WO2023140243A1 - リフレクトアレイ - Google Patents

リフレクトアレイ Download PDF

Info

Publication number
WO2023140243A1
WO2023140243A1 PCT/JP2023/001140 JP2023001140W WO2023140243A1 WO 2023140243 A1 WO2023140243 A1 WO 2023140243A1 JP 2023001140 W JP2023001140 W JP 2023001140W WO 2023140243 A1 WO2023140243 A1 WO 2023140243A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
bias
electrode
reflect array
common
liquid crystal
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/001140
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
光隆 沖田
盛右 新木
真一郎 岡
大一 鈴木
強 陳
弘康 佐藤
英夫 藤掛
Original Assignee
株式会社ジャパンディスプレイ
国立大学法人東北大学
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社ジャパンディスプレイ, 国立大学法人東北大学 filed Critical 株式会社ジャパンディスプレイ
Publication of WO2023140243A1 publication Critical patent/WO2023140243A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures

Definitions

  • An embodiment of the present invention relates to a reflect array electrode structure capable of controlling the scattering direction of incident waves.
  • Reflect arrays have the function of scattering incident waves in a desired direction, and are used, for example, to scatter radio waves in areas where radio waves do not reach easily (dead zones) in valleys between high-rise buildings.
  • a reflect array for example, a structure in which a main array element (dipole element), a subarray element (parasitic element), and a common electrode (ground electrode) are provided with a dielectric substrate interposed therebetween, and the subarray element is arranged close to the main array element (Patent Document 1), and a structure in which the dielectric substrate is sandwiched between the array element and the common electrode (ground electrode), and in which the common electrode has a periodic loop shape (Patent Document 2).
  • the dielectric anisotropy of the liquid crystal material can be used, making it possible to make the directivity of the reflected wave variable.
  • the wiring for bias is provided carelessly, it affects the electric field between the array elements, resulting in a problem that the intended reflection characteristics cannot be obtained.
  • a reflect array includes at least one common electrode arranged on the radio wave incident side, at least one bias electrode arranged so as to overlap the back surface of the at least one common electrode, a bias signal line arranged on the back surface side of the at least one common electrode and connected to the at least one bias electrode, and a liquid crystal layer between the at least one common electrode and the at least one bias electrode.
  • At least one common electrode has a constant potential, and a bias voltage that changes the dielectric constant of the liquid crystal layer is applied to at least one bias electrode via a bias signal line.
  • FIG. 1 shows a plan view of a reflect array according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a reflect array according to an embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 4 shows a plan view of a unit cell that constitutes a reflect array according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of a unit cell that constitutes a reflect array according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4B is a diagram for explaining the operation of the unit cells that constitute the reflect array according to the embodiment of the present invention, and shows a state in which no bias voltage is applied to the liquid crystal layer.
  • FIG. 4B is a diagram for explaining the operation of the unit cells that constitute the reflect array according to the embodiment of the present invention, and shows a state in which a bias voltage is applied to the liquid crystal layer.
  • FIG. 4 schematically shows that the traveling direction of scattered waves is changed by the reflect array according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a plan view of a reflect array according to an embodiment of the present invention;
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a reflect array according to an embodiment of the present invention;
  • FIG. 4 shows the configuration and electrical state of bias electrodes of a reflect array according to an embodiment of the present invention
  • 4 shows the configuration and electrical state of bias electrodes of a reflect array according to an embodiment of the present invention
  • 4 shows the configuration and electrical state of bias electrodes of a reflect array according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of a unit cell that constitutes a reflect array according to an embodiment of the present invention, and shows a circuit configuration in which a capacitor is connected to a bias electrode
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of a unit cell that constitutes a reflect array according to an embodiment of the present invention, and shows the structure when a capacitor is connected to a bias electrode
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of a unit cell that constitutes a reflect array according to an embodiment of the present invention, and shows the structure when a capacitor is connected to a bias electrode
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of a unit cell that constitutes a reflect array according to an embodiment of the present invention, and shows the structure when a capacitor is connected to a bias electrode;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of a unit cell that constitutes the reflect array according to one embodiment of the present invention, and shows the configuration when a coil is connected to a common electrode;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of a unit cell that constitutes a reflect array according to an embodiment of the present invention, and shows a circuit configuration in which an inductor is connected to a bias electrode;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of a unit cell that constitutes a reflect array according to an embodiment of the present invention, and shows the structure when an inductor is connected to a bias electrode;
  • the reflect array according to this embodiment has a structure in which a common electrode and a bias electrode are arranged with a liquid crystal layer used as a dielectric layer interposed therebetween. Details thereof will be described below with reference to the drawings.
  • FIG. 1A shows a plan view of a reflect array 100A according to the first embodiment
  • FIG. 1B shows a cross-sectional structure corresponding to AB shown in the plan view.
  • both FIGS. 1A and 1B will be referred to as appropriate.
  • the reflect array 100A includes at least one common electrode 102, at least one bias electrode 104, and a liquid crystal layer 106 arranged between these electrodes.
  • the common electrodes 102 are arranged in the X-axis direction and the Y-axis direction
  • the bias electrodes 104 are arranged in a matrix in the X-axis direction and the Y-axis direction so as to correspond to the common electrodes 102 . Therefore, the reflect array 100A has a configuration in which a plurality of common electrodes 102 and a plurality of bias electrodes 104 are arranged to form a matrix.
  • the X-axis direction and the Y-axis direction are used for explanation, and specifically indicate the directions displayed in FIG. 1A.
  • the X-axis direction and the Y-axis direction can also be read as one direction and a direction crossing the one direction.
  • Adjacent common electrodes 102 are interconnected by common wiring 108 .
  • the bias electrodes 104 are arranged so that adjacent ones have a gap and are arranged in a physically separated state.
  • the common electrode 102 is provided on the first substrate 150 and the bias electrode 104 is provided on the second substrate 152 .
  • the reflect array 100A is a device that scatters radio waves incident on an incident surface in a predetermined direction. That is, the common electrode 102 is arranged on the incident surface, and the bias electrode 104 is arranged on the back surface of the common electrode 102 with the liquid crystal layer 106 interposed therebetween.
  • the reflect array 100A has a structure in which a common electrode 102, a liquid crystal layer 106, and a bias electrode 104 are arranged so as to overlap in plan view.
  • the reflect array 100A is arranged such that the surface of the first substrate 150 on which the common electrode 102 is provided faces the surface of the second substrate 152 on which the bias electrode 104 is provided, and the liquid crystal layer 106 is arranged between them.
  • a basic unit of the reflect array 100A is a laminated structure (which may also include the first substrate 150 and the second substrate 152) of a set of common electrodes 102, a liquid crystal layer 106, and a bias electrode 104.
  • FIG. This basic unit is hereinafter referred to as a unit cell 10A.
  • a selection signal line 110 extending in the X direction, a bias signal line 112 extending in the Y direction, and a switching element 116 are provided on the second substrate 152 .
  • the switching elements 116 are provided in one-to-one correspondence with the bias electrodes 104 .
  • the switching element 116 has its switching operation (on/off state) controlled by a selection signal on a selection signal line 110 and receives a bias signal (bias voltage) from a bias signal line 112 .
  • a bias signal is individually input to the bias electrode 104 by a switching element 116 . That is, bias signals are individually input to the bias electrodes 104 arranged in a matrix from the switching elements 116 .
  • a first alignment film 114A is provided on the first substrate 150, and a second alignment film 114B is provided on the second substrate 152.
  • the first alignment film 114A is provided to cover the common electrode 102, and the second alignment film 114B is provided to cover the bias electrode 104.
  • the first alignment film 114A and the second alignment film 114B are provided to control the alignment state of the liquid crystal layer 106 .
  • the liquid crystal layer 106 contains elongated rod-like liquid crystal molecules.
  • the initial alignment state (the alignment state in which no electric field acts) of the liquid crystal molecules is controlled by the first alignment film 114A and the second alignment film 114B.
  • the alignment state of liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 106 is controlled by the bias electrode 104 . Since the bias voltage applied to the bias electrode 104 can be controlled for each unit cell 10A, the alignment state of liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 106 can also be controlled for each unit cell 10A.
  • the dielectric constant of the liquid crystal layer 106 changes depending on the alignment state of the liquid crystal molecules.
