JP7038436B2 - 多層液晶位相変調器 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１７年１０月３０日出願の米国仮出願第６２／５７９，０５３号の優先権を主張し、その開示のすべてが参照により本明細書に援用される。

［技術分野］
本開示は、概ね、液晶位相変調器及びアンテナデバイスに関し、さらに詳細には、多層液晶を使用して、アンテナ等のＲＦデバイスの電気的特性を制御することに関する。

［関連技術］
近年、無線通信システム関連の応用が、種々の分野において増加しつつある。今後の応用には、多帯域及び広帯域に適応するアンテナを使用する必要がある。位相変調器、特にアンテナは、薄型、軽量、低コストで、マイクロ波デバイス等と一体化しやすいものとすべきである。機械式に回転する大型のパラボラアンテナを含む、現在のアンテナ設計とは異なって、アンテナを次世代通信ハードウェアに組み込むためには、全方向性放射パターンと、広帯域幅と、安定した利得とを有する小型アンテナが好ましい。可変誘電率材料、特に液晶（ＬＣ）を用いることが、これまでの研究において提案されてきた。このようなアンテナは、かけられた電場の力と方向とによって、走査用のＲＦビームを生成し、この電場の力と方向とは、ソフトウェアにより制御可能である。このように、焦点面走査アンテナ、すなわち一般に移相器によって、機械的に動く部品を使用することなく、薄型及び小型に維持することが可能である。例えば、米国特許第７，４６６，２６９号明細書、米国特許出願公開第２０１４／０２６６８９７号明細書、米国特許出願公開第２０１８／００６２２６８号明細書、及び米国特許出願公開第２０１８／００６２２３８号明細書を参照のこと。

作動デバイスの波長がマイクロ波の範囲内である応用については、必要とされるアクティブ層の厚さ、すなわち、（液晶等の）可変誘電性材料の厚さを、かなり厚く、５０～２００μｍ、２００～５００μｍ、１０００μｍ、数ミリメートルにまでする必要がある。さらに、アンテナ／移相器デバイスの応答時間（τｏｎ、τｏｆｆ）は、パケットベースのビーム形成をサポートするのに適切なものとする必要がある。迅速に移動する１つの標的を追跡する、又はいくつかの移動体ｑの静止標的を同時に監視するのに必要とされる走査焦点面アレイアンテナ等の様々な応用では、応答時間を、さらに短く、例えば、１μｓ以下とすべきである。しかしながら、アクティブ層の厚さが増すと、システムの応答時間も長くなる。ネマチック液晶材料又は温度制御型強誘電体（ｏｖｅｎ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ）ベースの移相器／アンテナデバイスでは、応答時間が、一般式τ_ｏｎ∝ｒ^２により、アクティブ層の厚さ（ｒ）と相関し、この一般式は、非常に厚いアクティブ層とともにデバイスを作動させても、システム要件により、極めて速い応答時間に達することは不可能ということを意味する。

本開示の以下の発明の概要は、本発明のいくつかの態様及び特徴の基本を理解してもらうためにある。この発明の概要は、本発明の広範囲の概略ではなく、それ自体特に本発明の主要な又は重要な要素を特定すること、又は本発明の範囲を詳述することを意図しない。その唯一の目的は、以下に記載されるより詳細な説明の前置きとして簡易な形態で本発明のいくつかの概念を提示することにある。

開示の本発明の態様は、ＲＦデバイス、例えばアンテナ又は移相器と、可変誘電率（ＶＤＣ）材料層と、このようなデバイスの製造方法とを提供し、ＶＤＣ層は、積み重ねられた複数のサブ層からなり、よって、特性とスイッチング時間とが改善される。

本発明の別の態様は、薄膜又はマイクロ構造により区分された、液晶又は他の可変誘電性材料の複数の層を備えるアンテナ又はＲＦデバイスであって、当該デバイスは２つの配向層の間において液晶材料を一様配向させる（ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｌｙ ａｌｉｇｎｓ）ＲＦデバイスと、このようなデバイスの製造方法とを提供することである。

本発明の別の態様は、区分された複数のＶＤＣ膜の間に差動電圧を提供することであって、その目的は、アンテナデバイスの上部と底部との間に均一な電界を生成することであり、液晶の誘電率を効果的に変更することである。

本発明のさらに別の態様は、液晶分子を効果的に回転させるのに必要な所定の電圧を低くすることであって、これは、複数の薄いＶＤＣ層、５～１０μｍ又は１０～２０μｍ、２０～５０μｍ、場合によっては５０～５００μｍまでに、電圧をかけることにより行われる。

本発明の別の態様は、実時間遅延デバイス用の中心的構成要素として実施される伝送線路の挿入ロスを劇的に減少させることである。ＶＤＣ層全体の厚さが、そのロスを制御し、ＶＤＣ層の高さが低いほど、ロスが低下する。

