JP2003188629A - Directional variable antenna - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は液晶パネルを電波に
対するフレネルゾーンプレートに用いた指向性可変アン
テナに関し、マイクロ波やミリ波を用いた無線通信の送
受信、放送の送受信及びレーダに用いて有用なものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a directional variable antenna using a liquid crystal panel as a Fresnel zone plate for radio waves, which is useful for transmitting and receiving wireless communication using microwaves and millimeter waves, transmitting and receiving broadcast, and radar. It is a thing.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、ブロードバンド応用を目指したミ
リ波帯やマイクロ波帯の電波を用いた無線通信及び放送
システムの研究開発が盛んである。これらミリ波帯等の
電波は波長が短いため、高利得のアンテナが小型に作製
できる。また、アンテナを高利得にすれば、他の通信と
の干渉を少なくし、多くのチャンネルを確保できる。更
に、アンテナを高利得にすることで、これらの長所に加
えて、少ない電力で通信が可能になるという利点もあ
る。2. Description of the Related Art In recent years, research and development of wireless communication and broadcasting systems using radio waves in the millimeter wave band and microwave band aiming at broadband applications have been actively conducted. Since radio waves such as the millimeter wave band have a short wavelength, a high gain antenna can be manufactured in a small size. Further, if the antenna has a high gain, interference with other communications can be reduced and many channels can be secured. In addition to these advantages, the antenna having a high gain has an advantage that communication can be performed with less power.
【０００３】しかし、アンテナの利得を大きくすること
は、指向性を鋭くすることであるから、伝播路（通話路
や通信路など）中の大気の揺らぎや、アンテナ自身の振
動があれば、十分な送受信電力を確保できなくなる。ま
た、別の相手と通信するときには、複数のアンテナを用
意して切り換えたり、１つのアンテナに回転機構を設け
るなど、なにがしかの指向性可変装置を付与することが
必要になる。However, since increasing the gain of the antenna means sharpening the directivity, fluctuations of the atmosphere in the propagation path (such as a communication path or a communication path) and vibrations of the antenna itself are sufficient. It becomes impossible to secure sufficient transmission and reception power. Further, when communicating with another party, it is necessary to provide some kind of directivity varying device such as preparing and switching a plurality of antennas or providing a rotating mechanism for one antenna.
【０００４】これの解決策として、フェーズド・アレイ
・アンテナがある。図９に例として、４素子のフェーズ
ド・アレイ・アンテナを示す。図９中、３１ａ〜３１ｄ
は１次放射器、３２ａ〜３２ｄは可変位相器、３３は電
力合分波器、３４は指向性制御回路である。受信を例に
して、このアンテナの動作を説明する。As a solution to this, there is a phased array antenna. As an example, FIG. 9 shows a 4-element phased array antenna. In FIG. 9, 31a to 31d
Is a primary radiator, 32a to 32d are variable phase shifters, 33 is a power multiplexer / demultiplexer, and 34 is a directivity control circuit. The operation of this antenna will be described by taking reception as an example.
【０００５】図９において、外部からの到来電波が複数
の１次放射器３１ａ〜３１ｄに入射すると、その到来方
向によって、各１次放射器３１ａ〜３１ｄで受信される
電波の位相はそれぞれにおいて異なる。ところが、この
到来方向によって異なる電波の位相量は、１次放射器３
１ａ〜３１ｄどうしの位置関係から計算で求めることが
できるため、位相のずれに対応した位相器あるいは遅延
線を各１次放射器３１ａ〜３１ｄの後に置けば、到来電
波の位相を等しく揃えることができる。この機能は、可
変位相器３２ａ〜３２ｄと指向性制御回路３４で実現さ
れる。可変位相器３２ａ〜３２ｄで位相整合された電波
は、電力合分波器３３で電力合成され、受信機（図示省
略）へと導かれる。指向性の変更は、指向性制御回路３
４が変更したいパターンに相当する位相量を計算し、そ
の位相量が可変位相器３２ａ〜３２ｄ内の遅延として実
現されることで、達成される。In FIG. 9, when an incoming radio wave from the outside enters a plurality of primary radiators 31a to 31d, the phases of the radio waves received by the respective primary radiators 31a to 31d differ depending on the direction of arrival. . However, the phase amount of the radio wave that differs depending on the direction of arrival is the primary radiator 3
Since it can be calculated from the positional relationship between 1a to 31d, if a phase shifter or a delay line corresponding to the phase shift is placed after each of the primary radiators 31a to 31d, the phases of incoming radio waves can be made equal. it can. This function is realized by the variable phase shifters 32a to 32d and the directivity control circuit 34. The radio waves phase-matched by the variable phase shifters 32a to 32d are power-combined by the power multiplexer / demultiplexer 33 and guided to the receiver (not shown). The directivity is changed by changing the directivity control circuit 3
4 is calculated by calculating the phase amount corresponding to the pattern to be changed and realizing the phase amount as a delay in the variable phase shifters 32a to 32d.
【０００６】このような従来のフェーズド・アレイ・ア
ンテナで指向性を変化させる場合、下記のような問題が
ある。
(1) 十分大きなアンテナ利得を得るには、非常に多数の
１次放射器が必要となり、大型化する。
(2) 当然、１次放射器と同数の可変位相器が必要となる
が、入出力部を含めて、可変位相器の電気的な長さが一
様でないと、アンテナ利得あるいは指向性の精度が十分
なものとならない。
(3) また、１次放射器の数が少ないと、多数のサイドロ
ーブが発生する。When changing the directivity in such a conventional phased array antenna, there are the following problems. (1) To obtain a sufficiently large antenna gain, an extremely large number of primary radiators are required, which increases the size. (2) Obviously, the same number of variable phase shifters as the primary radiator is required, but if the electrical length of the variable phase shifter is not uniform, including the input / output section, the accuracy of the antenna gain or directivity will be high. Is not sufficient. (3) If the number of primary radiators is small, many side lobes are generated.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、小
型で、高速に指向性を変化することができる指向性可変
アンテナを提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a small directivity variable directivity antenna capable of changing directivity at high speed.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】第１発明の指向性可変ア
ンテナは、送受信する電波の偏波をピクセル毎に変換
し、ピクセル毎の誘電異方性でフレネルゾーンプレート
を形成する液晶パネルと、前記液晶パネルの焦点位置に
設置され、前記電波を放射あるいは入射する１次放射器
と、前記液晶パネルのピクセルに印加する電圧を制御
し、ピクセル毎に液晶分子の向きを調製することで指向
性を変える指向性制御回路とを具備することを特徴とす
るものである。A variable directivity antenna according to a first aspect of the present invention converts a polarized wave of a radio wave transmitted and received for each pixel, and forms a Fresnel zone plate by dielectric anisotropy of each pixel, Directivity is set by controlling the voltage applied to the primary radiator, which is installed at the focus position of the liquid crystal panel and emits or enters the radio wave, and the pixel of the liquid crystal panel, and adjusts the orientation of liquid crystal molecules for each pixel. And a directivity control circuit for changing.
【０００９】第２発明は、第１発明において、前記指向
性制御回路が前記液晶分子の向きを２値に調製し、前記
液晶パネルに２値のフレネルゾーンプレートを形成する
ことを特徴とする指向性可変アンテナである。A second aspect of the present invention is the directivity control circuit according to the first aspect, wherein the directivity control circuit adjusts the orientation of the liquid crystal molecules to a binary value to form a binary Fresnel zone plate on the liquid crystal panel. It is a variable sex antenna.
【００１０】第３発明は、第１発明において、前記指向
性制御回路が前記液晶分子の向きを多値に調製し、前記
液晶パネルに多値のフレネルゾーンプレートを形成する
ことを特徴とする指向性可変アンテナである。According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the directivity control circuit adjusts the orientations of the liquid crystal molecules to be multivalued to form a multivalued Fresnel zone plate on the liquid crystal panel. It is a variable sex antenna.
【００１１】第４発明は、第１発明または第２発明また
は第３発明において、前記液晶パネルがマトリックス状
のピクセル配置を有することを特徴とする指向性可変ア
ンテナである。A fourth invention is a directional variable antenna according to the first invention, the second invention or the third invention, wherein the liquid crystal panel has a pixel arrangement in a matrix.
【００１２】第５発明は、第４発明において、前記指向
性制御回路が前記液晶パネル上のフレネルゾーンプレー
トの位置を変えることで、指向性を変えることを特徴と
する指向性可変アンテナである。A fifth aspect of the invention is the variable directivity antenna according to the fourth aspect of the invention, wherein the directivity control circuit changes the directivity by changing the position of the Fresnel zone plate on the liquid crystal panel.
【００１３】第６発明は、第１発明または第２発明また
は第３発明において、前記液晶パネルが同心円状のピク
セル配置を有することを特徴とする指向性可変アンテナ
である。A sixth invention is a directional variable antenna according to the first invention, the second invention or the third invention, wherein the liquid crystal panel has a concentric pixel arrangement.
【００１４】第７発明は、第４発明または第６発明にお
いて、前記指向性制御回路が前記液晶パネル上のフレネ
ルゾーンプレートの大きさを変えることで、指向性を変
えることを特徴とする指向性可変アンテナである。A seventh aspect of the present invention is the directivity according to the fourth or sixth aspect, wherein the directivity control circuit changes the directivity by changing the size of the Fresnel zone plate on the liquid crystal panel. It is a variable antenna.
【００１５】[0015]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【００１６】［第１実施例の概要］図１に、本発明の第
１実施例に係る指向性可変アンテナの構成を示す。図１
に示すアンテナはマトリックス電極液晶パネル（以下、
ＭＬＣＰと略す）１と、１次放射器２と、指向性制御回
路３を備えている。ＭＬＣＰ１はマトリックス状の電極
でピクセル構成されている。２点鎖線は電波の経路を示
している。[Outline of First Embodiment] FIG. 1 shows the configuration of a variable directivity antenna according to the first embodiment of the present invention. Figure 1
The antenna shown in is a matrix electrode liquid crystal panel (hereinafter,
An MLCP 1), a primary radiator 2, and a directivity control circuit 3 are provided. The MLCP 1 is made up of pixels with matrix electrodes. The chain double-dashed line indicates the path of the radio wave.
【００１７】液晶パネルによる電波の位相変化の原理は
後述するが、遠方からの到来電波あるいは１次放射器２
からの放射電波がＭＬＣＰ１に入射すると、正方形など
に分割された多数のピクセル１ｍｎ毎に、異なる位相変
化を受ける。受信についていえば、指向性制御回路３か
ら例えばフレネルゾーンプレートの位相分布相当の電圧
をＭＬＣＰ１に与えることで、到来電波はフレネルゾー
ンプレートの焦点位置に集中する。従って、焦点位置に
１次放射器２を配置しておくことで、到来電波がＭＬＣ
Ｐ１により集中して１次放射器２に入射し、最大利得が
得られる。送信の場合は、１次放射器２の放射電波がＭ
ＬＣＰ１により集中して放射される。The principle of the phase change of the radio wave by the liquid crystal panel will be described later, but the radio wave coming from a distance or the primary radiator 2
When the radiated radio wave from is incident on the MLCP 1, a large number of pixels 1 mn divided into a square or the like undergo different phase changes. Regarding reception, the directivity control circuit 3 supplies a voltage corresponding to the phase distribution of the Fresnel zone plate to the MLCP 1, so that the incoming radio waves are concentrated at the focal position of the Fresnel zone plate. Therefore, by arranging the primary radiator 2 at the focus position, incoming radio waves can be transmitted by MLC.