  • the phase of the scattered wave of the reflect array 100A changes depending on the dielectric constant of the liquid crystal layer 106. FIG. Therefore, by changing the dielectric constant of the liquid crystal layer 106 for each unit cell 10A, it is possible to generate a phase difference in the plane of the reflect array 100A and control the traveling direction of the scattered wave.
  • the unit cell 10A can also be regarded as a patch antenna in which a patch electrode (common electrode 102) is provided on the top surface of a dielectric (liquid crystal layer 106) and a reflective electrode (bias electrode 104) is provided on the back surface, and the reflect array 100A can also be called a reflect array antenna.
  • the bias electrode 104 functions as a reflector, it is preferable that the bias electrode 104 be arranged so that the distance between adjacent bias electrodes is as narrow as possible.
  • the selection signal line 110 and the bias signal line 112 provided on the second substrate 152 are provided in a layer (lower layer side) different from the bias electrode 104 with an insulating layer 118 interposed therebetween.
  • the bias electrodes 104 can be arranged at a narrow pitch without being affected by the wiring. For example, as shown in FIG. 1B, the spacing W1 between the bias electrodes 104a and 104b can be narrower than the spacing W2 between adjacent common electrodes 102 (W1 ⁇ W2).
  • the second substrate 152 may be provided with a drive circuit that outputs a selection signal to the selection signal line 110 and a drive circuit that outputs a bias signal to the bias signal line 112. Further, an input terminal for inputting a signal and driving power for driving these driving circuits may be provided.
  • FIGS. 2A and 2B show details of the unit cell 10A that constitutes the reflect array 100A.
  • FIG. 2A shows a plan view of the unit cell 10A
  • FIG. 2B shows a cross-sectional structure along line CD shown in the plan view.
  • the unit cell 10A is arranged such that the common electrode 102, the liquid crystal layer 106, and the bias electrode 104 overlap in plan view.
  • the common electrode 102 used in this embodiment has a symmetrical shape with respect to the vertical and horizontal polarizations of incident radio waves.
  • FIG. 2A shows an example where the common electrode 102 is square.
  • the size (vertical and horizontal dimensions) of the common electrode 102 is appropriately set according to the frequency of the target radio wave. Note that the shape of the common electrode 102 is not limited to a square, and may be rectangular or have other geometric shapes.
  • the common electrode 102 is connected to the common wiring 108 .
  • the connection structure between the common wiring 108 and the common electrode 102 is not limited, but for example, the common wiring 108 and the common electrode 102 are formed of the same conductive layer.
  • Common wiring 108 is connected to a power supply circuit (not shown). Alternatively, the common wiring 108 is grounded or connected to a grounded wiring. As shown in FIG. 1A, common wiring 108 connects adjacent common electrodes 102 . By connecting the common electrodes 102 to each other by the common wiring 108, the common electrodes 102 arranged in a matrix have the same potential.
  • the bias electrode 104 is formed with a large area in order to function as a reflector. As shown in FIG. 2A, the bias electrode 104 has a larger area than the common electrode 102 in the unit cell 10A. The bias electrode 104 and the common electrode 102 are provided so as to overlap each other, and at this time, the common electrode 102 is arranged in a region inside the bias electrode 104 .
  • a switching element 116 , a selection signal line 110 and a bias signal line 112 are provided on the second substrate 152 .
  • a switching element 116 connects the bias signal line 112 and the bias electrode 104 .
  • a switching operation (ON/OFF operation) of the switching element 116 is controlled by a selection signal on the selection signal line 110 .
  • the bias electrode 104 is connected to the bias signal line 112 through the switching element 116 .
  • 2A and 2B show an example in which switching element 116 is formed of a transistor.
  • the transistor has a structure in which a semiconductor layer 120, a gate insulating layer 122, and a gate electrode 124 are stacked.
  • An interlayer insulating layer 126 is provided on the gate electrode 124, and the bias signal line 112 is provided thereon.
  • the switching elements 116 and bias signal lines 112 are filled with a planarization layer 128 .
  • a bias electrode 104 is provided over the planarization layer 128 .
  • the bias electrode 104 is connected to an input/output terminal (source or drain) of a switching element (transistor) 116 through a contact hole.
  • a gate electrode 124 of the switching element (transistor) 116 is connected to the selection signal line 110 , and an input/output terminal (source or drain) not connected to the bias electrode 104 is connected to the bias signal line 11
  • each bias electrode 104 By connecting each bias electrode 104 to the bias signal line 112 via the switching element 116, the potential of the bias electrode 104 is individually controlled.
  • the selection signal line 110 , the bias signal line 112 and the switching element 116 provided on the lower layer side of the bias electrode 104 are buried in the planarization layer 128 . Since the bias electrode 104 is provided on the planarization layer 128, it is possible to increase the area without being affected by the selection signal line 110, the bias signal line 112, and the switching element . Also, the adjacent intervals between the bias electrodes 104 arranged in a matrix can be narrowed.
  • the orientation of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 106 is controlled by the bias electrode 104 . That is, the alignment state of the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 106 is controlled by the bias signal applied to the bias electrode 104 .
  • the bias signal is a DC voltage signal or a polarity-inverted DC voltage signal in which a positive DC voltage and a negative DC voltage are alternately inverted.
  • the liquid crystal layer 106 is made of a liquid crystal material having dielectric anisotropy.
  • nematic liquid crystal, smectic liquid crystal, cholesteric liquid crystal, and discotic liquid crystal can be used as the liquid crystal material forming the liquid crystal layer 106 .
  • the dielectric constant of the liquid crystal layer 106 changes depending on the alignment state of the liquid crystal molecules.
  • the alignment state of liquid crystal molecules is controlled by the bias electrode 104 .
  • the phase of the scattered wave changes according to the dielectric constant of the liquid crystal layer@.
  • the frequency bands to which the reflect array 100A is applied are the very high frequency (VHF) band, ultra-high frequency (UHF) band, super high frequency (SHF) band, submillimeter wave (THF), and millimeter wave (EHF: extra high frequency) band.
  • VHF very high frequency
  • UHF ultra-high frequency
  • SHF super high frequency
  • THF submillimeter wave
  • EHF millimeter wave
  • the orientation of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 106 changes depending on the bias voltage applied to the bias electrode 104 , but the orientation of the liquid crystal molecules hardly follows the frequency of the radio waves incident on the common electrode 102 . Due to such characteristics of the liquid crystal molecules, it is possible to scatter radio waves by the common electrode 102 while changing the dielectric constant of the liquid crystal layer 106 by the bias electrode 104 and control the phase of the scattered radio waves.
  • the first substrate 150 is made of glass, quartz, or the like.
  • the second substrate 152 is made of a dielectric material such as glass, quartz, resin, or the like. Each layer provided on the first substrate 150 and the second substrate 152 is formed using the following materials.
  • the semiconductor layer 120 is formed of an oxide semiconductor including a silicon semiconductor such as amorphous silicon or polycrystalline silicon, or a metal oxide such as indium oxide, zinc oxide, or gallium oxide.
  • the gate insulating layer 122 and the interlayer insulating layer 126 are formed of, for example, a silicon oxide film or a laminated structure of a silicon oxide film and a silicon nitride film.
  • the selection signal line 110 and the gate electrode 124 are made of, for example, molybdenum (Mo), tungsten (W), or alloys thereof.
  • the bias signal line 112 is formed using a metal material such as titanium (Ti), aluminum (Al), molybdenum (Mo).
  • the bias signal line 112 has a laminated structure of titanium (Ti)/aluminum (Al)/titanium (Ti) or a laminated structure of molybdenum (Mo)/aluminum (Al)/molybdenum (Mo).
  • the planarization layer 128 is made of a resin material such as acrylic or polyimide.
  • the common electrode 102 and the bias electrode 104 are formed of a metal film such as aluminum (Al) or copper (Cu), or a transparent conductive film such as indium tin oxide (ITO).
  • the first substrate 150 and the second substrate 152 are arranged with a gap therebetween and are bonded together with a sealing material.
  • the liquid crystal layer 106 is enclosed within a region surrounded by the first substrate 150, the second substrate 152, and the sealing material.
  • the gap between the first substrate 150 and the second substrate 152 is approximately 20 ⁇ m to 100 ⁇ m, for example, 50 ⁇ m.
  • a spacer may be provided between the first substrate 150 and the second substrate 152 to keep the gap constant.
  • common electrodes 102 arranged in a matrix are connected to each other by common wiring 108, and bias electrodes 104 are connected to bias signal lines 112 via switching elements 116, so that the potential can be individually controlled, so that the dielectric constant of the liquid crystal layer 106 can be changed for each unit cell 10A. Thereby, the phase of scattered waves can be controlled for each unit cell 10A.
  • FIGS. 3A and 3B illustrate the operation of the unit cell 10A.
  • FIGS. 3A and 3B show the case where the first alignment film 114A and the second alignment film 114B are horizontal alignment films.
  • FIG. 3A shows a state in which no bias voltage is applied to the bias electrode 104.
  • FIG. 3A shows a state in which no DC voltage is applied to the bias electrode 104 at a level that changes the alignment state of the liquid crystal molecules. This state is hereinafter referred to as the "first state".
  • the first state has a state in which the long axis direction of the liquid crystal molecules 130 is aligned horizontally with respect to the surfaces of the common electrode 102 and the bias electrode 104 .