包括的態様では、可変誘電率（ＶＤＣ）層と、ＶＤＣ層の上方に設けられた複数の放射パッチと、放射パッチの１つの下にそれぞれが位置合わせされて終端する複数の信号線と、信号線の１つとそれぞれが対応する複数の制御線と、接地面とを備えるアンテナであって、ＶＤＣ層が、相互の上部に積み重ねられ、相互に薄い膜で区分された複数のサブ層を備えるアンテナを提供する。

本発明の他の態様及び特徴は、以下の図面に関して行う詳細な説明から明らかとなるだろう。詳細な説明及び図面は、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の種々の実施形態の種々の非限定的例をなすものであることを理解すべきである。

本明細書に含まれるとともに本明細書の一部をなす添付の図面は、本発明の実施形態を例示するものであり、詳細な説明とともに本発明の原理を説明し図示する役割を担う。図面は、概略的に、例示の実施形態の主な特徴を示すことを意図している。図面は、実際の実施形態のすべての特徴や示される要素の相対的寸法を示すことを意図するものではなく、正確な縮尺で描いていない。

図１は、先行技術のデバイスの断面概略図である。 図１Ａは、複数のＶＤＣサブ層を使用したアンテナの一実施形態の断面図である。 図１Ｂは、２本の信号線がそれぞれの放射パッチに結合された一実施形態である。 図１Ｃは、２本の信号線がそれぞれの放射パッチに結合された一実施形態の上面図である。 図１Ｄは、２つのＶＤＣ層と２つの接地面とを有する一実施形態の断面である。 図１Ｅは、２つのＶＤＣ層と２つの接地面とを有する一実施形態の上面図である。 図１Ｆは、層の順番を変更した一実施形態の断面である。 図１Ｇは、複数の放射パッチを有する一実施形態の断面を図示する。 図１Ｈは、二次元アレイアンテナの一実施形態の断面を図示する。 図１Ｉは、二次元アレイアンテナの一実施形態の上面図である。 図２は、本発明の実施形態による、複数のサブ層からなるＶＤＣの断面を図示する。 図２Ａは、制御信号が、サブ層のそれぞれに、個別にかつ徐々に電圧を増すようにかけられる一実施形態を図示する。 図３は、ＶＤＣ層を製造するための一実施形態を図示する。

以下に図面を参照して本発明のＲＦデバイスの実施形態を説明する。様々な用途のために又は様々な利点を得るために、種々の実施形態又はそれらの組合せを使用することができる。本明細書に開示する種々の特徴は、得ようとする結果次第で、利点を要件や制約と両立させて、部分的に又はそのすべてを単独で又は他の特徴と組み合わせて使用することができる。ゆえに、特定の利点は種々の実施形態において強調されるが、開示の実施形態に限定されるわけではない。すなわち、本明細書に開示する特徴は、これらの特徴を記載した実施形態に限定されるものではなく、他の特徴と混合及び適合させ、他の実施形態に組み込むことができる。

図１は、先行技術のＲＦデバイス、この例ではアンテナ１００を図示する。アンテナ１００は、一般に誘電体１１０に形成又は接着された銅パッチの形態である放射パッチ１０５を有する。図１は、単一の放射パッチを図示するが、一般に、アンテナは、放射パッチの二次元アレイを具えることになるため、図１には、アンテナの断面のみを図示しているものとみなしてよい。誘電体１１０は、例えば、ロジャーズの回路基板材料、ガラス、ＰＥＴ、テフロン（登録商標）等とし得る。接地面１１５を、誘電体１１０の底部とＶＤＣ層１２０との間に設けている。結合窓１２５を、接地面に形成し、ＲＦエネルギーを放射パッチ１０５と信号線１４０との間において結合することに使用する。信号線は、出力ポート、例えば、同軸Ｆコネクタに結合される。よって、ＲＦ信号は、信号線１４０と放射パッチ１０５との間において容量結合され、これは、ＶＤＣ層１２０により形成される介在する誘電体層を介して行われる。ＶＤＣ層１２０は、上部誘電体層／膜１２２と、底部誘電体層／膜１２４と、スペーサ１２６と、スペーサの間に分散された液晶１２８とにより形成される。接地面１１５と、ＶＤＣ層１２０と、信号線１４０とは、コンデンサを形成し、その特性は、ＶＤＣ層１２０の誘電率の値に左右されることにも留意する。

なお、ＶＤＣ層は液晶を用いて形成されるので、省略表現として、層を、本明細書では液晶（ＬＣ）層又はサブ層とも呼ぶ場合もある。同様に、ＶＤＣ材料に言及するとき、省略表現として、液晶という術語を使用する場合がある。

