JP2021101511A - Phase shifter and phased array antenna device - Google Patents

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光隆 沖田
Mitsutaka Okita
光隆 沖田
強 陳
Tsutomu Chin
陳  強
藤掛 英夫
Hideo Fujikake
英夫 藤掛
佐藤 弘康
Hiroyasu Sato
弘康 佐藤
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Abstract

To provide a phase shifter using a liquid crystal material, in which a decrease in liquid crystal response speed can be prevented while the loss of a microstrip line is reduced.SOLUTION: A phase shifter includes: a microstrip line; a ground conductor layer opposing the microstrip line and provided with a slit; and a liquid crystal layer between the microstrip line and the ground conductor layer. The slit provided in the ground conductor layer is arranged such that a part or the whole of the slit overlaps with the strip line.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の一実施形態は、液晶材料を用いた移相器に関する。また、本発明の一実施形態は、液晶材料を用いた移相器を有するフェーズドアレイアンテナ装置に関する。 One embodiment of the present invention relates to a phase shifter using a liquid crystal material. Further, one embodiment of the present invention relates to a phased array antenna device having a phase shifter using a liquid crystal material.

フェーズドアレイアンテナ(Phased Array Antenna)装置は、複数のアンテナ素の一部又は全部にそれぞれ高周波信号を印加するときに、それぞれの高周波信号の振幅と位相を制御することで、アンテナの向きを一方向に固定したままで、アンテナの放射指向性を制御できるという特性を有する。フェーズドアレイアンテナ装置は、アンテナ素子に印加する高周波信号の位相を制御するために移相器が用いられている。 A phased array antenna device directs the direction of an antenna in one direction by controlling the amplitude and phase of each high-frequency signal when a high-frequency signal is applied to a part or all of a plurality of antenna elements. It has the characteristic that the radiation directionality of the antenna can be controlled while it is fixed to. In the phased array antenna device, a phase shifter is used to control the phase of the high frequency signal applied to the antenna element.

移相器の方式としては、伝送線路の長さを物理的に変化させて高周波信号の位相を変化させる方式、伝送線路の途中でインピーダンスを変化させ反射により高周波の位相をさせる方式、位相が異なる2つの信号を増幅する増幅器の利得を制御して合成することで合成することで所望の位相を有する信号を生成する方式など様々な方式が採用されている。また、これら以外にも、移相器の一例として、印加する電圧によって誘電率が変化するという液晶材料特有の性質を利用する方式が開示されている(特許文献1参照)。 As the method of the phase shifter, the method of physically changing the length of the transmission line to change the phase of the high frequency signal, the method of changing the impedance in the middle of the transmission line to make the phase of the high frequency by reflection, and the phase are different. Various methods such as a method of generating a signal having a desired phase by synthesizing by controlling the gain of an amplifier that amplifies two signals and synthesizing them are adopted. In addition to these, as an example of a phase shifter, a method utilizing a property peculiar to a liquid crystal material that the dielectric constant changes depending on an applied voltage is disclosed (see Patent Document 1).

特開平11−103201号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-103201

液晶材料を用いた移相器は、マイクロストリップ線路が設けられた構造を有している。マイクロスリップ線路の抵抗損失を低減するには線路幅を広くすることが有効であるが、単純に線路幅のみを広げてしまうと特性インピーダンスの整合が外れてしまうことが問題となる。この場合、特性インピーダンスの整合を保つには液晶セルのセルギャップを大きくすることが有効であるが、そうすると位相変化の速度が遅くなるという問題がある。 A phase shifter using a liquid crystal material has a structure provided with a microstrip line. It is effective to widen the line width in order to reduce the resistance loss of the microslip line, but if only the line width is simply widened, there is a problem that the characteristic impedance is out of alignment. In this case, it is effective to increase the cell gap of the liquid crystal cell in order to maintain the matching of the characteristic impedance, but there is a problem that the speed of the phase change becomes slow.

本発明の一実施形態に係る移相器は、マイクロストリップ線路と、マイクロストリップ線路に対向し、スリットが設けられた接地導体層と、マイクロストリップ線路と前記接地導体層との間の液晶層と、を有している。接地導体層に設けられたスリットは、一部又は全体がストリップ線路と重なるように配置されている。 The phase shifter according to the embodiment of the present invention includes a microstrip line, a ground conductor layer facing the microstrip line and provided with a slit, and a liquid crystal layer between the microstrip line and the ground conductor layer. ,have. The slits provided in the ground conductor layer are arranged so as to partially or wholly overlap the strip line.

