JP2021101531A - 移相器及びフェーズドアレイアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶を用いた移相器において、挿入損失の周波数依存を低減し、リップルの発生を防ぐことを目的の一つとする。【解決手段】移相器は、絶縁表面に設けられたマイクロストリップ線路と、マイクロストリップ線路と電気的に接続される給電導体部と、マイクロストリップ線路及び給電導体部を挟む第１接地導体部と、マイクロストリップ線路に対向する第２接地導体部と、マイクロストリップ線路と第２接地導体部との間の液晶層と、給電導体部と第１接地導体部との間の第１スリットと、第１スリットから連続し、マイクロストリップ線路と第１接地導体部との間の第２スリットとを有する。【選択図】図１

Description

本発明の一実施形態は、液晶材料が用いられた移相器に関する。また、本発明の一実施形態は、液晶材料が用いられ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。

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。

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）。

特開平１１−１０３２０１号公報

液晶を用いた移相器において、マイクロストリップ線路と同軸ケーブルとを接続するための構造としてコプレーナ線路（Coplanar Waveguide）を設ける構造が知られている。しかし、この接続構造は、挿入損失の周波数依存が大きく、リップルが生じるという課題がある。

本発明の一実施形態に係る移相器は、絶縁表面に設けられたマイクロストリップ線路と、マイクロストリップ線路と電気的に接続される給電導体部と、マイクロストリップ線路及び給電導体部を挟む第１接地導体部と、マイクロストリップ線路に対向する第２接地導体部と、マイクロストリップ線路と第２接地導体部との間の液晶層と、給電導体部と第１接地導体部との間の第１スリットと、第１スリットから連続し、マイクロストリップ線路と第１接地導体部との間の第２スリットとを有する。

本発明の一実施形態に係る移相器は、給電導体部と、給電導体部をスリットを介して挟む第１接地導体部と、給電導体部と接続されるマイクロストリップ線路と、マイクロストリップ線路と液晶層を介して対向する第２接地導体部と、を有し、第１接地導体部が、マイクロストリップ線路の両側に延長されている。

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基板が重ね合わされた状態の平面図、（Ｂ）は第１基板の平面図、（Ｃ）は第２基板の平面図を示す。 本発明の一実施形態に係る移相器の図１に対応する構造を示し、（Ａ）はＡ１−Ａ２線に対応する断面図、（Ｂ）はＢ１−Ｂ２線に対応する断面図、（Ｃ）はＣ１−Ｃ２線に対応する断面図、（Ｄ）はＤ１−Ｄ２線に対応する断面図を示す。 本実施形態に係る移相器と、比較例に係る移相器の透過特性の周波数依存性をシミュレーションした結果を示す。 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。 比較例に係る移相器の構成を示し、（Ａ）は第１基板と第２基板が重ね合わされた状態の平面図、（Ｂ）は第１基板の平面図、（Ｃ）は第２基板の平面図を示す。

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。

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。

図１（Ａ）に、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、絶縁表面上に給電導体部１０６（第１給電導体部１０６ａ、第２給電導体部１０６ｂ）、マイクロストリップ線路１０８、及び第１接地導体部１１０が設けられた第１基板１０２と、第２接地導体部１１６が設けられた第２基板１０４が対向配置された構造を有している。図１（Ａ）は、平面視で第１基板１０２の背面側に第２基板１０４が配置された構造を示す。第２基板１０４は、マイクロストリップ線路１０８と重なる領域に配置されている。移相器１００は、マイクロストリップ線路１０８の一方の端に第１給電導体部１０６ａが配置され、他方の端に第２給電導体部１０６ｂが配置されている。第１給電導体部１０６ａ及び第２給電導体部１０６ｂは、平面視で第２基板１０４と重ならない領域に配置されている。第１給電導体部１０６ａと第２給電導体部１０６ｂとは略同一の形状を有している。

図１（Ｂ）に、第１基板１０２の平面図を示す。第１基板１０２は平板状の基体であり、絶縁表面を有している。第１給電導体部１０６ａ、第２給電導体部１０６ｂ、及びマイクロストリップ線路１０８は、この絶縁表面上に設けられている。この絶縁表面上には、また、第１給電導体部１０６ａ、第２給電導体部１０６ｂ、及びマイクロストリップ線路１０８を挟むように第１接地導体部１１０が設けられている。別言すれば、第１基板１０２は、その絶縁表面上に第１給電導体部１０６ａ及び第２給電導体部１０６ｂの両側を挟むように第１接地導体部１１０が配置され、この第１接地導体部１１０は、マイクロストリップ線路１０８が設けられる領域に延長された構造を有する。

