a period of the wavelength λ.
[0039]
As a result, it becomes possible to efficiently form a PBG for the millimeter wave signal or the microwave signal in the transmission line 11. The millimeter wave signal and the microwave signal supplied to the transmission line 11 are reflected without being able to enter the PBG and are output from the phase modulation element 50.
[0040]
When the phase modulation element 50 is used in a communication device, generally, n-bit data is obtained by a 2n-phase millimeter wave signal or microwave signal whose phase angle is shifted by π / n (n represents an integer of 1 or more). Therefore, phase modulation can be performed by shifting the PBG formation position in units of λ / 4n (λ represents the wavelength of the millimeter wave signal or microwave signal supplied to the transmission line 11). preferable. For this purpose, it is preferable to arrange 4n electrodes 21 per unit length along the transmission line 11 when the wavelength λ is a unit length.
[0041]
Hereinafter, a phase modulation apparatus capable of generating a four-phase millimeter-wave signal or microwave signal with a phase angle shifted by π / 2 will be taken as an example, and the configuration and operation thereof will be specifically described with reference to FIGS. I will explain it.
[0042]
FIG. 3 schematically shows the configuration of the phase modulation apparatus according to the embodiment. The phase modulation apparatus 100 includes a driving apparatus 60, a control circuit 70, a voltage control oscillator 80 (hereinafter abbreviated as “VCO 80”), a circulator 85, and a radiator 90 in addition to the phase modulation element 50 described above. Prepare.
[0043]
The driving device 60 is controlled in operation by the control circuit 70 and generates a driving signal for driving the phase modulation element 50 and the VCO 80. The drive signal for the phase modulation element 50 is roughly classified into a drive signal supplied to each of the electrodes 21 and a drive signal supplied to the transmission line 11. Details of the drive signal supplied to the phase modulation element 50 will be described later.
[0044]
The VCO 80 operates in accordance with the drive signal supplied from the drive circuit 60, and generates a millimeter wave signal or a microwave signal having a predetermined wavelength and frequency. This signal is supplied to the circulator 85.
[0045]
The circulator 85 supplies the millimeter wave signal or the microwave signal supplied from the VCO 80 to the transmission line 11 of the phase modulation element 50 and the millimeter wave signal or the microwave signal output from the phase modulation element 50 to the radiator 90. Supply.
[0046]
The radiator 90 is an antenna, for example, and radiates a millimeter wave signal or a microwave signal supplied from the phase modulation element 50 via the circulator 85.
[0047]
In the illustrated phase modulation element 50, when the wavelength λ of the millimeter wave signal or the microwave signal supplied to the transmission line 11 is a unit length, eight electrodes 21 are arranged per unit length along the transmission line 11. Is done.
[0048]
In order to efficiently form a PBG in the transmission line 11, it is desirable to change the electrical length of the transmission line 11 over, for example, approximately four periods or more with a period of about a wavelength λ. In order to generate a four-phase millimeter-wave signal or microwave signal, it is preferable to change the start end of the PBG on the pad P side, for example, within a range of four consecutive electrodes. For these reasons, it is preferable to arrange approximately 19 or more electrodes 21 in the phase modulation element 50.
[0049]
These electrodes 21 are commonly connected every seven lines and divided into eight groups. Each group receives any one of drive signals φ1 to φ8 from the drive circuit 60. One drive signal corresponds to one group.
[0050]
When the phase modulation device 100 is driven, four of the drive signals φ1 to φ8 are at a high level, and the remaining four are at a low level. Which drive signal is set to high level and which drive signal is set to low level differ depending on which phase of the four-phase millimeter-wave signal or microwave signal to be generated is generated. A drive signal having a constant potential (for example, ground potential) is supplied from the drive circuit 60 to the transmission line 11.
[0051]
Hereinafter, with reference to FIGS. 4A to 4C and FIGS. 5A to 5B, the levels of the drive signals φ1 to φ8 supplied to the phase modulation element 50 and the phase modulation element 50 The relationship with the phase of the millimeter wave signal or the microwave signal output from will be described.