本発明の一実施形態に係る移相器の構成を示し、(A)は第1基板と第2基板が重なった状態の平面図、(B)は第1基板の平面図、(C)は第2基板の平面図を示す。The configuration of the phase shifter according to the embodiment of the present invention is shown, (A) is a plan view of a state in which the first substrate and the second substrate are overlapped, (B) is a plan view of the first substrate, and (C) is a plan view of the first substrate. The plan view of the 2nd substrate is shown. 本発明の一実施形態に係る移相器の構成を示し、図1(A)に示すA1−A2線に沿った断面構造を示す。The configuration of the phase shifter according to the embodiment of the present invention is shown, and the cross-sectional structure along the line A1-A2 shown in FIG. 1 (A) is shown. 本発明の一実施形態に係る移相器の構成を示し、(A)及び(B)は図2と異なる態様の断面構造を示す。The configuration of the phase shifter according to the embodiment of the present invention is shown, and (A) and (B) show a cross-sectional structure different from that of FIG. 移相器の断面構造を示し、(A)及び(B)はマイクロストリップ線路の線幅と液晶層の厚さの関係を説明する図であり、(C)は本発明の一実施形態に係る移相器の構成例を示す。The cross-sectional structure of the phase shifter is shown, (A) and (B) are diagrams for explaining the relationship between the line width of the microstrip line and the thickness of the liquid crystal layer, and (C) relates to one embodiment of the present invention. An example of the configuration of the phase shifter is shown. 本実施形態に係る移相器が用いられたフェーズドアレイアンテナ装置の一構成例を示す。An example of a configuration of a phased array antenna device in which the phase shifter according to the present embodiment is used is shown. 本実施形態に係る移相器が用いられたフェーズドアレイアンテナ装置の一構成例を示し、図5に示すB1−B2線に沿った断面構造を示す。An example of a configuration of a phased array antenna device using the phase shifter according to the present embodiment is shown, and a cross-sectional structure along the B1-B2 line shown in FIG. 5 is shown.

以下、本発明の実施の形態を、図面等を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に例示する実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号(又は数字の後にa、bなどを付した符号)を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。さらに各要素に対する「第1」、「第2」と付記された文字は、各要素を区別するために用いられる便宜的な標識であり、特段の説明がない限りそれ以上の意味を有しない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to drawings and the like. However, the present invention can be implemented in many different modes and is not construed as being limited to the description of the embodiments illustrated below. In order to clarify the description, the drawings may schematically represent the width, thickness, shape, etc. of each part as compared with the actual embodiment, but this is merely an example and limits the interpretation of the present invention. It's not a thing. Further, in the present specification and each figure, the same elements as those described above with respect to the above-mentioned figures are designated by the same reference numerals (or reference numerals having a, b, etc. added after the numbers) to provide detailed explanations. It may be omitted as appropriate. Further, the characters added with "first" and "second" for each element are convenient signs used to distinguish each element, and have no further meaning unless otherwise specified.

本明細書において、ある部材又は領域が他の部材又は領域の「上に(又は下に)」あるとする場合、特段の限定がない限りこれは他の部材又は領域の直上(又は直下)にある場合のみでなく他の部材又は領域の上方(又は下方)にある場合を含み、すなわち、他の部材又は領域の上方(又は下方)において間に別の構成要素が含まれている場合も含む。なお、以下の説明では、特に断りのない限り、断面視において、図の正位置に対して上方を「上」又は「上方」といい、「上」又は「上方」から見た面を「上面」又は「上面側」というものとし、その逆を「下」、「下方」、「下面」又は「下面側」というものとする。 As used herein, when a member or region is "above (or below)" another member or region, it is directly above (or directly below) the other member or region, unless otherwise specified. Not only in some cases, but also in the case of being above (or below) the other member or region, that is, including the case where another component is included above (or below) the other member or region. .. In the following description, unless otherwise specified, in cross-sectional view, the upper side with respect to the normal position in the figure is referred to as "upper" or "upper", and the surface viewed from "upper" or "upper" is "upper surface". "" Or "upper surface side", and vice versa "lower", "lower", "lower surface" or "lower surface side".

図1(A)は、本発明の一実施形態に係る移相器100の平面図を示す。移相器100は、マイクロストリップ線路106と接地導体層108とを含む。マイクロストリップ線路106は第1基板102に形成され、接地導体層108は第2基板104に形成されている。第1基板102と第2基板104とは、マイクロストリップ線路106と接地導体層108とが向かい合うように対向して配置されている。第1基板102と第2基板104との間には間隙が設けられ、その間隙部分に図示されない液晶層が設けられている。 FIG. 1A shows a plan view of the phase shifter 100 according to the embodiment of the present invention. The phase shifter 100 includes a microstrip line 106 and a ground conductor layer 108. The microstrip line 106 is formed on the first substrate 102, and the ground conductor layer 108 is formed on the second substrate 104. The first substrate 102 and the second substrate 104 are arranged so as to face each other so that the microstrip line 106 and the ground conductor layer 108 face each other. A gap is provided between the first substrate 102 and the second substrate 104, and a liquid crystal layer (not shown) is provided in the gap portion.