  • FIG. 3B shows a state in which a bias voltage having a voltage level that changes the alignment state of the liquid crystal molecules 130 is applied to the bias electrode 104 .
  • This state is hereinafter referred to as a "second state".
  • the long axis direction of the liquid crystal molecules 130 is oriented perpendicular to the surfaces of the common electrode 102 and the bias electrode 104 under the influence of the electric field generated by the bias voltage.
  • the angle at which the long axes of the liquid crystal molecules 130 are oriented can be controlled by the magnitude of the bias signal applied to the bias electrode 104, and can be oriented at an intermediate angle between horizontal and vertical.
  • the dielectric constant is larger in the second state (FIG. 3B) than in the first state (FIG. 3A).
  • the apparent dielectric constant is smaller in the second state (FIG. 3B) than in the first state (FIG. 3A).
  • the liquid crystal layer 106 formed of liquid crystal having dielectric anisotropy can also be regarded as a variable dielectric layer. By using the dielectric anisotropy of the liquid crystal layer 106, the unit cell 10A can be controlled so as to delay (or not delay) the phase of the radio wave scattered by the common electrode 102.
  • FIG. 4 schematically shows how the traveling direction of the reflected wave changes due to the first unit cell 10A-1 and the second unit cell 10A-2.
  • a bias signal V1 is applied from a bias signal line 112a to the bias electrode 104a of the first unit cell 10A-1
  • a bias signal V2 is applied from a bias signal line 112b to the bias electrode 104b of the second unit cell 10A-2.
  • the voltage levels of the bias signal V1 and the bias signal V2 are different (V1 ⁇ V2).
  • the common electrode 102 of the first unit cell 10A-1 and the second unit cell 10B-1 is grounded.
  • FIG. 4 schematically shows that when radio waves are incident on the first unit cell 10A-1 and the second unit cell 10A-2 in the same phase, different bias signals (V1 ⁇ V2) are applied to the first unit cell 10A-1 and the second unit cell 10A-2, so that the phase change of the scattered wave by the second unit cell 10A-2 is greater than that of the first unit cell 10A-1.
  • the phase of the scattered wave R1 scattered by the first unit cell 10A-1 is different from the phase of the scattered wave R2 scattered by the second unit cell 10A-2 (in FIG. 4, the phase of the scattered wave R2 leads the phase of the scattered wave R1), and the traveling direction of the scattered wave apparently changes obliquely.
  • the reflect array 100A can make the first unit cell 10A-1 and the second unit cell 10A-2 differ in phase of the scattered wave with respect to the incident wave.
  • FIG. 4 schematically shows two unit cells, in practice, by individually controlling the unit cells 10A arranged in a matrix, the traveling direction of scattered waves can be arbitrarily controlled without changing the direction of the reflect array 100A.
  • a plurality of common electrodes 102 arranged on the reflective surface of the reflect array 100A are held at a constant potential (for example, ground potential), and bias electrodes 104a and 104b and bias signal lines 112a and 112b for applying a bias voltage to the liquid crystal layer 106 are arranged behind the common electrodes 102, so that the front side of the reflect array 100A is not affected by the electric field generated by the bias signal lines 112a and 112b. I can.
  • the common electrode 102 is arranged on the plane of incidence of radio waves and held at a constant potential, so that the electric field can be prevented from being disturbed by the bias signal line 112 to which the bias voltage is applied, and the traveling direction of the scattered waves can be accurately controlled.
  • This embodiment shows an example of a reflect array in which the structure of the common electrode is different from that of the first embodiment.
  • the parts different from the first embodiment will be mainly explained, and overlapping parts will be omitted as appropriate.
  • FIG. 5A shows a plan view of a reflect array 100B according to the second embodiment
  • FIG. 5B shows a cross-sectional structure corresponding to AB shown in the plan view.
  • the reflect array 100B has a structure in which a first substrate 150 and a second substrate 152 are provided, and a common electrode 102b, a liquid crystal layer 106, and a bias electrode 104 are laminated between the two substrates.
  • the reflect array 100B has a form in which multiple resonance unit cells 10B are arranged.
  • the multiple resonance unit cell 10B differs from the unit cell 10A shown in the first embodiment in the shape of the common electrode 102b.
  • the common electrode 102b has a structure in which a plurality of parallel dipoles are arranged.
  • the multiple parallel dipoles have different lengths and different resonance frequencies.
  • FIG. 5A shows a configuration in which four parallel dipoles with different lengths are arranged along the Y-axis direction. The length and number of parallel dipoles are arbitrary and can be set as appropriate.
  • the common electrode 102b is connected by a common wiring 108b.
  • the common wiring 108 is arranged in both the X-axis direction and the Y-axis direction, but in this embodiment, the common wiring 108b is arranged only in the Y-axis direction that intersects the parallel dipoles.
  • the common wiring 108b may be connected to each other in the outer region where the multiple resonance unit cells 10B are arranged.
  • a constant potential (for example, ground potential) is applied to the common wiring 108b.
  • the multiple resonance unit cell 10B can be configured by configuring the common electrode 102b with a plurality of parallel dipoles.
  • the reflect array 100B according to the present embodiment is the same as the reflect array 100A according to the first embodiment except for the shape of the common electrode 102b, and can obtain the same effects. Furthermore, the reflect array 100B according to the present embodiment can significantly improve the bandwidth, phase range, and loss by being configured with the multiple resonance unit cells 10B.
  • FIG. 6A shows a cross-sectional schematic structure of the reflect array 100.
  • a first substrate 150 provided with a common electrode 102 and a second substrate 152 provided with a bias electrode 104 are arranged to face each other, and a liquid crystal layer 106 is provided therebetween. Since the bias electrodes 104 of the reflect array 100 function as reflectors, the bias electrodes 104 divided for each unit cell 10 are preferably regarded as one continuous conductor plate in terms of high frequency.
  • the gap W1 between the bias electrode 104a and the adjacent bias electrode 104b is narrowed so that a capacitor is apparently formed and capacitive coupling is formed.
  • the interval W1 is preferably 5 ⁇ m or less, for example, 1 ⁇ m.
  • an insulating member 132 may be provided between the bias electrodes 104a and 104b to adjust the capacitance.
  • the insulating member 132 preferably uses an insulating material having a dielectric constant higher than that of the liquid crystal.
  • an insulating material having a relative dielectric constant of 3 or more is preferably used, such as silicon nitride, aluminum oxide, hafnium oxide, hafnium silicate, or tantalum oxide. These dielectric materials have relative dielectric constants of about 7 to 18, which is higher than that of liquid crystal materials. Therefore, the bias electrodes can be capacitively coupled more effectively than the structure shown in FIG. 6A.
  • the bias electrodes may be capacitively coupled as shown in FIG. 6A or 6B, and grounded via a capacitor 134 at the terminal end.
  • FIG. 7A shows the circuit configuration of the unit cell 10.
  • the bias electrode 104 is connected to the bias signal line 112 through the switching element 116.
  • a capacitor 136 may be connected in parallel between the bias electrode 104 and the switching element 116 and grounded through the capacitor 136.
  • a grounded common wiring 138 may be provided and a capacitor 136 may be connected between the bias electrode 104 and the common wiring 138 .
  • FIG. 7B shows a specific example of the circuit configuration shown in FIG. 7A.
  • the capacitor 136 can be formed by providing the bias electrode 104 and the capacitive electrode 140 overlapping with an insulating layer (not shown) interposed therebetween. By connecting the capacitor electrode 140 to the common wiring 138, the circuit configuration shown in FIG. 7A can be obtained.
  • a capacitor electrode 140 extending over substantially the entire surface of the second substrate 152 via the insulating layer 118 may be provided on the lower layer side of the bias electrode 104, and the capacitor electrode 140 may be grounded.
  • the gain of the reflect array 100 can be improved by capacitively coupling the plurality of bias electrodes 104 to form continuous reflectors in terms of high frequencies.
  • the configuration shown in this embodiment can be implemented by appropriately combining the reflect array 100A shown in the first embodiment and the reflect array 100B shown in the second embodiment.
  • FIG. 9 shows a plan view of the reflect array 100B.
  • the common electrodes 102b connected by the common wiring 108b extending in the Y-axis direction may be connected at the ends by the common wiring 108a extending in the X-axis direction and connected to the power supply circuit 144.
  • a coil 142 is preferably connected in series between the common wiring 108 b and the power supply circuit 144 .
  • a power supply circuit 144 is used to control the common electrode 102b to a predetermined potential. By providing the coil 142 between the common electrode 102b and the power supply circuit 144, it is possible to cut high frequencies and prevent circuit failure.
  • FIG. 9 shows the common electrode 102b of the reflect array 100B, the same configuration can be applied to the reflect array 100A shown in the first embodiment.
  • FIG. 10A shows the circuit configuration of the unit cell 10.
  • FIG. An inductor 146 may be connected in series between the bias electrode 104 and the switching element 116, as shown in FIG. 10A.
  • Inductor 146 may be formed using the conductive film forming bias electrode 104, as shown in FIG. 10B. With such a configuration, high-frequency current can be prevented from flowing into the switching element 116 and the bias signal line 112, and failure of the switching element 116 and the control circuit can be prevented.
  • the configuration shown in this embodiment can be implemented by appropriately combining with the reflect array 100A shown in the first embodiment and the reflect array 100B shown in the second embodiment.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)