第１給電導体部１０６ａは、高周波信号を伝送する信号線（例えば同軸ケーブル）と接続される。そのため、第１給電導体部１０６ａは、マイクロストリップ線路１０８に対し幅広の形状を有している。マイクロストリップ線路１０８は、第１給電導体部１０６ａの一端の略中央部から連続するように形成され、第２給電導体部１０６ｂに繋がっている。

第１給電導体部１０６ａ、第２給電導体部１０６ｂ、及びマイクロストリップ線路１０８と、第１接地導体部１１０とは、少なくとも直流的には絶縁されるように間隙をもって配置されている。具体的には、第１給電導体部１０６ａと第1接地導体部１１０との間に第１スリット１１２が設けられ、マイクロストリップ線路１０８と第１接地導体部１１０との間に第２スリット１１４が設けられている。第２スリット１１４は、第１スリット１１２から連続するように設けられているが、第１スリット１１２と第２スリット１１４の幅は異なっている。第１スリット１１２の幅（第１給電導体部１０６ａと第１接地導体部１１０との間隔であり、第２給電導体部１０６ｂについても同様である。）に対し、第２スリット１１４の幅（マイクロストリップ線路１０８と第１接地導体部１１０との間隔）が大きくなるように設けられている。

このような構造は、第１基板１０２の表面に少なくとも１層の導電膜を形成し、エッチングにより導電膜をパターニングすることで作製することができる。第１基板１０２は、ガラス、セラミック等の絶縁材料で形成され、それ自体の物性により絶縁表面が形成されていてもよいし、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。導電膜は、アルミニウム、銅等の金属膜であり、真空蒸着、スパッタリングによって作製することができる。また、導電膜に代えて金属箔が用いられてもよい。

第１給電導体部１０６ａ、第１スリット１１２、及び第１接地導体部１１０は、高周波信号を伝搬する回路の中で入力インピーダンスが整合するように形成される。例えば、第１給電導体部１０６ａが同軸ケーブル（５０Ω）と接続される場合、入力インピーダンスが５０Ωとなるように形成される。第１給電導体部１０６ａは、１ｍｍから５ｍｍ、例えば、１．３ｍｍの幅で形成することができ、第１スリット１１２は、０．１ｍｍから０．５ｍｍ、例えば、０．１６ｍｍの幅で形成することができる。これは、第２給電導体部１０６ｂの形成についても同様である。

図１（Ｃ）に、第２基板１０４の平面図を示す。第２基板１０４は平板状の基体であり、絶縁表面を有している。第２基板１０４の一主面には、略全面に第２接地導体部１１６が設けられている。第２接地導体部１１６もまた、導電膜によって形成されている。

移相器１００は、第１基板１０２のマイクロストリップ線路１０８及び第１接地導体部１１０が設けられた面と、第２基板１０４の第２接地導体部１１６が設けられた面とが間隙を持って対向配置された構造を有する。図１（Ａ）に示すように、第１接地導体部１１０と第２接地導体部１１６とは、導電スペーサ１１８によって電気的に接続されている。導電スペーサ１１８は、例えば、金属材料で形成されることで、それ自体が導電性を有していてもよいし、媒質中に導電材料でなるマイクロビーズ等が分散され、塗布後の押圧により導通を取るものであってもよいし、あるいはプラスチック等の絶縁材料で形成された本体の表面に導電膜が形成されることで導電性を有していてもよい。導電スペーサは、柱状の構造体であってもよいし、ビーズのような球状体であってもよい。

また、図１（Ａ）に示すように、第１基板１０２と第２基板１０４とを対向配置して固定するために、シール材１２０が設けられていてもよい。シール材１２０は、第２基板１０４の外周に沿って設けられている。なお、図１（Ａ）には示されないが、第１基板１０２と第２基板１０４との間には液晶層１２２が設けられており、シール材１２０は液晶層１２２を囲むように設けられる。

図１（Ａ）において、Ａ１−Ａ２線に沿った断面構造を図２（Ａ）に示し、Ｂ１−Ｂ２線に沿った断面構造を図２（Ｂ）に示し、Ｃ１−Ｃ２線に沿った断面構造を図２（Ｃ）に示し、Ｄ１−Ｄ２線に沿った断面構造を図２（Ｄ）に示す。

図２（Ａ）に示すように、移相器１００は、第１基板１０２と第２基板１０４とが間隙を持って対向して配置された構造を有し、マイクロストリップ線路１０８と第２接地導体部１１６との間に液晶層１２２が設けられている。液晶層１２２は、シール材１２０によって封止された空間を充填するように設けられている。

液晶層１２２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１２２は、配向状態が変化することで誘電率が変化する。液晶層１２２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１２２は、液晶分子がマイクロストリップ線路１０８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１０８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。

なお、図２（Ａ）には示されないが、マイクロストリップ線路１０８及び第２接地導体部１１６と、液晶層１２２との間には、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。

図２（Ｂ）に示すように、第１給電導体部１０６ａは、平面視で第２基板１０４と重ならない領域に設けられる。第１給電導体部１０６ａは、マイクロストリップ線路１０８が設けられる側の面と同じ面（第２基板１０４に対向する側の面）に設けられる。第１給電導体部１０６ａの両側には、第１スリット１１２を挟んで第１接地導体部１１０が設けられている。第１スリット１１２は、第１給電導体部１０６ａ及び第１接地導体部１１０が除去された領域であり、これによって、第１給電導体部１０６ａと第１接地導体部１１０とは直流的には分離されている。なお、図示されないが、第２給電導体部１０６ｂも同様の構造を有している。

移相器１００が同軸ケーブルと接続されるとき、第１給電導体部１０６ａは、同軸ケーブルの内部導体（芯線）と接続され、第１接地導体部１１０は外部導体（シールド線）と接続される。

図２（Ｃ）に示すように、マイクロストリップ線路１０８及び第１接地導体部１１０と第２接地導体部１１６とは対向するように配置され、その間に液晶層１２２が設けられている。第１基板１０２及び第２基板１０４の端部に沿ってシール材１２０が設けられ、その内側に液晶層１２２が設けられている。液晶層１２２は、第１基板１０２と第２基板１０４とが対向する面の略全面に設けられている。なお、図示されないが、第１基板１０２と第２基板１０４との間には、間隔（液晶層１２２を封入するセルのセルギャップであり、液晶層１２２の厚さということもできる）を一定に保つようにスペーサが設けられていてもよい。

マイクロストリップ線路１０８を挟むように第１接地導体部１１０が設けられる。マイクロストリップ線路１０８と第１接地導体部１１０との間には第２スリットを有している。第２スリットは、第２１スリットに対して幅広に設けられている。第２スリットの幅は、前述のセルギャップ（液晶層１２２の厚さ）の２〜３倍の大きさで形成することができる。

図２（Ｄ）に示すように、第１接地導体部１１０と第２接地導体部１１６は導電スペーサ１１８によって電気的に接続される。導電スペーサ１１８の配置は任意であり、例えば、シール材１２０に隣接して、又はシール材１２０の近傍に設けられる。また、配置される導電スペーサ１１８の数は任意であり、第１接地導体部１１０と第２接地導体部１１６とが対向する領域に適宜配置される。前述した第１基板１０２と第２基板１０４との間隙を一定に保つスペーサとしての役目を、この導電スペーサ１１８が兼ねても良い。

導電スペーサ１１８により、第１接地導体部１１０と第２接地導体部１１６とは同電位になる。移相器１００は、マイクロストリップ線路１０８に高周波信号に加え、液晶の配向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１０８に制御信号が印加されることで、液晶層１２２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１２２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１２２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１０８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１２２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１０８と第２接地導体部１１６とが対向する領域においてであり、第１接地導体部１１０と第２接地導体部１１６とが対向する領域においては、液晶層１２２の液晶分子の配向は変化しない状態を保持する。

次に、本実施形態に係る移相器１００と、比較例に係る移相器９００の周波数特性を比較した結果を示す。なお、比較例に係る移相器９００の構成を図５（Ａ）〜（Ｃ）に示す。図５（Ａ）は、第１基板１０２及び第２基板１０４が重なった状態の平面図を示し、図５（Ｂ）は、第１基板１０２の平面図を示し、図５（Ｃ）は第２基板１０４の平面図を示す。比較例に係る移相器９００は、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、マイクロストリップ線路１０８を挟む領域に第１接地導体部１１０が設けられていない構造を有している。

図３に、本実施形態に係る移相器１００と、比較例に係る移相器９００の透過特性の周波数依存性をシミュレーションした結果を示す。計算パラメータとして、本実施例に係る移相器１００は、第１給電導体部１０６ａの幅を１．３ｍｍ、厚さを２．５μｍ、第１スリット１１２の幅を０．１６ｍｍ、マイクロストリップ線路１０８の幅が１００μｍ、長さが２７．６ｍｍとなっている。なお、液晶層及び基板の誘電体損失（ｔａｎδ）は、それぞれ、０．０３、０．００６９としている。一方、比較例の移相器９００は、各部が同じ大きさで形成されているものの、上記のように、ストリップ線路１０８の領域に第１接地導体部１１０が設けられていない点が相違している。

図３のグラフに現れているように、比較例の移相器９００は、透過特性が脈動しており、挿入損失の周波数依存が大きくなっている（挿入損失はＳパラメータで表されることから、Ｓ２１リップルとも呼ばれる）。これに対し、本実施形態に係る移相器１００は、リップルが観測されず、周波数の変化に対して安定した透過特性を有している。このように、シミュレーションからは、本実施形態の構造によって、移相器の周波数特性が改善されることが確認されている。この結果より、本実施形態によれば、周波数分散が小さい移相器１００を得ることができる。

図４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。フェーズドアレイアンテナ装置２００は、アンテナ素子１２４、移相器１００を含む。アンテナ素子１２４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の第２給電導体部１０６ｂは、複数個配列されたアンテナ素子１２４のそれぞれと直列に接続される。つまり、図４に示す移相器１００は、図１に示した移相器１００を並列配置したものであり、その各々がアンテナ素子１２４と接続されている。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。

なお、図４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。この場合、フェーズドアレイアンテナ装置２００は発振器１２８と接続される。発振器１２８から出力される高周波信号は、分配器１２６によってそれぞれの移相器１００に分配される。移相器１００の第１給電胴体部１０６ａは、分配器１２６からの出力のそれぞれと、同軸ケーブル１３０を介して接続される。このとき、同軸ケーブル１３０の芯線が第１給電胴体部１０６ａと接続され、同軸ケーブル１３０のシールドが第１接地導体部１１０又は第２接地導体部１１６と接続される。

複数のアンテナ素子１２４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する。そのため、複数のアンテナ素子１２４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１２４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。ここで、この場合において、移相器１００は、挿入損失が低減され、周波数分散が小さくなっているため、フェーズドアレイアンテナ装置２００の周波数特性を向上させることができる。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。

１００・・・移相器、１０２・・・第１基板、１０４・・・第２基板、１０６・・・給電導体部、１０８・・・マイクロストリップ線路、１１０・・・第１接地導体部、１１２・・・第１スリット、１１４・・・第２スリット、１１６・・・第２接地導体部、１１８・・・導電スペーサ、１２０・・・シール材、１２２・・・液晶層、１２４・・・アンテナ素子、１２６・・・分配器、１２８・・・発振器、１３０・・・同軸ケーブル、２００・・・フェーズドアレイアンテナ装置

Claims (11)

1. 絶縁表面に設けられた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と電気的に接続される給電導体部と、
   前記マイクロストリップ線路及び前記給電導体部を挟む第１接地導体部と、
   前記マイクロストリップ線路に対向する第２接地導体部と、
   前記マイクロストリップ線路と前記第２接地導体部との間の液晶層と、
   前記給電導体部と前記第１接地導体部との間の第１スリットと、
   前記第１スリットから連続し、前記マイクロストリップ線路と前記第１接地導体部との間の第２スリットと、を有する
   ことを特徴とする移相器。
2. 前記第２スリットの幅が前記第１スリットの幅より大きい、請求項１に記載の移相器。
3. 前記第２スリットの幅が、前記液晶層の厚さの２倍以上である、請求項２に記載の移相器。
4. 前記第１接地導体部は、前記マイクロストリップ線路に隣接する領域で、前記第２接地導体部と前記液晶層を介して対向する、請求項１に記載の移相器。
5. 前記第１接地導体部と前記第２接地導体部を電気的に接続する導電スペーサを有する、請求項４に記載の移相器。
6. 給電導体部と、
   前記給電導体部を、スリットを介して挟む第１接地導体部と、
   前記給電導体部と接続される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と液晶層を介して対向する第２接地導体部と、
   を有し、
   前記第１接地導体部が、前記マイクロストリップ線路の両側に延長されている
   ことを特徴とする移相器。
7. 前記スリットは、前記給電導体部に隣接する第１スリットと、前記マイクロストリップ線路に隣接する第２スリットとを含み、
   前記第２スリットの幅が前記第１スリットの幅より大きい、請求項６に記載の移相器。
8. 前記第２スリットの幅が、前記液晶層の厚さの２倍以上である、請求項７に記載の移相器。
9. 前記第１接地導体部が、前記マイクロストリップ線路と隣接する領域で、前記液晶層を介して前記第２接地導体部と対向する、請求項６に記載の移相器。
10. 前記液晶層が設けられる領域に、前記第１接地導体部と前記第２接地導体部を電気的に接続する導電スペーサを有する、請求項９に記載の移相器。
11. 請求項１乃至１０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。

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