接地導体層108にはスリット110が設けられている。スリット110は、接地導体層108が除去された領域であり、第2基板104の絶縁表面が露出する領域である。スリット110は、マイクロストリップ線路106と略平行に延びている。スリット110の長さは、少なくともマイクロストリップ線路106の一端から他端まで重なることのできる長さを有している。スリット110は、マイクロストリップ線路106と重なるように配置されている。 The ground conductor layer 108 is provided with a slit 110. The slit 110 is a region from which the ground conductor layer 108 has been removed, and is a region where the insulating surface of the second substrate 104 is exposed. The slit 110 extends substantially parallel to the microstrip line 106. The length of the slit 110 has a length that can overlap at least from one end to the other end of the microstrip line 106. The slit 110 is arranged so as to overlap the microstrip line 106.

別言すれば、接地導体層108は、マイクロストリップ線路106と略平行に延びるスリット110によって、第1接地導体層108aと第2接地導体層108bとに分割されており、第1接地導体層108a及び第2接地導体層108bのそれぞれの端部が、マイクロストリップ線路106の一端から他端にかけて重なるように配置されているということもできる。 In other words, the ground conductor layer 108 is divided into a first ground conductor layer 108a and a second ground conductor layer 108b by a slit 110 extending substantially parallel to the microstrip line 106, and the first ground conductor layer 108a It can also be said that the respective ends of the second ground conductor layer 108b are arranged so as to overlap from one end to the other end of the microstrip line 106.

第1基板102及び第2基板104は、平板状の基体であり、材質はガラス、プラスチック、セラミック等の絶縁材料であり、それ自体の物性により絶縁表面を有している。また、第1基板102及び第2基板104は、前述のような絶縁材料の他に金属等の導電性材料で形成され、その表面に絶縁膜が形成されることによって絶縁表面が形成されていてもよい。 The first substrate 102 and the second substrate 104 are flat plates, and the material is an insulating material such as glass, plastic, or ceramic, and has an insulating surface due to its own physical characteristics. Further, the first substrate 102 and the second substrate 104 are formed of a conductive material such as metal in addition to the above-mentioned insulating material, and an insulating surface is formed by forming an insulating film on the surface thereof. May be good.

マイクロストリップ線路106及び接地導体層108は、アルミニウム、銅等の導電膜によって形成されている。このような導電膜は、第1基板102及び第2基板104の表面に真空蒸着法、スパッタリング法によって作製される。マイクロストリップ線路106及び接地導体層108は、このような導電膜をエッチングによって加工することで作製される。また、また、マイクロストリップ線路106及び接地導体層108は、前述のような成膜された導電膜に代えて、第1基板102及び第2基板104の表面に張り合わされた金属箔から形成されていてもよい。 The microstrip line 106 and the ground conductor layer 108 are formed of a conductive film such as aluminum or copper. Such a conductive film is produced on the surfaces of the first substrate 102 and the second substrate 104 by a vacuum vapor deposition method or a sputtering method. The microstrip line 106 and the ground conductor layer 108 are produced by processing such a conductive film by etching. Further, the microstrip line 106 and the ground conductor layer 108 are formed of metal foils bonded to the surfaces of the first substrate 102 and the second substrate 104 instead of the film-formed conductive film as described above. You may.

図1(B)は、第1基板102の平面図を示す。マイクロストリップ線路106は細線状の導体パターンであり、第1基板102の絶縁表面に形成されている。マイクロストリップ線路106は高周波信号が印加され、かつ液晶層の配向を制御するための直流バイアスが印加される線路である。マイクロストリップ線路106は、図示されるように直線状の線路パターンで形成される。また、マイクロストリップ線路106は、図示されないが、メアンダ状に屈曲したパターンで形成されてもよい。 FIG. 1B shows a plan view of the first substrate 102. The microstrip line 106 is a fine wire-shaped conductor pattern and is formed on the insulating surface of the first substrate 102. The microstrip line 106 is a line to which a high frequency signal is applied and a DC bias for controlling the orientation of the liquid crystal layer is applied. The microstrip line 106 is formed with a linear line pattern as shown. Further, although not shown, the microstrip line 106 may be formed in a meander-like bent pattern.