図２は、図１に図示したＶＤＣ層１２０等、先行技術のＶＤＣ層を使用する任意のデバイスにおいて使用可能なＶＤＣ層２２０の多層構造全体の一実施形態を図示する。図２では、電力供給体２０１が上部電極２０２と底部電極２０７に電圧をかけている様子を図示するが、実際には、図示した構造は、本明細書に開示の他の実施形態に図示するように、ＲＦデバイスの一部として形成されることになる。ＶＤＣ層２２０全体は、積み重ねられた複数の薄いＬＣサブ層からなる。個別のＶＤＣサブ層のそれぞれでは、スペーサ２０３が、誘電体膜２０５の間に挿入されて誘電体膜２０５を区分させ得る。液晶２０６は、上部誘電体膜２０５と底部誘電体膜２０５との間において、スペーサ２０３の間に分散される。配向層２０４は、ＬＣ用の配向力を生成するように設けられる。有効誘電率Ｅｔは、個々の誘電率と、それぞれの層の個々の高さとを用いて、Ｅｔ＝Ｅ１^（ｈ _１ ^／Ｈ _ｔ ^）＊Ｅ２^（ｈ _２ ^／Ｈ _ｔ ^）＊Ｅ３^（ｈ _３ ^／Ｈ _ｔ ^）として計算可能であり、当該式において、ｈ_ｉは、それぞれの個々のサブ層の高さであり、Ｈ_ｔは、全体の高さである。

サブ層の数と厚さは、所望の有効誘電率を得られるように設計可能である。しかしながら、ＶＤＣ層が複数のサブ層からなるので、有効誘電率異方性Δε（Δε＝ε||－ε⊥）が改善され、これは、それぞれの層のダイレクタが、ｏｆｆ状態でも、ｏｎ状態でも配向しやすいことによる。さらに、応答時間が改善される。

図１Ａは、図２に図示した複数のＶＤＣサブ層構造を、図１に図示したアンテナと組み合わせた一実施形態を図示する。図１における要素と類似の図１Ａの要素は、同じ参照番号を有している。図１Ａに図示するように、ＶＤＣ層２２０は、３つのサブ層からなり、この３つのサブ層は積み重ねられている。サブ層の数とそれぞれのサブ層の厚さとは、ｏｎ状態及びｏｆｆ状態において必要とされる誘電率及びスイッチング応答時間等必要とされる特性を達成するために設計可能である。必要な場合、スペーサ１２６をサブ層のいくつか又は全てにおいて使用可能であって、その結果、それぞれのサブ層の厚さが、必要とされる仕様に応じて維持される。

図１Ａに示すように、電極１３５が、制御線１３７を介してコントローラ１５０に結合され、コントローラ１５０は、ＡＣ、ＤＣ又は矩形波ＤＣ電位を電極１３５に印加する。コントローラが、電位を電極１３５に印加すると、電界（破線矢印で示す）が形成され、これにより、サブ層のそれぞれにおいて電極１３５近傍の液晶１２８が、印加された電位に応じた量回転する。その結果、接地面１１５と信号線１４０との間に形成されたコンデンサの特性が、変化する。これを利用して、信号線１４０を通過するＲＦ信号を制御して、例えば、その信号に遅延又は位相シフトを生じさせることができる。

図１Ａの例では、放射パッチを１つのみと信号線１本とを図示しているが、この構成を二次元アレイにおいて繰り返して、それにより、電子的に向きを操作可能なアンテナを形成することができる。このような構成では、複数の制御線を信号線のそれぞれに１つずつ設けることができる。また、接地面は、複数の結合窓であって、１つが、それぞれの信号線と、それに対応する放射パッチとに対応する複数の結合窓を具えることになる。

よって、一実施形態によれば、誘電体プレートと、当該誘電体プレート上に設けられた少なくとも１つの放射パッチと、少なくとも１つの窓を有しそれぞれの放射パッチが１つの窓と位置合わせされた接地面と、少なくとも１本の信号線であって、それぞれの信号線がＲＦ信号を１つの放射パッチに容量結合させるように構成された少なくとも１本の信号線と、信号線と接地面との間に設けられ、積み重ねられた複数の液晶サブ層を含む液晶層であって、それぞれが、上部誘電体膜、底部誘電体膜、上部電体膜と底部誘電体膜との間に設けられた複数のスペーサ、及びスペーサの間に分散された液晶を含む液晶層とを備えるアンテナが提供される。スペーサは、例えば、ガラス、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＭＭＡ、シリカ、酢酸セルロース、ジルコニアからなり得る。

図１Ｂ及び図１Ｃは、それぞれの放射パッチに２本の信号線が結合され、２本の信号線が相互に直交する一実施形態を図示する。図１Ｂ及び図１Ｃの実施形態の要素は、別の誘電体層１３２が第１の信号線１４０の下に設けられ、直交する第２の信号線１４２が第２の誘電体層１３２の下に設けられていることを除いて、図１Ａの実施形態における要素と同じである。この実施形態では、１本の信号線を送信用に、他方の信号線を受信用に使用可能である。別の実施において、両方の信号線は、電極１３５への制御信号の印加を、信号線の一方における信号を他方に対して遅延させる方法で行うことにより、円偏波信号を生成するのに使用可能である。当然のことであるが、図１Ａの実施形態について、図１Ｂ及び図１Ｃの実施形態を、複数の放射パッチと、対応する信号線及び制御線とを使用して、実施可能である。

図１Ｂの例に示したように、複数のサブ層を同じ厚さにする必要はない。それぞれの層は、例えば厚さが異なるスペーサ１２６を用いて、厚さが相違するように設計し製造してよい。