The light is concentrated by P1 and is incident on the primary radiator 2 to obtain the maximum gain. In the case of transmission, the radio wave emitted from the primary radiator 2 is M
Emitted in a concentrated manner by LCP1.
【００１８】ここで、液晶パネルによる電波の位相変化
に関する原理を、図２〜図６に示す態様毎に詳細に説明
する。Here, the principle of the phase change of the radio wave by the liquid crystal panel will be described in detail for each mode shown in FIGS.
【００１９】［液晶パネルによる電波の位相変化の原
理：第１の態様］図２により、液晶パネルによる電波の
位相変化の第１の態様を説明する。図２中、上から順
に、（ａ）は入射電波の電界（偏波の向き）を示し、
（ｂ）は液晶パネルのピクセルと液晶分子の向き示し、
（ｃ）は通過電波の電界（偏波の向き）を示す。[Principle of Phase Change of Radio Wave by Liquid Crystal Panel: First Mode] A first mode of phase change of radio wave by the liquid crystal panel will be described with reference to FIG. In FIG. 2, in order from the top, (a) shows the electric field (direction of polarization) of the incident radio wave,
(B) shows the orientation of the pixels and liquid crystal molecules of the liquid crystal panel,
(C) shows the electric field (direction of polarization) of the passing radio wave.
【００２０】簡単のため、図２では、下記〜を仮定
する。
液晶パネルは、ｙ軸に沿って並んだ２つのピクセル１
０ａ、１０ｂからなり、ｘ−ｙ平面内に位置する。
液晶パネルの配向は平行配向（ＥＣＢモード）であ
る。
液晶パネルの厚さ（ｚ軸方向の寸法）ｔ1 と、液晶の
誘電異方性Δεと、電波の波長λとは次式（１）の関係
である。
Δε・ｔ1 ／λ＝π／２ …式（１）
各ピクセル内の液晶分子１１ａ、１１ｂはｐ型であ
る。
ピクセル１０ａにあっては電圧が印加されておらず、
液晶分子１１ａは配向方向と平行であって、ｘ軸からｙ
軸へ４５°だけ傾いている。
ピクセル１０ｂではしきい値を超える電圧が印加され
ており、液晶分子１１ｂは配向方向からずれて、ｚ軸に
平行に立っている。
ピクセル１０ａ、１０ｂそれぞれに、矢印１２ａ、１
２ｂで示すように偏波の向きが同じ（電界方向がｙ軸に
平行な）電波が入射する。入射電波はｚ軸（液晶パネル
の厚さ方向）に沿って負から正の方向へ進む。For simplicity, the following are assumed in FIG. The LCD panel consists of two pixels 1 aligned along the y-axis.
It consists of 0a and 10b and is located in the xy plane. The orientation of the liquid crystal panel is parallel orientation (ECB mode). The thickness (dimension in the z-axis direction) t 1 of the liquid crystal panel, the dielectric anisotropy Δε of the liquid crystal, and the wavelength λ of the radio wave have the relationship of the following expression (1). Δε · t 1 / λ = π / 2 (Equation (1)) The liquid crystal molecules 11a and 11b in each pixel are p-type. No voltage is applied to the pixel 10a,
The liquid crystal molecule 11a is parallel to the alignment direction and is
It is tilted by 45 ° to the axis. A voltage exceeding the threshold value is applied to the pixel 10b, and the liquid crystal molecule 11b is displaced from the alignment direction and stands parallel to the z axis. Arrows 12a, 1 are provided for the pixels 10a, 10b, respectively.
As shown by 2b, radio waves having the same polarization direction (the electric field direction is parallel to the y axis) enter. The incident radio wave travels from the negative direction to the positive direction along the z axis (the thickness direction of the liquid crystal panel).
【００２１】電波が液晶のような誘電異方性材料の中を
進む時、一般には直線偏波で入射しても、進みながら徐
徐に楕円偏波、円偏波、楕円偏波、直線偏波という順
で、偏波を変えながら伝播する。When a radio wave travels in a dielectric anisotropic material such as liquid crystal, generally, even if it is incident as a linearly polarized wave, it is gradually and elliptically polarized, circularly polarized, elliptically polarized, and linearly polarized. In that order, it propagates while changing the polarization.
【００２２】式（１）は、配向方向がｘ軸からｙ軸へ向
かって４５°だけ傾いている液晶を考えたときに、通過
電波が丁度直線偏波となる関係である。The formula (1) has a relationship in which the passing radio wave is just a linearly polarized wave when a liquid crystal in which the alignment direction is inclined by 45 ° from the x axis to the y axis is considered.
【００２３】この結果、ピクセル１０ａを通過した後の
電波の電界方向１３ａは入射電波に対して丁度９０°回
転し、ｘ軸と平行になる。一方、ピクセル１０ｂでは液
晶分子１１ｂがｚ軸、即ち電波の進行方向と平行である
ため、いずれの偏波に対しても等方的に振る舞う。従っ
て、ピクセル１０ｂを通過した後の電波の偏波は、入射
したときのままの状態（電界方向１３ｂがｙ軸と平行）
である。As a result, the electric field direction 13a of the radio wave after passing through the pixel 10a is rotated by 90 ° with respect to the incident radio wave and becomes parallel to the x axis. On the other hand, in the pixel 10b, the liquid crystal molecule 11b is parallel to the z axis, that is, the traveling direction of the radio wave, and therefore behaves isotropically with respect to any polarized wave. Therefore, the polarized wave of the radio wave after passing through the pixel 10b is as it is when it is incident (the electric field direction 13b is parallel to the y axis).
Is.
【００２４】このようにピクセル１０ａ、１０ｂ毎に異
なる電圧を印加すれば（図２では、電圧を印加しない場
合としきい値を超える電圧を印加する場合の２値）、ピ
クセル１０ａ、１０ｂ毎に液晶分子の向きが異なり（図
２では、ｘ軸からｙ軸へ４５°傾く場合とｚ軸に平行な
場合の２値）、異なる偏波で電波が出射する（図２で
は、ｘ軸方向１３ａとｙ軸方向１３ｂの２値）。If different voltages are applied to the pixels 10a and 10b in this way (in FIG. 2, binary values when no voltage is applied and when a voltage exceeding a threshold value is applied), the liquid crystal is applied to each of the pixels 10a and 10b. The molecules have different directions (in FIG. 2, binary values when tilted from the x-axis to the y-axis by 45 ° and parallel to the z-axis), and radio waves are emitted with different polarizations (in FIG. 2, the x-axis direction 13a). Binary value in the y-axis direction 13b).
【００２５】つまり、ピクセル毎に異なる電圧を印加す
ることで、出射電波の偏波の位相が異なり、液晶パネル
は入射電波の回折を引き起す。従って、２値のフレネル
ゾーンプレートを実現できる。That is, by applying different voltages to each pixel, the phase of the polarized wave of the outgoing radio wave is different, and the liquid crystal panel causes the diffraction of the incident radio wave. Therefore, a binary Fresnel zone plate can be realized.
【００２６】［液晶パネルによる電波の位相変化の原
理：第２の態様］次に、図３により、液晶パネルによる
電波の位相変化に関する第２の態様を説明する。図３
中、上から順に、（ａ）は入射電波の電界（偏波の向
き）を示し、（ｂ）は液晶パネルのピクセル構成と液晶
分子の向きを示し、（ｃ）は通過電波の電界（偏波の向
き）を示す。[Principle of Phase Change of Radio Wave by Liquid Crystal Panel: Second Mode] Next, a second mode relating to a phase change of radio wave by the liquid crystal panel will be described with reference to FIG. Figure 3
From the top to the bottom, (a) shows the electric field (direction of polarization) of the incident radio wave, (b) shows the pixel configuration of the liquid crystal panel and the direction of liquid crystal molecules, and (c) shows the electric field of the passing radio wave (polarization). Wave direction).
【００２７】図３では、図２の場合と比較して、液晶パ
ネルの厚さｔ2 を２倍（ｔ2 ＝２・ｔ1 ）にした点だけ
が異なり、他の仮定は同じである。従って、下記〜
を仮定している。
液晶パネルは、ｙ軸に沿って並んだ２つのピクセル１
０ａ、１０ｂからなり、ｘ−ｙ平面内に位置する。
液晶パネルの配向は平行配向（ＥＣＢモード）であ
る。
液晶パネルの厚さｔ2 と、誘電異方性Δεと、波長λ
とは次式（２）の関係である。
Δε・ｔ2 ／λ＝π …式（２）
各ピクセル内の液晶分子１１ａ、１１ｂはｐ型であ
る。
ピクセル１０ａにあっては電圧が印加されておらず、
液晶分子１１ａは配向方向と平行であって、ｘ軸からｙ
軸へ４５°だけ傾いている。
ピクセル１０ｂではしきい値を超える電圧が印加され
ており、液晶分子１１ｂは配向方向からずれ、ｚ軸に平
行に立っている。
ピクセル１０ａ、１０ｂそれぞれに、矢印１２ａ、１
２ｂで示すように偏波の向きが同じ（電界方向がｙ軸に
平行な）電波が入射する。入射電波はｚ軸（液晶パネル
の厚さ方向）に沿って負から正の方向へ進む。FIG. 3 differs from the case of FIG. 2 only in that the thickness t 2 of the liquid crystal panel is doubled (t 2 = 2 · t 1 ), and other assumptions are the same. Therefore,
Is assumed. The LCD panel consists of two pixels 1 aligned along the y-axis.
It consists of 0a and 10b and is located in the xy plane. The orientation of the liquid crystal panel is parallel orientation (ECB mode). The thickness t 2 of the liquid crystal panel, the dielectric anisotropy Δε, and the wavelength λ
Is the relationship of the following expression (2). Δε · t 2 / λ = π Equation (2) The liquid crystal molecules 11a and 11b in each pixel are p-type. No voltage is applied to the pixel 10a,
The liquid crystal molecule 11a is parallel to the alignment direction and is
It is tilted by 45 ° to the axis. A voltage exceeding the threshold value is applied to the pixel 10b, and the liquid crystal molecule 11b is displaced from the alignment direction and stands parallel to the z axis. Arrows 12a, 1 are provided for the pixels 10a, 10b, respectively.
As shown by 2b, radio waves having the same polarization direction (the electric field direction is parallel to the y axis) enter. The incident radio wave travels from the negative direction to the positive direction along the z axis (the thickness direction of the liquid crystal panel).
【００２８】式（２）のように、液晶パネルの厚さを図
２の場合と比較して２倍にしたことにより、ピクセル１
０ａを出射する電波の偏波は入射電波に対して丁度１８
０°回ることになる。一方、ピクセル１０ｂを出射する
電波の偏波は入射電波と同じである。よって、矢印１３
ａ、１３ｂに示すように、ピクセル１０ａ、１１ｂをを
それぞれ出射した電波の偏波は反平行となる。矢印１３
ａと矢印１３ｂはｙ軸に沿うが、互いに逆向きである。As shown in the equation (2), the thickness of the liquid crystal panel is doubled as compared with the case of FIG.
The polarization of the radio wave emitted from 0a is exactly 18 with respect to the incident radio wave.
It will turn 0 °. On the other hand, the polarization of the radio wave emitted from the pixel 10b is the same as that of the incident radio wave. Therefore, arrow 13
As indicated by a and 13b, the polarized waves of the radio waves emitted from the pixels 10a and 11b are antiparallel. Arrow 13
Although a and arrow 13b are along the y-axis, they are in opposite directions.
