JP2005064632A - 可変特性高周波伝送線路 - Google Patents

Abstract

【課題】 誘電体材料として用いた液晶の配向安定性を保ったままで挿入損を低減することが可能な可変特性高周波伝送線路を提供することにある。
【解決手段】 液晶を誘電体材料に用いた可変特性高周波伝送線路において、高周波信号の伝送方向に沿って形成される導体線路と、前記導体線路と所定のギャップ幅で離間して形成されるグランド金属導体とからなるコプレーナウェーブガイド構造の伝送線路を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波回路部品に係わり、とくに、特性を調整できる高周波伝送線路に関するものである。

ネマチック液晶を利用した可変特性高周波伝送線路の応用例として、マイクロ波帯可変移相器が、非特許文献１により報告されている。この報告による「液晶可変移相器」の動作原理を、図２の構造図に従って説明する。まず、２枚のセラミクス基板に挟まれた部分に通常のネマチック液晶を封入する。１枚の基板にはグランド面用の金属膜を付け、もう１枚の基板には導体線路（金属ライン）を付ける。

また、両セラミクス基板の液晶に接する部分には、液晶分子に初期配向を与えるためのポリイミド配向膜をつける。これにより本構造は、液晶を誘電体基板と見なしたマイクロストリップ線路となる。次に、導体線路とグランド面の間に制御電圧を加えることにより、液晶分子の配向が変化する。液晶の誘電率には異方性があるため、分子の配向が変化すると、マイクロストリップ線路を伝搬する電磁波に対する誘電率が変化する。電磁波が長さｌのマイクロストリップ線路を伝搬するときの伝搬遅延時間にもとづく位相の遅れφは、

で表される。ε_effはまた、マイクロストリップ線路を伝搬する電磁波が受ける液晶の誘電率の関数として表される。この結果、導体線路とグランド面の間の制御電圧によりマイクロストリップ線路の位相遅れが変化し、可変移相器となる。

このように、従来の液晶を用いた可変特性高周波伝送線路は、図２に示すようなマイクロストリップ線路構造が検討されてきた。
通常のネマチック液晶を用いたデバイスにおいて、液晶分子の配向の応答時間は、液晶層の厚さの２乗に比例することが非特許文献２に開示されている。
また、液晶を樹脂中に分散させた液晶樹脂複合体（特許文献１、非特許文献３参照）、あるいは繊維などに液晶を含浸させた繊維含浸液晶（特許文献２、特許文献３、非特許文献４参照）が知られている。
特開２０００−３１５９０２号公報 特開２００１−２３７６０６号公報 特開２００２−３３０００６号公報 D. Dolfi, M. Labeyrie, P. Joffre and P. Huignard, "Liquid crystal microwave phase shifter," Electron. Lett., Vol. 29, No. 10, pp. 926-927 (1993) Kazuaki TARUMI, Ulrich FINKENZELLER and Brigitte SCHULER, "Dynamic Behaviour of Twisted Nematic Liquid Crystals," Jpn. J. Appl. Phys., vol. 31, No. 9A, Part1, pp. 2829-2836 (1992) J. W. Doane, N. A. Vaz, B. G. Wu, and S. Zumer, "Field controlled light scattering from nematic microdroplets," Appl. Phys. Lett., vol. 48, no. 4, pp. 269-271 (1986) T. Kuki, H. Fujikake, H. Kamoda, and T. Nomoto, "Microwave variable delay line using a membrane impregnated with liquid crystal," IEEE MTT-S IMS2002 Digest, pp. 3663-3666 (2002)

液晶を用いた可変特性高周波伝送線路の挿入損を考える。マイクロ波やミリ波では、線路の特性インピーダンスは一般に５０Ωが使用されるので、液晶を用いた可変特性高周波伝送線路の特性インピーダンスも５０Ωとして考える。この条件下で、伝送線路を構成するマイクロストリップ線路の誘電体損αｄと導体損αｃの値を、液晶層の厚さｈを変化させて計算した結果の一例（周波数１０ＧＨｚ）を、図３に示す。図より、マイクロストリップ線路の挿入損を小さくするためには、液晶層の厚さｈを厚くするなどして導体線路幅を広くして、線路の導体損を小さくする必要のあることがわかる。

一方、非特許文献２に開示されるように、通常のネマチック液晶を用いたデバイスにおいて、液晶分子の配向の応答時間は、液晶層の厚さの２乗に比例することが知られている。液晶を用いた可変特性高周波伝送線路は、液晶分子の配向変化による誘電率の変化を動作原理としているため、導体損を小さくするために液晶層を厚くすると伝送特性調整の応答時間が遅くなるなど、液晶の配向が不安定になるという問題が生じる。Dolfiらによれば、このために液晶層の厚さを一般に１００μｍ程度以下にしなければならないとしており、実際、前出の報告ではｈ＝５０μｍとしている。
従って、従来のマイクロストリップ線路構造の可変特性高周波伝送線路は、液晶材料を変更しない限り、安定な液晶の配向を保ったままでの挿入損低減は難しかった。

本発明は、これらの問題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、誘電体材料として用いた液晶の配向安定性を保ったままで挿入損を低減することが可能な可変特性高周波伝送線路を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面によって明らかになるであろう。

液晶を用いた可変特性高周波伝送線路の挿入損を低減することを考える。図３から明らかなように、マイクロストリップ線路を用いた液晶可変特性高周波伝送線路の挿入損を低減するための一つの方法として、液晶層を厚くすることにより導体線路幅を太くすればよい。しかし、従来のような通常のネマチック液晶では、配向の安定性の制約から、液晶層を厚くすることができなかった。

そこでここでは、伝送線路の構造としてコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を適用し、導体線路の幅を適度に太くすることを示す。ＣＰＷは、図１に示すように、誘電体基板上の同一平面内にグランド金属と導体線路を配置する構造の伝送線路である。このため、ＣＰＷの特性インピーダンスは、誘電体基板の誘電率εと厚さｈ、導体線路の幅ｗ、そして導体線路とグランド金属のギャップ幅ｇによって決定される。

従来構造のようなマイクロストリップ線路の特性インピーダンスを決めるパラメータはε、ｈ、ｗだけなので、液晶可変特性高周波伝送線路のように液晶の誘電率εと液晶層厚さｈが決められてしまうと、特性インピーダンスを５０Ωにするためには、導体線路幅ｗも一意的に決まってしまう。このために、薄い液晶層（ｈ）では、自由に導体線路幅ｗを太くすることができなかった。ところがＣＰＷは、特性インピーダンスを決めるパラメータはε、ｈ、ｗのほかにギャップ幅ｇがあるため、εとｈが決まってもｇを調節することによりｗを変化させることができる。すなわち、液晶層を薄くしても（薄いｈでも）、ギャップ幅ｇを適当に調節することによって、太い導体線路幅ｗで特性インピーダンス５０Ωの伝送線路を実現できることになる。この結果、液晶の配向を安定に保つために液晶層厚さｈを薄くしたままでも、ＣＰＷを用いれば、導体線路の幅ｗを太くして、線路の導体損を減らして挿入損を低減することができる。

また、ＣＰＷの高周波伝搬モードは、マイクロストリップ線路のそれと同じ準ＴＥＭであるため、従来のマイクロストリップ線路を用いた液晶可変特性伝送線路をＣＰＷへ置き換えることだけで、挿入損の低減を実現できる。

すなわち、本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
（１）液晶を誘電体材料に用いた可変特性高周波伝送線路において、高周波信号の伝送方向に沿って形成される導体線路と、前記導体線路と所定のギャップ幅で離間して形成されるグランド金属導体とからなるコプレーナウェーブガイド構造の伝送線路を備える。
（２）前記導体線路および前記グランド金属導体が設けられた第一の基板と、前記第一の基板の前記導体線路および前記グランド金属導体が設けられた面に対向して配置された第二の基板と、前記導体線路および前記グランド金属導体が設けられた前記第一の基板と前記第二の基板との間に設けられた前記液晶とを備える。
（３）前記導体線路と前記グランド金属導体との間に制御電圧を印加する。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
液晶の配向を安定に保つことが可能な厚さで液晶層を形成した場合であっても、導体線路幅とギャップ幅とを調整することにより、挿入損を低減させることが可能な特性インピーダンスの可変特性高周波伝送線路を形成することができる。

以下、図面を参照して、発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態である可変特性高周波伝送線路を用いた可変移相器の概略構成を説明するための図である。

本発明による実施の形態について、図面を参照して説明する。コプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を用いた液晶可変特性高周波伝送線路の応用として、可変移相器の構造図を図１に示す。本可変移相器には、２枚のセラミクス基板１とネマチック液晶からなる液晶層２と導体線路３とグランド金属４と配向膜５と制御電源６とを含む。高周波信号７は、２枚のセラミクス基板１の間に封入されたネマチック液晶（液晶層２）を誘電体基板として導体線路３とグランド金属４で構成するＣＰＷを伝搬する。制御電源６は、本可変移相器の移相量を調節する制御電圧を、導体線路３とグランド金属４の間に印加する。この制御電圧には、直流またはオーディオ周波数程度の低周波電圧を用いる。

液晶層２で使用される液晶は、高周波に対して誘電率異方性を有し、細長い液晶分子の長軸方向の誘電率は、短軸方向のものに比べて高い。その誘電率異方性は、可能な限り使用周波数の範囲を大きく変化できるため、誘電率異方性が大きな液晶のネマティツク液晶、コレステリック液晶、スメクティック液晶、またはこれら液晶の混合液晶を選択して用いることができる。ただし、高速性を得るには、低粘性かつ高弾性のネマティック液晶が適している。特に、屈折率異方性の大きなシアノビフェニル系、ターフェニル系、ピリジン系、ピリミジン系およびトラン系のネマティック液晶が最適である。一方、スメクティック液晶を用いる場合には、自発分極を有して高速応答を示す強誘電性液晶が有用である。一方、これらの液晶を包含するための樹脂としては、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリスチレン、ポリビニールアルコール、またはこれらの共重合体（例えばアクリル・ウレタン共重合体）などが適当である。