Abstract

リフレクトアレイは、電波の入射側に配置された少なくとも１つのコモン電極と、少なくとも１つのコモン電極の背面に重なるように配置された少なくとも１つのバイアス電極と、少なくとも１つのコモン電極の背面側に配置され少なくとも１つのバイアス電極に接続されるバイアス信号線と、少なくとも１つのコモン電極と少なくとも１つのバイアス電極との間の液晶層とを有する。少なくとも１つのコモン電極は一定電位を有し、少なくとも１つのバイアス電極にバイアス信号線を介して液晶層の誘電率を変化させるバイアス電圧が印加される。

Description

リフレクトアレイ
　本発明の一実施形態は、入射波の散乱方向を制御することのできるリフレクトアレイの電極構造に関する。
　リフレクトアレイは、入射波を所望の方向に散乱する機能を有し、例えば、高層ビルの谷間の電波が届きにくい地帯（不感地帯）に電波を散乱させるときに使用される。リフレクトアレイとして、例えば、メインアレイ素子（ダイポール素子）及びサブアレイ素子（無給電素子）とコモン電極（接地電極）とが誘電体基板を挟んで設けられ、メインアレイ素子にサブアレイ素子が近接して配置された構成（特許文権１）、アレイ素子とコモン電極（接地電極）が誘電体基板を挟む構造において、コモン電極が周期的なループ形状を有する構成（特許文献２）が開示されている。
特開２０１１－０１９０２１号公報 特開２０１０－２２６６９５号公報
　リフレクトアレイの誘電体基板に相当する部分を液晶層に置き換えると、液晶材料の誘電率異方性を利用することができ、反射波の指向性を可変にすることが可能となる。誘電率を変化させるためには液晶層に電圧を印加する必要があり、そのためにバイアス用の配線を設ける必要がある。しかし、バイアス用の配線を不用意に設けるとアレイ素子間の電界に影響を及ぼし、意図する反射特性が得られないことが問題となる。
　本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイは、電波の入射側に配置された少なくとも１つのコモン電極と、少なくとも１つのコモン電極の背面に重なるように配置された少なくとも１つのバイアス電極と、少なくとも１つのコモン電極の背面側に配置され少なくとも１つのバイアス電極に接続されるバイアス信号線と、少なくとも１つのコモン電極と少なくとも１つのバイアス電極との間の液晶層とを有する。少なくとも１つのコモン電極は一定電位を有し、少なくとも１つのバイアス電極にバイアス信号線を介して液晶層の誘電率を変化させるバイアス電圧が印加される。
本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイの平面図を示す。 本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイの断面図を示す。 本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイを構成するユニットセルの平面図を示す。 本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイを構成するユニットセルの断面図を示す。 本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイを構成するユニットセルの動作を説明する図であり、液晶層にバイアス電圧が印加されない状態を示す。 本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイを構成するユニットセルの動作を説明する図であり、液晶層にバイアス電圧が印加された状態を示す。 本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイによって散乱波の進行方向が変化することを模式的に示す。 本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイの平面図を示す。 本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイの断面図を示す。 本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイのバイアス電極の構成及び電気的な状態を示す。 本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイのバイアス電極の構成及び電気的な状態を示す。 本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイのバイアス電極の構成及び電気的な状態を示す。 本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイを構成するユニットセルの構成を説明する図であり、バイアス電極にキャパシタが接続された回路構成を示す。 本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイを構成するユニットセルの構成を説明する図であり、バイアス電極にキャパシタが接続されたときの構造を示す。 本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイを構成するユニットセルの構成を説明する図であり、バイアス電極にキャパシタが接続されたときの構造を示す。 本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイを構成するユニットセルの構成を説明する図であり、コモン電極にコイルが接続されたときの構成を示す。 本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイを構成するユニットセルの構成を説明する図であり、バイアス電極にインダクタが接続された回路構成を示す。 本発明の一実施形態に係るリフレクトアレイを構成するユニットセルの構成を説明する図であり、バイアス電極にインダクタが接続されたときの構造を示す。
　以下、本発明の実施の形態を、図面など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、形状など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。
［第１実施形態］
　本実施形態に係るリフレクトアレイは、誘電体層として用いられる液晶層を挟んで、コモン電極とバイアス電極とが配置された構造を有する。以下、その詳細について図面を参照して説明する。
１－１．リフレクトアレイ
　図１Ａは、第１実施形態に係るリフレクトアレイ１００Ａの平面図を示し、図１Ｂは平面図に示すＡ－Ｂ間に対応する断面構造を示す。以下の説明では、図１Ａ及び図１Ｂの両方を適宜参照するものとする。
　リフレクトアレイ１００Ａは、少なくとも１つのコモン電極１０２と、少なくとも１つのバイアス電極１０４と、これらの電極の間に配置された液晶層１０６と、を含む。図１Ａに示すように、コモン電極１０２はＸ軸方向及びＹ軸方向に配列され、バイアス電極１０４はコモン電極１０２に対応するようにＸ軸方向及びＹ軸方向にマトリクス状に配列される。したがって、リフレクトアレイ１００Ａは、コモン電極１０２及びバイアス電極１０４がそれぞれ複数個、マトリクスを形成するように配列された構成を有する。なお、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は説明のために用いられ、具体的には図１Ａに表示される方向を示す。Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、一方向及び一方向に交差する方向と読み替えることもできる。
　コモン電極１０２は、隣接するもの同士がコモン配線１０８により相互に連結される。これに対し、バイアス電極１０４は、隣接するもの同士が間隙を有するように配置され、物理的に分離された状態で配置される。コモン電極１０２は第１基板１５０に設けられ、バイアス電極１０４は第２基板１５２に設けられる。リフレクトアレイ１００Ａは入射面に入射した電波を所定の方向に散乱するデバイスであり、第１基板１５０が入射面側に配置され、第２基板１５２が入射面の裏側に配置される。すなわち、入射面にコモン電極１０２が配置され、コモン電極１０２の背面に液晶層１０６を挟んでバイアス電極１０４が配置される。