[0052]
FIG. 4A schematically shows the formation position of the PBG when the drive signals φ1 to φ4 are set to the high level and the drive signals φ5 to φ8 are set to the low level (for example, the ground potential) to drive the phase modulation element 50. Show.
[0053]
In the drawing, a high-level drive signal is supplied to each of the electrodes 21 that are hatched, and a low-level drive signal is supplied to each of the electrodes 21 that are not hatched (the same applies hereinafter). .
[0054]
When the levels of the drive signals φ1 to φ8 are controlled as described above, a region having a relatively high dielectric constant and a region having a relatively low dielectric constant are periodically formed in the liquid crystal layer 25 (see FIG. 2A). Formed. These regions are formed with a period of substantially a wavelength λ from the bottom of the electrode 21 closest to the pad P to the rear thereof (which means a direction away from the pad P along the transmission line 11; the same applies hereinafter). The length of each region along the transmission line 11 corresponds to approximately λ / 2.
[0055]
As a result, the electrical length of the transmission line 11 changes with a period of the wavelength λ from the bottom of the electrode 21 closest to the pad P to the rear thereof, and a PBG is formed here.
[0056]
When the PBG is formed in the transmission line 11, the millimeter wave signal or the microwave signal supplied to the transmission line 11 does not enter the PBG but is reflected and returns to the circulator 85 (see FIG. 3), and is emitted from here. To the container 90.
[0057]
At this time, the phase of the millimeter wave signal or microwave signal output from the phase modulation element 50 has a constant phase difference with respect to the phase of the supplied millimeter wave signal or microwave signal.
[0058]
4 (B) to FIG. 4 (C) and FIG. 5 (A) to FIG. 5 (B), the starting end of the PBG on the pad P side is almost one electrode from the state shown in FIG. The relationship between the level of each drive signal φ1 to φ8 and the position where the PBG is formed when shifting backward by approximately 2 electrodes, approximately 3 electrodes, or approximately 4 electrodes is schematically shown.
[0059]
As shown in FIG. 4B, when the phase modulation element 50 is driven by setting the drive signals φ2 to φ5 to the high level and the drive signals φ1 and φ6 to φ8 to the low level, the start end of the PBG on the pad P side Is shifted substantially one electrode rearward from the state shown in FIG.
[0060]
At this time, the millimeter wave signal or the microwave signal output from the phase modulation element 50 is a difference between two electrodes in a reciprocation, that is, 2π / 4 (= π / 2), as compared with the state of FIG. The phase difference is generated.
[0061]
As shown in FIG. 4C, when the drive signals φ3 to φ6 are set to the high level and the drive signals φ1 to φ2 and φ7 to φ8 are set to the low level to drive the phase modulation element 50, the PBG on the pad P side The starting end deviates approximately two electrodes from the state shown in FIG.
[0062]
At this time, the millimeter wave signal or the microwave signal output from the phase modulation element 50 generates a phase difference of 4π / 4 (= π) as compared with the state of FIG.
[0063]
As shown in FIG. 5A, when the drive signals φ4 to φ7 are set to the high level and the drive signals φ1 to φ3 and φ8 are set to the low level to drive the phase modulation element 50, the start end of the PBG on the pad P side However, there is a deviation of approximately three electrodes from the state shown in FIG.
[0064]
At this time, the millimeter wave signal or the microwave signal output from the phase modulation element 50 generates a phase difference of 6π / 4 (= 3π / 2) as compared with the state of FIG.
[0065]
As shown in FIG. 5B, when the drive signals φ5 to φ8 are set to the high level and the drive signals φ1 to φ4 are set to the low level to drive the phase modulation element 50, the starting end of the PBG on the pad P side is illustrated. Although the position shown in FIG. 4 (A) deviates substantially four electrodes, the starting end of the PBG is electrically equivalent to the position shown in FIG. 4 (A).
[0066]
At this time, the millimeter wave signal or the microwave signal output from the phase modulation element 50 generates a phase difference of 2π as compared with the state of FIG. The signal is equivalent to the signal output under the state of FIG.