【００２９】このようにピクセル１０ａ、１０ｂ毎に異
なる電圧を印加すれば（図２と同様、電圧を印加しない
場合としきい値を超える電圧を印加する場合の２値）、
ピクセル１０ａ、１０ｂ毎に液晶分子の向きが異なり
（図２と同様、ｘ軸からｙ軸へ４５°傾く場合とｚ軸に
平行な場合の２値）、異なる偏波で電波が出射する（図
３では、ｙ軸に沿う逆方向１３ａ、１３ｂの２値）。If different voltages are applied to the pixels 10a and 10b in this manner (as in the case of FIG. 2, two values are used, one with no voltage applied and the other with a voltage exceeding the threshold value).
The orientation of the liquid crystal molecules is different for each of the pixels 10a and 10b (as in FIG. 2, binary when tilted by 45 ° from the x-axis to the y-axis and parallel to the z-axis), and radio waves are emitted with different polarizations (see FIG. 3, the binary values of the opposite directions 13a and 13b along the y-axis).
【００３０】この条件下でも、ピクセル毎に異なる電圧
を印加することで、出射電波の偏波の位相が異なり、液
晶パネルは入射電波の回折を引き起す。従って、２値の
フレネルゾーンプレートを実現できる。この場合、偏波
が反平行という２値をとるから、電波の回折効率は図２
の場合よりも高い。Even under this condition, by applying different voltages to each pixel, the phase of the polarized wave of the outgoing radio wave is different, and the liquid crystal panel causes diffraction of the incoming radio wave. Therefore, a binary Fresnel zone plate can be realized. In this case, the polarization takes two values of anti-parallel, so the diffraction efficiency of the radio wave is as shown in FIG.
Higher than.
【００３１】［液晶パネルによる電波の位相変化の原
理：第３の態様］次に、図４により、液晶パネルによる
電波の位相変化に関する第３の態様を説明する。図４
中、上から順に、（ａ）は入射電波の電界（偏波の向
き）を示し、（ｂ）は液晶パネルのピクセル構成と液晶
分子の向きを示し、（ｃ）は通過電波の電界（偏波の向
き）を示す。[Principle of Phase Change of Radio Wave by Liquid Crystal Panel: Third Mode] Next, referring to FIG. 4, a third mode relating to the phase change of radio wave by the liquid crystal panel will be described. Figure 4
From the top to the bottom, (a) shows the electric field (direction of polarization) of the incident radio wave, (b) shows the pixel configuration of the liquid crystal panel and the direction of liquid crystal molecules, and (c) shows the electric field of the passing radio wave (polarization). Wave direction).
【００３２】図４では、図２の場合と比較し、ピクセル
の数が異なる点と液晶分子の向きが多値である点だけが
異なり、他の仮定は同じである。従って、下記〜を
仮定する。
液晶パネルは、ｙ軸に沿って並んだ３つのピクセル１
０ａ〜１０ｃからなり、ｘ−ｙ平面内に位置する。
液晶パネルの配向は平行配向（ＥＣＢモード）であ
る。
液晶パネルの厚さｔ1 と、誘電異方性Δεと、波長λ
とは式（１）の関係である。
各ピクセル内の液晶分子１１ａ〜１１ｃはｐ型であ
る。
左端のピクセル１０ａにあっては電圧が印加されてお
らず、液晶分子１１ａは配向方向と平行であって、ｘ軸
からｙ軸へ４５°だけ傾いている。
右端のピクセル１０ｃではしきい値を超える電圧が印
加されており、液晶分子１１ｃは配向方向からずれ、ｚ
軸に平行に立っている。
中央のピクセル１０ｂではしきい値に近い電圧が印加
されており、液晶分子１１ｂの向きは隣のピクセル１０
ａ、１０ｃの液晶分子１１ａと液晶分子１１ｃとの中間
の状態となっている。
各ピクセル１０ａ〜１０ｃそれぞれに、矢印１２ａ〜
１２ｃで示すように偏波の向きが同じ（電界方向がｙ軸
に平行な）電波が入射する。入射電波はｚ軸（液晶パネ
ルの厚さ方向）に沿って負から正の方向へ進む。FIG. 4 differs from the case of FIG. 2 only in that the number of pixels is different and the orientation of liquid crystal molecules is multivalued, and the other assumptions are the same. Therefore, the following are assumed. The liquid crystal panel consists of three pixels 1 arranged along the y-axis.
It consists of 0a-10c and is located in the xy plane. The orientation of the liquid crystal panel is parallel orientation (ECB mode). Liquid crystal panel thickness t 1 , dielectric anisotropy Δε, wavelength λ
Is the relationship of equation (1). The liquid crystal molecules 11a to 11c in each pixel are p-type. No voltage is applied to the leftmost pixel 10a, and the liquid crystal molecules 11a are parallel to the alignment direction and are inclined by 45 ° from the x axis to the y axis. A voltage exceeding the threshold value is applied to the pixel 10c at the right end, so that the liquid crystal molecules 11c are displaced from the alignment direction and z
Stands parallel to the axis. A voltage close to the threshold value is applied to the central pixel 10b, and the liquid crystal molecules 11b are oriented to the adjacent pixel 10b.
The liquid crystal molecules 11a of a and 10c are in an intermediate state between the liquid crystal molecules 11a and 11c. Arrows 12a to 12a to pixels 10a to 10c, respectively.
As indicated by 12c, radio waves having the same polarization direction (the electric field direction is parallel to the y axis) enter. The incident radio wave travels from the negative direction to the positive direction along the z axis (the thickness direction of the liquid crystal panel).
【００３３】図２で説明したとおり、ピクセル１０ａを
出射する電波の偏波は入射電波に対して丁度９０°回転
し、矢印１３ａのようにｘ軸に平行となる。また、ピク
セル１０ｃでは液晶分子１１ｃがｚ軸、即ち電波の進行
方向と平行であるから、いずれの偏波に対しても等方的
に振る舞い、これを出射する電波の偏波は入射電波と同
じであり、矢印１３ｃのようによってｙ軸に平行とな
る。As described with reference to FIG. 2, the polarization of the radio wave emitted from the pixel 10a is rotated by 90 ° with respect to the incident radio wave, and becomes parallel to the x-axis as indicated by the arrow 13a. Further, in the pixel 10c, the liquid crystal molecule 11c is parallel to the z axis, that is, the traveling direction of the radio wave, and therefore behaves isotropically with respect to any polarized wave, and the polarized wave of the emitted radio wave is the same as the incident radio wave. And becomes parallel to the y-axis by the arrow 13c.
【００３４】ピクセル１０ｂにあっては、液晶分子１１
ｂの向きが中間状態となっているため、入射電波は楕円
偏波となって出射する。In the pixel 10b, the liquid crystal molecule 11
Since the direction of b is in the intermediate state, the incident radio wave is elliptically polarized and emitted.
【００３５】このようにピクセル１０ａ〜１０ｃ毎に異
なる電圧を印加すれば（図４では、電圧を印加しない場
合と、しきい値に近い電圧を印加する場合と、しきい値
を超える電圧を印加する場合の３値）、ピクセル１０ａ
〜１０ｃ毎に液晶分子の向きが異なり（ｘ軸からｙ軸へ
４５°傾く場合と、中間の状態と、ｚ軸に平行な場合の
３値）、異なる偏波で電波が出射する（ｘ軸に平行な方
向１３ａと、楕円偏波１３ｂと、ｙ軸に平行な方向１３
ｃの３値）。In this way, if different voltages are applied to each of the pixels 10a to 10c (in FIG. 4, no voltage is applied, a voltage close to the threshold is applied, and a voltage exceeding the threshold is applied. 3 values when doing), pixel 10a
The direction of the liquid crystal molecules is different for each of 10c (three values when tilted from the x-axis to the y-axis by 45 °, in the intermediate state, and parallel to the z-axis), and radio waves are emitted with different polarizations (x-axis). 13a parallel to the direction 13a, the elliptical polarization 13b, and the direction 13 parallel to the y-axis.
3 values of c).
【００３６】この条件でも、ピクセル毎に異なる電圧を
印加することで、出射電波の偏波の位相が異なり、液晶
パネルは入射電波の回折を引き起す。この場合、印加電
圧を多値に設定することにより偏波が多値となるから、
電波の回折効率は図３の場合よりも高い。Even under this condition, by applying a different voltage to each pixel, the phase of the polarized wave of the outgoing radio wave differs, and the liquid crystal panel causes the diffraction of the incident radio wave. In this case, the polarization becomes multi-valued by setting the applied voltage to multi-valued,
The diffraction efficiency of radio waves is higher than that in the case of FIG.
【００３７】ここで、図４（ｃ）では便宜的にピクセル
１０ｂから出射する電波の偏波を直線の矢印１３ｂで表
しているが、実際には、ｘ軸に平行な偏波成分とｙ軸に
平行な偏波成分の両方を含み、その偏波比率が時時刻刻
に変化する。但し、時間で平均した場合の偏波比率は一
定である。Here, in FIG. 4C, the polarization of the radio wave emitted from the pixel 10b is represented by a straight arrow 13b for the sake of convenience, but in reality, the polarization component parallel to the x-axis and the y-axis are shown. Both polarization components parallel to are included, and the polarization ratio changes with time. However, the polarization ratio is constant when averaged over time.
【００３８】そこで、１次放射器（図１の符号２参照）
が例えばｘ軸に平行な偏波特性を有していると仮定する
と、受信であれば、左端のピクセル１０ａでは大きな電
界が検出され、右端のピクセル１０ｃでは電界が検出さ
れず、中央のピクセル１０ｂでは中間的な強度の電界が
検出される。従って、出射した電波の電界は、ピクセル
１０ａ、ピクセル１０ｂ、ピクセル１０ｃの順で、大中
零となり、多値（図４では３値）のフレネルゾーンプレ
ートを実現できる。Therefore, the primary radiator (see reference numeral 2 in FIG. 1)
Assuming that has a polarization characteristic parallel to the x axis, for reception, a large electric field is detected in the leftmost pixel 10a, no electric field is detected in the rightmost pixel 10c, and the central pixel is detected. At 10b, an electric field of intermediate intensity is detected. Therefore, the electric field of the emitted radio wave becomes zero in the order of the pixel 10a, the pixel 10b, and the pixel 10c, and a multi-valued (ternary in FIG. 4) Fresnel zone plate can be realized.
【００３９】［液晶パネルによるフレネルゾーンプレー
トの形成：第１の態様］次に、図５に基づいて、電波に
対するフレネルゾーンプレートを液晶パネルにより形成
する第１の態様を説明する。図５中、上から順に、
（ａ）は入射電波の電界（偏波の向き）、（ｂ）は液晶
パネルのピクセル構成と液晶分子の向き、（ｃ）は通過
電波の電界（偏波の向き）を示す。[Formation of Fresnel Zone Plate by Liquid Crystal Panel: First Mode] Next, the first mode of forming the Fresnel zone plate for a radio wave by the liquid crystal panel will be described with reference to FIG. In FIG. 5, from top to bottom,
(A) shows the electric field of the incident radio wave (direction of polarization), (b) shows the pixel configuration of the liquid crystal panel and the direction of liquid crystal molecules, and (c) shows the electric field of the passing radio wave (direction of polarization).
