JP7441471B2 - 高分子分散型／せん断配向型位相変調器デバイス - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１７年１０月１９日出願の米国仮出願第６２／５７４，６８０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、高分子分散型液晶、被せん断配向高分子分散型液晶、及び積層型液晶層を使用して、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、所望の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式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（ovenferroelectrics）ベースの移相器／アンテナデバイスは、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でデバイスを作動させても、システム要件により、極めて早い応答時間に達することは不可能であるということを意味する。

光学デバイスが高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）材料を通過する光を変調させるように、ＰＤＬＣ材料が開発されてきた。例えば、米国特許第８，０５４，４１３号明細書を参照。ＰＤＬＣは、液晶ドメインを含む高分子マトリックス封入体からなり、標準的な液晶技術を超える利点をいくつか有する。特に、ＰＤＬＣは、２枚の基板上に配向層を使用する必要がなく、これは、液晶ダイレクタの配向が、液晶ドメインを囲むマトリックス材料において達成されるからである。そのため、文字通り記載のように、アクティブ層を厚くすることができる。ＰＤＬＣの改良において、ＳＬＣ（被応力液晶）材料が提案されており、これにより、実際に、ＰＤＬＣが、製作され、楕円形の液晶ドメインを生成するようにせん断変形される。高分子をせん断変形させることによって、液晶ドメインは、せん断方向に伸長され、引っ張られると配向する。このように、ＳＬＣにおける液晶ダイレクタは、実質的に全て配向する。この方法では、厚いアクティブ層を達成することができ、この場合、全ての液晶ドメインが、配向層を必要とせずに配向する。

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、ＰＤＬＣ又はＳＬＣ層を含むＲＦデバイス、例えばアンテナ又は移相器と、このようなデバイスの製造方法とを提供する。その結果、液晶が最も高い誘電率異方性Δε(Δε=ε||－ε⊥)を達成することができる。また、対応のＬＣデバイスにおける立ち上がり時間及び立ち下がり時間は、大幅に改善される。特定の実施形態において、ＳＬＣは、ＰＤＬＣ／ＳＬＣ材料内の液晶ダイレクタの一様配向（ｈｏｍｏｇｅｎｏｕｓ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を引き起こす。

別の態様によれば、重合マトリックスにせん断力を引き起こすことにより、ＰＤＬＣマトリックス内において液晶ドメインに配向を生じさせる方法が提供される。温度と、ＬＣ及び高分子の相対的な濃度と、重合プロセスと、重合中又は重合後のせん断速度、長さ及び期間とを制御することによって、ＬＣドメインの大きさ及び分布が影響を受け、ＬＣの配向が表面配向層を使用することなく達成される。

別の態様は、ＲＦデバイス内又はＲＦデバイスの外側において、ＰＤＬＣ又はＳＬＣ層を作製する方法であって、予備重合溶液混合物と、高分子（硬化）と液晶相（非硬化）との間に相分離を引き起こすのに適切な重合プロセスと、ＳＬＣ層を生成するためにせん断力をＰＤＬＣ層にかける方法と、を含み、液晶ドメインが、せん断方向に伸長され、液晶ダイレクタが、同じせん断方向に配向するＰＤＬＣ又はＳＬＣ層の作製方法を提供するものである。

包括的な態様では、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、複数の信号線であって、それぞれが、放射パッチの１つの下において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している複数の制御線と、接地面とを備え、ＶＤＣ層が高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）層を含むアンテナが提供される。別の実施形態では、ＰＤＬＣ層が、重合及びせん断状態にある。