[0067]
As understood from FIGS. 4 (A) to 4 (C) and FIGS. 5 (A) to 5 (B), the phase of the millimeter wave signal or the microwave signal output from the phase modulation element 50 is Each time the start end of the PBG on the pad P side is shifted to the rear of about one electrode, the PBG is delayed by about λ / 4 (π / 2). A four-phase millimeter wave signal or microwave signal can be generated by appropriately changing the start end of the PBG on the pad P side within a range of four continuous electrodes.
[0068]
The phase modulation device 100 that performs phase modulation in this way is more dielectric than a device that performs phase modulation by uniformly changing the alignment of liquid crystal molecules around the transmission line along the transmission line. Body loss can be reduced easily.
[0069]
Next, a phase modulation element according to the second embodiment will be described.
[0070]
FIG. 6A schematically shows a planar shape of the phase modulation element according to the second embodiment. The phase modulation element 150 shown in the figure is structurally different from the phase modulation element 50 according to the first embodiment in that the transmission line 11 is connected to the capacitor C outside the cell container 30. Other configurations of the phase modulation element 150 are the same as those of the phase modulation element 50.
[0071]
Among the constituent elements shown in FIG. 6A, the constituent elements already shown in FIG. 1 are assigned the same reference numerals as those used in FIG. The capacitor C will be described in detail with reference to FIG.
[0072]
FIG. 6B shows an example of the capacitor C in an enlarged manner. The capacitor C shown in the figure is manufactured by forming a square wave gap in the middle of one millimeter wave band or microwave band transmission line. A transmission line between the pad P and the capacitor C is indicated by reference numeral 11a.
[0073]
The capacitor C allows the millimeter wave signal or the microwave signal to propagate between the transmission lines 11a and 11 as in the case where the capacitor C is not provided, while the transmission line is supplied when the drive signal is supplied to the electrode 21. 11 and 11a are for suppressing the functioning of the ground wire.
[0074]
The characteristics of the capacitor C can be appropriately changed according to the frequency of the millimeter wave signal or the microwave signal supplied to the phase modulation element 150.
[0075]
In the phase modulation element 150 having the capacitor C, the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 25 (see FIG. 2A) can be rearranged by an electric field (lateral electric field) formed between the adjacent electrodes 21. When the phase modulation element 150 is driven, a predetermined drive signal is supplied to each of the electrodes 21, and only the millimeter wave signal or the microwave signal is supplied to the transmission line 11.
[0076]
When a 2n-phase millimeter wave signal or microwave signal having a phase angle shifted by π / n is generated by controlling the orientation of the liquid crystal molecules in the phase modulation element 150 using a lateral electric field, the transmission line 11 is used. When the wavelength λ of the propagating millimeter wave signal or microwave signal is a unit length, it is preferable to arrange 4n electrodes 21 per unit length. At this time, it is preferable to make the line width of each electrode 21 narrower than the interval between adjacent electrodes 21. The liquid crystal layer 25 is preferably thin.
[0077]
In the following, taking the case of generating a four-phase millimeter wave signal or microwave signal with a phase angle shifted by π / 2 as an example, the arrangement of the electrodes 21 in the phase modulation element 150 and the method of driving the phase modulation element 150 will be described. This will be specifically described.
[0078]
When the phase modulation element 150 generates a four-phase millimeter wave signal or microwave signal, when the wavelength λ of the millimeter wave signal or microwave signal supplied to the transmission line 11 is a unit length, the transmission line 11 Eight electrodes 21 are arranged per unit length along.
[0079]
These electrodes 21 are commonly connected every seven lines and divided into eight groups. Each group receives one of the drive signals φ1 to φ8 from the drive circuit. One drive signal corresponds to one group.
[0080]
When driving the phase modulation apparatus 100, for example, six of the drive signals φ1 to φ8 are at a high level, and the remaining two are at a low level. Two of the drive signals φ1 to φ8 can be set to a low level, and the remaining six can be set to a high level.