【００４０】この図５の例は、図３に示した原理を適用
してフレネルゾーンプレートを形成したものである。但
し、ピクセルの代わりに、ピクセル群という概念を導入
している。各ピクセル群は１つまたは隣接する２つ以上
のピクセルを含むものであり、同一ピクセル群内のピク
セルでは液晶分子の向きが同じであり、代表して１つの
液晶分子で表している。図３と比較すると、ピクセル群
の数が多い点と、ピクセル群の幅が一定でない点が異な
り、他は同じである。In the example shown in FIG. 5, the Fresnel zone plate is formed by applying the principle shown in FIG. However, instead of pixels, the concept of pixel groups is introduced. Each pixel group includes one pixel or two or more adjacent pixels. The pixels in the same pixel group have the same orientation of liquid crystal molecules, and are represented by one liquid crystal molecule as a representative. Compared with FIG. 3, the point that the number of pixel groups is large and the width of the pixel group is not constant are different, and the other points are the same.
【００４１】図５では、簡単のため、下記〜を仮定
する。
液晶パネルは、ｙ軸に沿って並んだ５個（奇数個）の
ピクセル群１５ａ〜１５ｅからなり、ｘ−ｙ平面内に位
置する。
各ピクセル群１５ａ〜１５ｅ内では、図示しないが、
１つまたは２つ以上のピクセルがｙ軸に沿って並んでい
る。
各ピクセル群の幅（ｙ軸方向寸法）は１次元フレネル
ゾーンプレートを構成しており、中央のピクセル１５ｃ
群が広く、これから離れるピクセル群ほど狭い。ピクセ
ル群が含むピクセルの幅は一定であり、それが含むピク
セルの数を調製することで、各ピクセル群の幅が設定さ
れる。
液晶パネルの配向は平行配向（ＥＣＢモード）であ
る。
液晶パネルの厚さ（ｚ軸方向の寸法）ｔ2 と、誘電異
方性Δεと、波長λとは式（２）の関係にある。
各ピクセル群内の液晶分子１１ａ〜１１ｅはｐ型であ
る。
１つおきのピクセル群１５ａ、１５ｃ、１５ｅにあっ
ては、電圧が印加されておらず、液晶分子１１ａ、１１
ｃ、１１ｅは配向方向と平行であって、ｘ軸からｙ軸へ
４５°だけ傾いている。
残りのピクセル群１５ｂ、１５ｄではしきい値を超え
る電圧が印加されており、液晶分子１１ｂ、１１ｄは配
向方向からずれ、ｚ軸に平行に立っている。
ピクセル群１５ａ〜１５ｅそれぞれに、矢印１２ａ〜
１２ｅで示すように偏波が同じ（電界方向がｙ軸に平行
な）電波が入射する。入射電波はｚ軸（液晶パネルの厚
さ方向）に沿って負から正の方向へ進む。In FIG. 5, the following items are assumed for simplicity. The liquid crystal panel includes five (odd number) pixel groups 15a to 15e arranged along the y-axis, and is located in the xy plane. Within each pixel group 15a to 15e, although not shown,
One or more pixels are aligned along the y-axis. The width (dimension in the y-axis direction) of each pixel group constitutes a one-dimensional Fresnel zone plate, and the center pixel 15c
The group is wide, and the pixel groups farther from this group are narrower. The width of the pixel included in the pixel group is constant, and the width of each pixel group is set by adjusting the number of pixels included in the pixel group. The orientation of the liquid crystal panel is parallel orientation (ECB mode). The thickness (dimension in the z-axis direction) t 2 of the liquid crystal panel, the dielectric anisotropy Δε, and the wavelength λ have the relationship of Expression (2). The liquid crystal molecules 11a to 11e in each pixel group are p-type. In every other pixel group 15a, 15c, 15e, no voltage is applied and the liquid crystal molecules 11a, 11
c and 11e are parallel to the orientation direction and are inclined by 45 ° from the x-axis to the y-axis. A voltage exceeding the threshold value is applied to the remaining pixel groups 15b and 15d, and the liquid crystal molecules 11b and 11d are displaced from the alignment direction and stand parallel to the z axis. Arrows 12a to 15e are provided to the pixel groups 15a to 15e, respectively.
As shown by 12e, radio waves having the same polarization (the electric field direction is parallel to the y axis) are incident. The incident radio wave travels from the negative direction to the positive direction along the z axis (the thickness direction of the liquid crystal panel).
【００４２】この場合、上記のように液晶パネルの厚さ
ｔ2 が式（２）を満足するから、矢印１３ａ〜１３ｅで
示すように、ピクセル群１５ａ〜１５ｅから出射した各
電波の電界は入射電波の電界（ｙ軸方向）と平行で、そ
の向きは１ピクセル群おきに反対である。また、各ピク
セル群１５ａ〜１５ｅのｙ軸方向の幅は、１次元フレネ
ルゾーンプレートを構成している。従って、出射電波の
電界はピクセル群１５ｃからの距離がｄ、ピクセル群１
５ｂ、１５ｄからの距離がｄ＋λ／２、ピクセル群１５
ａ、１５ｅからの距離がｄ＋λとなる位置１４で焦点を
結ぶ。即ち、焦点位置１４において、各ピクセル群１５
ａ〜１５ｅからの出射電波が同位相となる。このように
液晶分布が２値（印加電圧により液晶分子の向きが２
値）であれば、入射した電波のエネルギーの最大４／π
2 （約４０．５％）が焦点位置１４に集中する。そこ
で、焦点位置１４にて、各ピクセル群１５ａ〜１５ｅか
らの出射電波を、これと同じ偏波の１次放射器で取り込
めば、高利得の指向性アンテナが実現できる。なお、４
／π2 （約４０．５％）以外のエネルギーは高次の回折
成分として、焦点以外に結像したり、散乱されたりす
る。In this case, since the thickness t 2 of the liquid crystal panel satisfies the equation (2) as described above, the electric fields of the radio waves emitted from the pixel groups 15a to 15e enter as shown by arrows 13a to 13e. It is parallel to the electric field of the radio wave (y-axis direction), and its direction is opposite every other pixel group. The width of each pixel group 15a to 15e in the y-axis direction forms a one-dimensional Fresnel zone plate. Therefore, the electric field of the emitted radio wave is at a distance d from the pixel group 15c and the pixel group 1
5b, 15d is distance d + λ / 2, pixel group 15
It is focused at a position 14 where the distance from a and 15e is d + λ. That is, at the focus position 14, each pixel group 15
Radio waves emitted from a to 15e have the same phase. In this way, the liquid crystal distribution is binary (the orientation of the liquid crystal molecules is 2 depending on the applied voltage).
Value), the maximum energy of incident radio waves is 4 / π
2 (about 40.5%) is concentrated at the focus position 14. Therefore, if the radio waves emitted from the pixel groups 15a to 15e at the focus position 14 are taken in by the primary radiator of the same polarization as that of the radio waves, a high gain directional antenna can be realized. 4
Energy other than / π 2 (about 40.5%) is imaged or scattered as a higher-order diffractive component at a place other than the focal point.
【００４３】［液晶パネルによるフレネルゾーンプレー
トの形成：第２の態様］次に、図６に基づいて、電波に
対するフレネルゾーンプレートを液晶パネルにより形成
する第２の態様を説明する。図６中、上から順に、
（ａ）は入射電波の電界（偏波の向き）、（ｂ）は液晶
パネルのピクセル構成と液晶分子の向き、（ｃ）は通過
電波の電界（偏波の向き）を示す。[Formation of Fresnel Zone Plate by Liquid Crystal Panel: Second Mode] Next, the second mode of forming the Fresnel zone plate for radio waves by the liquid crystal panel will be described with reference to FIG. In FIG. 6, from the top,
(A) shows the electric field of the incident radio wave (direction of polarization), (b) shows the pixel configuration of the liquid crystal panel and the direction of liquid crystal molecules, and (c) shows the electric field of the passing radio wave (direction of polarization).
【００４４】この図６の例は、図５に示した例と比較す
ると、ピクセル群の代わりに、ｙ軸方向の幅が異なるピ
クセルを用いた点が異なり、他は同じである。Compared with the example shown in FIG. 5, the example of FIG. 6 is different in that pixels having different widths in the y-axis direction are used instead of the pixel group, and the other points are the same.
【００４５】図６では、簡単のため、下記〜を仮定
する。
液晶パネルは、ｙ軸に沿って並んだ５個のピクセル１
０ａ〜１０ｅからなり、ｘ−ｙ平面内に位置する。
各ピクセルの幅（ｙ軸方向寸法）は１次元フレネルゾ
ーンプレートを構成し、中央のピクセル１０ｃが広く、
これから離れるピクセルほど狭い。各ピクセルの幅は予
め設定されている。
液晶パネルの配向は平行配向（ＥＣＢモード）であ
る。
液晶パネルの厚さ（ｚ軸方向の寸法）ｔ2 と、誘電異
方性Δεと、波長λとは式（２）の関係にある。
各ピクセル群内の液晶分子１１ａ〜１１ｅはｐ型であ
る。
１つおきのピクセル１０ａ、１０ｃ、１０ｅにあって
は、電圧が印加されておらず、液晶分子１１ａ、１１
ｃ、１１ｅは配向方向と平行であって、ｘ軸からｙ軸へ
４５°だけ傾いている。
残りのピクセル１０ｂ、１０ｄではしきい値を超える
電圧が印加されており、液晶分子１１ｂ、１１ｄは配向
方向からずれ、ｚ軸に平行に立っている。
ピクセル１０ａ〜１０ｅそれぞれに、矢印１２ａ〜１
２ｅで示すように偏波が同じ（電界方向がｙ軸に平行
な）電波が入射する。入射電波はｚ軸（液晶パネルの厚
さ方向）に沿って負から正の方向へ進む。In FIG. 6, the following items are assumed for simplicity. The LCD panel consists of 5 pixels 1 arranged along the y-axis.
It consists of 0a to 10e and is located in the xy plane. The width (dimension in the y-axis direction) of each pixel constitutes a one-dimensional Fresnel zone plate, and the central pixel 10c is wide,
The pixels farther away are narrower. The width of each pixel is preset. The orientation of the liquid crystal panel is parallel orientation (ECB mode). The thickness (dimension in the z-axis direction) t 2 of the liquid crystal panel, the dielectric anisotropy Δε, and the wavelength λ have the relationship of Expression (2). The liquid crystal molecules 11a to 11e in each pixel group are p-type. In every other pixel 10a, 10c, 10e, no voltage is applied and the liquid crystal molecules 11a, 11
c and 11e are parallel to the orientation direction and are inclined by 45 ° from the x-axis to the y-axis. A voltage exceeding the threshold value is applied to the remaining pixels 10b and 10d, and the liquid crystal molecules 11b and 11d are displaced from the alignment direction and stand parallel to the z axis. Arrows 12a-1 are provided to the pixels 10a-10e, respectively.
As shown by 2e, radio waves having the same polarization (the electric field direction is parallel to the y axis) are incident. The incident radio wave travels from the negative direction to the positive direction along the z axis (the thickness direction of the liquid crystal panel).