　リフレクトアレイ１００Ａは、コモン電極１０２、液晶層１０６、バイアス電極１０４が平面視で重畳するように配置された構造を有する。また、リフレクトアレイ１００Ａは、第１基板１５０のコモン電極１０２が設けられた面と、第２基板１５２のバイアス電極１０４が設けられた面とが対向するように配置され、その間に液晶層１０６が配置される。リフレクトアレイ１００Ａは、一組のコモン電極１０２、液晶層１０６、及びバイアス電極１０４の積層構造（第１基板１５０及び第２基板１５２も含み得る）が基本単位となる。以下においては、この基本単位をユニットセル１０Ａと呼ぶ。
　第２基板１５２には、Ｘ方向に延伸する選択信号線１１０と、Ｙ方向に延伸するバイアス信号線１１２と、スイチング素子１１６が設けられる。スイチング素子１１６はバイアス電極１０４に１対１で対応するように設けられる。スイッチング素子１１６は選択信号線１１０の選択信号によりスイッチング動作（オン／オフ状態）が制御され、バイアス信号線１１２からバイアス信号（バイアス電圧）が入力される。バイアス電極１０４はスイッチング素子１１６により個別にバイアス信号が入力される。すなわち、マトリクス状に配列されるバイアス電極１０４は、スイッチング素子１１６により個別にバイアス信号が入力される。
　第１配向膜１１４Ａが第１基板１５０に設けられ、第２配向膜１１４Ｂが第２基板１５２に設けられる。第１配向膜１１４Ａはコモン電極１０２を覆うように設けられ、第２配向膜１１４Ｂはバイアス電極１０４を覆うように設けられる。第１配向膜１１４Ａ及び第２配向膜１１４Ｂは、液晶層１０６の配向状態を制御するために設けられる。液晶層１０６は細長い棒状の液晶分子を含む。液晶分子は第１配向膜１１４Ａ及び第２配向膜１１４Ｂによって初期配向状態（電界が作用しない状態の配向状態）が制御される。
　液晶層１０６の液晶分子の配向状態は、バイアス電極１０４によって制御される。バイアス電極１０４に印加されるバイアス電圧は、ユニットセル１０Ａごとに制御可能であるため、液晶層１０６の液晶分子の配向状態もユニットセル１０Ａごとに制御することができる。液晶層１０６は、液晶分子の配向状態で誘電率が変化する。リフレクトアレイ１００Ａの散乱波は、液晶層１０６の誘電率によって位相が変化する。したがって、ユニットセル１０Ａごとに液晶層１０６の誘電率を変化させることで、リフレクトアレイ１００Ａの面内で位相差を生じさせ、散乱波の進行方向を制御することが可能となる。
　リフレクトアレイ１００Ａは、コモン電極１０２が配列する面で入射する入射波を散乱するため、コモン電極１０２は散乱体とも呼ばれる。また、ユニットセル１０Ａは、誘電体（液晶層１０６）の上面にパッチ電極（コモン電極１０２）が設けられ、背面に反射電極（バイアス電極１０４）が設けられたパッチアンテナとみなすこともでき、リフレクトアレイ１００Ａは、リフレクトアレイアンテナと呼ぶこともできる。
　バイアス電極１０４は反射板としての機能を有するため、隣接するバイアス電極との間隔が極力狭くなるように配置されることが好ましい。第２基板１５２に設けられる選択信号線１１０及びバイアス信号線１１２は、絶縁層１１８を挟んでバイアス電極１０４と異なる層（下層側）に設けられる。このような多層構造により、バイアス電極１０４を配線の影響を受けずに狭ピッチで配列することができる。例えば、図１Ｂに示すように、バイアス電極１０４ａとバイアス電極１０４ｂとの間隔Ｗ１を、コモン電極１０２の隣接間隔Ｗ２より狭くすることができる（Ｗ１＜Ｗ２）。
　なお、図１Ａ及び図１Ｂに図示されないが、第２基板１５２には選択信号線１１０に選択信号を出力する駆動回路、バイアス信号線１１２にバイアス信号を出力する駆動回路が設けられていてもよい。また、これらの駆動回路を駆動する信号及び駆動電力を入力する入力端子が設けられていてもよい。
１－２．ユニットセル
　図２Ａ及び図２Ｂは、リフレクトアレイ１００Ａを構成するユニットセル１０Ａの詳細を示す。図２Ａはユニットセル１０Ａの平面図を示し、図２Ｂは平面図に示すＣ－Ｄ間の断面構造を示す。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ユニットセル１０Ａは、平面視において、コモン電極１０２、液晶層１０６、及びバイアス電極１０４が平面視で重畳するように配置される。
　本実施形態で用いられるコモン電極１０２は、入射する電波の垂直偏波及び水平偏波に対して対象な形状を有する。図２Ａは、コモン電極１０２が正方形である一例を示す。コモン電極１０２の大きさ（縦及び横の寸法）は、対象とする電波の周波数に応じて適宜設定される。なお、コモン電極１０２の形状は正方形に限定されず、長方形であってもよいし、他の幾何学的な形状を有していてもよい。
　コモン電極１０２は、コモン配線１０８と接続される。コモン配線１０８とコモン電極１０２との接続構造に限定はないが、例えば、コモン配線１０８及びコモン電極１０２は同じ導電層で形成される。コモン配線１０８は、図示されない電源回路に接続される。または、コモン配線１０８は接地され、若しくは接地された配線と接続される。図１Ａに示すように、コモン配線１０８は隣接するコモン電極１０２同士を接続する。コモン電極１０２がコモン配線１０８で相互に接続されることで、マトリクス状に配列されたコモン電極１０２は等電位を有する。
　バイアス電極１０４は、反射板としての機能を有するために大面積に形成される。図２Ａに示すように、ユニットセル１０Ａの中でバイアス電極１０４はコモン電極１０２より大きな面積を有する。バイアス電極１０４とコモン電極１０２は重畳するように設けられ、このときコモン電極１０２がバイアス電極１０４の内側の領域に配置される。
　スイッチング素子１１６、選択信号線１１０、及びバイアス信号線１１２が第２基板１５２に設けられる。スイッチング素子１１６は、バイアス信号線１１２とバイアス電極１０４とを接続する。スイッチング素子１１６のスイッチング動作（オン／オフ動作）は、選択信号線１１０の選択信号により制御される。
　バイアス電極１０４はスイッチング素子１１６を介してバイアス信号線１１２と接続される。図２Ａ及び図２Ｂは、スイッチング素子１１６がトランジスタで形成される一例を示す。トランジスタは、半導体層１２０、ゲート絶縁層１２２、及びゲート電極１２４が積層された構造を有する。ゲート電極１２４の上には層間絶縁層１２６が設けられ、その上にバイアス信号線１１２が設けられる。スイッチング素子１１６及びバイアス信号線１１２は平坦化層１２８で埋められる。バイアス電極１０４は平坦化層１２８の上に設けられる。バイアス電極１０４は、コンタクトホールを介してスイチング素子（トランジスタ）１１６の入出力端子（ソース又はドレイン）と接続される。また、スイッチング素子（トランジスタ）１１６のゲート電極１２４が選択信号線１１０と接続され、バイアス電極１０４と接続されない入出力端子（ソース又はドレイン）がバイアス信号線１１２と接続される。
　個々のバイアス電極１０４がスイチング素子１１６を介してバイアス信号線１１２と接続されることで、バイアス電極１０４の電位が個別に制御される。バイアス電極１０４の下層側に設けられる選択信号線１１０、バイアス信号線１１２、及びスイッチング素子１１６は平坦化層１２８によって埋め込まれる。バイアス電極１０４は平坦化層１２８の上に設けられるので、選択信号線１１０、バイアス信号線１１２、及びスイッチング素子１１６の影響を受けずに大面積化を図ることができる。また、マトリクス状に配置されるバイアス電極１０４の隣接間隔を狭めることができる。
　液晶層１０６はバイアス電極１０４によって液晶分子の配向状態が制御される。すなわち、液晶層１０６の液晶分子はバイアス電極１０４に印加されるバイアス信号により配向状態が制御される。バイアス信号は、直流電圧信号又は正の直流電圧と負の直流電圧が交互に反転する極性反転直流電圧信号である。