図１Ｄ及び図１Ｅは、それぞれの信号線１３５、１４２の伝送特性を個別に制御可能な一実施形態を図示する。特に、本実施形態は、２つのＶＤＣ層２２０及び２２１を用いており、それぞれ又は両方を複数のサブ層から作製し得る。また、本実施形態は、複数の接地面を用いており、それぞれの接地面は、放射パッチと、対応の信号線との間においてＲＦ信号を結合するように位置合わせされた窓を有している。本構成は、まさにその他の実施形態の場合のように、複数の放射パッチとともに実施可能である。二次元アレイとして実施する場合、制御信号を複数の制御線に印加することにより半球の空間内において任意の方向にビームの向きを操作して、それぞれの信号線にかけられる遅延を個別に制御することができる。

図１Ｄに図示したように、信号線１４０中を伝搬する信号は、制御信号を電極１３５に印加することにより制御し、よって、積み重ねられた多層ＶＤＣ２２０中の液晶を回転させ、また、信号線１４２中を伝搬する信号は、制御信号を電極１３８に印加することにより制御し、よって、積み重ねられた多層ＶＤＣ２２１中のＬＣを回転させる。よって、一例では、信号を相互に９０°遅延させて、円偏光を生成する。

図１Ｄ及び図１Ｅの実施形態は、複数のＶＤＣ層と、複数の接地面とを有するアンテナであって、上部誘電体層と、上部誘電体層の上方に設けられた複数の放射パッチと、上部誘電体層の下に配置された第１の液晶層と、複数の窓を有し、それぞれの窓が放射パッチの１つと位置合わせされた第１の接地面と、放射パッチの１つとそれぞれが位置合わせされて終端する複数の第１の信号線と、第１の信号線の１つとそれぞれが位置合わせされた複数の第１の制御線と、第２の液晶層と、複数の窓を有しそれぞれが放射パッチの１つと位置合わせされた第２の接地面と、放射パッチの１つとそれぞれが位置合わせされて終端する複数の第２の信号線と、第１の信号線の１つとそれぞれが位置合わせされた複数の第２の制御線とを備え、第１の液晶層及び第２の液晶層のそれぞれは、積み重ねられた複数のサブ層を含み、それぞれのサブ層は、上部誘電体、底部誘電体、上部誘電体と底部誘電体との間に設けられた複数のスペーサ、及び上部誘電体と底部誘電体との間に分散された複数の液晶を有するアンテナを提供する。

いくつかの実施形態では、層を、上部から底部へ、放射パッチ、上部誘電体層、第１の接地面、第１の液晶層、第１の制御線、第１の信号線、第２の接地面、第２の液晶層、第２の制御線、第２の信号線の順番に配列している。また、図示したように、種々の中間誘電体層が、種々の信号線と制御線と接地面との間に、設けられる。しかしながら、図示した層の順番は、必須ではなく、他の順番も可能であることに留意すべきである。例えば、図１Ｆは、複数のＶＤＣ層と、複数の接地面とを有するが、図１Ｄとは順番が異なる一実施形態を図示する。

図１Ｆは、図１Ｄと、層の順番が異なる点を除いて同様の一実施形態を図示する。図１Ｆでは、第１の信号線１４０を、放射パッチ１０５の下だが、第１の接地面１１５の上方かつ第１のＶＤＣ層２２０の上方に、設けている。第１の制御線１３５は、第１のＶＤＣ層２２０の上方又は下に設けてもよい。第１の接地面１１５は、第１のＶＤＣ層２２０の下に設けている。本実施形態では、第１の接地面１１５は、窓１２５を有し、窓１２５は、信号を第２の信号線１４２に結合するためのものであって、従って、第１の信号線１４０ではなく、第２の信号線１４２に対して位置合わせしている。第１の信号線１４０用の信号は、上部誘電体１１０を通して直接放射パッチ１０５に結合される。

示したように、第１の接地面の窓１２５は、第２の信号線１４２からＲＦ信号を結合するように位置合わせし、これは、第２の信号線１４２が第１の接地面より下だが第２のＶＤＣ層２２１よりも上にあることによる。第２の接地面１１７は、第２の信号線１４２より下に設けており、従って、窓は不要である。第２の制御線１３８は、第２のＶＤＣ層２２１の下又は上方に設けてもよい。

従って、複数の接地面と複数の可変誘電体層とを有するＲＦアンテナが、提供され、当該ＲＦアンテナは、上部誘電体層と、上部誘電体の上方に設けられた複数の放射パッチと、第１の可変誘電率（ＶＤＣ）層と、放射パッチの１つとそれぞれが位置合わせされた複数の窓を有する第１の接地面と、第１の接地面の窓の１つの下でそれぞれが終端する複数の第１の信号線と、第１の信号線の１つの近傍の第１のＶＤＣ層の液晶ドメインを制御するようにそれぞれが構成された複数の第１の制御線と、第１のＶＤＣ層の下に設けられた第２のＶＤＣ層と、放射パッチの１つとそれぞれが位置合わせされた複数の窓を有する第２の接地面と、第２の接地面の窓の１つの下でそれぞれが終端する複数の第２の信号線と、第２の信号線の１つの近傍の第２のＶＤＣ層の液晶ドメインを制御するようにそれぞれが構成された複数の第２の制御線と、を備える。

