JP2005354595A - 電波レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 円偏波されたミリ波及びマイクロ波に適用可能な電波レンズを提供する。
【解決手段】 ミリ波またはマイクロ波である電波が垂直に入射する電波入射面を有し、液晶分子がアトランダムに配向する液晶層１１と、液晶層１１中に電波入射方向の制御電界を生成する制御電界生成手段とを含み、制御電界生成手段が基準電位を与える基準電極２１と、基準電極２１との間に周波数が数キロヘルツ以下の交流または直流である制御信号が印加される制御電極２２１，２２２とを含み、基準電極２１および制御電極２２１，２２２が、電波に対しては透過性を有し、制御信号に対しては導電性を有する材料で製作される。
【選択図】 図２

Description

本発明は電波レンズに係り、特に、円偏波されたミリ波及びマイクロ波に適用可能な電波レンズに関する。

通信衛星（ＣＳ）放送、放送衛星（ＢＳ）放送等を移動体で受信する場合は、受信アンテナの受信指向性を衛星の方向に向ける、いわゆる追尾制御が必要となる。

受信アンテナの受信指向性を制御する方法としては、受信アンテナの姿勢を機械的に制御する追尾装置を使用することが一般的であるが、装置が大規模となるだけでなく、機械装置の保守が必要となるという課題がある。

この課題を解決するために、電波の伝播方向を電気的に制御することができる電波レンズを使用し、指向性を電気的に制御する受信アンテナも既に提案されている（特許文献１参照）。

上記に開示されている従来の電波レンズは、電波の伝播方向に平行に配置された２枚の基準電極の間に短冊状の制御電極を配置し、基準電極と制御電極の間に液晶層を積層した構成を有する。この構成により、制御電極と基準電極の間に所定の制御電圧を印加して液晶分子の配向方向を制御し、液晶の誘電率を制御することによって、電波レンズを通過する電波の伝播方向を制御することが可能となる。

しかし、上記の従来の電波レンズは金属製電極を使用しているため、電極に対して垂直な偏波面を有するマイクロ波またはミリ波には適用できるものの、電極に対して平行な偏波面を有するマイクロ波またはミリ波には適用できないという課題があった。

本発明の出願人は、上記課題を解決するために、電極として、直流あるいは数ＫＨｚの交流である制御信号に対しては導電性を示し、マイクロ波またはミリ波に対しては誘電性を示す導電性高分子材を使用することにより、電極に対して水平な偏波面を有するマイクロ波またはミリ波にも適用可能な電波レンズを提案している（特許文献２参照）。
特開２００３−１８５９９０号公報（［００１３］〜［００１４］、図１） 特願２００４−０４９８２０号

しかしながら、特許文献２に開示した電波レンズは、電波の伝播方向に垂直な面内で誘電率異方性を生じるため、円偏波されたマイクロ波またはミリ波を取り扱うことができないという課題があった。

放送衛星においては、隣接チャンネル間の干渉を避けるために、奇数チャンネルに対して右旋廻円偏波を適用し、偶数チャンネルに対して左旋廻円偏波を適用しているので、円偏波に適用可能な簡易な構成の電波レンズの開発が望まれていた。

本発明は、従来の問題を解決するためになされたものであって、円偏波されたミリ波及びマイクロ波に適用可能な電波レンズを提供することを目的とする。

本発明に係る電波レンズは、ミリ波またはマイクロ波である電波が垂直に入射する電波入射面を有し、液晶分子がアトランダムに配向する液晶層と、前記液晶層中に前記電波入射方向の制御電界を生成する制御電界生成手段とを含み、前記制御電界生成手段が、基準電位を与える基準電極と、前記基準電極との間に周波数が数キロヘルツ以下の交流または直流である制御信号が印加される制御電極とを含み、前記基準電極および前記制御電極が、前記電波に対しては透過性を有し、前記制御信号に対しては導電性を有する材料で製作される。

