JP3874964B2 - 可変移相器 - Google Patents
可変移相器 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3874964B2 JP3874964B2 JP12248499A JP12248499A JP3874964B2 JP 3874964 B2 JP3874964 B2 JP 3874964B2 JP 12248499 A JP12248499 A JP 12248499A JP 12248499 A JP12248499 A JP 12248499A JP 3874964 B2 JP3874964 B2 JP 3874964B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- liquid crystal
- resin
- phase shifter
- variable phase
- conductor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Liquid Crystal (AREA)
- Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶・樹脂複合体を使用することにより挿入損失の低減を図った可変移相器に関する。
【0002】
[発明の概要]
本発明は、高周波回路で使用される可変移相器において、この可変移相器を構成する基板などに用いられる誘電体材料を構成する液晶層として、樹脂中に液晶を分散させた液晶・樹脂複合体を用いることにより、液晶層の厚さを厚くし、導体線路の太さ、あるいは幅を大きく構成することを可能にし、これにより主に導体線路の導体損を小さくして、可変移相器の挿入損失を低減するようにしたものである。
【0003】
【従来の技術】
従来、ネマティック液晶を利用したマイクロ波帯可変移相器は、D.Dolfi,M.Labeyrie,P.Joffre and P.Huignard,“Liquid crystal microwave phase shifter,”Electron.Lett.,Vol.29,No.10,pp.926-927(1993)により報告されている。この報告に記載された「液晶可変移相器」の構成およびその動作原理を図4を用いて説明する。
【0004】
図4に示す液晶可変移相器101は、2枚のセラミックス基板102,103と、これらのセラミックス基板102,103に挟まれた部分に封入されたネマティック液晶層104とを備えている。セラミックス基板102には導体線路(金属ライン)105が形成され、また、セラミックス基板103にはグランド面用の金属膜106が形成されている。導体線路105と金属膜106との間には制御電源107が接続されている。なお、図示は省略されているが、両セラミックス基板102,103の液晶層104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ミド配向膜が付けれている。
【0005】
上記の構成により、このマイクロ波帯可変移相器101は、液晶層104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。そして、導体線路105とグランド面となる金属膜106との間に制御電圧Eを加えることにより、液晶分子の配向が変化する。この場合、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が感じ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基づく位相の遅れΦは、
【数1】
Φ=2πf・√(εeff)・l/c
但し、εeff:マイクロストリップ線路の等価誘電率
f:伝搬する電磁波の周波数
c:真空中の光の速度
で表される。
【0006】
この場合、等価誘電率εeff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ので、結果として、線路の位相遅れは導体線路105とグランド面(金属膜106)との間の制御電圧Eにより変化させることができ、これによって液晶可変移相器101を構成することができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、液晶可変移相器101の挿入損失を考える。マイクロ波やミリ波では、線路の特性インピーダンスとして、50Ωのものが一般に使用されるので、液晶可変移相器101の特性インピーダンスは例えば50Ωとする。図5は、この条件下で、液晶可変移相器101を構成するマイクロストリップ線路の誘電損αdと導体損αcの値を、液晶層104の厚さを変化させて計算した結果の一例を示している。
【0008】
図5によれば、液晶可変移相器101の挿入損失を小さく抑えるためには、液晶層104の厚さhを厚く取って導体線路105の幅を広くするなどして、マイクロストリップ線路の導体損αcを小さくする必要のあることが理解される。
【0009】
ところが、液晶可変移相器101の液晶として通常のネマティック液晶を用いると、液晶分子の配向の均一性を保つために、液晶層104の厚さを一般に100μm程度以下にしなければならない。液晶可変移相器101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、配向の均一性の確保は不可欠である。このため、液晶可変移相器の挿入損失の低減を図るための手法として、液晶層104を厚くして導体損を小さくすることはできなかった。実際、前述したD.Dolfiらの報告では、液晶層104の厚さはh=50μmとしている。
【0010】
上述したように、従来の液晶可変移相器101では、その線路長を長くした場合に大きな挿入損失が生じることは避けられず、挿入損失の低減が課題となっていた。
【0011】