ＲＦデバイスのＶＤＣ層用のサブ層の製造において、液晶を封入する２枚の対向する誘電体基板は、光学上の考慮すべき点がないので、透明か不透明かを問わず、所望の任意の非導通材料から作製可能である。制御電極は、例えば、蒸着、電気めっき、無電解めっき等の堆積法により作製可能であり、導電性インク又はペースト等を用いて印刷してもよい。本明細書に開示の実施形態に図示したように、制御電極は、ＲＦデバイスを機能させるために必要とされる電界を生成するように、液晶の両側に配置可能である。制御電極及び信号線の材料は、導電性材料の一種、特に、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）等の金属若しくは他の金属、及び／又は金属積層若しくは金属合金とし得る。２枚の基板の間に、絶縁材料からなるスペーサを、所望のセル間隙を確定し維持するように配置し得る。

液晶サブ層は、ロールｔｏロール方式により、又は予め切り分けられた薄い誘電体シートを用いることにより製作可能である。図３は、本発明の実施形態に係るＶＤＣサブ層のロールｔｏロール方式の製造方法を図示する。図３では、供給ロール３０１が、可撓性のある絶縁材料３０２、例えば、ＰＥＴ、高分子ナノ複合材料、Ｐｙｒａｌｕｘ（登録商標）（デュポン社から入手可能）、ＥＣＣＯＳＴＯＣＫ（登録商標）低損失誘電体（イギリス国 ロンドン レアード ピーエルシーのエマーソン＆カミング社より入手可能）等からなる連続したストリップを提供する。一方で、供給ロール３１１は、ストリップ３０２と同様の又は類似の材料から作製された、絶縁材料３１２からなる連続したストリップを提供する。絶縁ストリップ３１２は、スペーサステーション３０５を通過し、スペーサが、絶縁ストリップ３１２の上面に形成又は堆積される。絶縁ストリップ３０２は、配向材ステーション３１８を通過し、液晶配向材（例えば、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＶＡ、ＳｉＯＸ等）が、絶縁ストリップ３０２に堆積又は接着される。

液晶ステーション３０８では、液晶が、ストリップ３０２に堆積される。次に、上部膜と底部膜とが、合わさって、封止ステーション３０９に入り、封止ステーション３０９が、絶縁ストリップ３０２及び３１２の縁を封止する。封止後、膜は、シート３２２に切り分けられ、切断された縁が、封止され得る。層は、次に、スタッカー３２６に移送され、スタッカー３２６は、接着剤アプリケータ３２０を任意で含み得、ＶＤＣ膜が、複数のサブ層が相互の上部に積み重ねた形になると、サブ層間に接合状態が形成される。

上に開示のように、本明細書に示した実施形態の全ては、複数の放射パッチ、図１Ｇに図示した特徴を具えることにより実施可能であるが、図１Ｇには図示目的で放射パッチ１０５、１０５ａの２つしか図示していない。この実施形態では、それぞれの放射パッチの信号は、対応の窓１２５及び１２５ａを介して、信号線１４０及び１４０ａを用いて個別に送信される。さらに、それぞれの信号線のための誘電率は、対応の制御線１３５及び１３５ａにより個別に制御される。よって、複数の放射パッチをアレイに設けると、それぞれの信号線のための誘電体を別々に制御することができ、それにより、異なる遅延がそれぞれの線に導入されて、ビームの向きの操作又は走査が行われる。

上述のように、ＶＤＣ材料は、先行技術において使用されているが、アンテナ等の特定のＲＦ及びマイクロ波デバイスでは、アクティブ層の厚さは、比較的厚く、例えば（アンテナの波長及び応用技術に応じて）５０～５００μｍまで厚くしなければならない。アクティブ層の厚さを厚くした結果として、バルク内におけるＬＣ分子の配向ロスにつながり、ＬＣ分子は、配向層に近い両方の面のみが配向された状態になる。その結果として、アンテナ性能が低下し、その使用を制限する２つのことが起こる。第一に、バルク内のＬＣ分子全体は、（電圧「ｏｆｆ」状態で）配向せず、特定の方向ではなく好き勝手な方向を向くので、開始、すなわち電圧「ｏｆｆ」状態では、誘電率の値は、純粋に平行配向したＬＣ材料のものよりも大きい。電圧が「ｏｎ」にスイッチングされ、閾値を超えると、全てのＬＣダイレクタが、バルク層におけるよりも縁における方がその作用が強くなり得るものの、電界の向きと平行な向きに変わる。最終結果、すなわち、誘電率異方性Δε（Δε=ε||-ε⊥）は、開始、すなわち「ｏｆｆ」状態が、純粋にε⊥である場合に達し得るものよりも小さい。「ｏｎ」段階と「ｏｆｆ」段階との間における誘電率異方性Δεのこのロスは、アンテナの性能と機能を制限してしまう。第二に、スイッチング時間が、バルクにおけるＬＣ配向の欠如によって、電圧をオフにスイッチングするときに、ミリ秒から秒長くなってしまう。その結果、現在の技術では、誘電特性が低くなり、スイッチング時間も非常に長くなってしまうため、厚いＬＣを使用することはできない。