図1(C)は、第2基板104の平面図を示す。接地導体層108は、第2基板104の絶縁表面に設けられている。接地導体層108はスリット110が設けられている。前述のように、スリット110は接地導体層108の一部が除去された領域であり、第2基板104の絶縁表面が露出している。スリット110は、第1基板102と第2基板104とを対向配置したとき、マイクロストリップ線路106と重なるように形成される。マイクロストリップ線路106が直線状の線路パターンを有しているとき、スリット110も同様の直線状のパターンで形成される。また、マイクロストリップ線路106がメアンダ状のパターンで形成されるとき、スリット110もメアンダ状のパターンに形成される。接地導体層108は、定常的に一定の電位が与えられる導電層であり、例えば接地電位に固定されている。 FIG. 1C shows a plan view of the second substrate 104. The ground conductor layer 108 is provided on the insulating surface of the second substrate 104. The ground conductor layer 108 is provided with a slit 110. As described above, the slit 110 is a region from which a part of the ground conductor layer 108 has been removed, and the insulating surface of the second substrate 104 is exposed. The slit 110 is formed so as to overlap the microstrip line 106 when the first substrate 102 and the second substrate 104 are arranged so as to face each other. When the microstrip line 106 has a linear line pattern, the slit 110 is also formed with a similar linear pattern. Further, when the microstrip line 106 is formed in a meander-like pattern, the slit 110 is also formed in a meander-like pattern. The grounding conductor layer 108 is a conductive layer to which a constant potential is constantly applied, and is fixed to, for example, the grounding potential.

図2は、図1(A)に示すA1−A2線に沿った断面構造を示す。マイクロストリップ線路106が第1基板102に設けられ、接地導体層108が第2基板104に設けられている。接地導体層108にはスリット110が設けられている。スリット110は、マイクロストリップ線路106と重なる位置に配置されている。接地導体層108は、少なくとも一部がマイクロストリップ線路106と重なるように配置されている。スリット110によって分割された接地導体層を、第1接地導体層108a及び第2接地導体層108bとして区別する場合、図2は、第1接地導体層108aと第2接地導体層108bの2つの領域の端部が、マイクロストリップ線路106と重なるように配置された構造を示している。 FIG. 2 shows a cross-sectional structure along the lines A1-A2 shown in FIG. 1 (A). The microstrip line 106 is provided on the first substrate 102, and the ground conductor layer 108 is provided on the second substrate 104. The ground conductor layer 108 is provided with a slit 110. The slit 110 is arranged at a position overlapping the microstrip line 106. The ground conductor layer 108 is arranged so that at least a part thereof overlaps with the microstrip line 106. When the grounding conductor layer divided by the slit 110 is distinguished as the first grounding conductor layer 108a and the second grounding conductor layer 108b, FIG. 2 shows two regions of the first grounding conductor layer 108a and the second grounding conductor layer 108b. Shows a structure in which the ends of the are arranged so as to overlap the microstrip line 106.

移相器100は、マイクロストリップ線路106に印加されたバイアス電圧により液晶層112の配向状態を制御することにより誘電率を変化させ、マイクロストリップ線路106を伝搬する高周波信号の位相をシフトさせる機能を有している。したがって、スリット110が設けられた接地導体層108は、少なくとも一部がマイクロストリップ線路106と重なるように設けられる。図2は、マイクロストリップ線路106の幅Wに対し、スリット110の幅Dが狭い場合を示しており(W>D)、第1接地導体層108a及び第2接地導体層108bの双方の端部がマイクロストリップ線路106と重なる構造を示す。 The phase shifter 100 has a function of changing the dielectric constant by controlling the orientation state of the liquid crystal layer 112 by the bias voltage applied to the microstrip line 106 and shifting the phase of the high frequency signal propagating in the microstrip line 106. Have. Therefore, the ground conductor layer 108 provided with the slit 110 is provided so that at least a part thereof overlaps with the microstrip line 106. FIG. 2 shows a case where the width D of the slit 110 is narrower than the width W of the microstrip line 106 (W> D), and both ends of the first ground conductor layer 108a and the second ground conductor layer 108b. Shows a structure that overlaps with the microstrip line 106.

図3(A)及び(B)は、マイクロストリップ線路106とスリット110の配置が図2に示す構造と異なる態様を示す。図3(A)は、マイクロストリップ線路106の幅Wとスリット110の幅Dが図2に示すものと同じであるが、スリット110の位置がマイクロストリップ線路106の中心から横方向にずれて配置された態様を示す。図3(A)は、第1接地導体層108aがマイクロストリップ線路106と重ならず(端部が略一致しており)、第2接地導体層108bがマイクロストリップ線路106と重なる配置を示す。この場合、マイクロストリップ線路106の幅Wとスリット110の幅Dは図2に示す場合と同じであるので、マイクロストリップ線路106と接地導体層108とが重なる面積が同じとなる。 3A and 3B show aspects in which the arrangement of the microstrip line 106 and the slit 110 is different from the structure shown in FIG. In FIG. 3A, the width W of the microstrip line 106 and the width D of the slit 110 are the same as those shown in FIG. 2, but the positions of the slits 110 are arranged laterally offset from the center of the microstrip line 106. The aspect is shown. FIG. 3A shows an arrangement in which the first ground conductor layer 108a does not overlap the microstrip line 106 (the ends substantially coincide with each other), and the second ground conductor layer 108b overlaps the microstrip line 106. In this case, since the width W of the microstrip line 106 and the width D of the slit 110 are the same as those shown in FIG. 2, the area where the microstrip line 106 and the ground conductor layer 108 overlap is the same.