【００４６】この場合も、図５の場合と同様、液晶パネ
ルの厚さｔ2 が式（２）を満足するから、矢印１３ａ〜
１３ｅで示すように、ピクセル１０ａ〜１０ｅから出射
した各電波の電界は入射電波の電界（ｙ軸方向）と平行
で、その向きは１ピクセルおきに反対である。また、各
ピクセル１０ａ〜１０ｅのｙ軸方向の幅は、１次元フレ
ネルゾーンプレートを構成している。従って、出射電波
の電界はピクセル１０ｃからの距離がｄ、ピクセル１０
ｂ、１０ｄからの距離がｄ＋λ／２、ピクセル１０ａ、
１０ｅからの距離がｄ＋λとなる位置１４で焦点を結
ぶ。つまり、焦点位置１４において、各ピクセル１０ａ
〜１０ｅからの出射電波が同位相となる。このように液
晶分布が２値（印加電圧により液晶分子の向きが２値）
であれば、入射した電波のエネルギーの最大４／π
2 （約４０．５％）が焦点位置１４に集中する。そこ
で、焦点位置１４にて、各ピクセル１０ａ〜１０ｅから
の出射電波を、これと同じ偏波の１次放射器で取り込め
ば、高利得の指向性アンテナが実現できる。４／π
2 （約４０．５％）以外のエネルギーは高次の回折成分
として、焦点以外に結像したり、散乱されたりする。Also in this case, as in the case of FIG. 5, since the thickness t 2 of the liquid crystal panel satisfies the expression (2), the arrows 13a-
As indicated by 13e, the electric fields of the radio waves emitted from the pixels 10a to 10e are parallel to the electric field (y-axis direction) of the incident radio waves, and the directions thereof are opposite every other pixel. The width of each of the pixels 10a to 10e in the y-axis direction forms a one-dimensional Fresnel zone plate. Therefore, the electric field of the emitted radio wave is a distance d from the pixel 10c,
b, distance from 10d is d + λ / 2, pixel 10a,
A focus is formed at a position 14 where the distance from 10e is d + λ. That is, at the focus position 14, each pixel 10a
Radio waves emitted from -10e have the same phase. Thus, the liquid crystal distribution is binary (the orientation of the liquid crystal molecules is binary depending on the applied voltage).
If so, the maximum of the incident radio wave energy is 4 / π
2 (about 40.5%) is concentrated at the focus position 14. Therefore, if the radio waves emitted from the pixels 10a to 10e at the focus position 14 are captured by the primary radiator of the same polarization as that of the radio waves, a high gain directional antenna can be realized. 4 / π
Energy other than 2 (about 40.5%) is imaged or scattered outside the focus as a high-order diffraction component.
【００４７】［第１実施例の詳細］図１、図５を参照し
て、本発明の第１実施例に係る指向性可変アンテナを詳
細に説明する。前述のように、本例の指向性可変アンテ
ナは、ＭＬＣＰ（マトリックス電極液晶パネル１と、１
次放射器２と、指向性制御回路３を備えている。[Details of First Embodiment] A variable directivity antenna according to the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 5. As described above, the variable directivity antenna of the present example includes the MLCP (matrix electrode liquid crystal panel 1 and 1).
The secondary radiator 2 and the directivity control circuit 3 are provided.
【００４８】ＭＬＣＰ１の例として、８００×８００画
素で、厚さが式（２）の関係にある６０ＧＨｚ帯用の平
行配向液晶（ＥＣＢモード）のパネルを作製した。各ピ
クセル１ｍｎは正方形とした。各ピクセルにおいて、表
裏の透明電極は独立させた。また、１次放射器２とし
て、ダイポールアンテナを用いた。As an example of the MLCP1, a panel of parallel alignment liquid crystal (ECB mode) for the 60 GHz band having 800 × 800 pixels and having a thickness of the relation of the formula (2) was manufactured. Each pixel 1 mn has a square shape. In each pixel, the transparent electrodes on the front and back were independent. A dipole antenna was used as the primary radiator 2.
【００４９】指向性制御回路３はＭＬＣＰ１の各ピクセ
ル１ｍｎに、図５（または図３）に示した原理でＭＬＣ
Ｐ１に２値の２次元フレネルゾーンプレートを形成する
ように電圧を印加する。具体的には、各ピクセル内の液
晶分子の向きが２値をとるように、フレネルゾーンプレ
ートの位相分布に相当する同心円状の分布で、各ピクセ
ルに電圧を印加しなかったり、しきい値を超える電圧を
印加する。The directivity control circuit 3 applies the MLC to each pixel 1mn of the MLCP 1 according to the principle shown in FIG. 5 (or FIG. 3).
A voltage is applied to P1 so as to form a binary two-dimensional Fresnel zone plate. Specifically, so that the orientation of the liquid crystal molecules in each pixel takes a binary value, with a concentric circular distribution corresponding to the phase distribution of the Fresnel zone plate, no voltage is applied to each pixel, or a threshold value is set. Apply more voltage.
【００５０】１次放射器（ダイポールアンテナ）２はフ
レネルゾーンプレートの焦点に配置し、その偏波をＭＬ
ＣＰ１から出射される電波の偏波に合わせた。The primary radiator (dipole antenna) 2 is arranged at the focal point of the Fresnel zone plate, and its polarization is ML.
It was adjusted to the polarization of the radio wave emitted from CP1.
【００５１】指向性は、指向性制御回路３で印加電圧の
パターンを変更して、ＭＬＣＰ１上に形成するフレネル
ゾーンプレートの位置や大きさ（面積）を変更すること
により、達成される。The directivity is achieved by changing the pattern of the applied voltage in the directivity control circuit 3 to change the position and size (area) of the Fresnel zone plate formed on the MLCP 1.
【００５２】フレネルゾーンプレートの位置をＭＬＣＰ
１上で前後左右にシフトすると、焦点位置も同一平面上
で前後左右に移動するので、１次放射器２を移動させる
ことなく、指向性の向き（方向）を変更することができ
る。Set the position of the Fresnel zone plate to MLCP
When it is shifted forward, backward, leftward and rightward on 1, the focal point position also moves forward, backward, leftward and rightward on the same plane, so that the direction (direction) of directivity can be changed without moving the primary radiator 2.
【００５３】フレネルゾーンプレートの大きさを変更す
ると、焦点位置が移動することなく、アンテナ開口面積
が変わるので、指向性の幅が変わり、利得を変更するこ
とができる。When the size of the Fresnel zone plate is changed, the focus aperture does not move and the antenna aperture area changes, so the directivity width changes and the gain can be changed.
【００５４】例えば、面積が大きいフレネルゾーンプレ
ートを形成することにより、アンテナ開口面積が大きく
なり、利得が大きくなる、逆に、フレネルゾーンプレー
トの面積を小さくすることにより、アンテナ開口面積が
小さくなり、利得が小さくなる。利得と指向性の向き
は、同時に変更することができる。For example, by forming a Fresnel zone plate having a large area, the antenna aperture area is increased and the gain is increased. Conversely, by reducing the Fresnel zone plate area, the antenna aperture area is decreased. The gain becomes smaller. The direction of gain and directivity can be changed at the same time.
【００５５】フレネルゾーンプレートの大きさ変更は、
例えば特定範囲より外側のピクセルについて、液晶分子
の向きが全て同一となるように電圧を印加したり、ある
いは、液晶分子の向きがランダムとなるように電圧を印
加することにより、達成できる。To change the size of the Fresnel zone plate,
For example, it can be achieved by applying a voltage so that the orientations of the liquid crystal molecules are all the same for the pixels outside the specific range, or by applying a voltage so that the orientations of the liquid crystal molecules are random.
【００５６】上述した指向性の向きと利得は、指向性制
御回路３からＭＬＣＰ１に転送するデータ（印加電圧分
布）を変更するのみで、簡単に達成することができた。
従って、バックラッシュによる指向性の方向誤差がな
い。本例では、指向性制御回路３はソフトウェアにより
このデータ変更の制御を実行するようにしている。The direction and gain of the directivity described above could be easily achieved by only changing the data (applied voltage distribution) transferred from the directivity control circuit 3 to the MLCP 1.
Therefore, there is no directional error in directivity due to backlash. In this example, the directivity control circuit 3 executes this data change control by software.
【００５７】指向性の方向と利得の変更に要する時間
は、液晶材料によって決まるが、ミリ秒程度と高速であ
る。従って、大気温度等、大気状況の変化に伴って回線
（伝播路）が揺れて不安定になっても、受信電力が最大
となるように指向性制御回路３でフレネルゾーンプレー
トの位置をシフトすることで、瞬時に指向性の方向を再
設定して回線を回復することができた。The time required to change the direction of directivity and the gain depends on the liquid crystal material, but is as fast as about milliseconds. Therefore, even if the line (propagation path) sways and becomes unstable due to changes in atmospheric conditions such as atmospheric temperature, the directivity control circuit 3 shifts the position of the Fresnel zone plate so that the received power becomes maximum. By doing so, it was possible to instantly reset the directivity and restore the line.
【００５８】上記説明は主として受信動作についてであ
るが、送信の場合にも全く同様にリアルタイムで指向性
の方向と利得を変更することができた。Although the above description mainly relates to the reception operation, the direction and the gain of the directivity could be changed in real time in the same manner in the case of transmission.
【００５９】また、１次放射器２が１台であるため、従
来例のフェーズド・アレイ・アンテナと異なり、不要な
サイドローブが発生しにくいという利点がある。Further, since there is only one primary radiator 2, there is an advantage that unnecessary side lobes are unlikely to occur unlike the conventional phased array antenna.
【００６０】［第２実施例］図７、図６を参照して、図
７に示す本発明の第２実施例に係る指向性可変アンテナ
を説明する。図７中、２は１次放射器、３は指向性制御
回路３、４は同心円状電極液晶パネル（以下、ＣＬＣＰ
と呼ぶ）である。２点鎖線は電波の経路を示している。[Second Embodiment] A directional variable antenna according to a second embodiment of the present invention shown in FIG. 7 will be described with reference to FIGS. 7 and 6. In FIG. 7, 2 is a primary radiator, 3 is a directivity control circuit 3, 4 is a concentric electrode liquid crystal panel (hereinafter, CLCP).
Is called). The chain double-dashed line indicates the path of the radio wave.
【００６１】本例では、液晶パネルを図１のようなマト
リックス型とせず、単に、図６に示した原理で予め２次
元フレネルゾーンプレートを片方の基板の透明電極に同
心円状にパターニングしたものを用いている。他方の透
明電極は、パターニングを施していない「べた」の膜で
ある。In this example, the liquid crystal panel is not a matrix type as shown in FIG. 1, but a two-dimensional Fresnel zone plate is preliminarily patterned in a concentric pattern on the transparent electrode of one of the substrates according to the principle shown in FIG. I am using. The other transparent electrode is a "solid" film without patterning.
【００６２】即ち、各ピクセル４ｉは同心円の輪帯をな
し、その幅（半径方向寸法）は図６に示した原理から、
出射電波の位相が焦点位置で同一位相に揃うように、予
め２次元フレネルゾーンプレートを構成する寸法に設定
されている。That is, each pixel 4i forms a concentric ring zone, and its width (radial dimension) is based on the principle shown in FIG.
The dimensions of the two-dimensional Fresnel zone plate are set in advance so that the phases of the emitted radio waves are aligned in the same phase at the focal position.
【００６３】他の条件は図１の第１実施例、あるいは、
図６と同じである。即ち、ＣＬＣＰ４として、その厚さ
が式（２）の関係にある６０ＧＨｚ帯用の平行配向液晶
（ＥＣＢモード）のパネルを作製した。また、１次放射
器２として、ダイポールアンテナを用いた。Other conditions are the first embodiment of FIG. 1 or
It is the same as FIG. That is, as CLCP4, a panel of parallel alignment liquid crystal (ECB mode) for the 60 GHz band, the thickness of which is in the relationship of the formula (2), was produced. A dipole antenna was used as the primary radiator 2.