本発明は上記事情に鑑み、導体線路の導体損を減らして挿入損失を低減できる可変移相器を提供することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために請求項1の発明は、高周波線路を構成する導体線路とグランド導体との間に液晶層を配設してなる可変移相器において、該液晶層を樹脂とこの樹脂中に分散された液晶とからなる液晶・樹脂複合体により構成し、該液晶層の厚さを200〜600μmとしたことを特徴としている。
【0013】
請求項2の発明は、請求項1に記載の可変移相器において、前記液晶・樹脂複合体を構成する液晶はシアノビフェニル系、ターフェニル系、ピリジン系、ピリミジン系もしくはトラン系のネマティック液晶、または強誘電性のスメクティック液晶であり、前記液晶・樹脂複合体を構成する樹脂はアクリル樹脂、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、ポリビニルアルコール、またはこれらの共重合体である。
【0014】
上記の構成によれば、請求項1では、導体線路とグランド導体との間に液晶・樹脂複合体を配置することにより、液晶層である液晶・樹脂複合体の厚さを厚くし、導体線路の太さ、あるいは幅を大きく構成することを可能にし、これによって主に導体線路の導体損を小さくして、可変移相器の挿入損失を低減する。
【0015】
請求項2では、液晶・樹脂複合体を構成する液晶として高周波に対して誘電率異方性を有し、かつその誘電率異方性が大きいものが選択されるので、従来のものに比べて位相を大きく制御することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1は本発明による可変移相器の実施の形態を示す構成図である。
【0017】
同図に示す可変移相器1は、2枚のセラミックス基板2,3と、これらのセラミックス基板2,3に挟まれた部分に封入された液晶・樹脂複合体4とを備えている。セラミックス基板2には高周波信号用の導体線路(金属ライン)5が形成され、また、セラミックス基板3にはグランド面用の金属膜6が形成されている。また、導体線路5と金属膜6との間には、制御電源7が接続され、直流電圧(または低周波電圧)Eが印加される構成となっている。
【0018】
この場合、2枚のセラミックス基板2,3の間に封入された液晶・樹脂複合体4を誘電体基板として導体線路5とグランド面となる金属膜6とでマイクロストリップ線路が構成され、このマイクロストリップ線路上を高周波信号が伝搬する。また、前記制御電源7は、可変移相器1の移相量を調節する制御信号により調整された直流、あるいは低周波電圧信号Eを、導体線路5と金属膜6との間に印加するもので、この制御電圧Eに応じて液晶・樹脂複合体4の誘電率が変化し、可変移相器1の移相量が変化する。
【0019】
セラミックス基板2,3との間に挟まれた液晶・樹脂複合体4は、図2に示すように、樹脂8と、この樹脂8中に液晶が小滴状に分散された液晶小滴9とを有する構造(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))となっている。この場合、樹脂8に閉じ込められた液晶小滴9は、それぞれの小滴内で分子の配向の均一性を保つことができるので、液晶・樹脂複合体4の厚さを厚くしても配向の均一性を損なうことはない。そこで、液晶・樹脂複合体4を可変移相器として利用することにより、液晶層の厚さを厚くすることが可能となり、線路の導体損を低減して挿入損失を低減できる。この液晶・樹脂複合体4の厚さhは、可変移相器1の挿入損失が十分小さくなるような厚さとして、例えば、200〜600μm程度とする。
【0020】
液晶小滴9を構成する液晶は、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、可能な限り大きい方が位相を大きく制御できるため、誘電率異方性が大きな液晶であるネマティック液晶、コレステリック液晶、スメクティック液晶、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。但し、高速性を得るためには、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。
【0021】
樹脂8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)などが好適である。
【0022】
上記の構成において、高周波信号は液晶・樹脂複合体4を誘電体基板として導体線路5と金属膜6とで構成されるマイクロストリップ線路を伝搬する。このとき、制御電源7から移相量を調節する制御信号により調整された直流、あるいは低周波電圧信号Eが導体線路5と金属膜6との間に印加されると、この制御電圧Eの大きさに応じて液晶・樹脂複合体4の誘電率が変化し、これによって可変移相器1の移相量が変化する。
【0023】
<液晶・樹脂複合体4の形成方法>
液晶・樹脂複合体4の形成方法について2つの方法を説明する。
【0024】
第1の方法では、先ず、液晶、および樹脂の構成材料を混ぜ合わせて均質溶液にした後、これを2枚のセラミックス基板2,3の間に流し込む。
【0025】
次に、光硬化(N.A.Vaz,G.W.Smith and G.P.Montgomery,Jr.,“A light control film composed of liquid crystal droplets in a UV-curable polymer,”Mol.Cryst.Liq.Cryst.,vol.146,pp.1-15(1987))、熱硬化(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))または反応硬化などの方法を用いて樹脂成分を硬化させる。これにより、液晶の成分を急速に不溶化・析出(相分離)させ、樹脂中に微少な液晶小滴9を形成する。光硬化により樹脂成分を硬化させる場合には、樹脂成分に光が照射されるように、セラミックス基板2,3として、石英ガラスなどの透明な基板が有用である。
【0026】