図3(B)は、マイクロストリップ線路106の幅Wに対してスリット110の幅Dwが同じか大きい場合を示す(W≦Dw)。図3(B)は、すなわち、第1接地導体層108aがマイクロストリップ線路106と重ならず(端部が外側に配置されており)、第2接地導体層108bがマイクロストリップ線路106と重なる配置を示す。別言すれば、図3(B)は、第1接地導体層108aがマイクロストリップ線路106と重ならない位置に配置され、第2接地導体層108bの端部がマイクロストリップ線路106と重なる位置に配置された構造を示す。スリット110の幅は、マイクロストリップ線路106の幅と同じか、それより大きくすることもできる。このような場合においても、接地導体層108は、少なくとも一部がマイクロストリップ線路106と重なるように設けられる。すなわち、スリット110の長手方向の端部を形成する一辺が、マイクロストリップ線路106の長手方向の全体に亘って重なっている。 FIG. 3B shows a case where the width D w of the slit 110 is the same as or larger than the width W of the microstrip line 106 (W ≦ D w ). FIG. 3B shows that the first ground conductor layer 108a does not overlap the microstrip line 106 (the end is arranged outside) and the second ground conductor layer 108b overlaps the microstrip line 106. Is shown. In other words, in FIG. 3B, the first ground conductor layer 108a is arranged at a position where it does not overlap with the microstrip line 106, and the end portion of the second ground conductor layer 108b is arranged at a position where it overlaps with the microstrip line 106. Shows the structure. The width of the slit 110 may be equal to or greater than the width of the microstrip line 106. Even in such a case, the ground conductor layer 108 is provided so that at least a part thereof overlaps with the microstrip line 106. That is, one side forming the longitudinal end of the slit 110 overlaps the entire microstrip line 106 in the longitudinal direction.

なお、移相器100において、マイクロストリップ線路106には液晶層112の配向状態を制御する制御信号が印加される。制御信号は、直流信号又は一定時間経過するごとに極性が反転する極性反転信号であることが好ましい。マイクロストリップ線路106に制御信号が印加されることで、液晶層112は液晶分子の配向が変化する。液晶分子は極性分子の一種であるので、液晶層112の誘電率は液晶分子の配向状態に依存して変化する。液晶層112の誘電率は、制御信号の大きさによっても調節することができる。すなわち、移相器100は、マイクロストリップ線路106に印加する制御信号によって誘電率を変化させることができる。なお、液晶層112において、主として液晶分子の配向が変化するのはマイクロストリップ線路106と接地導体層108とが対向する領域であり、スリット110の部分では回り込み電界の影響を除き液晶の配向は変化しない。 In the phase shifter 100, a control signal for controlling the orientation state of the liquid crystal layer 112 is applied to the microstrip line 106. The control signal is preferably a DC signal or a polarity inversion signal whose polarity is inverted every time a certain period of time elapses. When a control signal is applied to the microstrip line 106, the orientation of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 112 changes. Since the liquid crystal molecule is a kind of polar molecule, the permittivity of the liquid crystal layer 112 changes depending on the orientation state of the liquid crystal molecule. The dielectric constant of the liquid crystal layer 112 can also be adjusted by the magnitude of the control signal. That is, the phase shifter 100 can change the dielectric constant by the control signal applied to the microstrip line 106. In the liquid crystal layer 112, the orientation of the liquid crystal molecules mainly changes in the region where the microstrip line 106 and the ground conductor layer 108 face each other, and the orientation of the liquid crystal changes in the slit 110 portion except for the influence of the wraparound electric field. do not.

液晶層112は、液晶材料で形成される。液晶材料としては、ネマチック液晶、スメクチック液晶、コレステリック液晶、ディスコレステリック液晶、強誘電性液晶(例えば、キラルスメチック液晶)等が用いられる。液晶層112は、配向状態が変化することで誘電率が変化する。液晶層112の配向状態は、直流電圧によって制御することができる。一方、液晶層112は、液晶分子がマイクロストリップ線路106を導波する高周波信号による交流電場には追従することができないため、配向状態が変化しない。移相器100は、このような特性を利用して、マイクロストリップ線路106を伝搬する高周波信号の位相を制御する機能を有している。 The liquid crystal layer 112 is made of a liquid crystal material. As the liquid crystal material, a nematic liquid crystal, a smectic liquid crystal, a cholesteric liquid crystal, a discolesteric liquid crystal, a ferroelectric liquid crystal (for example, a chiral smetic liquid crystal) or the like is used. The dielectric constant of the liquid crystal layer 112 changes as the orientation state changes. The orientation state of the liquid crystal layer 112 can be controlled by a DC voltage. On the other hand, the liquid crystal layer 112 cannot follow the AC electric field generated by the high-frequency signal in which the liquid crystal molecules navigate the microstrip line 106, so that the orientation state does not change. The phase shifter 100 has a function of controlling the phase of the high frequency signal propagating on the microstrip line 106 by utilizing such characteristics.