[0081]
Which drive signal is set to high level and which drive signal is set to low level differ depending on which phase of the four-phase millimeter-wave signal or microwave signal to be generated is generated. Only the millimeter wave signal or the microwave signal is supplied to the transmission line 11.
[0082]
With reference to FIGS. 7A to 7C and FIGS. 8A to 8B, the level of the drive signal supplied to the phase modulation element 150 and the millimeters output from the phase modulation element 150 are described. The relationship with the phase of a wave signal or a microwave signal is demonstrated.
[0083]
FIG. 7A schematically shows the formation position of the PBG when the drive signals φ2 and φ4 to φ8 are set to high level and the drive signals φ1 and φ3 are set to low level (for example, ground potential) to drive the phase modulation element 150. Indicate.
[0084]
In the drawing, a high-level drive signal is supplied to each of the electrodes 21 that are hatched, and a low-level drive signal is supplied to each of the electrodes 21 that are not hatched (the same applies hereinafter). .
[0085]
When a high level drive signal is supplied to one of two electrodes adjacent to each other and a low level drive signal is supplied to the other, a lateral electric field is formed between the two electrodes. When a drive signal of the same level is supplied to each of two adjacent electrodes, a lateral electric field is not formed between these two electrodes.
[0086]
When the levels of the drive signals φ1 to φ8 are controlled as described above, a region having a relatively high dielectric constant and a region having a relatively low dielectric constant are periodically formed in the liquid crystal layer 25 (see FIG. 2A). Formed. These regions are formed from the bottom of the electrode 21 closest to the pad P to the rear thereof, with a period of approximately wavelength λ. The length of each region along the transmission line 11 corresponds to approximately λ / 2.
[0087]
As a result, the electrical length of the transmission line 11 changes with a period of the wavelength λ from the bottom of the electrode 21 closest to the pad P to the rear thereof, and a PBG is formed here.
[0088]
A millimeter wave signal or a microwave signal having a certain phase difference with respect to the supplied millimeter wave signal or microwave signal is output from the phase modulation element 150.
[0089]
7B, FIG. 7C, FIG. 8A, and FIG. 8B show that the starting end of the PBG on the pad P side is approximately one electrode from the state shown in FIG. The relationship between the level of each drive signal φ1 to φ8 and the position where the PBG is formed when shifting backward by two electrodes, approximately three electrodes, or approximately four electrodes is schematically shown.
[0090]
As shown in FIG. 7B, when the drive signals φ1, φ3 and φ5 to φ8 are set to the high level and the drive signals φ2 and φ4 are set to the low level to drive the phase modulation element 150, the PBG on the pad P side The starting end deviates from the state shown in FIG.
[0091]
At this time, the millimeter wave signal or the microwave signal output from the phase modulation element 150 generates a phase difference of 2π / 4 (= π / 2) as compared with the state of FIG.
[0092]
As shown in FIG. 7C, when the drive signals φ1 to φ2, φ4, and φ6 to φ8 are set to the high level and the drive signals φ3 and φ5 are set to the low level to drive the phase modulation element 150, the pad P side The starting end of the PBG deviates from the state shown in FIG.
[0093]
At this time, the millimeter wave signal or the microwave signal output from the phase modulation element 50 generates a phase difference of 4π / 4 (= π) as compared with the state of FIG.
[0094]
As shown in FIG. 8A, when the drive signals φ1 to φ3, φ5, and φ7 to φ8 are set to the high level and the drive signals φ4 and φ6 are set to the low level to drive the phase modulation element 150, the pad P side The starting end of the PBG deviates from the state shown in FIG.
[0095]
At this time, the millimeter wave signal or the microwave signal output from the phase modulation element 50 generates a phase difference of 6π / 4 (= 3π / 2) as compared with the state of FIG.
[0096]
As shown in FIG. 8B, when the drive signals φ1 to φ4, φ6, and φ8 are set to the high level and the drive signals φ5 and φ7 are set to the low level to drive the phase modulation element 150, the PBG on the pad P side Although the start end of FIG. 7A is shifted substantially four electrodes rearward from the state shown in FIG. 7A, the start end of PBG is electrically equivalent to the position shown in FIG. 7A.