逆に、アクティブサブ層のそれぞれの厚さを薄く、例えば、５～５０μｍに維持することによって、ＬＣ分子は、「ｏｆｆ」状態で、両面においてかつバルクを通して配向し、それにより、応答時間（τ_ｏｎ、τ_ｏｆｆ）が速くなり、ε⊥の値が小さくなり、これはまた、Δεが大きくなることに対応する。結果として、移相変調器の特性全体が、向上し、移相変調を速くすることができ、又はビームの向きの操作角度を大きくすることができる。しかしながら、薄いＬＣ層を使用する場合にシステムに生じつきまとうことが多くなる別の課題は、マイクロストリップ又はストリップ線路の信号伝送線路の誘電損失及び抵抗損失が多くなることであり、よって、アンテナ及び／又はデバイスの特性全体が、激的に低下してしまう。従って、極めて特定のさらに厚い基板厚さを使用することが好ましい。ＶＤＣ層の全厚さは、よって、複数のＬＣサブ層を積み重ねることにより得られる。

開示の実施形態によって、面配向したＬＣが小さい電界をかけることで可逆的に変調する、低コストで薄層の液晶（ＬＣ）移相変調器とフェーズドアレイアンテナの設計が、提供される。それぞれのサブ層のＬＣ媒体を２つの面の間に配置する。配向層に、（例えば、ラビング、光配向、蒸着等により）事前堆積又は事前調整を行う。第２のＬＣ層を高分子薄膜の上部に追加し、これに、別の高分子薄膜を続ける。この繰り返す高分子膜の数と、ＬＣ層の厚さとは、設定されておらず、種々の応用とデバイス要件との間で変動し得る。

ＬＣ層を区分させる薄い誘電体又は高分子膜は、ＰＥ ポリエチレン、ＰＰ ポリプロピレン、ＡＢＳ、ＭＡＹＬＡＲ、ＰＥＴ、ポリエステル、ＰＴＦＥ（全てのフッ素樹脂化合物を含む）、Ｄｅｌｒｉｎ（登録商標）、ＦＥＰ、ＰＦＡ、ＨＡＬＣＡＲ ＥＴＰＥ、Ｈｙｔｒｅｌ（登録商標）（ＴＰＥ）、ポリウレタン ＰＵ、Ｃｉｒｌｅｘ（登録商標）Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）（ポリイミド）タイプのＨＮ、ＶＮ、ＸＣ、ＭＴ、及びその他全てのタイプのポリイミド合成物、ナイロン６／６、ＰＥＥＫ（登録商標）、ＰＥＩ ＵＬＴＥＭ（登録商標） ポリエーテルイミド、ＰＥＳ ＵＬＴＲＡＳＯＮ（登録商標）、ＰＣ ポリカーボネート、ＰＰＳ（ポリフェニレン）、ＰＳＵ ＵＤＥＬ（登録商標）（ポリスルホン樹脂）、ＰＶＤＦ／ＫＹＮＡＲ（登録商標）（ポリフッ化ビニリデン樹脂）、Ｔｅｆｚｅｌ（登録商標）、ＴＰＸ（登録商標）ポリメチルペンテン、ＰＳ ポリスチレン、及び上記高分子のいずれかの共重合体から生成可能である。

中間高分子膜の厚さは、例えば、３～１０μｍ又は１０～２５μｍ、２５～５０μｍまで、できる限り薄さを保つことが推奨される。ＬＣ層を使用する場合、ＬＣと接触するデバイスの全ての面は、配向材料、例えば、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＶＡ、ＳｉＯｘ等により覆う。サブ層の全ては、ＰＤＬＣ／ＳＬＣ層を形成するように積み重ねる。

多層構造のデバイスを組み立てるには、層を、一方を他方の上部に平行に積むことと、デバイスの領域全体における厳密な厚さ制御とが必要である。スペーサは、必要とされる直径で、ガラス、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＭＭＡ、シリカ、酢酸セルロース、ジルコニア等の材料からなり、デバイスの領域全体において必要とされる間隙を維持するように表面上に均一に分布させ得る。（配向材料を塗布し方向づけた後の）配向膜をスペーサ上に積んでもよい。接着／封止材料をデバイスの周縁に塗布して、密封し、ＬＣ材料のデバイスからの漏出を防止すべきである。デバイスの周縁における２つの対向する領域は、初めは、（真空にして又は真空にせずに、毛管又は液体注入により）ＬＣを挿入するために、接着剤なしのままにしておくことができる。次の上の層を同様に作製し、スペーサを、間隙を均等に保ち維持するように分布させ、別の誘電体膜がその後に続くようにする。多層構造は、このように作製し、最終的に、間隙用球体上に積まれた最後の層が、対向し閉鎖する誘電体層となり、デバイスを閉鎖し、積まれる。デバイスの積層が完成した後、ＬＣ挿入を行い得る。最終段階は、適切な封止材／接着材で両側において挿入孔を封止することである。