　液晶層１０６は誘電異方性を有する液晶材料で形成される。例えば、液晶層１０６を形成する液晶材料として、ネマチック液晶、スメクチック液晶、コレステリック液晶、ディスコティック液晶を用いることができる。液晶層１０６は液晶分子の配向状態により誘電率が変化する。液晶分子の配向状態は、バイアス電極１０４によって制御される。入射波がユニットセル１０Ａで散乱されるとき、液晶層＠の誘電率に応じて散乱波の位相が変化する。
　リフレクトアレイ１００Ａが適用対象とする周波数帯は、超短波（ＶＨＦ：Very High Frequency）帯、極超短波（ＵＨＦ：Ultra-High Frequency）帯、マイクロ波（ＳＨＦ：Super High Frequency）帯、サブミリ波（ＴＨＦ：Tremendously high frequency）、ミリ波（ＥＨＦ：Extra High Frequency）帯である。液晶層１０６の液晶分子はバイアス電極１０４に印加されるバイアス電圧によって液晶分子の配向が変化するが、コモン電極１０２に入射する電波の周波数にはほとんど追従しない。液晶分子のこのような特性により、バイアス電極１０４によって液晶層１０６の誘電率を変化させつつ、コモン電極１０２で電波を散乱させ、散乱される電波の位相を制御することができる。
　第１基板１５０は、ガラス、石英などで形成される。第２基板１５２は、ガラス、石英、樹脂などの誘電体材料で形成される。また、第１基板１５０上及び第２基板１５２上に設けられる各層は、以下のような材料を用いて形成される。半導体層１２０は、アモルファスシリコン、多結晶シリコンのようなシリコン半導体、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムなどの金属酸化物を含む酸化物半導体で形成される。ゲート絶縁層１２２及び層間絶縁層１２６、例えば、酸化シリコン膜、又は酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の積層構造で形成される。選択信号線１１０及びゲート電極１２４は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）又はこれらの合金で構成される。バイアス信号線１１２は、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）などの金属材料を用いて形成される。例えば、バイアス信号線１１２は、チタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／チタン（Ｔｉ）の積層構造、又はモリブデン（Ｍｏ）／アルミニウム（Ａｌ）／モリブデン（Ｍｏ）の積層構造で構成される。平坦化層１２８は、アクリル、ポリイミドなどの樹脂材料で形成される。コモン電極１０２及びバイアス電極１０４は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）などの金属膜、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの透明導電膜で形成される。
　また、図２Ｂには示されないが、第１基板１５０と第２基板１５２とは間隙を有するように配置され、シール材により貼り合わされる。液晶層１０６は、第１基板１５０、第２基板１５２、及びシール材で囲まれる領域内に封入される。第１基板１５０と第２基板１５２との間隙は概略２０μｍ～１００μｍであり、例えば、５０μｍの間隔を有する。図示されないが、第１基板１５０と第２基板１５２との間には、間隔を一定に保つためのスペーサが設けられていてもよい。
　図１Ａ及び図１Ｂに示すように、マトリクス状に配列されたコモン電極１０２がコモン配線１０８により相互に接続され、バイアス電極１０４がスイッチング素子１１６を介してバイアス信号線１１２に接続されて個別に電位を制御可能となることで、ユニットセル１０Ａごとに液晶層１０６の誘電率を変化させることができる。それにより散乱波の位相をユニットセル１０Ａごとに制御することができる。
１－３．ユニットセルの動作
　図３Ａ及び図３Ｂは、ユニットセル１０Ａの動作を示す。ここで、図３Ａ及び図３Ｂは、第１配向膜１１４Ａ及び第２配向膜１１４Ｂが水平配向膜である場合を示す。図３Ａは、バイアス電極１０４にバイアス電圧が印加されない状態を示す。別言すれば、図３Ａは、バイアス電極１０４に液晶分子の配向状態を変化させるレベルの直流電圧が印加されない状態を示す。以下、この状態を「第１の状態」と呼ぶ。図３Ａは、第１の状態において、液晶分子１３０の長軸が第１配向膜１１４Ａ及び第２配向膜１１４Ｂの配向規制力により水平に配向する状態（初期配向状態）を示す。別言すれば、第１状態は、液晶分子１３０の長軸方向が、コモン電極１０２及びバイアス電極１０４の表面に対し水平に配向する状態を有する。
　図３Ｂは、バイアス電極１０４に、液晶分子１３０の配向状態を変化させる電圧レベルのバイアス電圧が印加された状態を示す。以下、この状態を「第２の状態」と呼ぶ。第２の状態では、液晶分子１３０の長軸方向がバイアス電圧によって生成される電界の影響を受けて、コモン電極１０２及びバイアス電極１０４の表面に対し垂直方向に配向する。液晶分子１３０の長軸が配向する角度は、バイアス電極１０４に印加するバイアス信号の大きさによって制御することができ、水平と垂直の中間の角度に配向させることもできる。
　液晶分子１３０が正の誘電異方性を有する場合、第１の状態（図３Ａ）に対して第２の状態（図３Ｂ）の方が、誘電率が大きくなる。また、液晶分子１３０が負の誘電異方性を有する場合、第１の状態（図３Ａ）に対して第２の状態（図３Ｂ）の方が見かけ上の誘電率が小さくなる。誘電異方性を有する液晶で形成された液晶層１０６は可変誘電体層とみなすこともできる。ユニットセル１０Ａは、液晶層１０６の誘電異方性を利用することで、コモン電極１０２で散乱する電波の位相を遅らせる（又は遅らせない）ように制御することができる。
　図４は、第１ユニットセル１０Ａ－１及び第２ユニットセル１０Ａ－２によって反射波の進行方向が変化する態様を模式的に示す。第１ユニットセル１０Ａ－１のバイアス電極１０４ａには、バイアス信号線１１２ａからバイアス信号Ｖ１が印加され、第２ユニットセル１０Ａ－２のバイアス電極１０４ｂには、バイアス信号線１１２ｂからバイアス信号Ｖ２が印加される。ここでバイアス信号Ｖ１とバイアス信号Ｖ２の電圧レベルは異なっている（Ｖ１≠Ｖ２）。第１ユニットセル１０Ａ－１及び第２ユニットセル１０Ｂ－１のコモン電極１０２は接地されている。
　図４は、第１ユニットセル１０Ａ－１と第２ユニットセル１０Ａ－２に同じ位相で電波が入射したとき、第１ユニットセル１０Ａ－１と第２ユニットセル１０Ａ－２に異なるバイアス信号（Ｖ１≠Ｖ２）が印加されているため、第１ユニットセル１０Ａ－１に比べ第２ユニットセル１０Ａ－２による散乱波の位相変化が大きいことを模式的に示す。その結果、第１ユニットセル１０Ａ－１で散乱した散乱波Ｒ１の位相と、第２ユニットセル１０Ａ－２で散乱した散乱波Ｒ２の位相が異なり（図４では散乱波Ｒ２の位相が散乱波Ｒ１の位相より進んでいる）、見かけ上、散乱波の進行方向が斜め方向に変化する。
　図４に示すように、リフレクトアレイ１００Ａは、入射波に対して散乱波の位相を第１ユニットセル１０Ａ－１と第２ユニットセル１０Ａ－２とで異ならせることができる。図４は、模式的に２つのユニットセルを示すが、実際にはマトリクス状に配列されるユニットセル１０Ａを個別に制御することで、リフレクトアレイ１００Ａの方向を変えずに、散乱波の進行方向を任意の方向に制御することができる。リフレクトアレイ１００Ａの反射面に配置される複数のコモン電極１０２は一定電位（例えば、接地電位）に保持されており、液晶層１０６にバイアス電圧を印加するバイアス電極１０４ａ、１０４ｂ、及びバイアス信号線１１２ａ、１１２ｂはコモン電極１０２の背面に配置されるため、リフレクトアレイ１００Ａの前面側にバイアス信号線１１２ａ、１１２ｂにより生成される電界の影響を及ぼさないようにすることができる。
　このように、本実施形態に係るリフレクトアレイ１００Ａは、電波の入射面にコモン電極１０２が配置され一定電位に保持されるので、バイアス電圧が印加されるバイアス信号線１１２によって電界が乱されないようにすることができ、散乱波の進行方向を正確に制御することができる。
［第２実施形態］