本発明の他の態様及び特徴は、以下の図面に関して記載される詳細な説明から明らかになる。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（グラフ１）は、ＬＣ層と対応のＰＤＬＣ層の立ち上がり速度と立ち下がり速度とを示したものである。 図２は、ＰＤＬＣ層を使用したアンテナの一実施形態の断面概略図である。 図２Ａは、ＳＬＣ層を使用したアンテナの一実施形態の断面概略図である。 図２Ｂは、それぞれの放射パッチに結合された２つの信号線を有する一実施形態の断面図であって、それぞれの放射パッチは、ＰＤＬＣ又はＳＬＣとして実施可能である。 図２Ｃは、それぞれの放射パッチに結合された２つの信号線を有する一実施形態の上面図であって、それぞれの放射パッチは、ＰＤＬＣ又はＳＬＣとして実施可能である。 図２Ｄは、２つのＰＤＬＣ／ＳＬＣ層と、２つの接地面とを有する一実施形態の断面図であって、当該２つの接地面は、ＰＤＬＣ又はＳＬＣとして実施可能である。 図２Ｅは、２つのＰＤＬＣ／ＳＬＣ層と、２つの接地面とを有する一実施形態の上面図であって、当該２つの接地面は、ＰＤＬＣ又はＳＬＣとして実施可能である。 図２Ｆは、層の順番を変更した一実施形態の断面図である。 図２Ｇは、誘電性キャリヤ膜はなく複数の放射パッチを有するＰＤＬＣ層の一実施形態を図示したものである。 図２Ｈは、さらに別の実施形態を図示したものであって、ＰＤＬＣ又はＳＬＣを使用して実施可能である。 図２Ｉは、図２Ｈの構造を用いた２ｘ２アレイアンテナ（２ｘ２ ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ）一実施形態の上面図を示す。 図３は、本発明の実施形態に係るＰＤＬＣ／ＳＬＣ層のロールｔｏロール方式の製造方法を図示する。

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用いることができる。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たり、他の実施形態に組み込むことができる。

上述のように、液晶（ＬＣ）層は、ＲＦデバイスにおける使用のためにすでに提案されている。しかしながら、本発明者は、ＬＣ層が光学デバイスに十分な性能を提供する一方、その応答時間が、ＲＦ又はマイクロ波デバイスにはかなり遅いことに気づいた。従って、本発明者は、ＬＣの代替物を探し、ＰＤＬＣ層で、対応のＬＣ層よりも早い応答時間を得られることを期せずして発見した。グラフ１（図１）において、発明者は、ＰＤＬＣ層及び対応のＬＣ層の、（かけられた電界に応答したドメイン配向の）立ち上がりデータと、（電界除去に応答したドメイン緩和の）立ち下がりデータとを曲線表示した。ｙ軸は、位相シフトの量を角度で示し、ｘ軸は、時間を秒で示している。ＬＣ層のデータは実線で示し、ＰＤＬＣのデータは点線で示している。グラフ１（図１）に示すように、ＰＤＬＣの立ち上がり時間及び立ち下がり時間は、対応のＬＣ層のものよりも早い。

本発明者は、ＰＤＬＣの液晶層を十分に厚くした場合、このような構造を可変誘電体として使用して、ＲＦ又はマイクロ波デバイスの作動特性を制御し、なお迅速で適切な応答時間を維持可能であることを、発見した。用いる実際の厚さは、ＲＦデバイスで用いる波長に左右されるが、一般に５０～５００ミクロンの間とし得る。適切なセルの厚さを選択することはまた、セルの厚さが増すとデバイス全体の損失が増すことから、セル内のＬＣのｔａｎδの関数である。

図２は、ＲＦ／マイクロ波デバイス、この例ではアンテナ１００内におけるＰＤＬＣの第１の使用例を図示する。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。誘電体１１０は、例えば、ロジャーズ回路基板材料、ガラス、ＰＥＴ、テフロン等とし得る。接地面１１５を、誘電体１１０の底部と、ＰＤＬＣ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、ＰＤＬＣ層１２０により形成され介在する誘電体層によるものである。接地面１１５、ＰＤＬＣ層１２０、及び信号線１４０は、コンデンサを形成し、その特性は、ＰＤＬＣ層１２０の誘電率の値に左右されることにも留意する。

ＰＤＬＣ層１２０は、上部誘電体層／膜１２２、底部誘電体層／膜１２４、スペーサ１２６、及びＰＤＬＣを形成する高分子１２９内に分散された液晶マイクロドメイン１２８により形成される。この実施形態では、高分子に対するＬＣの比率を高くしており、ＬＣ／高分子は、少なくとも７０％、好ましくは少なくとも８０％のＬＣ重量を含む。その上、配向膜は設けておらず、その結果、マイクロドメイン１２８内の液晶（ダイレクタ）が、吹き出しＡの中に図示するように、ランダム配向する。驚くべきことに、このような構造では、配向層を有するＬＣ膜よりも応答時間が速い。