液晶・樹脂複合体4を形成する第2の方法では、液晶と樹脂を共通の溶媒に溶解し、その均一溶液を一方のセラミックス基板2上に塗布した後、溶媒成分を揮発させ、もう一方のセラミックス基板3を圧着する(T.Kajiyama,K.Park,F.Usui,H.Kikuchi and A.Takahara,“Phase separated structure-electro-optical property relationships of (polymer/liquid crystal) composite film,”SPIE,vol.1911,pp.122-131(1993))。この方法でも、上記と同様の構造を有する液晶・樹脂複合体4を形成することができる。
【0027】
樹脂に対して液晶の構成比が大きい場合には、図3に示すように、液晶小滴9が互いに連結した連結状液晶10が形成される一方、樹脂8の形状が海綿体状または三次元の網目構造をなすこともある(他の実施の形態)。その場合、予めセラミックス基板2,3上に設けたラビング配向膜や外部電界の印加などにより、液晶10と樹脂8の分子を配向させて重合させることにより、樹脂構造内に液晶分子を配向させた状態で初期化することも可能である。また、これらの液晶・樹脂複合体4の多くは自己支持性であるため、膜厚の制御が容易であり、膜厚が均一で長い導体線路を持つ素子を作製することも可能である。但し、樹脂8が軟質の場合には、液晶・樹脂複合体4を支えるために、側面または全面に球状または繊維状のスペーサを配設することもある。
【0028】
この実施の形態において、液晶・樹脂複合体4の厚さを増やすことによる可変移相器1の挿入損失の変化のうち、特にその変化の大きな導体損について検討する。従来の方法による可変移相器の導体損は、液晶層の厚さが50μmであるから、31dB/mであったのに比べて、この実施の形態による可変移相器1では、液晶・樹脂複合体4の厚さを例えば400μmとすることができるので、導体損を4.5dB/mに設計することができる。これにより、可変移相器1の導体損を約26dB/mも減らすことが可能となる。
【0029】
以上、この実施の形態では、可変移相器1に用いられる高周波信号の伝搬線路としてマイクロストリップ線路を例示したが、本発明における高周波信号の伝搬線路はこれに限られず、同軸線路、コプレーナ線路、ストリップ線路などの誘電体を使った全ての高周波信号用伝送線路に適用することができる。
【0030】
また、この実施の形態の可変移相器1の応用例としては、フェーズドアレーアンテナが考えられる。従来技術のように移相器の損失が大きいと、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。この実施の形態の可変移相器1をフェーズドアレーアンテナの移相器として使用することにより、その分の高周波増幅器を簡略化でき、装置を安価に構成することができる。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように請求項1の発明によれば、液晶層である液晶・樹脂複合体の厚さを厚くし、導体線路の太さ、あるいは幅を大きく構成することができ、これによって主に導体線路の導体損を小さくして、可変移相器の挿入損失を低減することが可能となる。
【0032】
請求項2の発明によれば、液晶・樹脂複合体を構成する液晶として高周波に対して誘電率異方性を有し、かつその誘電率異方性が大きいものが選択されるので、従来のものに比べて位相を大きく制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による可変移相器の実施の形態の構成を示す斜視図である。
【図2】本発明による可変移相器の実施の形態の構成を示す正面図である。
【図3】本発明による可変移相器の他の実施の形態の構成を示す正面図である。
【図4】従来の可変移相器に構成を示す正面図である。
【図5】液晶層の厚さhと導体損失および誘電損失との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
1 可変移相器
2,3 セラミックス基板
4 液晶・樹脂複合体
5 導体線路
6 金属膜(グランド導体)
7 制御電源
8 樹脂
9 液晶小滴
10 連通状液晶
Claims (2)
- 高周波線路を構成する導体線路とグランド導体との間に液晶層を配設してなる可変移相器において、
該液晶層を樹脂とこの樹脂中に分散された液晶とからなる液晶・樹脂複合体により構成し、該液晶層の厚さを200〜600μmとしたことを特徴とする可変移相器。 - 前記液晶・樹脂複合体を構成する液晶はシアノビフェニル系、ターフェニル系、ピリジン系、ピリミジン系もしくはトラン系のネマティック液晶、または強誘電性のスメクティック液晶であり、前記液晶・樹脂複合体を構成する樹脂はアクリル樹脂、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、ポリビニルアルコール、またはこれらの共重合体である請求項1記載の可変移相器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP12248499A JP3874964B2 (ja) | 1999-04-28 | 1999-04-28 | 可変移相器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP12248499A JP3874964B2 (ja) | 1999-04-28 | 1999-04-28 | 可変移相器 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000315902A JP2000315902A (ja) | 2000-11-14 |
JP3874964B2 true JP3874964B2 (ja) | 2007-01-31 |
Family
ID=14837000