[0097]
At this time, the millimeter wave signal or the microwave signal output from the phase modulation element 50 generates a phase difference of 2π as compared with the state of FIG. The signal is equivalent to the signal output under the state of FIG.
[0098]
As understood from FIGS. 7A to 7C and FIGS. 8A to 8B, the phase of the millimeter wave signal or the microwave signal output from the phase modulation element 150 is Each time the start end of the PBG on the pad P side is shifted to the rear of about one electrode, the PBG is delayed by about λ / 4 (π / 2). A four-phase millimeter wave signal or microwave signal can be generated by appropriately changing the start end of the PBG on the pad P side within a range of four continuous electrodes.
[0099]
The phase modulation element 150 capable of performing phase modulation in this way is more liquid crystal than a type of device that performs phase modulation by uniformly changing the arrangement of liquid crystal molecules around the transmission line along the transmission line. Dielectric loss due to the layer can be easily reduced.
[0100]
Next, a phase modulation element according to the third embodiment will be described.
[0101]
FIG. 9 schematically shows a cross-sectional structure of the phase modulation element according to the third embodiment. The phase modulation element 250 shown in the figure includes (i) a plurality of electrodes 13 disposed on the outer surface of the first substrate 10, and (ii) electrodes on the inner surface of the second substrate 20. Is different from the phase modulation element 50 according to the first embodiment in that a plurality of electrodes 23 are arranged on the outer surface without being arranged. Other configurations of the phase modulation element 250 are the same as those of the phase modulation element 50.
[0102]
Among the constituent elements shown in FIG. 9, constituent elements excluding the electrode 13 and the electrode 23 are given the same reference numerals as those used in FIG.
[0103]
In the illustrated phase modulation element 250, each of the electrodes 13 and each of the electrodes 23 is a millimeter wave signal supplied to the transmission line 11 or each of the electrodes 21 in the phase modulation element 50 according to the first embodiment. They are arranged at a predetermined pitch less than about 1/4 of the wavelength λ of the microwave signal. These electrodes 13 and 23 both cross the transmission line 11 in plan view. One electrode 23 corresponds to one electrode 13, and the electrode 13 and the electrode 23 corresponding to each other overlap in plan view.
[0104]
The phase modulation element 250 is driven in the same manner as the phase modulation element 50 according to the first embodiment described above. At this time, a drive signal of the same level is supplied to the pair of electrodes 13 and 23 corresponding to each other. No drive signal is supplied to the transmission line 11.
[0105]
By driving the phase modulation element 250 in this manner, the supplied millimeter wave signal or microwave signal can be phase-modulated and output in the same manner as the phase modulation element 50 according to the first embodiment. The dielectric loss due to the liquid crystal layer can be easily reduced as compared with a type of device that performs phase modulation by uniformly changing the alignment of liquid crystal molecules around the transmission line along the transmission line.
[0106]
Next, a phase modulation element according to the fourth embodiment will be described.
[0107]
FIG. 10 schematically shows a cross-sectional structure of the phase modulation element according to the fourth embodiment. The phase modulation element 350 shown in the figure is structurally different from the phase modulation element 50 according to the first embodiment in that a plurality of electrodes 13 are arranged on the outer surface of the first substrate 10. Other configurations of the phase modulation element 350 are the same as those of the phase modulation element 50.
[0108]
Among the constituent elements shown in FIG. 10, constituent elements excluding each electrode 13 are given the same reference numerals as those used in FIG.
[0109]
In the illustrated phase modulation element 350, each of the electrodes 13 and each of the electrodes 21 is arranged at a predetermined pitch that is less than ½ of the wavelength λ of the millimeter wave signal or microwave signal supplied to the transmission line 11. . These electrodes 13 and 21 both cross the transmission line 11 in plan view. One electrode 21 corresponds to one electrode 13, and the electrode 13 and the electrode 21 corresponding to each other overlap in plan view.