別の実施形態によれば、電圧が、それぞれ個別の薄膜にかけられ、その電圧は、それぞれの膜にかけられる電圧Ｖ_ｉが、総電圧Ｖ_Ｔより低く、最も低い電圧Ｖ_Ｂよりも高くなるようにする。多層構造を作製することによって、区分膜が通電し、電界が、デバイスの上部層と底部層との間に生成されるが、デバイスの作動電圧全体は、低下する。区分膜を電極として機能させるために、金属又は金属被覆高分子膜から形成するか、又はそれぞれの薄層に作用する導電性制御電極を具える必要がある。図２Ａに、それぞれの層にかけられる可変電圧を図示しており、図では、Ｖ_Ｔが上部誘電体層にかけられる電圧であり、Ｖ_Ｂが底部誘電体層にかけられる電圧であって、Ｖ_ｉとＶ_ｉ＋１が、区分膜にかけられる電圧である。「ｏｆｆ」状態の間、電圧は、多層構造体にはかかっておらず、「ｏｎ」状態で、電圧が、Ｖ_Ｔ＞Ｖ_ｉ＋１＞Ｖ_ｉ＞Ｖ_Ｂとなるようにかけられる。

よって、配向層が両側に塗布された高分子薄膜によって内部が区分された多層移相変調器又はアンテナデバイスの製造方法が、提供され、底部誘電体層上に配向層を被覆して配向層に指向性を引き起こすステップと、スペーサを配向層に配置するステップと、区分膜の両面を配向材料で被覆して配向材料に指向性を引き起こすステップと、区分膜を底部誘電体層の上部に配置するステップと、スペーサの第２の層を区分膜の上部に配置するステップと、上部配向層を上部誘電体膜上に被覆して、上部配向層に指向性を引き起こし、上部誘電体層を区分膜の上部に配置するステップと、液晶を、底部誘電体層と区分膜との間と、区分膜と上部誘電体層との間とに挿入するステップとを含む方法が、提供される。

同様に、多層可変誘電率（ＶＤＣ）デバイスであって、底部誘電体膜と、上部誘電体膜と、底部誘電体層と上部誘電体層との間に挟まれて相互に物理的に接触している少なくとも２つのＶＤＣ層と、２つのそれぞれの可変誘電率層の間に配置された区分層と、を備える多層可変誘電率（ＶＤＣ）デバイスが提供される。ＶＤＣ層のそれぞれは、底部液晶（ＬＣ）配向層と、上部ＬＣ配向層と、底部ＬＣ配向層と上部ＬＣ配向層との間に分散された複数のスペーサと、底部ＬＣ配向層と上部ＬＣ配向層との間に分散された複数の液晶とを備え得る。

図１Ｈ及び図１Ｉは、２ｘ２の放射パッチ１０５を有し、対応の遅延線１３６により給電される二次元アレイに対する革新的なＶＤＣ層の実施を図示する。図１Ｈの断面に示したように、遅延線は、ＶＤＣ層２２０の上方に設け、接地面１１５は、ＶＤＣ層２２０の下に設ける。信号線１４０が、信号を、接地面１１５の窓１２５を介して遅延線１３６に結合する。コントローラ１５０は、制御信号を遅延線１３６にかけて、その結果、遅延線１３６近傍の液晶が、コントローラ１５０により生成される信号により制御される。上述のように、代替実施形態では、制御信号が、ＶＤＣ層２２０の連続したそれぞれのサブ層に徐々にかけられていく。

本明細書に説明したプロセス及び技術が、任意の特定の装置に本質的に関連するものではなく、構成要素を任意の適切な組み合わせとすることにより実施可能であることを理解すべきである。さらに、本明細書に説明した教示に従って、種々のタイプの汎用デバイスを使用することができる。本発明を特定の例に関して説明してきたが、これらは、あらゆる点で限定というよりは例示を目的としたものである。本発明の実施に多様な組合せが適するということを当業者は理解するだろう。

さらに、本発明の他の態様は、本明細書に開示の本発明の明細及び実施を検討することにより、当業者に明らかになるだろう。記載の実施形態の種々の態様及び／又は構成要素は単独で又は任意の組合せで使用することができる。明細書及び例は、例示としてのみみなすべきものであり、本発明の真の範囲及び趣旨は、以下の特許請求の範囲によって示されるものであることを意図している。

Claims (19)