この構成により、円偏波されたミリ波及びマイクロ波の伝播方向を制御することができる。

本発明に係る電波レンズは、前記液晶層が、液晶中に樹脂を混合した液晶樹脂混合体で構成される。

この構成により、制御電界が生成されていない状態で、液晶分子がアトランダムに配向されることとなる。

本発明に係る電波レンズは、前記液晶層が液晶を含浸させた繊維状絶縁体で構成される。

この構成により、制御電界が生成されていない状態で、液晶分子がアトランダムに配向されるとともに、構造を簡素化することができる。

本発明に係る電波レンズは、前記制御電界生成手段が、前記電波入射面と平行に配置される前記基準電極と、前記基準電極と所定の間隔を隔てた前記電波入射面と平行な１つの面上に配置される前記制御電極とを含んでいてもよい。

本発明に係る電波レンズは、前記制御電界生成手段手段が、前記電波入射面に垂直な面上に配置される前記基準電極と、前記面上の前記基準電極の前記電波入射方向に配置される前記制御電極とを含んでいてもよい。

本発明に係る電波レンズは、前記基準電極が、前記電波入射面に垂直な面上に配置され、前記電波入射方向に配列する歯を有する櫛状電極であり、前記制御電極が、前記基準電極の前記歯の間に配列する歯を有する櫛状電極であってもよい。

本発明は、液晶層中に電波入射方向の制御電界を生成する制御電界生成手段を設けることにより、円偏波されたミリ波及びマイクロ波の伝播方向を制御できる電波レンズを提供することができるものである。

以下本発明に係る電波レンズの実施形態について、図面を用いて説明する。

本発明に係る電波レンズの第１の実施形態は、図１に示すように、ミリ波またはマイクロ波である電波が垂直に入射する電波入射面１０を有し、液晶分子がアトランダムに配向する液晶層１１と、液晶層１１中に電波入射方向（矢印１）の制御電界を生成する制御電界生成手段２とを含む。

制御電界生成手段２は、基準電位を与える基準電極２１と、基準電極２１との間に周波数が数キロヘルツ以下の交流または直流である制御信号が印加される少なくとも２分割された制御電極２２１および制御電極２２２とを含む。

基準電極２１および制御電極２２は、電波に対しては透過性を有し、直流あるいは周波数が数キロヘルツ以下の交流である制御信号に対しては導電性を有する材料で製作される。なお、基準電極２１および制御電極２２は、実際には、電波に対して透過性を有する誘電体基板２３上に配置される。

液晶層１１としては、ネマティック液晶、コレステリック液晶、スメクティック液晶、又はこれらの混合液晶を使用することができる。

なお、液晶層１１を、液晶中に樹脂を混合した液晶樹脂混合体、または液晶を含浸させた繊維状絶縁体で構成することにより、制御電界が生成されていない状態で液晶分子をアトランダムに配向することができる。この場合、液晶層１１自体に機械的強度を持たせることができるので、電波レンズの構造を簡素化することも可能となる。

基準電極２１、および制御電極２２の材料である、直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有し、ミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料としては、いわゆる導電性高分子材、即ち共役性を有する高分子材を使用することができる。

導電性高分子材としてはポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール等を使用することができ、ポリチオフェン、特にＰＥＤＯＴ［poly（3,4-ethylenedioxythiophene）］を使用することが望ましい。

制御電界生成手段２は、電波入射面１０と平行に配置される基準電極２１と、電波入射面１０と平行な基準電極２１と所定の間隔を隔てた１つの面上に配置される少なくとも２分割された制御電極２２１および制御電極２２２とを含む。

２つの制御電極２２１および制御電極２２２は、図２のＹＺ断面図に示すように、Ｘ軸に沿って２分割されている。

次に、本発明に係る電波レンズの第１の実施形態の動作を説明する。なお、以下の説明では、液晶は液晶分子の長軸が制御電界に沿って配向するＰ型のネマティック液晶であるものとする。