[0110]
The phase modulation element 350 is also driven by the same method as the phase modulation element 50 according to the first embodiment described above. At this time, a drive signal of the same level is supplied to the pair of electrodes 13 and 21 corresponding to each other. No drive signal is supplied to the transmission line 11.
[0111]
By driving the phase modulation element 350 in this manner, the supplied millimeter wave signal or microwave signal can be phase-modulated and output in the same manner as the phase modulation element 50 according to the first embodiment. The dielectric loss due to the liquid crystal layer can be easily reduced as compared with a type of device that performs phase modulation by uniformly changing the alignment of liquid crystal molecules around the transmission line along the transmission line.
[0112]
The phase modulation element and the phase modulation device according to the embodiments have been described above, but the present invention is not limited to these embodiments.
[0113]
For example, when generating a 2n phase millimeter wave signal or microwave signal by shifting the phase angle of the millimeter wave signal or microwave signal supplied to the transmission line 11 by a value different from π / n, the unit length It is also possible to arrange more than 4n electrodes 21 per length. A two-phase (n = 1) millimeter wave signal or microwave signal can also be generated by arranging three electrodes 21 per unit length.
[0114]
The alignment film can be omitted if, for example, the first and second substrates have an alignment function for liquid crystal molecules.
[0115]
The shape of the transmission line in the cell container when viewed in a plan view is not limited to a straight line shape, and may be a comb shape, for example. It is also possible to skew the transmission line and the electrode with each other in plan view.
[0116]
The position where the PBG is formed when generating the most advanced millimeter wave signal or microwave signal among the multiple phase millimeter wave signals or microwave signals generated using the phase modulation element is the input end of the transmission line. It is not limited to the area | region ranging from the back from the electrode nearest to.
[0117]
In forming the PBG in the transmission line, it is preferable to change the electrical length of the transmission line with a period of about the wavelength of the millimeter wave signal or microwave signal supplied to the transmission line. As long as the electrical length of the transmission line changes in the above cycle, the length in a plan view of a region having a relatively large electrical length formed in the range of one cycle and the plan view of a region having a relatively small electrical length. It is not always necessary to match the above length.
[0118]
Therefore, even when the dielectric constant of the liquid crystal layer is periodically changed, the length in a plan view of the region having a relatively high dielectric constant (the length along the transmission line) and the region having a relatively low dielectric constant It is not always necessary to match the length in plan view (the length along the transmission line).
[0119]
Furthermore, the change in the dielectric constant of the liquid crystal layer is in three values of high, medium and low as long as it has a periodicity less than the wavelength of the millimeter wave signal or microwave signal supplied to the transmission line. Alternatively, it may be over 4 values. Even in this case, the PBG can be formed in the transmission line.
[0120]
When it is desired to appropriately select the frequency of the millimeter wave signal or the microwave signal that can be handled by one phase modulation device from among a plurality of values, the electrodes in the phase modulation element are electrically independent from each other, It is preferable to electrically connect the phase modulation element and the drive circuit.
[0121]
As for the phase of the millimeter wave signal or microwave signal output from the phase modulation element, a PBG is formed from below a predetermined electrode second or more counted from the input end of the transmission line, and the formation position of this PBG is fixed. The control can also be performed by appropriately selecting the value of the voltage applied to the electrode on the input end side with respect to the PBG.
[0122]
It will be apparent to those skilled in the art that other various modifications, improvements, combinations, applications, and the like are possible.
[0123]
The phase modulation element and the phase modulation device having the above-described configuration can be easily reduced in size and have a small dielectric loss due to the liquid crystal layer, and thus can be suitably used particularly for portable communication devices. Of course, the present invention can be used not only for portable communication devices but also for various communication devices. It can also be used for a survey device such as an in-vehicle radar.
[0124]
Since the number of electrodes per unit length provided in the cell container can be increased relatively easily, phase modulators with various performances can be easily configured. It can also be used to modulate various data such as sound data and image data, and halftone control is relatively easy. In principle, the frequency band in which phase modulation is possible is wide.
[0125]
【The invention's effect】
As described above, the phase modulation element of the present invention can reduce dielectric loss due to the liquid crystal layer even though it is an element using liquid crystal. It becomes easy to provide a phase modulation element and a phase modulation device that are small and consume less power.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a planar shape of a phase modulation element according to a first embodiment.
2A is a schematic view showing a cross section taken along the line IIA-IIA shown in FIG. 1, and FIG. 2B is a cross section taken along the line IIB-IIB shown in FIG. It is the schematic which shows a cross section.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration of a phase modulation apparatus according to an embodiment.
4 (A) to 4 (C) respectively show the level of each drive signal supplied to the phase modulation element shown in FIG. 3 and the position of the photonic band gap formed in the transmission line. It is the schematic which shows the relationship.
5A to FIG. 5B respectively show the level of each drive signal supplied to the phase modulation element shown in FIG. 3 and the position of the photonic band gap formed in the transmission line. It is the schematic which shows the other relationship with.
FIG. 6 is a schematic view showing a planar shape of a phase modulation element according to a second embodiment.
7A to FIG. 7C respectively show the levels of drive signals supplied to the phase modulation element shown in FIG. 6 and the positions of photonic band gaps formed in the transmission line. It is the schematic which shows the relationship.
8A to FIG. 8B respectively show the level of each drive signal supplied to the phase modulation element shown in FIG. 6 and the position of the photonic band gap formed in the transmission line. It is the schematic which shows the other relationship with.
FIG. 9 is a schematic view showing a cross-sectional structure of a phase modulation element according to a third embodiment.
FIG. 10 is a schematic view showing a cross-sectional structure of a phase modulation element according to a fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... 1st board | substrate, 11 ... Transmission line, 12 ... 1st alignment film, 13 ... Electrode provided in 1st board | substrate, 15 ... Sealing material, 20 ... 2nd board | substrate, 21, 23 ... 2nd Electrodes provided on the substrate, 22 ... second alignment film, 25 ... liquid crystal layer, 30 ... cell container, 50, 150, 50B, 50C ... phase modulation element, 60 ... drive circuit, 70 ... control circuit, 80 ... Voltage controlled oscillator, 85 ... circulator, 90 ... radiator, 100 ... phase modulator.

Claims (4)

一表面上にミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線が設けられ、前記一表面と向かい合う他の一表面上に、前記伝送線の延在方向に関して該伝送線内のミリ波信号またはマイクロ波信号の波長のほぼ1/4以下のピッチで配置された複数本の第1の電極を有する第1の基板と、
前記第1の基板に対向して配置され、前記第1の基板と対向する表面と向かい合う他の表面上に、前記複数本の第1の電極と平面視上重なる複数本の第2の電極を有する第2の基板と、
前記第1および第2の基板間に挟持され、前記第1および第2の電極に電圧を印加することによって、前記伝送線からみた誘電率が変化する液晶層と、
前記複数本の第1の電極および前記複数本の第2の電極それぞれに電圧を供給する制御回路とを有し、
前記第1の電極および前記第2の電極が、平面視上、前記伝送線に沿った長さが前記ミリ波信号またはマイクロ波信号の波長のほぼ4倍以上の領域内に配置され
前記制御回路が、前記第1および第2の電極間に周期的な電界を発生させて、前記液晶層に周期的な誘電率分布を形成することにより、前記伝送線内に禁止帯を形成でき、前記第1および第2の電極に印加する電圧を適宜制御することで前記禁止帯の形成位置を変更し、該伝送線に供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号の位相変調を行う位相変調装置
A millimeter wave band or a microwave band transmission line is provided on one surface, and a millimeter wave signal or a microwave signal in the transmission line is provided on the other surface facing the one surface with respect to the extending direction of the transmission line. A first substrate having a plurality of first electrodes arranged at a pitch of approximately ¼ or less of the wavelength;
A plurality of second electrodes, which are arranged to face the first substrate and overlap the plurality of first electrodes in plan view, on another surface facing the surface facing the first substrate. A second substrate having;
A liquid crystal layer sandwiched between the first and second substrates and having a dielectric constant seen from the transmission line changed by applying a voltage to the first and second electrodes;
A control circuit for supplying a voltage to each of the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes,
The first electrode and the second electrode are arranged in a region in which the length along the transmission line in a plan view is approximately four times or more the wavelength of the millimeter wave signal or microwave signal ,
The control circuit generates a periodic electric field between the first and second electrodes to form a periodic dielectric constant distribution in the liquid crystal layer, thereby forming a forbidden band in the transmission line. Phase modulation that changes the formation position of the forbidden band by appropriately controlling the voltage applied to the first and second electrodes and performs phase modulation of the millimeter wave signal or the microwave signal supplied to the transmission line Equipment .