【００６４】従って、本例の指向性可変アンテナの動作
は、以下に述べるように、単純である。Therefore, the operation of the variable directivity antenna of this example is simple, as described below.
【００６５】即ち、ＣＬＣＰ４の中心から適当な特定範
囲の周辺に向かってピクセル１つおきに、指向性制御回
路３によりしきい値を超える電圧を印加する。途中のピ
クセル及び特定範囲外のピクセルには一切電圧を印加し
ない。これにより、特定範囲内の同心円状の各ピクセル
４ｉにて、図６（または図３）に示した原理で、液晶分
子の向きがピクセル１つおきに２値をとるから、ＣＬＣ
Ｐ４の中央の特定一部のみが２次元のフレネルゾーンプ
レートとして動作する。That is, the directivity control circuit 3 applies a voltage exceeding the threshold value to every other pixel from the center of the CLCP 4 toward the periphery of an appropriate specific range. No voltage is applied to pixels on the way and pixels outside the specified range. As a result, in each concentric pixel 4i within the specific range, the orientation of the liquid crystal molecules takes a binary value every other pixel according to the principle shown in FIG. 6 (or FIG. 3).
Only a specific part of the center of P4 acts as a two-dimensional Fresnel zone plate.
【００６６】本例でも、１次放射器２をダイポールアン
テナとし、フレネルゾーンプレートの焦点に配置し、偏
波をＣＬＣＰ４から出射される電波の偏波に合わせた。Also in this example, the primary radiator 2 was used as a dipole antenna, placed at the focal point of the Fresnel zone plate, and the polarization was adjusted to the polarization of the radio wave emitted from the CLCP 4.
【００６７】本例では、指向性の向きは変化しないが、
指向性制御回路３で電圧を印加するピクセル４ｉの範囲
を変更することにより、ＣＬＣＰ４上に形成するフレネ
ルゾーンプレートの大きさ（面積）が変わるから、指向
性の幅が変わり、指向性の利得を変更することができ
る。In this example, the direction of directivity does not change,
By changing the range of the pixel 4i to which the voltage is applied by the directivity control circuit 3, the size (area) of the Fresnel zone plate formed on the CLCP 4 is changed, so that the width of the directivity is changed and the gain of the directivity is changed. Can be changed.
【００６８】指向性制御回路３の制御で印加電圧のパタ
ーンを変え、使用するフレネルゾーンプレートの面積を
大きくすれば、アンテナ開口面積が大きくなり、利得が
大きくなる、逆に、フレネルゾーンプレートの面積を小
さくすることにより、アンテナ開口面積が小さくなり、
利得が小さくなる。If the pattern of the applied voltage is changed under the control of the directivity control circuit 3 and the area of the Fresnel zone plate used is increased, the antenna aperture area is increased and the gain is increased. Conversely, the area of the Fresnel zone plate is increased. By reducing, the antenna aperture area becomes smaller,
The gain becomes smaller.
【００６９】フレネルゾーンプレートを大面積使用とな
るように指向性を設定した場合、より遠方と通信が可能
である。但し、許容される指向性の幅の誤差が小さくな
るため、無線アクセスに適用した場合、利用可能なユー
ザー数が少なくなる。When the directivity is set so that the Fresnel zone plate is used in a large area, it is possible to communicate with a distant place. However, since the error in the allowable directivity width becomes small, the number of users that can be used decreases when applied to wireless access.
【００７０】一方、フレネルゾーンプレートを小面積使
用となるように指向性を設定した場合、遠方との通信が
困難になるが、近い範囲ではより多くのユーザーとの通
信が可能になる。On the other hand, when the directivity is set so that the Fresnel zone plate is used in a small area, it becomes difficult to communicate with a distant place, but it is possible to communicate with more users in a near range.
【００７１】上述した指向性の向きと利得は、指向性制
御回路３からＣＬＣＰ４に転送するデータ（印加電圧分
布）を変更するのみで、簡単に達成することができた。
従って、バックラッシュによる指向性の方向誤差がな
い。本例でも、指向性制御回路３はソフトウェアにより
このデータ変更の制御を実行するようにしている。The direction and gain of the directivity described above could be easily achieved by only changing the data (applied voltage distribution) transferred from the directivity control circuit 3 to the CLCP 4.
Therefore, there is no directional error in directivity due to backlash. Also in this example, the directivity control circuit 3 is configured to execute the control of this data change by software.
【００７２】また、指向性の幅、従って利得の変更に要
する時間は、液晶材料によって決まるが、ミリ秒程度と
高速である。従って、通信相手の遠近やユーザー数によ
って、瞬時に利得を再設定することができた。The time required to change the width of directivity, and hence the gain, is determined by the liquid crystal material, but is as fast as about milliseconds. Therefore, the gain could be instantly reset depending on the distance of the communication partner and the number of users.
【００７３】上記説明は主として受信動作についてであ
るが、送信の場合にも全く同様にリアルタイムで指向性
の利得を変更することができた。Although the above description mainly deals with the receiving operation, the directivity gain can be changed in real time in the same manner in the case of transmitting.
【００７４】また、１次放射器２が１台であるため、従
来例のフェーズド・アレイ・アンテナと異なり、不要な
サイドローブが発生しにくい利点がある。Further, since there is only one primary radiator 2, unlike the conventional phased array antenna, there is an advantage that unnecessary side lobes are unlikely to occur.
【００７５】［第３実施例］図８、図１、図４を参照し
て、本発明の第３実施例に係る指向性可変アンテナを詳
細に説明する。本例の指向性可変アンテナは、フレネル
ゾーンプレートが多値である点と厚さ以外、第１実施例
と同じである。従って、図１と同様、ＭＬＣＰ（マトリ
ックス電極液晶パネル）１と、１次放射器２と、指向性
制御回路３から構成される。[Third Embodiment] A variable directivity antenna according to a third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 8, 1 and 4. The directional variable antenna of this example is the same as that of the first example except that the Fresnel zone plate is multi-valued and the thickness thereof. Therefore, as in FIG. 1, it comprises an MLCP (matrix electrode liquid crystal panel) 1, a primary radiator 2, and a directivity control circuit 3.
【００７６】また、ＭＬＣＰ１として、８００×８００
画素で、厚さが式（１）の関係にある６０ＧＨｚ帯用の
平行配向液晶（ＥＣＢモード）のパネルを作製した。各
ピクセル１ｍｎは正方形とした。各ピクセルにおいて、
表裏の透明電極は独立させた。また、１次放射器２はフ
レネルゾーンプレートの焦点に配置した。Further, as MLCP1, 800 × 800
A parallel alignment liquid crystal panel (ECB mode) for the 60 GHz band, in which the thickness has the relationship of the formula (1) in pixels, was produced. Each pixel 1 mn has a square shape. At each pixel,
The transparent electrodes on the front and back were independent. The primary radiator 2 was placed at the focal point of the Fresnel zone plate.
【００７７】指向性制御回路３はＭＬＣＰ１の各ピクセ
ル１ｍｎに、図４に示した原理でＭＬＣＰ１に３値の２
次元フレネルゾーンプレートを形成するように電圧を印
加する。以下、図８を参照して、具体的に説明する。The directivity control circuit 3 assigns to each pixel 1mn of the MLCP1 a ternary value of 2 to the MLCP1 according to the principle shown in FIG.
A voltage is applied to form a dimensional Fresnel zone plate. Hereinafter, a specific description will be given with reference to FIG.
【００７８】図８中、上から順に、（ａ）は入射電波の
電界（偏波の向き）を示し、（ｂ）は液晶パネルのピク
セル構成と液晶分子の向きを示し、（ｃ）は通過電波の
電界（偏波の向き）を示す。In FIG. 8, in order from the top, (a) shows the electric field (polarization direction) of the incident radio wave, (b) shows the pixel configuration of the liquid crystal panel and the direction of liquid crystal molecules, and (c) shows the passage. Indicates the electric field of the radio wave (direction of polarization).
【００７９】図８では、簡単のため、ピクセル数を５と
している。他は図４と同じであり、下記〜を仮定す
る。
液晶パネルは、ｙ軸に沿って並んだ５つのピクセル１
０ａ〜１０ｅからなり、ｘ−ｙ平面内に位置する。
液晶パネルの配向は平行配向（ＥＣＢモード）であ
る。
液晶パネルの厚さｔ1 と、誘電異方性Δεと、波長λ
とは式（１）の関係である。
各ピクセル内の液晶分子１１ａ〜１１ｅはｐ型であ
る。
左右両端のピクセル１０ａ、１１ｅにあっては電圧が
印加されておらず、液晶分子１１ａ、１１ｅは配向方向
と平行であって、ｘ軸からｙ軸へ４５°だけ傾いてい
る。
中央のピクセル１０ｃではしきい値を超える電圧が印
加されており、液晶分子１１ｃは配向方向からずれ、ｚ
軸に平行に立っている。
これらの間のピクセル１０ｂ、１０ｄではしきい値に
近い電圧が印加されており、液晶分子１１ｂ、１１ｄの
向きは中間の状態となっている。
各ピクセル１０ａ〜１０ｅそれぞれに、矢印１２ａ〜
１２ｅで示すように偏波の向きが同じ（電界方向がｙ軸
に平行な）電波が入射する。入射電波はｚ軸（液晶パネ
ルの厚さ方向）に沿って負から正の方向へ進む。In FIG. 8, the number of pixels is 5 for simplicity. Others are the same as FIG. 4, and the following are assumed. The LCD panel consists of five pixels 1 arranged along the y-axis.
It consists of 0a to 10e and is located in the xy plane. The orientation of the liquid crystal panel is parallel orientation (ECB mode). Liquid crystal panel thickness t 1 , dielectric anisotropy Δε, wavelength λ
Is the relationship of equation (1). The liquid crystal molecules 11a to 11e in each pixel are p-type. No voltage is applied to the pixels 10a and 11e at the left and right ends, and the liquid crystal molecules 11a and 11e are parallel to the alignment direction and are inclined by 45 ° from the x axis to the y axis. A voltage exceeding the threshold value is applied to the central pixel 10c, the liquid crystal molecules 11c are displaced from the alignment direction, and z
Stands parallel to the axis. A voltage close to the threshold value is applied to the pixels 10b and 10d between them, and the liquid crystal molecules 11b and 11d are in the intermediate state. Arrows 12a to 12a to pixels 10a to 10e, respectively.
As indicated by 12e, radio waves having the same polarization direction (the electric field direction is parallel to the y axis) enter. The incident radio wave travels from the negative direction to the positive direction along the z axis (the thickness direction of the liquid crystal panel).
【００８０】図４の説明から判るように、両端のピクセ
ル１０ａ、１０ｅを出射する電波の偏波は入射電波に対
して丁度９０°回転し、矢印１３ａ、１３ｅのようにｘ
軸に平行となる。中央のピクセル１０ｃでは液晶分子１
１ｃがｚ軸、即ち電波の進行方向と平行であるから、い
ずれの偏波に対しても等方的に振る舞い、これを出射す
る電波の偏波は入射電波と同じであり、矢印１３ｃのよ
うによってｙ軸に平行となる。As can be seen from the description of FIG. 4, the polarized waves of the radio waves emitted from the pixels 10a and 10e at both ends are rotated by 90 ° with respect to the incident radio waves, and x is indicated by arrows 13a and 13e.