なお、図2、図3(A)及び(B)には示されないが、第1基板102及び第2基板104には、液晶層112における液晶分子の配向状態を制御する配向膜が設けられていてもよい。また、図示されないが、第1基板102と第2基板104との間には液晶層112を囲むようにシール材が設けられていてもよい。さらに、第1基板102と第2基板104との間には、間隔を一定に保つためのスペーサが適宜設けられていてもよい。 Although not shown in FIGS. 2 and 3 (A) and 3 (B), the first substrate 102 and the second substrate 104 are provided with an alignment film for controlling the orientation state of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 112. You may. Further, although not shown, a sealing material may be provided between the first substrate 102 and the second substrate 104 so as to surround the liquid crystal layer 112. Further, a spacer for keeping the distance constant may be appropriately provided between the first substrate 102 and the second substrate 104.

本実施形態において、移相器100は、マイクロストリップ線路106の損失を低減するために線路幅を広くする場合であっても、接地導体層108にスリット110を設けることで、液晶層112の厚さを変えることなく特性インピーダンスを一定に保ち、反射損失の増加を防止することができる。 In the present embodiment, the phase shifter 100 is provided with a slit 110 in the ground conductor layer 108 to increase the thickness of the liquid crystal layer 112 even when the line width is widened in order to reduce the loss of the microstrip line 106. The characteristic impedance can be kept constant without changing the slit, and an increase in reflection loss can be prevented.

移相器100の特性インピーダンスZ0は、(L/C)1/2に比例する(なお、Lは直列インダクタンス、Cは並列容量である)。図4(A)は、マイクロストリップ線路106の線幅W1、液晶層112の厚さT1を有する移相器300を示す。この構造では、接地導体層108がマイクロストリップ線路106と幅Z1で重なっている(Z1=W1)。この構造に対し、図4(B)は、マイクロストリップ線路106の損失を低減するために線幅を2倍とした移相器302を示す。この構造では、接地導体層108がマイクロストリップ線路106と幅Z2で重なることとなる(Z2=W2=W1×2)。この場合、マイクロストリップ線路106の線幅W2に対し、特性インピーダンスZ0を一定にするためには、液晶層112の厚さを大きくして容量Cを低減させる必要がある。具体的には、液晶層112の厚さT2はT1の2倍にする必要がある(T2=T1×2)。しかし、液晶層112の厚さを増加させると、液晶の応答速度が低下することが問題となる。 The characteristic impedance Z 0 of the phase shifter 100 is proportional to (L / C) 1/2 (Note that L is a series inductance and C is a parallel capacitance). FIG. 4A shows a phase shifter 300 having a line width W1 of the microstrip line 106 and a thickness T1 of the liquid crystal layer 112. In this structure, the ground conductor layer 108 overlaps the microstrip line 106 with a width Z1 (Z1 = W1). For this structure, FIG. 4B shows a phase shifter 302 in which the line width is doubled in order to reduce the loss of the microstrip line 106. In this structure, the ground conductor layer 108 overlaps the microstrip line 106 with a width Z2 (Z2 = W2 = W1 × 2). In this case, in order to make the characteristic impedance Z 0 constant with respect to the line width W2 of the microstrip line 106, it is necessary to increase the thickness of the liquid crystal layer 112 and reduce the capacitance C. Specifically, the thickness T2 of the liquid crystal layer 112 needs to be twice that of T1 (T2 = T1 × 2). However, if the thickness of the liquid crystal layer 112 is increased, there is a problem that the response speed of the liquid crystal is lowered.

これに対し、図4(C)に示す移相器100は、接地導体層108にスリット110が設けられた構造を有する。マイクロストリップ線路106に線幅が図4(B)と同様にW2であるのに対し、スリット110の幅D1が線幅W2の半分の大きさで設けられている(D1=W2×0.5)。これにより、マイクロストリップ線路106に対し、第1接地導体層108aが重なる幅Z11と、第2接地導体層108bが重なる幅Z12の合計は、図4(A)に示す場合と同じZ1となる(Z1=Z11+Z12)。そうすると、液晶層112の厚さをT1に保ったままで、特性インピーダンスを一定に保つことができる。すなわち、接地導体層108にスリット110を設けることで、液晶層112の厚さを増加させる必要がなく、液晶の応答速度を低下させることなく特性インピーダンスを一定に保つことが可能となる。 On the other hand, the phase shifter 100 shown in FIG. 4C has a structure in which the ground conductor layer 108 is provided with the slit 110. While the line width of the microstrip line 106 is W2 as in FIG. 4B, the width D1 of the slit 110 is provided to be half the size of the line width W2 (D1 = W2 × 0.5). ). As a result, the total width Z11 on which the first ground conductor layer 108a overlaps and the width Z12 on which the second ground conductor layer 108b overlaps with respect to the microstrip line 106 is the same Z1 as in the case shown in FIG. 4 (A). Z1 = Z11 + Z12). Then, the characteristic impedance can be kept constant while keeping the thickness of the liquid crystal layer 112 at T1. That is, by providing the slit 110 in the ground conductor layer 108, it is not necessary to increase the thickness of the liquid crystal layer 112, and it is possible to keep the characteristic impedance constant without lowering the response speed of the liquid crystal.

表1は、図4(C)に示す移相器100(実施例)と、図4(A)に示す位相器300(比較例1)、及び図4(B)に示す移相器302(比較例2)の応答速度を計算機によりシミュレーションした結果を示す。シミュレーションでは、マイクロストリップ線路の線幅をそれぞれ、1500μm(実施例)、150μm(比較例1)、1500μm(比較例2)とし、接地導体層のスリットの有無について応答速度の評価を行った。この場合、実施例ではスリットの幅を1375μnとし、液晶層の厚さを50μmとした。また比較例では液晶層の厚さを50μm(比較例1)、500μm(比較例2)とした。
表1 スリットの有無による液晶の応答速度の評価

Figure 2021101511
Table 1 shows the phase shifter 100 (Example) shown in FIG. 4 (C), the phase shifter 300 (Comparative Example 1) shown in FIG. 4 (A), and the phase shifter 302 shown in FIG. 4 (B). The result of computer simulation of the response speed of Comparative Example 2) is shown. In the simulation, the line widths of the microstrip lines were set to 1500 μm (Example), 150 μm (Comparative Example 1), and 1500 μm (Comparative Example 2), respectively, and the response speed was evaluated with respect to the presence or absence of slits in the ground conductor layer. In this case, in the example, the width of the slit was set to 1375 μn, and the thickness of the liquid crystal layer was set to 50 μm. In the comparative example, the thickness of the liquid crystal layer was set to 50 μm (Comparative Example 1) and 500 μm (Comparative Example 2).
Table 1 Evaluation of liquid crystal response speed with and without slits
Figure 2021101511

表1に示すように、比較例1と比較例2との結果の通り、マイクロストリップ線路の線幅を広げると共に、特性インピーダンスを揃えるために液晶層の厚さを増やしたことによって、応答速度は著しく低下するが、実施例においては接地導体層にスリットを設けることで、マイクロストリップ線路の幅を広げた場合でも、液晶層の厚さを増やすことなく特性インピーダンスの整合が取れるため、応答速度の低下を抑えることが可能となっている。 As shown in Table 1, as shown in the results of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the response speed was increased by widening the line width of the microstrip line and increasing the thickness of the liquid crystal layer in order to make the characteristic impedance uniform. Although it is significantly reduced, in the embodiment, by providing a slit in the ground conductor layer, even when the width of the microstrip line is widened, the characteristic impedance can be matched without increasing the thickness of the liquid crystal layer, so that the response speed can be increased. It is possible to suppress the decrease.

図5及び図6は、本実施形態に係る移相器100が用いられたフェーズドアレイアンテナ装置200の一構成例を示す。図5は、フェーズドアレイアンテナ装置200の平面図を示し、図6は、図5においてB1−B2線に対応する断面構造を示す。以下においては、図5及び図6を参照して説明する。 5 and 6 show a configuration example of the phased array antenna device 200 in which the phase shifter 100 according to the present embodiment is used. FIG. 5 shows a plan view of the phased array antenna device 200, and FIG. 6 shows a cross-sectional structure corresponding to the B1-B2 line in FIG. In the following, it will be described with reference to FIGS. 5 and 6.

フェーズドアレイアンテナ装置200は、移相器100とアンテナ素子114を含む。アンテナ素子114は、直線状、円弧状、面状に複数個が配列されてアンテナ素子アレイを形成する。移相器100は複数のアンテナ素子114のそれぞれに対応して設けられる。また、フェーズドアレイアンテナ装置200は、図示されない位相制御回路を有している。位相制御回路は移相器100の位相を制御する信号を出力する機能を有している。 The phased array antenna device 200 includes a phase shifter 100 and an antenna element 114. A plurality of antenna elements 114 are arranged in a straight line, an arc shape, or a plane shape to form an antenna element array. The phase shifter 100 is provided corresponding to each of the plurality of antenna elements 114. Further, the phased array antenna device 200 has a phase control circuit (not shown). The phase control circuit has a function of outputting a signal for controlling the phase of the phase shifter 100.

なお、図5及び図6は、フェーズドアレイアンテナ装置200が送信用である場合を示す。フェーズドアレイアンテナ装置200は、マイクロストリップ線路106のそれぞれと接続される端子部116を有している。各端子部116は、分配器118と接続されている。分配器118は発振器120と接続されている。発振器120から出力された高周波信号は、分配器118によってそれぞれの移相器100に分配される。 Note that FIGS. 5 and 6 show a case where the phased array antenna device 200 is for transmission. The phased array antenna device 200 has a terminal portion 116 connected to each of the microstrip lines 106. Each terminal 116 is connected to the distributor 118. The distributor 118 is connected to the oscillator 120. The high frequency signal output from the oscillator 120 is distributed to the respective phase shifters 100 by the distributor 118.

複数のアンテナ素子114のそれぞれから放射される電磁波はコヒーレント性を有している。そのため、複数のアンテナ素子114のそれぞれから放射される電磁波によって、位相が揃った波面が形成される。アンテナ素子114から放射される電磁波の位相は移相器100によって調整される。移相器100は、図示されない位相制御回路によって、電磁波として放射される高周波信号の位相が制御される。移相器100はマイクロストリップ線路106での損失を低減するため線幅が広げられているものの、接地導体層108にスリット110が設けられていることにより、液晶の応答速度の低下が防止されている。そのため、フェーズドアレイアンテナ装置200は、移相器100での損失を低減しつつ、波面の揃った電磁波を出力することができる。なお、フェーズドアレイアンテナ装置200を受信用に使用する場合も同様の効果を得ることができる。 The electromagnetic waves radiated from each of the plurality of antenna elements 114 have coherent properties. Therefore, electromagnetic waves radiated from each of the plurality of antenna elements 114 form a wavefront having a uniform phase. The phase of the electromagnetic wave radiated from the antenna element 114 is adjusted by the phase shifter 100. In the phase shifter 100, the phase of a high frequency signal radiated as an electromagnetic wave is controlled by a phase control circuit (not shown). Although the line width of the phase shifter 100 is widened in order to reduce the loss on the microstrip line 106, the slit 110 is provided in the ground conductor layer 108, so that the response speed of the liquid crystal is prevented from being lowered. There is. Therefore, the phased array antenna device 200 can output an electromagnetic wave having a uniform wave surface while reducing the loss in the phase shifter 100. The same effect can be obtained when the phased array antenna device 200 is used for reception.

100・・・移相器、102・・・第1基板、104・・・第2基板、106・・・マイクロストリップ線路、108・・・接地導体層、110・・・スリット、112・・・液晶層、114・・・アンテナ素子、116・・・端子部、118・・・分配器、120・・・発振器、200・・・フェーズドアレイアンテナ装置 100 ... phase shifter, 102 ... first substrate, 104 ... second substrate, 106 ... microstrip line, 108 ... ground conductor layer, 110 ... slit, 112 ... Liquid crystal layer, 114 ... antenna element, 116 ... terminal, 118 ... distributor, 120 ... oscillator, 200 ... phased array antenna device

Claims (7)

マイクロストリップ線路と、
前記マイクロストリップ線路に対向し、スリットが設けられた接地導体層と、
前記マイクロストリップ線路と前記接地導体層との間の液晶層と、
を有し、
前記スリットは、一部又は全体が前記マイクロストリップ線路と重なるように配置されている
ことを特徴とする移相器。
With microstrip tracks
A ground conductor layer facing the microstrip line and provided with a slit,
A liquid crystal layer between the microstrip line and the ground conductor layer,
Have,
The slit is a phase shifter characterized in that a part or the whole is arranged so as to overlap the microstrip line.
前記スリットは、少なくとも前記マイクロストリップ線路の一端から他端まで連続する長さを有している
請求項1に記載の移相器。
The phase shifter according to claim 1, wherein the slit has a length continuous from at least one end to the other end of the microstrip line.
前記スリットの幅は、前記マイクロストリップ線路の幅より狭い
請求項2に記載の移相器。
The phase shifter according to claim 2, wherein the width of the slit is narrower than the width of the microstrip line.
前記接地導体層は、前記スリットの長手方向の端部を形成する第1の辺と、前記第1の辺に対向する第2辺とが、前記マイクロストリップ線路と重畳する
請求項3に記載の移相器。
The third aspect of claim 3, wherein the ground conductor layer has a first side forming an end portion in the longitudinal direction of the slit and a second side facing the first side superimposing on the microstrip line. Phase shifter.
前記スリットの幅は、前記マイクロストリップ線路の幅より広い
請求項2に記載の移相器。
The phase shifter according to claim 2, wherein the width of the slit is wider than the width of the microstrip line.
前記接地導体層は、前記スリットの長手方向の端部を形成する一辺が、前記マイクロストリップ線路の長手方向の全体に亘って重なる
請求項5に記載の移相器。
The phase shifter according to claim 5, wherein the ground conductor layer has one side forming an end portion in the longitudinal direction of the slit overlapping over the entire longitudinal direction of the microstrip line.
請求項1乃至6のいずれか一項に記載の移相器を有するフェーズドアレイアンテナ装置。 A phased array antenna device having the phase shifter according to any one of claims 1 to 6.
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