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP12248499A Expired - Fee Related JP3874964B2 (ja) | 1999-04-28 | 1999-04-28 | 可変移相器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3874964B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021073500A1 (zh) * | 2019-10-14 | 2021-04-22 | 京东方科技集团股份有限公司 | 液晶移相器及天线 |
Families Citing this family (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4539022B2 (ja) * | 2003-03-19 | 2010-09-08 | Dic株式会社 | 可変機能デバイス |
JP2005033604A (ja) | 2003-07-08 | 2005-02-03 | Taiyo Yuden Co Ltd | 移相器 |
JP4834955B2 (ja) * | 2004-01-30 | 2011-12-14 | Dic株式会社 | 液晶組成物 |
KR101168608B1 (ko) * | 2006-03-31 | 2012-07-30 | 쿄세라 코포레이션 | 유전체 도파로 디바이스와, 이것을 구비하는 이상기, 고주파 스위치 및 감쇠기와, 고주파 송신기, 고주파 수신기, 고주파 송수신기, 레이더 장치, 어레이 안테나 장치, 및 유전체 도파로 디바이스의 제조 방법 |
JP4537339B2 (ja) * | 2006-03-31 | 2010-09-01 | 京セラ株式会社 | 移相器ならびにこれを備える高周波送信器、高周波受信器、高周波送受信器、レーダ装置およびアンテナ装置 |
GB0608055D0 (en) * | 2006-04-24 | 2006-05-31 | Univ Cambridge Tech | Liquid crystal devices |
WO2011035863A1 (de) * | 2009-09-25 | 2011-03-31 | Merck Patent Gmbh | Bauteile für die hochfrequenztechnik und flüssigkristalline medien |
CN103703528A (zh) * | 2011-08-10 | 2014-04-02 | 富士通株式会社 | 具有可变电容元件的电子设备及其制造方法 |
EP2575211B1 (en) | 2011-09-27 | 2014-11-05 | Technische Universität Darmstadt | Electronically steerable planar phased array antenna |
US10326205B2 (en) | 2016-09-01 | 2019-06-18 | Wafer Llc | Multi-layered software defined antenna and method of manufacture |
US10686257B2 (en) | 2016-09-01 | 2020-06-16 | Wafer Llc | Method of manufacturing software controlled antenna |
US10320070B2 (en) | 2016-09-01 | 2019-06-11 | Wafer Llc | Variable dielectric constant antenna having split ground electrode |
US10705391B2 (en) | 2017-08-30 | 2020-07-07 | Wafer Llc | Multi-state control of liquid crystals |
CA3077700A1 (en) | 2017-10-19 | 2019-04-25 | Wafer, Llc | Polymer dispersed/shear aligned phase modulator device |
CA3079086A1 (en) | 2017-10-30 | 2019-05-09 | Wafer, Llc | Multi-layer liquid crystal phase modulator |
CN108181745B (zh) * | 2018-02-08 | 2020-08-25 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种液晶移相器、移相方法及其制作方法 |
US10511096B2 (en) | 2018-05-01 | 2019-12-17 | Wafer Llc | Low cost dielectric for electrical transmission and antenna using same |
US10862182B2 (en) | 2018-08-06 | 2020-12-08 | Alcan Systems Gmbh | RF phase shifter comprising a differential transmission line having overlapping sections with tunable dielectric material for phase shifting signals |
US10854970B2 (en) | 2018-11-06 | 2020-12-01 | Alcan Systems Gmbh | Phased array antenna |
CN110955076B (zh) * | 2019-12-11 | 2021-05-28 | 深圳市华星光电半导体显示技术有限公司 | 液晶显示面板及液晶显示装置 |
-
1999