制御電圧が略零であるときは電波入射面に平行な面内で液晶分子はランダムに配向しているので、入射電波に対する液晶層の誘電率ε₀は次式により決定される。ただし、液晶分子の短軸方向の誘電率はε_S、長軸方向の誘電率はε_L（＞ε_S）であるものとする。

基準電極２１と第１の制御電極２２１との間には直流電源３１によって高制御電圧Ｖ_Hが印加される。そして、基準電極２１と第２の制御電極２２２との間には直流電源３２によって低制御電圧Ｖ_Lが印加される。

すると、液晶層１１中には、制御電極２２から基準電極２１に向かう制御電界が発生し、この制御電界により液晶層１１中の液晶分子の向きが制御される。

Ｖ_H＞Ｖ_Lであるので、液晶層１１の下部１１Ｄと比較すると、上部１１Ｕでは液晶分子の長軸が制御電界方向を向く液晶分子の割合は大きくなる。

このため、液晶層１１の上部１１Ｕの入射電波に対する誘電率ε_uはε_Sに近くなり、液晶層１１の下部１１Ｄの入射電波に対する誘電率ε_dはε_Sより大きくなる。

この結果、液晶層１１の下部１１Ｄを通過する電波の位相は、液晶層１１の上部１１Ｕを通過する電波の位相より遅れるので、電波レンズ通過後の電波の波面３２はＹＺ平面内で下方に傾き、電波の伝播方向は矢印３３で示す方向にＹＺ平面内で変更されることとなる。

なお、本発明に係る電波レンズにあっては、電波入射方向であるＺ軸方向に制御電界の強度が制御され、ＸＹ平面方向には制御電界の強度は制御されないので、液晶層１１のＸＹ平面内では誘電率の異方性は生じない。

従って、本発明に係る電波レンズの第１の実施形態は、ＸＹ平面内で任意の角度の偏波面を有する直線偏波された電波だけでなく、円偏波された電波の伝播方向をＹＺ平面内で変更することができる。

以上説明したように、本発明に係る電波レンズの第１の実施形態によれば、基準電位を与える基準電極２１と、基準電極２１との間に直流あるいは周波数が数キロヘルツ以下の交流である制御信号が印加される少なくとも２つの制御電極２２とを電波入射方向と垂直に設置することにより、直線偏波された電波だけでなく、円偏波された電波の伝播方向を制御することが可能となる。

なお、上記では理解を容易とするために制御電極２２を２分割した場合について説明したが、電波の伝播方向を一層正確に制御するためには分割数を多くする必要があることは明らかである。

本発明に係る電波レンズの第２の実施形態は、図３に示すように、制御電極２２はＹ軸に沿って２つに分割される。

この場合、偏波方法によらず電波の伝播方向をＸＺ平面内で変更することができるが、動作は第１の実施形態と相違がないので詳細な説明は省略する。

本発明に係る電波レンズの第３の実施形態は、図４に示すように、制御電極２２はＸＹ平面の対角線に沿って少なくとも２つに分割される。

この場合、偏波方法によらず電波の伝播方向をＹＺ変面内およびＸＺ平面内で同時に変更することができるが、動作は第１の実施形態と相違がないので詳細な説明は省略する。

本発明に係る電波レンズの第４の実施形態は、図５の斜視図および図６のＺＸ平面図に示すように、制御電界生成手段２が、電波入射面１０に垂直な面（ＺＸ平面）上に配置される基準電極２１と、その面上の基準電極２１の電波入射方向１に配置される制御電極２２とからなる。制御電極２２は、電波入射方向１に沿って分割された２つの制御電極２２１および制御電極２２２を含む。

次に、本発明に係る電波レンズの第４の実施形態の動作を説明する。なお、以下の説明でも、液晶は液晶分子の長軸が制御電界に沿って配向するＰ型のネマティック液晶であるものとする。

液晶分子の短軸方向の誘電率がε_S、長軸方向の誘電率がε_Lであるとすると、制御電圧が略零であるときの入射電波に対する液晶層の誘電率ε₀は［数１］により決定される。

基準電極２１と第１の制御電極２２１との間には直流電源３１によって高制御電圧Ｖ_Hが印加される。そして、基準電極２１と第２の制御電極２２２との間には直流電源３２によって低制御電圧Ｖ_Lが印加される。

すると、液晶層１１中には、制御電極２２から基準電極２１に向かう制御電界が発生し、この制御電界により液晶層１１中の液晶分子の向きが制御される。

Ｖ_H＞Ｖ_Lであるので、液晶層１１の電波入射面１０に向かって右側部１１rと比較すると、左側部１１mでは長軸が制御電界の方向を向く液晶分子の割合は大きくなる。

このため、液晶層１１の左側部１１ｍの入射電波に対する誘電率ε_mはε_Sに近くなり、液晶層１１の右側部１１ｒの入射電波に対する誘電率ε_rはε_Sより大きくなる。

この結果、液晶層１１の右側部１１ｒを通過する電波の位相は、液晶層１１の左側部１１ｍを通過する電波の位相より遅れるので、電波レンズ通過後の電波の波面４２はＺＸ平面内で右方に傾き、電波の伝播方向は矢印４３に示すようにＺＸ平面内で変更されることとなる。

なお、本発明に係る電波レンズにあっては、電波入射方向であるＺ軸方向に制御電界の強度が制御され、ＸＹ平面内では制御電界の強度は制御されないので、液晶層１１のＸＹ平面内では誘電率の異方性を生じない。

従って、本発明に係る電波レンズの第４の実施形態は、ＸＹ平面内で任意の角度の偏波面を有する直線偏波された電波だけでなく、円偏波された電波の伝播方向をＺＸ平面内で変更することができる。

以上説明したように、本発明に係る電波レンズの第４の実施形態によれば、基準電位を与える基準電極２１と、基準電極２１との間に周波数が数キロヘルツ以下の交流または直流である制御信号が印加される少なくとも２つの制御電極２２とを電波入射方向と平行に設置することにより、直線偏波された電波だけでなく、円偏波された電波の伝播方向を制御することが可能となる。

次に、本発明に係る電波レンズの第５の実施形態について説明する。

図５および図６に示す第４の実施形態は基本的な構成であって、電波の伝播方向を一層正確に制御するためには、図７に示すように、基準電極２１を電波入射面１０に垂直なＺＸ面上に配置され、Ｚ軸に沿って配列する歯を有する櫛状電極とし、制御電極２２を基準電極２１の歯の間に配列する歯を有する櫛状電極とすることが望ましい。そして、櫛状の基準電極２１と櫛状の制御電極２２とからなる櫛状電極対を、ＺＸ面に平行に配置される誘電体基板２３上に複数組設置する。

図７では、３つの櫛状電極対５１、５２、および５３を設置した例を示す。なお、３つの櫛状電極対５１、５２、および５３の基準電極２１はＺＸ面上で共通に接続されている。

次に、本発明に係る第５の実施形態の電波レンズの動作を説明する。

３つの櫛状電極対５１、５２、および５３に印加する制御電圧をそれぞれ、Ｖ₅₁、Ｖ_5２、およびＶ₅₃とする。

図８（ａ）は、図７の電波レンズの１つの櫛状電極対５１の断面図であって、制御電極２２から基準電極２１に向かう制御電界がＺ軸に沿って発生する。

Ｖ₅₁＜Ｖ_5２＜Ｖ₅₃とすれば、第１の櫛状電極対５１の上下の液晶分子は、図８（ｂ）に示すように、ほぼアトランダムに配向するので液晶層１１の入射電波に対する誘電率は［数１］で表される制御電圧が略零であるときの誘電率ε₀とほぼ等しくなる。

第３の櫛状電極対５３の上下の液晶分子は、図８（ｃ）に示すように、Ｚ軸方向に配向するので液晶層１１の入射電波に対する誘電率は液晶分子の短軸方向の誘電率ε_Sとほぼ等しくなる。

第２の櫛状電極対５２の上下の液晶層１１の入射電波に対する誘電率ε_5２は次式を満足する。

従って、液晶層１１の入射電波に対する誘電率は、第１の櫛状電極対５１から第３の櫛状電極対５３に向かって小さくなり、電波の伝播方向はＺＸ平面内で電波の進行方向右側に変更される。

このとき、入射電波に対する誘電率は液晶分子短軸方向の誘電率ε_Sからε₀の範囲で変化するが、ＸＹ平面内では誘電率の異方性を生じないので、偏波面に係らず適用することが可能となる。

以上説明したように、本発明に係る電波レンズの第５の実施形態によれば、基準電位を与える櫛状の基準電極２１と、基準電極２１との間に周波数が数キロヘルツ以下の交流または直流である制御信号が印加される櫛状の制御電極２２とで構成される電極対を電波入射方向と平行に複数組設置することにより、直線偏波された電波だけでなく、円偏波された電波の伝播方向を制御することが可能となる。

以上のように、本発明に係る電波レンズは、直線偏波された電波だけでなく、円偏波された電波の伝播方向を制御することができるという効果を有し、衛星放送受信用アンテナ等として有効である。

本発明に係る電波レンズの第１の実施形態の斜視図である。 本発明に係る電波レンズの第１の実施形態のＹＺ断面図である。 本発明に係る電波レンズの第２の実施形態の斜視図である。 本発明に係る電波レンズの第３の実施形態の斜視図である。 本発明に係る電波レンズの第４の実施形態の斜視図である。 本発明に係る電波レンズの第４の実施形態のＺＸ面図である。 本発明に係る電波レンズの第５の実施形態の斜視図である。 本発明に係る電波レンズの第５の実施形態のＷ−Ｗ断面図である。

符号の説明

１０ 電波入射面
１１ 液晶層
２ 制御電界生成手段
２１ 基準電極
２２、２２１、２２２ 制御電極
２３ 誘電体基板

Claims (6)

1. ミリ波またはマイクロ波である電波が垂直に入射する電波入射面を有し、液晶分子がアトランダムに配向する液晶層と、前記液晶層中に前記電波入射方向の制御電界を生成する制御電界生成手段とを含む電波レンズであって、
   前記制御電界生成手段が、基準電位を与える基準電極と、前記基準電極との間に周波数が数キロヘルツ以下の交流または直流である制御信号が印加される制御電極とを含み、
   前記基準電極および前記制御電極が、前記電波に対しては透過性を有し、前記制御信号に対しては導電性を有する材料で製作される電波レンズ。
2. 前記液晶層が、液晶中に樹脂を混合した液晶樹脂混合体で構成される請求項１に記載の電波レンズ。
3. 前記液晶層が、液晶を含浸させた繊維状絶縁体で構成される請求項１に記載の電波レンズ。
4. 前記制御電界生成手段が、前記電波入射面と平行に配置される前記基準電極と、前記基準電極と所定の間隔を隔てる前記電波入射面と平行な１つの面上に配置される前記制御電極とを含む請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電波レンズ。
5. 前記制御電界生成手段が、前記電波入射面に垂直な面上に配置される前記基準電極と、前記面上の前記基準電極の前記電波入射方向に配置される前記制御電極とを含む請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電波レンズ。
6. 前記基準電極が、前記電波入射面に垂直な面上に配置され、前記電波入射方向に配列する歯を有する櫛状電極であり、前記制御電極が、前記基準電極の前記歯の間に配列する歯を有する櫛状電極である請求項５に記載の電波レンズ。

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