液晶層２で使用される液晶層の構造は、前述した液晶のみから構成される液晶層のみならず、特許文献１、非特許文献３に記載されるように前述した液晶を樹脂中に分散させた液晶樹脂複合体、あるいは、特許文献２、特許文献３、非特許文献４に記載されるように繊維などに前述した液晶を含浸させた繊維含浸液晶などを利用した構造も有効である。

前述するように、本実施の形態の可変移相器は、導体線路幅ｗの導体線路３とこの導体線路３からギャップ幅ｇで離間するグランド金属４とが同一面に形成されその上面に配向膜５が形成されたセラミクス基板１と、これと対向配置され配向膜５が形成されたセラミクス基板１と、これらのセラミクス基板１の間に設けられた厚さがｈの液晶層２とから構成されている。すなわち、本実施の形態では、間隔がｈとなるように対向配置される一対のセラミクス基板１で挟まれた領域に液晶が封入され、可変移相器が構成されている。導体線路３とグランド金属４間に電圧を印加する制御電源６は、制御電圧出力の一方が導体線路３に接続され、他方がグランド金属４に接続される構成となっている。なお、図１では、導体線路３の右側に形成されるグランド金属４のみに制御電源６の他方の制御電圧出力が接続されるように示されているが、導体線路３の左側に形成されるグランド金属４も右側のグランド金属４と同じ電位となるように、制御電源６の他方の制御電圧出力に接続されることはいうまでもない。

このように、本実施の形態の可変移相器では、高周波信号を伝送する導体線路３と、この導体線路３とギャップ幅ｇで離間されたグランド金属４とからなるＣＰＷ構造となっているので、液晶層２の厚さｈを所望の厚さにした場合であってもギャップ幅ｇと導体線路３の幅ｗとを変化させることにより、導体線路３の特性インピーダスを所望の特性インピーダンスに設定することが可能となる。その結果、本実施の形態の可変移相器では、マイクロストップ線路を用いた可変移相器に比較して、液晶層２の厚さｈを大きくさせることなく、高周波信号７を可変移相器に入力することによる挿入損を低減させ、特性インピーダンスを５０Ωとしながら、挿入損を低減させることが可能となる。すなわち、特性インピーダンスを決定するパラメータとしては、ε、ｈ、ｗの他に、ギャップ幅ｇがあるので、液晶層の厚さｈを１００μｍや５０μｍ等に設定した場合であっても、ギャップ幅ｇと導体線路幅ｗとを調整することによって、挿入損を増大させることなく特性インピーダンスを５０Ωに設定することが可能となる。

以上に説明した本実施の形態の可変移相器の応用例としてフェーズドアレーアンテナを考える。従来技術による液晶層の薄い（例えば、５０μｍ）移相器のように損失が大きいと、その損失を補償するための高周波増幅器を追加したり、あるいは、より増幅度の大きな高周波増幅器を使用することになる。これに対して、本発明を適用した可変移相器を用いることにより損失を小さくすることができるので、その分の高周波増幅器を簡略化でき、経済的効果も大きい。

以上、本発明者によってなされた発明を、前記発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

本発明の一実施の形態であるＣＰＷを用いた可変特性高周波伝送線路の構造図である。 D. Dolfiらが示したLiquid crystal phase shifterの構造図である。 マイクロストリップ線路構造の液晶可変移相器の液晶厚さと挿入損（誘電損、導体損）の関係の一例を計算した図である。

符号の説明

１…セラミクス基板 ２…液晶層
３…導体線路 ４…グランド金属
５…配向膜 ６…制御電源
７…高周波信号

Claims (3)

1. 液晶を誘電体材料に用いた可変特性高周波伝送線路において、
   高周波信号の伝送方向に沿って形成される導体線路と、前記導体線路と所定のギャップ幅で離間して形成されるグランド金属導体とからなるコプレーナウェーブガイド構造の伝送線路を備えたことを特徴とする可変特性高周波伝送線路。
2. 前記導体線路および前記グランド金属導体が設けられた第一の基板と、
   前記第一の基板の前記導体線路および前記グランド金属導体が設けられた面に対向して配置された第二の基板と、
   前記導体線路および前記グランド金属導体が設けられた前記第一の基板と前記第二の基板との間に設けられた前記液晶と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の可変特性高周波伝送線路。
3. 前記導体線路と前記グランド金属導体との間に制御電圧を印加することを特徴とする請求項１または２に記載の可変特性高周波伝送線路。

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