1. ＲＦコネクタと
   可変誘電率（ＶＤＣ）層と、
   前記ＶＤＣ層上に設けられた複数の放射パッチと、
   前記複数の放射パッチの対応する１つにそれぞれが接続された複数の遅延線と、
   前記遅延線の１つの下にそれぞれが位置合わせされて終端し、それぞれが前記ＲＦコネクタに結合された複数の信号線と、
   それぞれが前記信号線の１つと対応する複数の制御線と、
   接地面と、
   を備えるアンテナであって、
   前記接地面が、複数の窓を備え、当該それぞれの窓は、前記遅延線の１つと、前記信号線の対応する１つとの間において見通せる直線上に位置合わせされ、
   前記ＶＤＣ層が、相互の上部に積み重ねられた複数のＶＤＣサブ層を備え、
   それぞれの信号線が、ＲＦエネルギーを、前記接地面の窓を介して前記遅延線の１つに結合するアンテナ。
2. 前記複数のＶＤＣサブ層のそれぞれが、底部膜と、上部膜と、前記底部膜と前記上部膜との間に分散された液晶（ＬＣ）とを含む請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記底部膜に設けられた底部ＬＣ配向層と、前記上部膜に設けられた上部ＬＣ配向層とをさらに含む請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記底部膜と前記上部膜との間に設けられた複数のスペーサをさらに含む請求項３に記載のアンテナ。
5. 前記信号線が、前記ＶＤＣ層の上方に設けられ、前記接地面が、前記ＶＤＣ層の下に設けられた請求項１に記載のアンテナ。
6. 前記遅延線のそれぞれが、前記複数の制御線の対応する１つに接続された請求項１に記載のアンテナ。
7. 前記複数のＶＤＣサブ層は、
   底部膜と、
   上部膜と、
   前記底部膜と前記上部膜との間に設けられた少なくとも１つの区分膜と、
   前記底部膜と、前記上部膜と、少なくとも１つの区分膜との間に分散された液晶と、
   を含む請求項１に記載のアンテナ。
8. 前記底部膜に設けられた底部配向層と、
   前記上部膜に設けられた上部配向層と、
   前記少なくとも１つの区分膜のそれぞれの両面に設けられた中間配向層と、
   をさらに含む請求項７に記載のアンテナ。
9. さらに、複数の直交する信号線であって、それぞれが前記遅延線の１つの下に前記複数の信号線の１つと直交方向に位置合わせされて終端する、複数の直交する信号線を備える請求項１に記載のアンテナ。
10. 第２の接地面をさらに備える請求項９に記載のアンテナ。
11. 前記第２の接地面は、複数の窓であって、それぞれが前記遅延線の１つと、前記直交する信号線の対応する１つとの間において見通せる直線上に位置合わせされた複数の窓を備える請求項１０に記載のアンテナ。
12. 前記直交する信号線の１つとそれぞれが対応する複数の第２の制御線をさらに備える請求項９に記載のアンテナ。
13. 前記複数の信号線と前記複数の直交する信号線との間に配置された第２のＶＤＣ層をさらに備える請求項９に記載のアンテナ。
14. 前記複数の制御線が、前記複数の液晶サブ層の間に分布され、制御信号を前記液晶サブ層のそれぞれに印加するように構成された請求項１に記載のアンテナ。
15. 誘電体プレートと、
    前記誘電体プレートに設けられた複数の放射パッチと、
    前記複数の放射パッチの対応する１つにそれぞれが接続され、前記複数の放射パッチの１つにＲＦエネルギーを結合する複数の遅延線と、
    複数の窓を有する接地面であって、前記遅延線のそれぞれが前記複数の窓の１つと位置合わせされた接地面と、
    少なくとも１つの信号線であって、それぞれの信号線が、ＲＦ信号を１つの遅延線に前記窓の１つを通じて容量結合させるように構成された少なくとも１つの信号線と、
    前記複数の遅延線と前記接地面との間に設けられた可変誘電率（ＶＤＣ）層であって、上部誘電体膜と、底部誘電体膜と、前記上部誘電体膜と前記底部誘電体膜との間に設けられた少なくとも１つの中間誘電体膜と、前記上部誘電体膜と前記底部誘電体膜と少なくとも１つの中間誘電体膜との間に設けられたＶＤＣ材料と、を含む可変誘電率（ＶＤＣ）層と、
    を備えるアンテナ。
16. 前記底部誘電体膜に設けられた底部配向層と、
    前記上部誘電体膜に設けられた上部配向層と、
    前記少なくとも１つの中間誘電体膜のそれぞれの両面に設けられた中間配向層と、
    をさらに含む請求項１５に記載のアンテナ。
17. 前記信号線の１つにそれぞれが対応する複数の制御線をさらに含む請求項１６に記載のアンテナ。
18. 前記少なくとも１つの信号線の下に配置された複数の第２の信号線と、第２の接地面と、をさらに含む請求項１６に記載のアンテナ。
19. 前記底部誘電体膜に設けられた底部ＶＤＣ電極と、
    前記上部誘電体膜に設けられた上部ＶＤＣ電極と、
    複数の制御線であって、少なくとも１つの制御線が前記上部ＶＤＣ電極に電位を印加し、少なくとも１つの制御線が前記底部ＶＤＣ電極に電位を印加し、少なくとも１つの制御線が前記中間誘電体膜に電位を印加しする複数の制御線と、
    をさらに含む請求項１５に記載のアンテナ。

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