It will be parallel to the axis. In the central pixel 10c, liquid crystal molecule 1
Since 1c is parallel to the z-axis, that is, the traveling direction of the radio wave, it behaves isotropically with respect to any polarized wave, and the polarized wave of the radio wave emitted from this is the same as the incident radio wave. Is parallel to the y-axis.
【００８１】ピクセル１０ｂ、１０ｄにあっては、液晶
分子１１ｂ、１１ｄの向きが中間状態となっているた
め、入射電波は楕円偏波となって出射する。In the pixels 10b and 10d, since the liquid crystal molecules 11b and 11d are in the intermediate state, the incident radio wave is elliptically polarized and emitted.
【００８２】このようにピクセル１０ａ〜１０ｄ毎に異
なる電圧を印加すれば（図８では、電圧を印加しない場
合と、しきい値に近い電圧を印加する場合と、しきい値
を超える電圧を印加する場合の３値）、ピクセル１０ａ
〜１０ｅ毎に液晶分子の向きが異なり（ｘ軸からｙ軸へ
４５°傾く場合と、中間の状態と、ｚ軸に平行な場合の
３値）、異なる偏波で電波が出射する（ｘ軸に平行な方
向１３ａ、１３ｅと、楕円偏波１３ｂ、１３ｄと、ｙ軸
に平行な方向１３ｃの３値）。In this way, if different voltages are applied to each of the pixels 10a to 10d (in FIG. 8, no voltage is applied, a voltage close to the threshold is applied, and a voltage exceeding the threshold is applied. 3 values when doing), pixel 10a
The direction of the liquid crystal molecules is different every 10e (e.g., three values when tilted from the x-axis to the y-axis by 45 °, in the intermediate state, and parallel to the z-axis), and radio waves are emitted with different polarizations (x-axis). 3 directions of directions 13a and 13e parallel to, elliptical polarizations 13b and 13d, and direction 13c parallel to the y-axis).
【００８３】ここで、図８（ｃ）では便宜的にピクセル
１０ｂ、１０ｄから出射する電波の偏波を直線の矢印１
３ｂ、１３ｄで表しているが、実際には、前述の通り、
ｘ軸に平行な偏波成分とｙ軸に平行な偏波成分の両方を
含み、その偏波比率が時時刻刻に変化する。但し、時間
で平均した場合の偏波比率は一定である。Here, in FIG. 8C, the polarization of the radio wave emitted from the pixels 10b and 10d is indicated by a straight arrow 1 for convenience.
Although represented by 3b and 13d, in reality, as described above,
Both polarization components parallel to the x-axis and polarization components parallel to the y-axis are included, and the polarization ratio changes with time. However, the polarization ratio is constant when averaged over time.
【００８４】そこで、１次放射器（図１の符号２参照）
が例えばｘ軸に平行な偏波特性を有していると仮定する
と、受信であれば、両端のピクセル１０ａ、１０ｅでは
大きな電界が検出され、中央のピクセル１０ｃでは電界
が検出されず、中間のピクセル１０ｂ、１０ｄでは中間
的な強度の電界が検出される。従って、出射した電波の
電界は、ピクセル１０ａ、ピクセル１０ｂ、ピクセル１
０ｃ、ピクセル１０ｄ、ピクセル１０ｅの順で、大中零
中大となり、多値（図８では３値）のフレネルゾーンプ
レートを実現できる。１次放射器２はフレネルゾーンプ
レートの焦点に配置される。Therefore, the primary radiator (see reference numeral 2 in FIG. 1)
Assuming that has a polarization characteristic parallel to the x axis, for reception, a large electric field is detected in the pixels 10a and 10e at both ends, no electric field is detected in the pixel 10c in the center, An electric field of intermediate intensity is detected in the pixels 10b and 10d. Therefore, the electric field of the emitted radio wave is the pixel 10a, the pixel 10b, the pixel 1
0c, pixels 10d, and pixels 10e in this order become large, medium, zero, medium, and large, and a multi-valued (three-valued in FIG. 8) Fresnel zone plate can be realized. The primary radiator 2 is arranged at the focal point of the Fresnel zone plate.
【００８５】指向性制御回路３はＭＬＣＰ１の各ピクセ
ル１ｍｎに、図８（または図４）に示した原理でＭＬＣ
Ｐ１に３値の２次元フレネルゾーンプレートを形成する
ように電圧を印加する。具体的には、各ピクセル内の液
晶分子の向きが３値をとるように、フレネルゾーンプレ
ートの位相分布に相当する同心円状の分布で、各ピクセ
ルに電圧を印加しなかったり、しきい値を超える電圧を
印加したり、しきい値に近い電圧を印加する。The directivity control circuit 3 applies the MLC to each pixel 1mn of the MLCP 1 according to the principle shown in FIG. 8 (or FIG. 4).
A voltage is applied to P1 so as to form a ternary two-dimensional Fresnel zone plate. Specifically, so that the orientation of the liquid crystal molecules in each pixel has three values, a concentric distribution corresponding to the phase distribution of the Fresnel zone plate is used, and no voltage is applied to each pixel or a threshold value is set. A voltage exceeding the threshold is applied or a voltage close to the threshold is applied.
【００８６】指向性は、第１実施例と同様、指向性制御
回路３で印加電圧のパターンを変更して、ＭＬＣＰ１上
に形成するフレネルゾーンプレートの位置や大きさ（面
積）を変更することにより、達成される。即ち、
（１）フレネルゾーンプレートの位置をＭＬＣＰ１上で
前後左右にシフトすると、焦点位置も同一平面上で前後
左右に移動するので、１次放射器２を移動させることな
く、指向性の向き（方向）を変更することができる。
（２）フレネルゾーンプレートの大きさを変更すると、
焦点位置が移動することなく、アンテナ開口面積が変わ
るので、指向性の幅が変わり、利得を変更することがで
きる。
（３）例えば、面積が大きいフレネルゾーンプレートを
形成することにより、アンテナ開口面積が大きくなり、
利得が大きくなる、逆に、フレネルゾーンプレートの面
積を小さくすることにより、アンテナ開口面積が小さく
なり、利得が小さくなる。
（４）利得と指向性の向きは、同時に変更することがで
きる。
（５）フレネルゾーンプレートの大きさ変更は、例えば
特定範囲より外側のピクセルについて、液晶分子の向き
が全て同一となるように電圧を印加したり、あるいは、
液晶分子の向きがランダムとなるように電圧を印加する
ことにより、達成できる。Similar to the first embodiment, the directivity is changed by changing the pattern of the applied voltage in the directivity control circuit 3 to change the position and size (area) of the Fresnel zone plate formed on the MLCP 1. Is achieved. That is, (1) When the position of the Fresnel zone plate is shifted forward, backward, leftward, and rightward on the MLCP 1, the focal position also moves forward, backward, leftward, and rightward on the same plane, so that the directivity direction ( Direction) can be changed. (2) If you change the size of the Fresnel zone plate,
Since the antenna aperture area changes without the focus position moving, the width of directivity changes and the gain can be changed. (3) For example, by forming a Fresnel zone plate having a large area, the antenna opening area increases,
By increasing the gain, conversely, by decreasing the area of the Fresnel zone plate, the antenna aperture area is decreased and the gain is decreased. (4) The directions of gain and directivity can be changed at the same time. (5) For changing the size of the Fresnel zone plate, for example, for the pixels outside the specific range, a voltage is applied so that all the liquid crystal molecules have the same orientation, or
This can be achieved by applying a voltage so that the liquid crystal molecules are randomly oriented.
【００８７】また、上述した指向性の向きと利得は、指
向性制御回路３からＭＬＣＰ１に転送するデータ（印加
電圧分布）を変更するのみで、簡単に達成することがで
きた。従って、バックラッシュによる指向性の方向誤差
がない。本例では、指向性制御回路３はソフトウェアに
よりこのデータ変更の制御を実行するようにしている。Further, the above-mentioned directivity direction and gain can be easily achieved by only changing the data (applied voltage distribution) transferred from the directivity control circuit 3 to the MLCP 1. Therefore, there is no directional error in directivity due to backlash. In this example, the directivity control circuit 3 executes this data change control by software.
【００８８】指向性の方向と利得の変更に要する時間
は、液晶材料によって決まるが、ミリ秒程度と高速であ
る。従って、第１実施例と同様、大気温度等、大気状況
の変化に伴って回線（伝播路）が揺れて不安定になって
も、受信電力が最大となるように指向性制御回路３でフ
レネルゾーンプレートの位置をシフトすることで、瞬時
に指向性の方向を再設定して回線を回復することができ
た。The time required for changing the direction of directivity and the gain depends on the liquid crystal material, but is as fast as about milliseconds. Therefore, similar to the first embodiment, even if the line (propagation path) sways and becomes unstable due to changes in atmospheric conditions such as atmospheric temperature, the directivity control circuit 3 uses the Fresnel so that the received power becomes maximum. By shifting the position of the zone plate, the direction could be instantly reset and the line restored.
【００８９】上記説明は主として受信動作についてであ
るが、送信の場合にも全く同様にリアルタイムで指向性
の方向と利得を変更することができた。また、１次放射
器２が１台であるため、従来例のフェーズド・アレイ・
アンテナと異なり、不要なサイドローブが発生しにくい
という利点がある。Although the above description mainly relates to the receiving operation, the direction and the gain of the directivity could be changed in real time in the same manner in the case of transmitting. Also, since there is only one primary radiator 2, the conventional phased array
Unlike an antenna, it has the advantage that unwanted side lobes are less likely to occur.
【００９０】本例では、フレネルゾーンプレートが３値
のものであるから、第１実施例や第２実施例の２値の場
合と比較して電波の回折効率が高まったことにより、よ
り高い利得を得ることができた。In this example, since the Fresnel zone plate has a ternary value, the diffraction efficiency of the radio wave is increased as compared with the binary values of the first and second examples, so that a higher gain is obtained. I was able to get
【００９１】以上説明した第１〜第３実施例では、液晶
分子の種類をｐ型、液晶分子の配列を平行配向としてい
るが、液晶の種類や、液晶分子の配列の仕方によらず、
本発明を適用することができる。In the first to third embodiments described above, the type of liquid crystal molecules is p-type and the alignment of liquid crystal molecules is parallel alignment. However, regardless of the type of liquid crystal and the way of alignment of liquid crystal molecules,
The present invention can be applied.
【００９２】また、第３実施例では、３値のフレネルゾ
ーンプレートについて説明したが、ピクセルから出射し
た電波の偏波は印加電圧に応じて変化するので、印加電
圧の種類を追加したり、電圧を連続的に変化して印加す
ることにより、それ以上の多値のフレネルゾーンプレー
トを形成することが可能である。In the third embodiment, the ternary Fresnel zone plate has been described. However, since the polarization of the radio wave emitted from the pixel changes according to the applied voltage, the type of applied voltage may be added or the voltage may be changed. It is possible to form a multi-valued Fresnel zone plate by continuously changing and applying.
【００９３】また、第３実施例に準じて、第２実施例に
おいて、指向性制御回路３からＣＬＣＰ（同心円電極液
晶パネル）４のピクセル４ｉ毎に多値の電圧を印加し、
多値の２次元フレネルゾーンプレートを構成するように
しても良い。Further, according to the third embodiment, in the second embodiment, a multi-valued voltage is applied from the directivity control circuit 3 to each pixel 4i of the CLCP (concentric circle electrode liquid crystal panel) 4,
A multi-valued two-dimensional Fresnel zone plate may be configured.