さらに、
前記第1の基板の一表面上に配置されて前記伝送線を覆う第1の配向膜と、
前記第2の基板の他の表面上に配置された第2の配向膜と
を有する請求項に記載の位相変調装置
further,
A first alignment film disposed on one surface of the first substrate and covering the transmission line;
The phase modulation device according to claim 1 , further comprising: a second alignment film disposed on another surface of the second substrate.
一表面上にミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線が設けられ、前記一表面と向かい合う他の一表面上に、前記伝送線の延在方向に関して該伝送線内のミリ波信号またはマイクロ波信号の波長のほぼ1/4以下のピッチで配置された複数本の第1の電極を有する第1の基板と、
前記第1の基板に対向して配置され、前記第1の基板に対向する表面上に、前記複数本の第1の電極に平面視上重なる複数本の第2の電極を有する第2の基板と、
前記第1および第2の基板間に挟持され、前記第1および第2の電極に電圧を印加することによって、前記伝送線からみた誘電率が変化する液晶層と、
前記複数本の第1の電極および前記複数本の第2の電極それぞれに電圧を供給する制御回路とを有し、
前記第1の電極および前記第2の電極が、平面視上、前記伝送線に沿った長さが前記ミリ波信号またはマイクロ波信号の波長のほぼ4倍以上の領域内に配置され
前記制御回路が、前記第1および第2の電極間に周期的な電界を発生させて、前記液晶層に周期的な誘電率分布を形成することにより、前記伝送線内に禁止帯を形成でき、前記第1および第2の電極に印加する電圧を適宜制御することで前記禁止帯の形成位置を変更し、該伝送線に供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号の位相変調を行う位相変調装置
A millimeter wave band or a microwave band transmission line is provided on one surface, and a millimeter wave signal or a microwave signal in the transmission line is provided on the other surface facing the one surface with respect to the extending direction of the transmission line. A first substrate having a plurality of first electrodes arranged at a pitch of approximately ¼ or less of the wavelength;
A second substrate that is disposed to face the first substrate and has a plurality of second electrodes that overlap the plurality of first electrodes in a plan view on a surface that faces the first substrate. When,
A liquid crystal layer sandwiched between the first and second substrates and having a dielectric constant seen from the transmission line changed by applying a voltage to the first and second electrodes;
A control circuit for supplying a voltage to each of the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes,
The first electrode and the second electrode are arranged in a region in which the length along the transmission line in a plan view is approximately four times or more the wavelength of the millimeter wave signal or microwave signal ,
The control circuit generates a periodic electric field between the first and second electrodes to form a periodic dielectric constant distribution in the liquid crystal layer, thereby forming a forbidden band in the transmission line. Phase modulation that changes the formation position of the forbidden band by appropriately controlling the voltage applied to the first and second electrodes and performs phase modulation of the millimeter wave signal or the microwave signal supplied to the transmission line Equipment .
さらに、
前記第1の基板の一表面上に配置されて前記伝送線を覆う第1の配向膜と、
前記第2の基板の表面上に配置されて前記複数本の第2の電極を覆う第2の配向膜と
を有する請求項に記載の位相変調装置
further,
A first alignment film disposed on one surface of the first substrate and covering the transmission line;
4. The phase modulation device according to claim 3 , further comprising: a second alignment film disposed on a surface of the second substrate and covering the plurality of second electrodes .
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