　本実施形態は、コモン電極の構造が第１実施形態と異なるリフレクトアレイの一例を示す。以下の説明では第１実施形態と相違する部分を中心に説明し、重複する分部については適宜省略するものとする。
　図５Ａは、第２実施形態に係るリフレクトアレイ１００Ｂの平面図を示し、図５Ｂは平面図中に示すＡ－Ｂ間に対応する断面構造を示す。リフレクトアレイ１００Ｂは、第１基板１５０及び第２基板１５２を有し、この２つの基板間にコモン電極１０２ｂ、液晶層１０６、及びバイアス電極１０４が積層された構造を有する。
　リフレクトアレイ１００Ｂは、多重共振ユニットセル１０Ｂが配列された形態を有する。多重共振ユニットセル１０Ｂは、第１実施形態に示すユニットセル１０Ａに対してコモン電極１０２ｂの形状が異なっている。コモン電極１０２ｂは、複数の平行ダイポールが配置された構造を有する。複数の平行ダイポールは長さが異なり、共振周波数が異なるようにされている。図５Ａは、長さが異なる４本の平行ダイポールが、Ｙ軸方向に沿って配置された形態を示す。なお、平行ダイポールの長さ及び本数は任意であり、適宜設定することができる。
　コモン電極１０２ｂはコモン配線１０８ｂで接続される。第１実施形態ではコモン配線１０８がＸ軸方向及びＹ軸方向の両方向に配設されるが、本実施形態ではコモン配線１０８ｂが平行ダイポールと交差するＹ軸方向のみに配設される。図５Ａには示されないが、コモン配線１０８ｂは、多重共振ユニットセル１０Ｂが配列する外側の領域で相互に接続されてもよい。コモン配線１０８ｂには、一定電位（例えば、接地電位）が与えられる。
　本実施形態によれば、コモン電極１０２ｂが複数の平行ダイポールで構成することで、多重共振ユニットセル１０Ｂを構成することができる。本実施形態に係るリフレクトアレイ１００Ｂは、コモン電極１０２ｂの形態が異なる他は第１実施形態に係るリフレクトアレイ１００Ａと同じであり、同様の作用効果を得ることができる。さらに、本実施形態に係るリフレクトアレイ１００Ｂは、多重共振ユニットセル１０Ｂで構成されることにより、帯域幅、位相範囲、損失を大幅に改善することができる。
［第３実施形態］
　本実施形態は、バイアス電極１０４の構成について詳細に説明する。以下の説明では第１実施形態及び第２実施形態と相違する部分を中心に説明し、重複する分部については適宜省略するものとする。
　図６Ａはリフレクトアレイ１００の断面模式構造を示す。図６Ａに示すように、コモン電極１０２が設けられた第１基板１５０とバイアス電極１０４が設けられた第２基板１５２が対向配置され、その間に液晶層１０６が設けられる。リフレクトアレイ１００は、バイアス電極１０４が反射板として機能するため、ユニットセル１０ごとに分割されているバイアス電極１０４が高周波的には連続する１つの導体板とみなされるようにすることが好ましい。
　そこで、図６Ａに示すように、バイアス電極１０４ａと隣接するバイアス電極１０４ｂとの間隔Ｗ１を狭くして見かけ上キャパシタが形成されるようにし、容量結合が形成されるようにする。間隔Ｗ１は、５μｍ以下、例えば、１μｍとすることが好ましい。また、図６Ｂに示すように、バイアス電極１０４ａとバイアス電極１０４ｂとの間に絶縁部材１３２を設けて容量を調整してもよい。絶縁部材１３２は、液晶の誘電率より高い誘電率を有する絶縁材料を用いることが好ましい。絶縁部材１３２としては、比誘電率が３以上の絶縁材料を用いることが好ましく、例えば、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ケイ酸ハフニウム、酸化タンタルなどを用いることが好ましい。これらの誘電体材料は比誘電率が７～１８程度であるため、液晶材料より高い誘電率を有する。したがって、図６Ａに示す構造よりより効果的にバイアス電極同士を容量結合することができる。
　また、図６Ｃに示すように、図６Ａ又は図６Ｂに示すようにバイアス電極同士を容量結合させ、さらに終端部においてコンデンサ１３４を介して接地させてもよい。
　図７Ａは、ユニットセル１０の回路構成を示す。図７Ａに示すように、バイアス電極１０４はスイチング素子１１６を介してバイアス信号線１１２と接続されるが、さらに、バイアス電極１０４とスイッチング素子１１６との間にキャパシタ１３６を並列に接続し、キャパシタ１３６を介して接地してもよい。例えば、接地されたコモン配線１３８を設け、バイアス電極１０４とコモン配線１３８との間にキャパシタ１３６を接続してもよい。
　図７Ｂは、図７Ａに示す回路構成を具体化した一例を示す。図７Ｂに示すように、キャパシタ１３６は、バイアス電極１０４と、図示されない絶縁層を挟んで重なる容量電極１４０を設けることにより形成することができる。容量電極１４０をコモン配線１３８と接続することで、図７Ａに示す回路構成とすることができる。
　また、図８のユニットセル１０の断面図に示すように、バイアス電極１０４の下層側に、絶縁層１１８を介して第２基板１５２の略全面に広がる容量電極１４０を設け、容量電極１４０を接地させてもよい。
　このように、本実施形態によれば、複数のバイアス電極１０４を容量結合させ、高周波的には連続する反射板とすることで、リフレクトアレイ１００の利得を向上させることができる。なお、本実施形態に示す構成は、第１実施形態に示すリフレクトアレイ１００Ａ及び第２実施形態に示すリフレクトアレイ１００Ｂと適宜組み合わせて実施することができる。
［第４実施形態］
　本実施形態は、コモン電極１０２の構成について詳細に説明する。以下の説明では第１実施形態及び第２実施形態と相違する部分を中心に説明し、重複する分部については適宜省略するものとする。
　図９は、リフレクトアレイ１００Ｂの平面図を示す。図９に示すように、Ｙ軸方向に延伸するコモン配線１０８ｂで接続されたコモン電極１０２ｂは、端部でＸ軸方向に延伸するコモン配線１０８ａで連結され、電源回路１４４と接続されてもよい。コモン配線１０８ｂと電源回路１４４との間には、コイル１４２が直列に接続されていることが好ましい。電源回路１４４はコモン電極１０２ｂを所定の電位に制御するために用いられる。コモン電極１０２ｂと電源回路１４４との間にコイル１４２を設けることで、高周波をカットして回路の故障を防止することができる。なお、図９は、リフレクトアレイ１００Ｂのコモン電極１０２ｂを示すが、第１実施形態に示すリフレクトアレイ１００Ａにも同様の構成を適用することができる。
　図１０Ａは、ユニットセル１０の回路構成を示す。図１０Ａに示すように、バイアス電極１０４とスイッチング素子１１６との間にインダクタ１４６が直列に接続されてもよい。インダクタ１４６は、図１０Ｂに示すように、インダクタ１４６は、バイアス電極１０４を形成する導電膜を使って形成することができる。このような構成を有することにより、スイッチング素子１１６及びバイアス信号線１１２に高周波電流が流れ込まないようにすることができ、スイッチング素子１１６及び制御回路の故障を防止することができる。
　本実施形態に示す構成は、第１実施形態に示すリフレクトアレイ１００Ａ及び第２実施形態に示すリフレクトアレイ１００Ｂと適宜組み合わせて実施することができる。
　本発明の一実施形態として例示したリフレクトアレイの各種構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせることができる。また、本明細書及び図面に開示されたリフレクトアレイを基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
　本明細書に開示された実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。
１０、１０Ａ：ユニットセル、１０Ｂ：多重共振ユニットセル、１００、１００Ａ、１００Ｂ：リフレクトアレイ、１０２：コモン電極、１０４：バイアス電極、１０６：液晶層、１０８：コモン配線、１１０：選択信号線、１１２：バイアス信号線、１１４Ａ：第１配向膜、１１４Ｂ：第２配向膜、１１６：スイッチング素子、１１８：絶縁層、１２０：半導体層、１２２：ゲート絶縁層、１２４：ゲート電極、１２６：層間絶縁層、１２８：平坦化層、１３０：液晶分子、１３２：絶縁部材、１３４：コンデンサ、１３６：キャパシタ、１３８：コモン配線、１４０：容量電極、１４２：コイル、１４４：電源回路、１４６：インダクタ、１５０：第１基板、１５２：第２基板