【００９４】更に、第１〜第３実施例では輪帯型の２次
元フレネルゾーンプレートを形成しているが、フレネル
ゾーンプレートを幅広の１次元のものに形成してもよ
い。Further, although the ring-shaped two-dimensional Fresnel zone plate is formed in the first to third embodiments, the Fresnel zone plate may be formed in a wide one-dimensional shape.
【００９５】更に、第１〜第３実施例において、ピクセ
ル毎に印加する電圧を一定パターンに固定すれば、指向
性固定のアンテナを得ることができる。Furthermore, in the first to third embodiments, if the voltage applied to each pixel is fixed in a fixed pattern, an antenna with fixed directivity can be obtained.
【００９６】また、ピクセルから出射した電波の偏波が
印加電圧に応じて変化するから、液晶パネルの厚さが式
（１）あるいは式（２）の関係にない場合でも、本発明
を適用することができる。Further, since the polarization of the radio wave emitted from the pixel changes according to the applied voltage, the present invention is applied even when the thickness of the liquid crystal panel is not in the relation of the formula (1) or the formula (2). be able to.
【００９７】また、電波がピクセル内を反射して出射す
る場合も、反射電波の偏波が印加電圧に応じて変化する
から、各液晶パネル１、４として反射型のものを用いる
ことができる。反射型の場合、到来電波は液晶パネル
１、４で反射させて１次放射器２に入射し、１次放射器
２は放射した電波は液晶パネル１、４で反射させて空間
に放射する。電波を反射させるには、反射側の電極を透
明ではなく反射膜にしたり、透明電極とは別に反射膜を
設けてもよい。Also, when the radio wave is reflected and emitted in the pixel, the polarization of the reflected radio wave changes according to the applied voltage, so that the liquid crystal panels 1 and 4 can be of the reflection type. In the case of the reflection type, the incoming radio waves are reflected by the liquid crystal panels 1 and 4 and are incident on the primary radiator 2, and the radio waves emitted from the primary radiator 2 are reflected by the liquid crystal panels 1 and 4 and are emitted to the space. In order to reflect radio waves, the reflecting electrode may be a reflecting film instead of being transparent, or a reflecting film may be provided separately from the transparent electrode.
【００９８】なお、液晶パネルの厚さが同じ場合、通過
型に比べて反射型では、往復の分、出射電波の偏波が大
きく変化する。When the thickness of the liquid crystal panel is the same, in the reflection type, the polarization of the emitted radio wave is largely changed by the amount of reciprocation, compared to the reflection type.
【００９９】更に、ピクセルにしきい値を超える電圧を
印加して液晶分子をｚ軸に平行に立たせる場合、液晶材
料によっては、しきい値の２倍など大きな電圧を印加す
る必要がある。また、図４や図８に示すように、液晶分
子の向きを中間の状態にする場合、ピクセルにしきい値
程度の電圧を印加するが、液晶材料によってはしきい値
より大きな電圧を印加する必要があったり、あるいは、
しきい値未満の電圧でもよいことがあり、その値は液晶
材料によって異なる。Furthermore, when a voltage exceeding a threshold value is applied to the pixel to make the liquid crystal molecules stand parallel to the z-axis, it is necessary to apply a large voltage such as twice the threshold value depending on the liquid crystal material. Further, as shown in FIGS. 4 and 8, when the liquid crystal molecules are in the intermediate state, a voltage of about the threshold value is applied to the pixel, but depending on the liquid crystal material, it is necessary to apply a voltage higher than the threshold value. Or
The voltage may be lower than the threshold value, and the value depends on the liquid crystal material.
【０１００】[0100]
【発明の効果】以上の説明から判るように、本発明によ
れば、指向性可変アンテナを構成するにあたって、液晶
パネルを位相可変のフレネルゾーンプレートとして利用
したことにより、モーター等の可動部品を用いることな
く、アンテナの指向性を制御することができる。また、
唯一の１次放射器で送信あるいは受信の全電力を取り扱
うので、小型化が可能で、不要なサイドローブが発生し
にくい。また、液晶パネルのピクセル毎に印加する電圧
を制御することで指向性が変わるので、指向性可変の速
度がミリ秒程度と、液晶材料の応答速度の応じて高速で
ある。このように、本発明の指向性可変アンテナは、マ
イクロ波やミリ波等の短い波長の電波に適しており、無
線通信の送受信、放送の送受信及びレーダーなどに種種
用いることができる。As can be seen from the above description, according to the present invention, when a variable directivity antenna is constructed, a liquid crystal panel is used as a phase variable Fresnel zone plate, so that a movable part such as a motor is used. Without having to control the directivity of the antenna. Also,
Since only the primary radiator handles the entire power for transmission or reception, it can be downsized and unnecessary side lobes are unlikely to occur. Further, since the directivity is changed by controlling the voltage applied to each pixel of the liquid crystal panel, the directivity variable speed is about millisecond, which is a high speed according to the response speed of the liquid crystal material. As described above, the variable directivity antenna of the present invention is suitable for radio waves having a short wavelength such as microwaves and millimeter waves, and can be used for various kinds of transmission / reception of wireless communication, transmission / reception of broadcasting, radar, and the like.
【図１】本発明の第１実施例に係る指向性可変アンテナ
の構成を示す図。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a variable directivity antenna according to a first exemplary embodiment of the present invention.
【図２】偏波変換の原理を示す図。FIG. 2 is a diagram showing the principle of polarization conversion.
【図３】偏波変換の原理を示す別の図。FIG. 3 is another diagram showing the principle of polarization conversion.
【図４】偏波変換の原理を示す更に別の図。FIG. 4 is another diagram showing the principle of polarization conversion.
【図５】液晶を用いたフレネルゾーンプレートの構成を
示す図。FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a Fresnel zone plate using liquid crystal.
【図６】液晶を用いたフレネルゾーンプレートの構成を
示す別の図。FIG. 6 is another diagram showing a configuration of a Fresnel zone plate using liquid crystal.
【図７】本発明の第２実施例に係る指向性可変アンテナ
の構成を示す図。FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a directional variable antenna according to a second embodiment of the present invention.
【図８】本発明の第３実施例に係る指向性可変アンテナ
の偏波変換の原理を示す図。FIG. 8 is a diagram showing the principle of polarization conversion of the directional variable antenna according to the third embodiment of the present invention.
【図９】フェーズド・アレイ・アンテナ（従来例）の構
成を示す図。FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a phased array antenna (conventional example).
１ マトリックス電極液晶パネル（ＭＬＣＰ） １mn マトリックス電極液晶パネルのピクセル ２ １次放射器 ３ 指向性制御回路 ４ 同心円電極液晶パネル（ＣＬＣＰ） ４i 同心円電極液晶パネルのピクセル １０ａ〜１０ｅ ピクセル １１ａ〜１１ｅ 液晶分子 １２ａ〜１２ｅ 入射電波の電界方向 １３ａ〜１３ｅ 通過電波の電界方向 １４ 焦点位置 １５ａ〜１５ｅ ピクセル群 1 Matrix electrode liquid crystal panel (MLCP) 1mn matrix electrode liquid crystal panel pixel 2 Primary radiator 3 Directional control circuit 4 Concentric electrode liquid crystal panel (CLCP) 4i Concentric electrodes LCD pixel 10a to 10e pixels Liquid crystal molecules 11a to 11e 12a-12e Electric field direction of incident radio wave 13a to 13e Electric field direction of passing radio waves 14 Focus position 15a to 15e pixel group
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 弘 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 5J021 AA01 BA01 BA03 EA00 GA01 HA05 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Hiroshi Ito 2-3-1, Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo Inside Telegraph and Telephone Corporation F-term (reference) 5J021 AA01 BA01 BA03 EA00 GA01 HA05
Claims (7)
換し、ピクセル毎の誘電異方性でフレネルゾーンプレー
トを形成する液晶パネルと、 前記液晶パネルの焦点位置に設置され、前記電波を放射
あるいは入射する１次放射器と、 前記液晶パネルのピクセルに印加する電圧を制御し、ピ
クセル毎に液晶分子の向きを調製することで指向性を変
える指向性制御回路とを具備することを特徴とする指向
性可変アンテナ。1. A liquid crystal panel that converts the polarization of transmitted and received radio waves for each pixel to form a Fresnel zone plate by the dielectric anisotropy of each pixel, and is installed at the focal point of the liquid crystal panel to radiate the radio waves. Alternatively, it is provided with a primary radiator that is incident, and a directivity control circuit that changes directivity by controlling the voltage applied to the pixels of the liquid crystal panel and adjusting the orientation of the liquid crystal molecules for each pixel. Variable directivity antenna.
し、前記液晶パネルに２値のフレネルゾーンプレートを
形成することを特徴とする指向性可変アンテナ。2. The variable directivity antenna according to claim 1, wherein the directivity control circuit adjusts the orientation of the liquid crystal molecules to be binary, and forms a binary Fresnel zone plate on the liquid crystal panel. .
し、前記液晶パネルに多値のフレネルゾーンプレートを
形成することを特徴とする指向性可変アンテナ。3. The variable directivity antenna according to claim 1, wherein the directivity control circuit adjusts the orientation of the liquid crystal molecules to be multivalued to form a multivalued Fresnel zone plate on the liquid crystal panel. .
ることを特徴とする指向性可変アンテナ。4. The directional variable antenna according to claim 1, 2 or 3, wherein the liquid crystal panel has a pixel arrangement in a matrix.
ンプレートの位置を変えることで、指向性を変えること
を特徴とする指向性可変アンテナ。5. The variable directivity antenna according to claim 4, wherein the directivity control circuit changes the directivity by changing the position of the Fresnel zone plate on the liquid crystal panel.
を特徴とする指向性可変アンテナ。6. The directional variable antenna according to claim 1, wherein the liquid crystal panel has a concentric pixel arrangement.
ンプレートの大きさを変えることで、指向性を変えるこ
とを特徴とする指向性可変アンテナ。7. The variable directivity antenna according to claim 4, wherein the directivity control circuit changes directivity by changing a size of a Fresnel zone plate on the liquid crystal panel.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001385519A JP2003188629A (en) | 2001-12-19 | 2001-12-19 | Directional variable antenna |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2001385519A JP2003188629A (en) | 2001-12-19 | 2001-12-19 | Directional variable antenna |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003188629A true JP2003188629A (en) | 2003-07-04 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP2001385519A Withdrawn JP2003188629A (en) | 2001-12-19 | 2001-12-19 | Directional variable antenna |
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| Country | Link |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2406718A (en) * | 2003-10-03 | 2005-04-06 | Roke Manor Research | Antenna beam steering using a Fresnel zone plate with controllable conductivity |
| JP2005210353A (en) * | 2004-01-22 | 2005-08-04 | Toshiba Corp | Array antenna system |
| JPWO2017145348A1 (en) * | 2016-02-26 | 2018-12-13 | 株式会社日立製作所 | Imaging device |
-
2001
- 2001-12-19 JP JP2001385519A patent/JP2003188629A/en not_active Withdrawn
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|---|---|---|---|---|
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| JP2005210353A (en) * | 2004-01-22 | 2005-08-04 | Toshiba Corp | Array antenna system |
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