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、電極１３５近傍のマイクロドメイン１２８のそれぞれの中の液晶が、吹き出しＢの中に図示するように、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。当然のことだが、緩和（電界がかかっていない）状態では、ドメインがランダム配向するので、変化量は、配向層を有するＬＣの場合よりも少ない。すなわち、誘電率異方性Δε（Δε＝ε||－ε⊥）は、開始、すなわち「ｏｆｆ」状態では、純粋に垂直方向にε⊥配向される場合に到達し得るよりも小さい。しかしながら、その量は、ＰＤＬＣデバイスの速い反応速度により補償され、特にマイクロ波デバイスについては十分である。

図２Ａは、ＲＦ／マイクロ波デバイス、この例ではアンテナ１００内におけるＳＬＣの第１の使用例を図示する。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。誘電体１１０は、例えば、ロジャーズ回路基板材料、ガラス、ＰＥＴ、テフロン等とし得る。接地面１１５を、誘電体１１０の底部とＰＤＬＣ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、ＳＬＣ層１２０により形成され介在する誘電体層によるものである。接地面１１５、ＳＬＣ層１２０、及び信号線１４０は、コンデンサを形成し、その特性は、ＳＬＣ層１２０の誘電率の値に左右される。

ＳＬＣ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、ＰＤＬＣを形成する高分子１２９内に分散された液晶マイクロドメイン１２８とにより形成される。この実施形態では、高分子に対するＬＣの比率を高くしており、ＬＣ／高分子には、重量で、少なくとも７０％、好ましくは少なくとも８０％のＬＣが含まれる。その上、配向膜は設けていないが、液晶マイクロドメイン１２８内の液晶は、せん断を用いることにより配向する。特に、上部膜１２２と底部膜１２４との間にせん断力をかけることによって、マイクロドメイン１２８が、図２Ａに図示するように、引き伸びる。その上、せん断力により、液晶マイクロドメイン１２８内のＬＣドメインは、吹き出しＣの中に図示するように、せん断力の方向に全て配向する。

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、電極１３５近傍のマイクロドメイン１２８のそれぞれの中の液晶が、吹き出しＣの中に図示するように、印加された電位に応じた量回転する。図２Ａでは、マイクロドメインは、回転したものとして図示しているが、これは、それぞれの液晶マイクロドメイン１２８内のＬＣドメインは回転するものの、実際には、マイクロドメインは回転せず、マイクロドメイン１２８内のＬＣのみが回転するという構想を示唆するためである。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。当然のことだが、この実施形態では、緩和（電界がかかっていない）状態では、ドメインが垂直方向に配向するので、変化量は、ランダム配向したＰＤＬＣの場合よりも多い。すなわち、誘電率異方性Δε（Δε＝ε||－ε⊥）は、開始、すなわち「ｏｆｆ」状態では、ドメインが純粋に垂直方向にε⊥配向するので、大きい。

図２では、液晶マイクロドメイン１２８は、球形として概ね図示しており、この球形内のドメインは、ランダム配向している。図２Ａでは、液晶マイクロドメイン１２８は、楕円形として図示しており、それは、せん断力による延伸を示すためである。せん断配向された液晶マイクロドメイン１２８におけるＬＣドメインの回転を図示するために、楕円形を回転させて図示している。以下に開示の実施形態は、ＰＤＬＣ又はＳＬＣを使用して実施可能である。従って、簡略化のため、層をＰＤＬＣ／ＳＬＣと呼び、楕円形の図を使用する。よって、実質的に、それぞれの図は、２つの実施形態を、１つはＰＤＬＣを使用した実施形態、もう１つはＳＬＣを使用した実施形態を図示する。

図２及び図２Ａの例では、放射パッチを１つのみと、信号線を１本図示しているが、この構成を、二次元アレイにおいて繰り返すことにより、電子的に操作可能なアンテナを形成し得る。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、複数の結合窓を有し、１つの結合窓は、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。

よって、一実施形態によれば、アンテナであって、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つの窓を有する接地面であって、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た高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）層であって、上部誘電体膜と、底部誘電体膜と、上部誘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と、上部誘電体膜と底部誘電体膜との間に設けられた高分子層と、高分子層内に分散された複数の液晶マイクロドメインとを含む高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）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、アクリル樹脂又はエポキシ樹脂等から作製可能である。また、高分子層は、せん断応力を受けて、ＳＬＣ層を形成し得る。

図２及び図２Ａは、それぞれのパッチが、結合される信号線を１本有する例を図示する。他方で、図２Ｂ及び図２Ｃは、それぞれの放射パッチが結合される２本の信号線を具え、２本の信号線は相互に直交する一実施形態を図示する。図２Ｂ及び図２Ｃ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２又は図２Ａ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つ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、制御信号の電極１３５への印加を、信号線のうち一方の信号線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。当然のことだが、図２及び図２Ａの実施形態について、図２Ｂ及び図２Ｃ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２Ｄ及び図２Ｅ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、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、ちょうど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を操作して、それぞれの信号線に与えられる遅延を個別に制御することができる。

図２Ｄに図示したように、信号線１４０の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、ＰＤＬＣ／ＳＬＣ層１２０中のＬＣマイクロドメインを回転させ、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、ＰＤＬＣ／ＳＬＣ層１２１中のＬＣマイクロドメインを回転させる。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。

よって、図２Ｄ及び図２Ｅの実施形態は、複数のＰＤＬＣ／ＳＬＣ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、複数の第１の信号線であって、それぞれの第１の信号線が放射パッチの１つと位置合わせされて終端する第１の信号線と、複数の第１の制御線であって、それぞれの第１の制御線が第１の信号線の１つと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の窓が放射パッチの１つと位置合わせされた第２の接地面と、複数の第２の信号線であって、それぞれの第２の信号線が、放射パッチの１つと位置合わせされて終端する複数の第２の信号線と、複数の第２の制御線であって、それぞれの第２の制御線が、第１の信号線の１つと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、上部誘電体と、底部誘電体と、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と、誘電体と底部誘電体との間に設けられた高分子層と、高分子層内に分散された複数の液晶マイクロドメインとを備える、アンテナを提供する。高分子層は、被せん断応力高分子層とすることができる。

図示した実施形態では、層を、頂部から底部へ順番に、放射パッチ、上部誘電体層、第１の接地面、第１の（任意で被応力）液晶層、第１の制御線、第１の信号線、第２の接地面、第２の（任意で被応力）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２Ｆに、複数のＰＤＬＣ／ＳＬＣ層と複数の接地面とを有するものの図２Ｄとは順番が異なる、一実施形態を図示する。

図２Ｆは、図２Ｄ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２Ｆでは、第１の信号線１４０を、放射パッチ１０５の下だが、接地面１１５の上方かつ第１のＰＤＬＣ／ＳＬＣ層１２０の上方に、設けている。第１の制御線１３５は、第１のＰＤＬＣ／ＳＬＣ層１２０の上方又は下に設けてもよい。第１の接地面１１５は、第１のＰＤＬＣ／ＳＬＣ層１２０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の位置は、ＲＦ信号を第２の信号線１４２から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ＰＤＬＣ／ＳＬＣ層１２１よりも上にあるからである。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ＰＤＬＣ／ＳＬＣ層１２１の上方又は下に設けてもよい。

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デバイス用のＰＤＬＣ／ＳＬＣの製造において、液晶セル（ＰＤＬＣ又はＳＬＣ）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、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要求される電界を生成するように、液晶セル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枚の基板同士の間に、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する。

セルの組み立てに続いて、液晶と高分子前駆物質とを、ＬＣに重量比で７０％を超えて割り当てて混合し、セルを液体混合物で満たす。液晶の、非硬化型（液相）液晶ドメインと硬化型（固相）高分子への相分離が、重合誘起相分離法（ＰＩＰＳ）、溶媒相分離法（ＳＩＰＳ）、非溶媒相分離法（ＮＩＰＳ）、熱誘起相分離法（ＴＩＰＳ）、エマルジョンベースのＰＤＬＣ法等の複数の方法、及び当該技術において既知のその他の方法により達成される。結果として得られる構造が、ＰＤＬＣ層である。ＰＤＬＣにおいて、液晶ドメインは、通常、球形又は非晶質形状であり、この液晶ドメインでは、液晶ダイレクタ自体が、自由にかつ任意の全体的な方向は取らずに、配向される。このようなＰＤＬＣ膜は、開示の実施形態において使用可能である。

ＳＬＣ膜を得るために、せん断作用をＰＤＬＣの上部基板又は底部基板に及ぼす（上面及び下面が対向移動することで、このようなせん断作用がＰＤＬＣに生じる）。せん断は、相分離プロセスの最中又はその後で起こり得る。せん断後、ＳＬＣは、せん断方向に伸長された液晶ドメインを含む。その膜を被応力液晶（ＳＬＣ）と呼び、液晶伸長ドメイン自体において、液晶ダイレクタは、同じ方向、すなわち、せん断方向を向いている。それが続くと、それにより、液晶は、ＳＬＣの厚さ及び長さに拘わらず、ＳＬＣの大部分にわたって配向する。液晶セルとは異なり、ＬＣＤスクリーンにおけるのと同様に、このＳＬＣ媒体では、基板に配向層が不要である。さらに、セルの間隙又は高さは、ＬＣＤ液晶セルよりもずっと高いが、ＬＣドメイン配向は維持されたままである。電界が（通常２つの対向した電極の間に）かけられると、液晶ダイレクタが、電界の方向と平行に回転し、そうすることにより、誘電率が変化する。

相分離の段階は、デバイスの最終的な性能に影響を与える重要なパラメータである。最初に、高分子中に溶ける液晶をできる限り少量とし、相分離時に、相分離を最も多く達成可能となるように、適切な高分子／プレポリマーと液晶（又は液晶混合物）とを選択する必要がある。

まず、プレポリマーとＬＣ混合物とを、ＬＣ固有の温度より高い温度まで加熱して、ＬＣが液状の時に、相分離が起こるようにする。相分離の段階に続いて、セルの温度をＴｎまで下降させ、相分離を、プレポリマー全体が重合されるまで、かつ高分子マトリックス中に溶けるＬＣをできる限り少なくした状態で、継続させる。ＬＣドメインにおけるＬＣダイレクタの配向を高水準にするために、ＬＣドメインを、ＬＣ分子がなお動き回転し得る状態のまま、できる限り小さくすることが好ましい。後に、高分子がせん断される（又は一方向又は二方向に延伸される）と、ＬＣダイレクタでは、せん断方向に強く配向され、このせん断方向は、セルの上部基板と底部基板（又はキャリア膜）に平行である。

ＰＤＬＣ及び／又はＳＬＣ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高分子シートを用いることにより製作可能である。２枚の封入用キャリヤ膜の間に間隙を維持し、３層膜を重合させることによって、上述のように、ＰＤＬＣを同じ相分離法で形成する。ＰＤＬＣは、さらに、開示の実施形態のいずれかにおいて用いることができる。使用される高分子が、完全に重合されていない場合、又は性質上熱可塑性物質である場合、せん断又は（一方向又は二方向への）延伸の第２の段階で、ＳＬＣ層が、２枚の高分子膜の間に保持された状態で生成される。それに続いて、３層の高分子（２枚の封入用高分子膜とその間にあるＳＬＣ）を、ＲＦデバイス内に配置することができ、ＲＦデバイス内で化学的処理及び機械的処理全般を実施する必要はない。このように、製作が、大いに簡略化されることになる。別の選択肢として、ロールｔｏロール技術を用いることがあり、製造システムは、基板の１枚が他方の基板よりも早く移動するように調整可能であって、これにより、せん断が起こり、最終的に重合された３層膜が、出来上がる、すなわち、せん断され配向される。

図３は、本発明の実施形態に係るＰＤＬＣ／ＳＬＣ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２０１が、可撓性のある絶縁材料２０２、例えば、高分子ナノ複合材料、ＰＥＴ、Ｐｙｒａｌｕｘ（登録商標 デュポン社から入手可能）、ＥＣＣＯＳＴＯＣＫ低損失誘電体（イギリス国 ロンドン レアード ＰＬＣ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２１１は、ストリップ２０２と同様の又は類似の材料から作製された、絶縁材料１１２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２１２は、スペーサステーション２０５を通過し、スペーサは、絶縁ストリップ２１２の上面に形成又は堆積される。

ＰＤＬＣステーション２０８では、高分子前駆物質と液晶マイクロドメインとの混合物が、ストリップ２０２に堆積される。次に、上部膜と底部膜とが、合わさって、相分離及び硬化用の重合ステーション２１８に入る。重合ステーション２１８は、ＰＩＰＳ、ＳＩＰＳ、ＮＩＰＳ等の既述の原理のうち任意の原理に従って作動し得る。重合ステーション２１８の後、いくつかの選択肢を選ぶことができる。例えば、膜は、本明細書に開示のように、切り分けて、それぞれの断片を、ＲＦ又はマイクロ波デバイスを形成するように使用可能である。ＳＬＣが望まれる場合、断片を、せん断ステーションに転送して、それぞれの断片にせん断力を個別に与えることができる。

代わりに、せん断力は、せん断ステーション２２０により膜を切り分ける前に、与えることができる。例えば、膜の供給は、例えばクランプ又は万力２２２を使用して、例えばローラ２４により上部膜又は底部膜の一方を引っ張ったまま、止めることができ、それによって、上部膜と底部膜との間に相互にせん断する動きが生じる。

せん断ステーション２２０の後、膜を切り分け可能である。代わりに、図３に示すように、剥離ステーション２２５を使用して、上部又は底部膜、若しくは両方の膜を剥離させて、せん断及び重合されたＰＤＬＣ／ＳＬＣ層を引き抜き、切り分けることができる。層は、結果として、十分重合された膜のみを含み、この膜は、ＬＣと、周りの高分子マトリックスのみからなる。これを達成することによって、アクティブ層の総誘電率は、ＬＣの誘電率に近づき、誘電率のデルタは、高く維持され、ＲＦデバイスの電子特性が高くなる。同じプロセスを、ＰＤＬＣ膜に対して実行可能である。

図２Ｇに、硬化及びせん断後、上部キャリヤ膜及び底部キャリヤ膜をＰＤＬＣから取り除いた一実施形態を示す。全体に、図２Ｇの実施形態は、キャリヤ誘電体膜１２２及び１２４を使用していない点以外は、図２の実施形態と類似している。この実施形態では、ＰＤＬＣ／ＳＬＣ層の準備が完了した後、キャリヤ誘電体膜を取り除くと、隣接する金属層が、被重合材料１２９と直接接する。この特定の実施形態では、金属層接地面１１５と制御線１３５とは、被重合材料１２９と直接物理的に接触している。例えば、接地面１１５及び／又は制御線１３５は、直接被重合材料１２９上に形成するか、又は被重合材料１２９に接着させ得る。本明細書に開示のその他の実施形態のうち任意の実施形態において、同様に実施可能である。

本明細書に開示のその他の実施形態のうち任意の実施形態を用いて実施可能な図２Ｇに示した別の特徴は、図２Ｇには１０５、１０５ａの２つしか示していないものの、複数の放射パッチを有することである。この実施形態では、それぞれの放射パッチの信号が、信号線１４０及び１４０ａを用いて、対応の窓１２５及び１２５ａを介して、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、ビームが操作又は走査される。

図２Ｈに、さらに別の実施形態を図示し、当該実施形態は、ＰＤＬＣ又はＳＬＣのいずれかを使用して実施可能である。図２Ｈの構成は、蛇行する遅延線１３６がコンタクトビア１３７を使用して放射パッチ１０５と接続されている点で、図２の実施形態と異なる。遅延線は、ＲＦ／マイクロ波信号を、コンタクトビア１３７を通して放射パッチに抵抗結合する。次いで、信号は、接地面１１５の窓１２５を通して信号線に容量結合される。ＰＤＬＣ又はＳＬＣ層を、蛇行した遅延線と接地面との間に設けている。図２Ｉは、図２Ｈの構造を用いた２ｘ２アレイアンテナ（２×２ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ）の上面図を示し、図２Ｈは、蛇行する遅延線１３６と、接地面の窓１２５の場所とをよりよく示している。

図２Ｈでは、制御信号を、蛇行する遅延線に送って、遅延線の下の液晶の配向を制御する。逆に、破線で示すように、制御信号は、放射パッチ１０５に送ってもよい。この場合、放射パッチがコンタクトビアを通して遅延線に抵抗接続されているので、制御信号は、同様に遅延線に送られる。

よって、上部誘電体プレートと、誘電体プレートの上方に設けられた複数の放射パッチと、誘電体プレートの下に設けられた複数の蛇行する遅延線と、複数のコンタクトビアであって、それぞれが、蛇行する遅延線の１つを放射パッチの１つに接続するコンタクトビアと、複数の蛇行する遅延線の下に設けられたＶＤＣ層と、ＶＤＣ層の下に設けられるとともに、遅延線の1つの下にそれぞれが位置合わせされた複数の窓を有する接地面と、複数の信号線であって、それぞれが、窓の１つの下に位置合わせされた複数の信号線と、を備えるアンテナが提供され、ＶＤＣプレートは、ＰＤＬＣ又はＳＬＣの一方を含む。

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 (18)

1. 可変誘電率（ＶＤＣ）層と、
   前記ＶＤＣ層の上方に設けられた複数の放射パッチと、
   前記放射パッチの１つの下においてそれぞれが位置合わせされて終端する複数の信号線と、
   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、
   前記ＶＤＣ層が、高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）層を含み、前記ＰＤＬＣ層は、重合及びせん断状態であり、
   前記複数の制御線は、電位を印加するコントローラに結合され、前記高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）層の液晶を印加された電位に応じた量回転させ、前記接地面と対応する信号線との間に形成されるコンデンサの特性を変化させるアンテナ。
2. 前記接地面は、複数の窓を備え、当該それぞれの窓は、前記放射パッチの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ている請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記ＶＤＣ層が、上部誘電体膜と、底部誘電体膜と、前記上部誘電体膜と底部誘電体膜との間に分布されたスペーサとをさらに備え、前記ＰＤＬＣは、前記スペーサの間に分散されている請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記信号線が、前記上部誘電体膜の上方に設けられ、前記接地面が、前記底部誘電体膜の下に設けられている請求項３に記載のアンテナ。
5. 前記ＶＤＣ層は、さらに、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分布されたスペーサと、を備え、前記ＰＤＬＣが、前記スペーサの間に分散され、
   前記信号線が、前記上部誘電体膜の上方に設けられ、
   前記制御線が、前記底部誘電体膜の下に設けられている請求項１に記載のアンテナ。
6. 前記ＶＤＣ層は、さらに、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分布されたスペーサとを備え、前記ＰＤＬＣが、前記スペーサの間に分散され、
   前記信号線が、前記底部誘電体膜の下に設けられ、
   前記接地面が、前記上部誘電体膜の上方に設けられ、複数の窓であって、それぞれの窓が前記放射パッチと、前記信号線の対応する１つとの間に見通せる直線上に位置合わせされている複数の窓と、を備える請求項１に記載のアンテナ。
7. さらに、複数の直交する信号線を備え、それぞれが前記放射パッチの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請求項１に記載のアンテナ。
8. 第２の接地面をさらに備える請求項７に記載のアンテナ。
9. 前記第２の接地面は、複数の窓であって、それぞれが、前記放射パッチの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ている複数の窓を備える請求項８に記載のアンテナ。
10. 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７に記載のアンテナ。
11. 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７に記載のアンテナ。
12. 前記ＶＤＣ層が、さらに、上部膜と、底部膜と、前記上部膜と底部膜との間の複数のスペーサとを備え、前記ＰＤＬＣが前記スペーサの間に分散されている請求項１に記載のアンテナ。
13. 誘電体プレートと、
    前記誘電体プレート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つの窓を有する接地面であって、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つの信号線と、
    前記信号線と、前記接地面との間に設けられた液晶層であって、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複数のスペーサと、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高分子層と、前記高分子層内に分散された複数の液晶マイクロドメインと、を含む液晶層と、を備え、前記高分子層が、被せん断応力高分子層を含み、前記液晶マイクロドメインがせん断配向されたドメインを含むアンテナ。
14. さらに、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備え、
    前記複数の制御線は、電位を印加するコントローラに結合され、前記液晶マイクロドメインの液晶を印加された電位に応じた量回転させ、前記接地面と対応する信号線との間に形成されるコンデンサの特性を変化させる請求項１３に記載のアンテナ。
15. 前記制御線は、前記信号線のうち任意の信号線と接触していない請求項１４に記載のアンテナ。
16. 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、
    をさらに備える請求項１３に記載のアンテナ。
17. 前記第２の接地面が、前記複数の第２の信号線の下に配置された請求項１６に記載のアンテナ。
18. 前記複数の第２の信号線のそれぞれが、前記少なくとも１つの信号線の１つと直交するように配置された請求項１６に記載のアンテナ。