Claims (12)

  1. 　電波の入射側に配置された少なくとも１つのコモン電極と、
    　前記少なくとも１つのコモン電極の背面に重なるように配置された少なくとも１つのバイアス電極と、
    　前記少なくとも１つのコモン電極の背面側に配置され、前記少なくとも１つのバイアス電極に接続されるバイアス信号線と、
    　前記少なくとも１つのコモン電極と前記少なくとも１つのバイアス電極との間の液晶層と、を有し、
    　前記少なくとも１つのコモン電極は一定電位を有し、
    　前記少なくとも１つのバイアス電極に前記バイアス信号線を介して前記液晶層の誘電率を変化させるバイアス電圧が印加される
    ことを特徴とするリフレクトアレイ。
  2. 　前記少なくとも１つのコモン電極が、矩形状のパターン又は相互に長さが異なる複数の平行ダイポールパパターンを有する、請求項１に記載のリフレクトアレイ。
  3. 　前記少なくとも１つのコモン電極が複数のコモン電極から成り、
    　前記少なくとも１つのバイアス電極が複数のバイアス電極から成り、
    　前記複数のコモン電極及び前記複数のバイアス電極がマトリクス状に配列されている、請求項2に記載のリフレクトアレイ。
  4. 　前記複数のコモン電極を相互に接続するコモン配線を有する、請求項３に記載のリフレクトアレイ。
  5. 　前記複数のバイアス電極の間隔が前記複数のコモン電極の間隔より狭い、請求項３に記載のリフレクトアレイ。
  6. 　前記複数のバイアス電極の間を埋める絶縁部材が設けられている、請求項３に記載のリフレクトアレイ。
  7. 　前記複数のバイアス電極がコンデンサを介して接地されている、請求項３に記載のリフレクトアレイ。
  8. 　前記少なくとも１つのバイアス電極がスイッチング素子を介して前記バイアス信号線と接続されている、請求項１に記載のリフレクトアレイ。
  9. 　前記少なくとも１つのバイアス電極が、前記スイッチング素子との間で、キャパシタを介して接地されている、請求項８に記載のリフレクトアレイ。
  10. 　接地された接地電極を有し、
    　前記接地電極が、絶縁層を介して前記少なくとも１つのバイアス電極と重なっている、請求項８に記載のリフレクトアレイ。
  11. 　前記少なくとも１つのコモン電極に所定の電圧を印加する電源回路を有し、
    　前記少なくとも１つのコモン電極と前記電源回路との間にインダクタが接続されている、請求項１記載のリフレクトアレイ。
  12. 　前記少なくとも１つのバイアス電極と前記スイッチング素子との間にインダクタが直列に接続されている、請求項８に記載のリフレクトアレイ。
PCT/JP2023/001140 2022-01-24 2023-01-17 リフレクトアレイ WO2023140243A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022008668 2022-01-24
JP2022-008668 2022-01-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023140243A1 true WO2023140243A1 (ja) 2023-07-27

Family

ID=87348246

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2023/001140 WO2023140243A1 (ja) 2022-01-24 2023-01-17 リフレクトアレイ

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023140243A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024062780A1 (ja) * 2022-09-22 2024-03-28 株式会社ジャパンディスプレイ 表示パネル一体型電波反射装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003529259A (ja) * 2000-03-29 2003-09-30 エイチアールエル ラボラトリーズ，エルエルシー 電子同調可能反射器
CN106450765A (zh) * 2016-09-08 2017-02-22 电子科技大学 一种毫米波可重构天线
WO2022259789A1 (ja) * 2021-06-09 2022-12-15 株式会社ジャパンディスプレイ 電波反射板及びフェーズドアレイアンテナ

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003529259A (ja) * 2000-03-29 2003-09-30 エイチアールエル ラボラトリーズ，エルエルシー 電子同調可能反射器
CN106450765A (zh) * 2016-09-08 2017-02-22 电子科技大学 一种毫米波可重构天线
WO2022259789A1 (ja) * 2021-06-09 2022-12-15 株式会社ジャパンディスプレイ 電波反射板及びフェーズドアレイアンテナ

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DOYLE D. T.; WOEHRLE C. D.; CHRISTODOULOU C. G.: "Development of liquid crystal reflectarrays utilizing a passive matrix control scheme", 2013 IEEE ANTENNAS AND PROPAGATION SOCIETY INTERNATIONAL SYMPOSIUM (APSURSI), IEEE, 6 July 2014 (2014-07-06), pages 1031 - 1032, XP032644994, ISSN: 1522-3965, ISBN: 978-1-4799-3538-3, DOI: 10.1109/APS.2014.6904842 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024062780A1 (ja) * 2022-09-22 2024-03-28 株式会社ジャパンディスプレイ 表示パネル一体型電波反射装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11894618B2 (en) Antenna device and phased array antenna device
US6552696B1 (en) Electronically tunable reflector
US8134521B2 (en) Electronically tunable microwave reflector
KR102326919B1 (ko) 위상 이동 디바이스
JP4550837B2 (ja) 調整可能な装置
CN108539331B (zh) 基于液晶的太赫兹开槽移相单元及其构成的相控阵天线
JP2007116573A (ja) アレーアンテナ
CN114063329A (zh) 相控阵天线的驱动方法以及反射板的驱动方法
US20020021479A1 (en) Liquid crystal display device and light emitting structure with photonic band gap transparent electrode structures
WO2023140243A1 (ja) リフレクトアレイ
WO2022244676A1 (ja) 電波反射板および電波反射装置
EP3745526A1 (en) Radio frequency phase shift device
EP3425725B1 (en) Control panel and radiation device comprising the same
TWI749987B (zh) 天線結構及陣列天線模組
WO2023188734A1 (ja) 液晶材料を用いた電波の反射素子
WO2023181614A1 (ja) リフレクトアレイ
WO2022259789A1 (ja) 電波反射板及びフェーズドアレイアンテナ
WO2023058399A1 (ja) 電波反射装置
US20180226714A1 (en) Dielectric travelling waveguide with varactors to control beam direction
WO2023188735A1 (ja) 液晶材料を用いた電波の反射素子
WO2024100974A1 (ja) 電波反射装置
WO2024004595A1 (ja) 電波反射装置
WO2024070939A1 (ja) 電波反射装置
WO2023248584A1 (ja) 電波反射装置
CN116888824A (zh) 电波反射板

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23743237

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1