- 1999-04-28 JP JP12248499A patent/JP3874964B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021073500A1 (zh) * | 2019-10-14 | 2021-04-22 | 京东方科技集团股份有限公司 | 液晶移相器及天线 |
US11876276B2 (en) | 2019-10-14 | 2024-01-16 | Beijing Boe Sensor Technology Co., Ltd. | Liquid crystal phase shifter and antenna |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2000315902A (ja) | 2000-11-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3874964B2 (ja) | 可変移相器 | |
JP2009534974A (ja) | 液晶装置 | |
JP3322861B2 (ja) | 位相可変装置 | |
EP0609887B1 (en) | Periodic domain reversal electro-optic modulator | |
US5537242A (en) | Liquid crystal millimeter wave open transmission lines modulators | |
Lim et al. | Liquid crystal birefringence for millimeter wave radar | |
US5194972A (en) | Microwave phase modulation with liquid crystals | |
Broughton et al. | Optimized flexoelectric response in a chiral liquid-crystal phase device | |
Ma et al. | Liquid Crystals for Advanced Smart Devices with Microwave and Millimeter‐Wave Applications: Recent Progress for Next‐Generation Communications | |
WO2008108154A1 (ja) | 光位相変調器 | |
WO2002063379A2 (en) | Low-loss electrode designed for high-speed optical modulators | |
JP3994170B2 (ja) | 浮遊電極付コプレナー線路 | |
US6303056B1 (en) | Composite nonlinear optical film, method of producing the same and applications of the same | |
JP2003017912A (ja) | 可変共振器及び周波数可変フィルタ | |
JP2005064632A (ja) | 可変特性高周波伝送線路 | |
JP2000267056A (ja) | 導波路型光デバイス | |
Fujikake et al. | Voltage-variable microwave delay line using ferroelectric liquid crystal with aligned submicron polymer fibers | |
JP4245823B2 (ja) | 可変特性高周波伝送路 | |
JP2919132B2 (ja) | 光変調器 | |
JP2003218611A (ja) | 可変分布定数回路 | |
US7218819B2 (en) | Electrode systems for optical modulation and optical modulators | |
JP3938267B2 (ja) | 可変特性高周波伝送線路 | |
Utsumi et al. | Dielectric permittivity measurements of liquid crystal in the microwave and millimeter wave ranges | |
JPH05264937A (ja) | 光制御デバイス | |
Sahbani et al. | High Birefringence Liquid Crystal for Tunable Microwave Phase Shifter: Design, Characterization and Performance Analysis |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040402 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20060301 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060523 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060718 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20061017 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20061025 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101102 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111102 Year of fee payment: 5 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |