WO2025192577A1 - 液晶メタサーフェス反射板 - Google Patents
液晶メタサーフェス反射板Info
- Publication number
- WO2025192577A1 WO2025192577A1 PCT/JP2025/009038 JP2025009038W WO2025192577A1 WO 2025192577 A1 WO2025192577 A1 WO 2025192577A1 JP 2025009038 W JP2025009038 W JP 2025009038W WO 2025192577 A1 WO2025192577 A1 WO 2025192577A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- sub
- drive
- electrode
- liquid crystal
- electrodes
- 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.)
- Pending
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
- H01Q13/08—Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines
-
- 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
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
- H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
- H01Q3/46—Active lenses or reflecting arrays
Definitions
- One embodiment of the present invention relates to a metasurface reflector using liquid crystal that can control the reflection directionality of radio waves.
- a radio wave reflector (also known as a metasurface reflector; hereinafter referred to as a "liquid crystal metasurface reflector”) has been disclosed that uses the dielectric anisotropy of liquid crystals to control the reflection direction of radio waves (see, for example, Patent Document 1).
- the liquid crystal metasurface reflector has a patch electrode placed on the radio wave incident surface, a ground electrode placed on the opposite side, and a liquid crystal layer provided between the patch electrode and the ground electrode.
- a liquid crystal metasurface reflector has patch electrodes arranged in a matrix on the radio wave incident surface.
- the liquid crystal metasurface reflector By changing the dielectric constant of the liquid crystal material in the area corresponding to each patch electrode and changing the phase of the reflected wave, the liquid crystal metasurface reflector as a whole controls the direction of radio wave reflection to a specified direction. Therefore, in order to precisely control the direction of radio wave reflection, it is necessary to finely control the orientation state of the liquid crystal material.
- a liquid crystal metasurface reflector comprises patch electrodes arranged in a matrix, drive electrodes overlapping the patch electrodes, and a liquid crystal layer between the patch electrodes and the drive electrodes.
- the drive electrodes are divided into multiple sub-drive electrodes, and are configured so that the alignment state of the liquid crystal layer can be locally controlled within the plane of the patch electrodes by driving the multiple sub-drive electrodes individually.
- FIG. 1 shows the configuration of a liquid crystal metasurface reflector according to one embodiment of the present invention. This shows the circuit configuration for driving the patch electrode and multiple divided driving electrodes of a liquid crystal metasurface reflector in one embodiment of the present invention.
- a plan view of the batch electrodes and driving electrodes provided on a liquid crystal metasurface reflector according to one embodiment of the present invention is shown.
- a cross-sectional view of a batch electrode and a driving electrode provided on a liquid crystal metasurface reflector according to one embodiment of the present invention is shown.
- a plan view of the batch electrodes and driving electrodes provided on a liquid crystal metasurface reflector according to one embodiment of the present invention is shown.
- a plan view of the batch electrodes and driving electrodes provided on a liquid crystal metasurface reflector according to one embodiment of the present invention is shown.
- a plan view of the batch electrodes and driving electrodes provided on a liquid crystal metasurface reflector according to one embodiment of the present invention is shown.
- the pattern of the sub-driving electrodes of a liquid crystal metasurface reflector according to one embodiment of the present invention, and the configuration of the switching elements, scanning signal lines, and driving signal lines are shown.
- Figure 1 shows a plan view of a liquid crystal metasurface reflector 100 according to one embodiment of the present invention, viewed from the radio wave incident surface side.
- Figure 1 indicates the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions as indicated by the arrows in the figure.
- the Y-axis direction is perpendicular to the X-axis direction
- the Z-axis direction is perpendicular to the XY plane.
- the X-axis and Y-axis directions can be interpreted as the first direction and second direction. Unless otherwise specified, the relationship between the three directions, the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, is the same in other drawings referenced in this embodiment.
- the liquid crystal metasurface reflector 100 includes multiple patch electrodes 102 and multiple drive electrodes 104.
- the multiple patch electrodes 102 are arranged in the X-axis direction and the Y-axis direction.
- the multiple drive electrodes 104 are arranged so as to overlap the multiple patch electrodes 102.
- the multiple patch electrodes 102 are arranged on the radio wave incident surface, and the multiple drive electrodes 104 are arranged on the back surface of the multiple patch electrodes 102.
- a liquid crystal layer is provided between the multiple patch electrodes 102 and the multiple drive electrodes 104.
- the liquid crystal layer is formed from a liquid crystal material with dielectric anisotropy.
- the liquid crystal material may have positive dielectric anisotropy or negative dielectric anisotropy. This embodiment will be described as having dielectric anisotropy.
- the type of liquid crystal material that forms the liquid crystal layer There are no particular limitations on the type of liquid crystal material that forms the liquid crystal layer. For example, nematic liquid crystal is used as the liquid crystal material.
- the liquid crystal metasurface reflector 100 has a structure in which a first substrate 150 and a second substrate 152 are arranged one on top of the other.
- the first substrate 150 and the second substrate 152 are insulating substrates.
- a liquid crystal layer (not shown) is sandwiched between the first substrate 150 and the second substrate 152.
- the first substrate 150 is arranged on the radio wave incident side (front surface), and the second substrate 152 is arranged on the back surface side of the first substrate 150.
- a plurality of patch electrodes 102 are arranged on the first substrate 150.
- the plurality of patch electrodes 102 are arranged with gaps between them so that adjacent electrodes do not contact each other.
- a plurality of drive electrodes 104 are arranged on the second substrate 152.
- the plurality of drive electrodes 104 are also arranged with gaps between them so that adjacent electrodes do not contact each other.
- the multiple patch electrodes 102 are connected by strip wiring 103.
- Figure 1 shows a configuration in which multiple patch electrodes 102 arranged in the Y-axis direction are connected by strip wiring 103.
- the connection of the patch electrodes 102 by strip wiring 103 is not limited to the example shown in Figure 1; multiple patch electrodes 102 arranged in the X-axis direction may be connected by strip wiring 103, or multiple patch electrodes 102 may be connected by strip wiring 103 in both the X-axis and Y-axis directions.
- the multiple patch electrodes 102 arranged on the first substrate 150 are controlled to have a constant potential.
- the constant potential can be set as appropriate, and may be, for example, ground potential.
- the multiple drive electrodes 104 are used as electrodes for controlling the orientation of liquid crystal molecules in the liquid crystal layer.
- one drive electrode 104 is arranged so as to overlap one patch electrode 102.
- the drive electrode 104 is divided into multiple electrodes. That is, the drive electrode 104 is composed of multiple sub-drive electrodes 105.
- the multiple sub-drive electrodes 105 are arranged so as to overlap the patch electrode 102.
- a drive signal is applied individually to each of the multiple sub-drive electrodes 105.
- Figure 1 schematically shows an example in which the drive electrode 104 is composed of four sub-drive electrodes 105, but the multiple sub-drive electrodes 105 are not limited to the configuration shown. Details of the multiple sub-drive electrodes 105 will be described later.
- the second substrate 152 is provided with a plurality of scanning signal lines 111 and a plurality of driving signal lines 113 to drive the plurality of sub-driving electrodes 105.
- the plurality of scanning signal lines 111 and a plurality of driving signal lines 113 are arranged to correspond to the arrangement of the plurality of driving electrodes 104.
- the plurality of scanning signal lines 111 extend in the X-axis direction, and the plurality of driving signal lines 113 extend in the Y-axis direction.
- the second substrate 152 is further provided with a scanning signal line driving circuit 110, a driving signal line selection circuit 112, and a terminal unit 114.
- the scanning signal line driving circuit 110 outputs scanning signals to the plurality of scanning signal lines 111, and the driving signal line selection circuit 112 has the function of selecting the plurality of driving signal lines 113.
- the terminal unit 114 is a portion where signals and power that drive the liquid crystal metasurface reflector 100 are input, and is a contact point with an external circuit.
- the terminal unit 114 is composed of a plurality of terminal electrodes 115.
- a ground electrode 108 may be provided on the second substrate 152 so as to fill the gaps in the area where the multiple drive electrodes 104 are arranged.
- the multiple drive electrodes 104 and the ground electrode 108 are arranged so as to appear continuous in a plan view, but are arranged so that they do not come into direct contact in a cross-sectional view.
- an insulating layer is interposed between the multiple drive electrodes 104 and the ground electrode 108.
- the ground electrode 108 is arranged so as to fill the gaps between the multiple drive electrodes 104, and is controlled so as to maintain a constant potential.
- the constant potential is, for example, ground (earth).
- Figure 2 shows the circuit configuration of multiple sub-drive electrodes 105 that overlap the patch electrode 102. As shown in Figure 2, multiple sub-drive electrodes 105 are arranged in an area that overlaps with the patch electrode 102. Figure 2 shows, as an example, a configuration in which multiple sub-drive electrodes 105 are arranged in a matrix in the X-axis and Y-axis directions.
- Switching elements 116 are provided corresponding to each of the multiple sub-drive electrodes 105.
- Drive signals are applied individually to the multiple sub-drive electrodes 105 by the switching elements 116.
- Scanning signal lines 111 are provided to control the on/off state of the switching elements 116, and drive signal lines 113 are provided to apply drive signals to the sub-drive electrodes 105 through the switching elements 116.
- Figure 2 shows a configuration in which multiple scanning signal lines 111 (first scanning signal line 111A to sixth scanning signal line 111F) extending in the X-axis direction and multiple drive signal lines 113 (first drive signal line 113A to sixth drive signal line 113F) extending in the Y-axis direction are arranged in correspondence with the arrangement of the multiple sub-drive electrodes 105.
- This circuit configuration makes it possible to drive each of the multiple sub-drive electrodes 105 individually.
- Figure 3 shows a plan view of the patch electrode 102 and drive electrode 104 provided on the liquid crystal metasurface reflector 100. Similar to the schematic diagram shown in Figure 1, Figure 3 shows an example in which the drive electrode 104 is composed of a first sub-drive electrode 105A, a second sub-drive electrode 105B, a third sub-drive electrode 105C, and a fourth sub-drive electrode 105D.
- the first sub-drive electrode 105A, the second sub-drive electrode 105B, the third sub-drive electrode 105C, and the fourth sub-drive electrode 105D are spaced a predetermined distance apart and arranged so as to overlap with the patch electrode 102.
- the areas of the first sub-drive electrode 105A, the second sub-drive electrode 105B, the third sub-drive electrode 105C, and the fourth sub-drive electrode 105D are the same. In other words, the areas over which the first sub-drive electrode 105A, the second sub-drive electrode 105B, the third sub-drive electrode 105C, and the fourth sub-drive electrode 105D overlap with the patch electrode 102 are equal.
- Each sub-driving electrode 105 is connected to a switching element 116.
- the first sub-driving electrode 105A is connected to the first switching element 116A
- the second sub-driving electrode 105B is connected to the second switching element 116B
- the third sub-driving electrode 105C is connected to the third switching element 116C
- the fourth sub-driving electrode 105D is connected to the fourth switching element 116D.
- the first switching element 116A, the second switching element 116B, the third switching element 116C, and the fourth switching element 116D are formed, for example, by thin film transistors.
- each switching element has three terminals: a gate terminal, a signal input terminal, and a signal output terminal.
- the gate terminals of the first switching element 116A and the second switching element 116B are connected to the first scanning signal line 111A, and the gate terminals of the third switching element 116C and the fourth switching element 116D are connected to the second scanning signal line 111B. Furthermore, the signal input terminals of the first switching element 116A and the third switching element 116C are connected to the first drive signal line 113A, and the signal input terminals of the second switching element 116B and the fourth switching element 116D are connected to the second drive signal line 113B.
- the signal output terminal of the first switching element 116A is connected to the first sub-drive electrode 105A
- the signal output terminal of the second switching element 116B is connected to the second sub-drive electrode 105B
- the signal output terminal of the third switching element 116C is connected to the third sub-drive electrode 105C
- the signal output terminal of the fourth switching element 116D is connected to the fourth sub-drive electrode 105D.
- the first scanning signal line 111A and the second scanning signal line 111B extend in the X-axis direction
- the first drive signal line 113A and the second drive signal line 113B extend in the Y-axis direction.
- drive signals can be applied individually, making it possible to control the alignment state of the liquid crystal layer for each sub-drive electrode.
- the sub-drive electrode 105 can be driven by applying a drive signal having a first voltage level to the first sub-drive electrode 105A, while not applying a drive signal to the second sub-drive electrode 105B, the third sub-drive electrode 105C, and the fourth sub-drive electrode 105D.
- the sub-drive electrode 105 can be driven by applying a drive signal having a first voltage level to the first sub-drive electrode 105A and the second sub-drive electrode 105B, while not applying a drive signal to the third sub-drive electrode 105C and the fourth sub-drive electrode 105D.
- the example shown in Figure 4 has four sub-drive electrodes 105, so five different signal application patterns are possible: when no drive signal is applied to all sub-drive electrodes, when a drive signal that turns on is applied to one sub-drive electrode, when a drive signal that turns on is applied to two sub-drive electrodes, when a drive signal that turns on is applied to three sub-drive electrodes, and when a drive signal that turns on is applied to four sub-drive electrodes.
- the size (length and width) of the patch electrode 102 is set appropriately according to the frequency of the target radio waves.
- the length and width of the patch electrode 102 are set so that it has a shape that is symmetrical with respect to the vertical and horizontal polarization of the incident radio waves.
- the length of one side of the patch electrode 102 is, for example, approximately half the wavelength of the target radio waves. If the drive electrode 104 of the liquid crystal metasurface reflector 100 is divided into multiple sub-drive electrodes 105 and each sub-drive electrode 105 is driven with a different drive signal, the dielectric constant of the liquid crystal layer changes locally within the surface of the patch electrode 102. However, since the wavelength of the reflected radio waves is longer than the length of one side of the patch electrode 102 and the reflection characteristics are determined by the overall electromagnetic circuit characteristics of the liquid crystal metasurface reflector 100, the reflection characteristics are not affected by the local dielectric constant distribution.
- the liquid crystal metasurface reflector 100 In order to precisely control the direction of reflection of radio waves by the liquid crystal metasurface reflector 100, it is possible to divide the voltage level of the drive signal applied to the liquid crystal layer into smaller increments and make it multi-valued. However, this method would result in complex and large-scale configurations of the drive circuit and power supply circuit. In contrast, with the configuration of this embodiment, even if a binary drive signal is used, the orientation state of the liquid crystal layer, i.e., the electrode ratio that affects the reflection of radio waves, can be controlled by a number corresponding to the number of divisions of the sub-drive electrode 105.
- the liquid crystal metasurface reflector 100 has a liquid crystal layer thickness of approximately 20 ⁇ m to 100 ⁇ m, which is larger than the cell gap of liquid crystal panels used as displays.
- the voltage applied to the liquid crystal layer must also be set higher than that of existing liquid crystal panels.
- existing liquid crystal driver ICs cannot be used, and even if commercially available products were available, there is a concern that the number of gray levels would be limited.
- the liquid crystal metasurface reflector 100 of this embodiment has drive electrodes 104 that control the orientation of the liquid crystal layer divided into multiple parts, making it possible to control the effective dielectric constant of the liquid crystal layer in multiple stages, as described above.
- Figure 4 shows a cross-sectional view corresponding to the line A-B shown in Figure 3.
- a patch electrode 102 is provided on the first substrate 150
- drive electrodes 104 (first sub-drive electrode 105A, second sub-drive electrode 105B) are provided on the second substrate 152.
- the first substrate 150 and the second substrate 152 are arranged so that the patch electrode 102 and the drive electrodes 104 (first sub-drive electrode 105A, second sub-drive electrode 105B) face each other, and are spaced apart with a predetermined gap between them.
- the gap between the first substrate 150 and the second substrate 152 is approximately 20 ⁇ m to 100 ⁇ m, for example, 40 ⁇ m.
- a spacer may be provided between the first substrate 150 and the second substrate 152 to keep the gap constant.
- a first alignment film 107A is provided on the first substrate 150 so as to cover the patch electrode 102, and a second alignment film 107B is provided on the second substrate 152 so as to cover the drive electrodes 104 (first sub-drive electrode 105A, second sub-drive electrode 105B).
- a liquid crystal layer 106 is provided so as to be sandwiched between the first substrate 150 and the second substrate 152. The initial alignment state of the liquid crystal layer 106 is regulated by the first alignment film 107A and the second alignment film 107B.
- the second substrate 152 is provided with a first switching element 116A connected to the first sub-drive electrode 105A and a second switching element 116B connected to the second sub-drive electrode 105B.
- the first switching element 116A and the second switching element 116B are formed, for example, by thin film transistors.
- the first switching element 116A and the second switching element 116B are covered with an insulating layer 109.
- the first sub-drive electrode 105A and the second sub-drive electrode 105B are provided on the insulating layer 109.
- the first sub-drive electrode 105A and the first switching element 116A, and the second sub-drive electrode 105B and the second switching element 116B are connected by contact holes formed in the insulating layer 109.
- the first switching element 116A and the second switching element 116B have three terminals: a gate terminal, a signal input terminal, and a signal output terminal.
- Figure 4 shows a structure in which the signal input terminal of the first switching element 116A is connected to the first drive signal line 113A, the signal output terminal is connected to the first sub-drive electrode 105A, and the signal input terminal of the second switching element 116B is connected to the second drive signal line 113B, and the signal output terminal is connected to the second sub-drive electrode 105B.
- the insulating layer 109 has a structure in which multiple insulating films are stacked.
- the first drive signal line 113A and the second drive signal line 113B are provided in the insulating layer 109 so as to be located in a layer below the first sub-drive electrode 105A and the second sub-drive electrode 105B.
- the first scanning signal line 111A is also provided in the insulating layer 109.
- the first scanning signal line 111A, the first drive signal line 113A, and the second drive signal line 113B are provided in different layers within the insulating layer 109.
- the first scanning signal line 111A intersects with the first drive signal line 113A and the second drive signal line 113B, with an insulating layer interposed at the intersection.
- a ground electrode 108 is also provided on the second substrate 152.
- the ground electrode 108 is provided to fill the area where the first sub-driving electrode 105A and the second sub-driving electrode 105B are separated.
- an insulating layer 109 is interposed between the ground electrode 108 and the first sub-driving electrode 105A and second sub-driving electrode 105B to prevent direct contact between the two.
- ground electrode 108 and the drive electrodes 104 are physically separated, a single ground plane is formed for radio waves (high-frequency radio waves) incident on the liquid crystal metasurface reflector 100. Therefore, it is preferable that the ends of the ground electrode 108 be arranged so as to overlap with the first sub-drive electrode 105A and second sub-drive electrode 105B.
- Figure 4 shows an embodiment in which the ground electrode 108 is formed in a layer different from the layer in which the switching elements 116 (first switching element 116A, second switching element 116B) are formed
- the configuration of the ground electrode 108 is not limited to this example.
- the ground electrode 108 may be formed, for example, in the same conductive layer as the layer in which the drive signal line 113 is formed, or in the same conductive layer as the layer in which the scanning signal line 111 is formed.
- the first substrate 150 and the second substrate 152 are formed from flat materials such as glass, resin, or metal plate.
- the layers on the first substrate 150 and the second substrate 152 are formed from the following materials:
- the semiconductor layer forming the switching element 116 is formed from a silicon semiconductor such as amorphous silicon or polycrystalline silicon, or an oxide semiconductor containing a metal oxide such as indium oxide, zinc oxide, or gallium oxide.
- the insulating layer 109 may be formed from any insulating material, such as an inorganic insulating material such as a silicon oxide film or a silicon nitride film, or an organic insulating material such as acrylic, epoxy, or polyimide.
- Wiring such as the scanning signal line 111 and the driving signal line 113, and electrodes such as the driving electrode 104, the ground electrode 108, and the patch electrode 102 are formed from conductive materials, such as aluminum (Al), titanium (Ti), molybdenum (Mo), molybdenum-tungsten (MoW), or copper (Cu).
- conductive materials such as aluminum (Al), titanium (Ti), molybdenum (Mo), molybdenum-tungsten (MoW), or copper (Cu).
- Figure 3 shows a configuration in which four sub-driving electrodes 105 (first sub-driving electrode 105A, second sub-driving electrode 105B, third sub-driving electrode 105C, and fourth sub-driving electrode 105D) are arranged in a matrix, but the arrangement of the sub-driving electrodes is not limited to this example.
- second sub-driving electrodes 105A2, 105B2, 105C2, and 105D2 may be provided to surround four first sub-driving electrodes 105A1, 105B1, 105C1, and 105D1 arranged in a matrix, and third sub-driving electrodes 105A3, 105B3, 105C3, and 105D3 may be provided to surround the outside of these.
- a hook-shaped second sub-drive electrode 105A2 may be provided adjacent to two side surfaces of a rectangular first sub-drive electrode 105A1 in a plan view, and a hook-shaped third sub-drive electrode 105A3 may be provided further outside that, and such a set of sub-drive electrodes (first sub-drive electrode 105A1, second sub-drive electrode 105A2, third sub-drive electrode 105A3) may be arranged rotated by 90 degrees to have rotational symmetry.
- a polygonal (modified hexagonal) second sub-drive electrode 105A2 may be provided adjacent to one side of a triangular first sub-drive electrode 105A1 in a plan view, and a triangular third sub-drive electrode 105A3 may be provided further outside of that.
- Such a set of sub-drive electrodes (first sub-drive electrode 105A1, second sub-drive electrode 105A2, third sub-drive electrode 105A3) may be rotated by 90 degrees to have rotational symmetry.
- the first sub-drive electrode 105A1, second sub-drive electrode 105A2, and third sub-drive electrode 105A3 have different areas. In this way, even if the areas of the multiple divided sub-drive electrodes 105 are different, the dielectric constant of the liquid crystal layer 106 can be changed in multiple stages by individually applying drive signals.
- FIG. 6A shows the arrangement of the multiple sub-drive electrodes 105 shown in FIG. 5A, the switching elements 116 (116A1 to 116A3, 116B1 to 116B3, 116C1 to 116C3) provided corresponding to the multiple sub-drive electrodes 105 (105A1 to 105A3, 105B1 to 105B3, 105C1 to 105C3), the multiple scanning signal lines 111 (first scanning signal line 111A, second scanning signal line 111AB), and the multiple driving signal lines 113 (first driving signal line 113A to sixth driving signal line 113F).
- the first sub-drive electrode 105A1 is connected to the first switching element 116A1, the second sub-drive electrode 105A2 is connected to the second switching element 116A2, and the third sub-drive electrode 105A3 is connected to the third switching element 116A3.
- the gate terminals of the first switching element 116A1, the second switching element 116A2, and the third switching element 116A3 are connected to the first scanning signal line 111A.
- the input terminal of the first switching element 116A1 is connected to the first drive signal line 113A
- the input terminal of the second switching element 116A2 is connected to the second drive signal line 113B
- the input terminal of the third switching element 116A3 is connected to the third drive signal line 113C.
- the switching element 116 (the inset shows the third switching element 116A3) formed by a thin-film transistor has a semiconductor layer 1162.
- the first scanning signal line 111A is arranged to cross the semiconductor layer 1162 with an insulating layer (not shown) in between, and the intersection portion serves as the gate terminal (gate electrode).
- the first drive signal line 113A forms contact with the semiconductor layer 1162. This contact portion corresponds to the signal input terminal.
- the semiconductor layer 1162 also forms contact with the sub-drive electrode 105 (the third sub-drive electrode 105A3 in the inset). This contact portion corresponds to the signal output terminal.
- Figure 6B shows the cross-sectional structure between C and D shown in Figure 6A.
- first sub-drive electrode 105A1 to third sub-drive electrode 105A3 and first sub-drive electrode 105S1 to third sub-drive electrode 105B3 are arranged opposite one patch electrode 102.
- a liquid crystal layer 106 is provided between the patch electrode 102 and the sub-drive electrodes 105 (105A1 to 105A3, 105B1 to 105B3).
- each sub-drive electrode 105 (105A1 to 105A3, 105B1 to 105B3) is connected to a switching element 116 (116A1 to 116A3, 116B1 to 116B3), and a drive signal is applied individually.
- the liquid crystal metasurface reflector 100 of this embodiment may have a first operating mode in which a drive signal is applied to all sub-drive electrodes 105, and a second operating mode in which a drive signal is applied to some of the sub-drive electrodes 105.
- the second driving mode allows the application state of the drive signal to be subdivided according to the number of sub-drive electrodes 105. In the configuration shown in FIG.
- 12 sub-drive electrodes 105 (105A1 to 105A3, 105B1 to 105B3, 105C1 to 105C3, 105D1 to 105D3) are provided, so the second operating mode can form 12-stage drive signal application patterns.
- Figure 6B shows a state (denoted by the symbol Sg0) in which a first drive signal Sg1 having a predetermined voltage level is applied to the first sub-drive electrodes 105A1, 105B1 and the second sub-drive electrodes 105A2, 105B2, and no drive signal is applied to the third sub-drive electrodes 105A3, 105B3.
- the first drive signal Sg1 is, for example, a signal that generates a potential difference of +15 V between the first drive signal Sg1 and the patch electrode 102.
- the first drive signal Sg1 may be a signal whose polarity reverses periodically.
- the signal when a potential difference of +15 V is generated between the first drive signal Sg1 and the patch electrode 102 in one cycle, the signal may generate a potential difference of -15 V in the next cycle.
- the drive signal may reverse polarity at a frequency of, for example, 30 to 120 Hz, for example, 60 Hz.
- Such first drive signal Sg1 generates an electric field E between the patch electrode 102 and the first sub-drive electrodes 105A1, 105B1 and second sub-drive electrodes 105A2, 105B2.
- Figure 6B schematically shows liquid crystal molecules 118 contained in the liquid crystal layer 106.
- the liquid crystal molecules 118 have a long, thin, rod-like structure. Under the action of the electric field E, the liquid crystal molecules 118 are oriented so that the longitudinal direction of the rod-like molecules is parallel to the direction of the electric field.
- the liquid crystal molecules 118 are affected by the electric field E and are oriented so that the longitudinal direction of the rod-shaped molecules stands vertically.
- the liquid crystal molecules 118 maintain their initial orientation, and the longitudinal direction of the rod-shaped molecules is oriented in a direction parallel to the surface of the second substrate 152 (horizontal direction).
- the dielectric constant of the liquid crystal layer 106 varies depending on the orientation of the liquid crystal molecules 118.
- the orientation of the liquid crystal layer 106 can be changed locally within the plane of the patch electrode 102.
- the wavelength of the reflected radio waves is longer than the length of one side of the patch electrode 102, so local dielectric constant components do not directly affect the reflection characteristics of the radio waves.
- the average value of the dielectric constant of the liquid crystal layer 106 within the plane of one patch electrode 102 it is possible to change the phase of the reflected radio waves. Therefore, by dividing the drive electrode 104 into multiple sub-drive electrodes 105, the effective dielectric constant of the liquid crystal layer 106 can be changed in multiple stages depending on the number of divisions. This allows for precise control of the direction of radio waves reflected by the liquid crystal metasurface reflector 100.
- the radio wave frequency bands targeted by the liquid crystal metasurface reflector 100 are the very high frequency (VHF) band, ultra-high frequency (UHF) band, super high frequency (SHF) band, submillimeter wave (THF) band, extra high frequency (EHF) band, and terahertz wave band.
- VHF very high frequency
- UHF ultra-high frequency
- SHF super high frequency
- THF submillimeter wave
- EHF extra high frequency
- terahertz wave band terahertz wave band.
- the orientation of the liquid crystal molecules 118 in the liquid crystal layer 106 changes in response to the drive signal applied to the sub-drive electrode 105, but does not change substantially with the frequency of the radio waves incident on the patch electrode 102. Therefore, the dielectric constant of the liquid crystal layer 106 is changed by the sub-drive electrode 105, and the patch electrode 102 reflects the radio waves, allowing for precise control of the phase of the reflected radio waves (the direction of travel of the reflected waves).
- the patch electrodes 102 are connected by strip wiring 103, as shown in Figure 7.
- Figure 7 shows a structure in which patch electrodes 102 arranged in the Y-axis direction are connected by strip wiring 103, but the connection direction of the strip wiring 103 is not limited to the example shown.
- the strip wiring 103 may be used to connect the patch electrodes 102 arranged along the X-axis direction, or may be used to connect in both the X-axis and Y-axis directions.
- the width of the strip wiring 103 connecting the patch electrodes 102 may be extremely thin.
- the width W2 of the strip wiring 103 can be 1/100 or less of the length W1 of one side of the patch electrode 102.
- the line width of the strip wiring can be 100 ⁇ m or less.
- the shape of the strip wiring 103 in plan view may be straight, or may be bent in a crank shape as shown in Fig. 7.
- the length of the strip wiring 103 is preferably half the effective wavelength ⁇ g of the reflected radio wave, specifically, within ⁇ 10% of ⁇ g /2.
- the effective dielectric constant of the liquid crystal layer 106 against radio waves can be changed in multiple stages, greater than the number of gradations (number of voltage levels) of the input drive signal.
- the dielectric constant of the liquid crystal layer 106 can be changed in multiple stages, and the reflection direction of radio waves can be changed in multiple stages.
- liquid crystal metasurface reflectors exemplified as one embodiment of the present invention can be combined as appropriate as long as they are not mutually inconsistent.
- liquid crystal metasurface reflectors disclosed in this specification and drawings, to which a person skilled in the art has appropriately added or deleted components or modified the design, or to which processes have been added, omitted, or conditions have been changed, are also included within the scope of the present invention as long as they incorporate the essence of the present invention.
- 100 Liquid crystal metasurface reflector
- 102 Patch electrode
- 103 Strip wiring
- 104 Drive electrode
- 105A First sub-drive electrode
- 105B Second sub-drive electrode
- 105C Third sub-drive electrode
- 105D Fourth sub-drive electrode
- 106 Liquid crystal layer
- 107A First alignment film
- 107B Second alignment film
- 108 Ground electrode
- 109 Insulating layer
- 110 Scanning signal line drive Drive circuit
- 111 scanning signal line
- 112 drive signal line selection circuit
- 113 drive signal line
- 113A first drive signal line
- 113B second drive signal line
- 114 terminal portion
- 115 terminal electrode
- 116 switching element
- 1162 semiconductor layer
- 116A first switching element
- 116B second switching element
- 118 liquid crystal molecules
- 150 first substrate
- 152 second substrate
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Liquid Crystal (AREA)
Abstract
液晶メタサーフェス反射板は、マトリクス状に配列されたパッチ電極と、パッチ電極と重なる駆動電極と、パッチ電極と駆動電極との間の液晶層とを有する。駆動電極は、複数のサブ駆動電極に分割され、複数のサブ駆動電極を個別に駆動して、液晶層の配向状態をパッチ電極の面内で局所的に制御可能なように構成されている。
Description
本発明の一実施形態は、電波の反射指向性を制御することができる液晶を用いたメタサーフェス反射板に関する。
液晶の誘電異方性を利用して電波の反射方向を制御する電波反射板(メタサーフェス反射板とも呼ばれる。以下「液晶メタサーフェス反射板」と呼ぶ。)が開示されている(例えば、特許文献1参照)。液晶メタサーフェス反射板は、電波の入射面に配置されたパッチ電極と、その反対側に配置されたグランド電極と、パッチ電極とグランド電極との間に設けられた液晶層とを有している。
液晶メタサーフェス反射板は電波の入射面にマトリクス状にパッチ電極が配列されている。そして各パッチ電極に対応する領域で液晶材料の誘電率を変化させて反射波の位相を変化させることで、液晶メタサーフェス反射板全体として電波の反射方向が所定の方向になるように制御している。したがって、電波の反射方向を精密に制御するためには、液晶材料の配向状態を細かく制御することが求められる。
本発明の一実施形態に係る液晶メタサーフェス反射板は、マトリクス状に配列されたパッチ電極と、パッチ電極と重なる駆動電極と、パッチ電極と駆動電極との間の液晶層とを有する。駆動電極は、複数のサブ駆動電極に分割され、前記複数のサブ駆動電極を個別に駆動して、前記液晶層の配向状態を前記パッチ電極の面内で局所的に制御可能なように構成されている。
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。
図1は、本発明の一実施形態に係る液晶メタサーフェス反射板100を電波の入射面側からみたときの平面図を示す。
図1は、説明のため図中に示す矢印のように、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向を示す。図面において、X軸方向に対してY軸方向は直交する関係にあり、Z軸方向はXY平面に対して垂直な方向である。X軸方向及びY軸方向は、第1方向及び第2方向と読み替えることができるものとする。X軸方向、Y軸方向、Z軸方向の3方向の関係は、特段の断りがない限り、本実施形態で参照する他の図面においても同様である。
液晶メタサーフェス反射板100は、複数のパッチ電極102と複数の駆動電極104とを含む。複数のパッチ電極102はX軸方向及びY軸方向に配列される。同様に、複数の駆動電極104は、複数のパッチ電極102と重なるように配列される。複数のパッチ電極102は電波の入射面に配置され、複数の駆動電極104は複数のパッチ電極102の背面に配置される。
図1には示されないが、複数のパッチ電極102と複数の駆動電極104との間には液晶層が設けられる。液晶層は誘電率異方性を有する液晶材料で形成される。液晶材料は正の誘電率異方性を有していてもよいし、負の誘電率異方性を有していてもよい。本実施形態は誘電率異方性を有するものとして説明する。液晶層を形成する液晶材料の種類に特段の限定はない。液晶材料として、例えば、ネマチック液晶が用いられる。
液晶メタサーフェス反射板100は、第1基板150と第2基板152が重ねて配置された構造を有する。第1基板150及び第2基板152は絶縁性を有する基板である。図示されない液晶層は、第1基板150と第2基板152の間に挟まれている。第1基板150が電波の入射面側(前面)に配置され、第2基板152が第1基板150の背面側に配置される。
第1基板150に複数のパッチ電極102が配列される。複数のパッチ電極102は、隣接する電極同士が接触しないように隙間を空けて配列される。第2基板152に複数の駆動電極104が配列される。複数の駆動電極104も同様に、隣接する電極同士が接触しないように隙間を空けて配列される。
複数のパッチ電極102はストリップ配線103により接続される。図1は、Y軸方向に配列する複数のパッチ電極102がストリップ配線103で接続される構成を示す。ストリップ配線103によるパッチ電極102の接続は、図1に示す例に限定されず、X軸方向に配列する複数のパッチ電極102がストリップ配線103で接続されてもよいし、X軸方向及びY軸方向の両方向で複数のパッチ電極102がストリップ配線103で接続されてもよい。第1基板150に配列される複数のパッチ電極102は、一定の電位を有するように制御される。一定の電位は適宜設定可能であるが、例えば、接地電位であってもよい。
複数の駆動電極104は、液晶層における液晶分子の配向を制御するための電極として用いられる。平面視において、1つの駆動電極104は1つのパッチ電極102と重畳するように配置される。駆動電極104は、複数の電極に分割されている。すなわち、駆動電極104は、複数のサブ駆動電極105により構成される。複数のサブ駆動電極105はパッチ電極102と重畳するように配置される。複数のサブ駆動電極105のそれぞれには個別に駆動信号が印加される。図1は、駆動電極104が、4つのサブ駆動電極105で構成される例を模式的に示すが、複数のサブ駆動電極105は図示される構成に限定されない。複数のサブ駆動電極105の詳細は後述される。
第2基板152には、複数のサブ駆動電極105を駆動するために、複数の走査信号線111及び複数の駆動信号線113が配設される。複数の走査信号線111及び複数の駆動信号線113は、複数の駆動電極104の配列に対応して配設される。複数の走査信号線111はX軸方向に伸び、複数の駆動信号線113はY軸方向に伸びている。第2基板152にはさらに、走査信号線駆動回路110、駆動信号線選択回路112、及び端子部114が設けられる。走査信号線駆動回路110は複数の走査信号線111に走査信号を出力し、駆動信号線選択回路112は複数の駆動信号線113を選択する機能を有する。端子部114は、液晶メタサーフェス反射板100を駆動する信号、電力が入力される部位であり、外部回路との接点である。端子部114は複数の端子電極115から構成される。
第2基板152には、複数の駆動電極104が配列する領域の隙間を埋めるようにグランド電極108が設けられてもよい。複数の駆動電極104とグランド電極108とは、平面視で連続しているように配置されるが、断面視では両者が直接接触しないように配置される。例えば、複数の駆動電極104とグランド電極108との間には、絶縁層が介在した構造を有する。グランド電極108は複数の駆動電極104の隙間を埋めるように配置され、一定の電位が保持されるように制御される。一定の電位は、例えば、グランド(接地)である。
図2は、パッチ電極102に重なる複数のサブ駆動電極105の回路構成を示す。図2に示すように、複数のサブ駆動電極105がパッチ電極102と重なる領域に配列されている。図2は、一例として、複数のサブ駆動電極105がX軸方向及びY軸方向にマトリクス状に配列される構成を示す。
複数のサブ駆動電極105のそれぞれに対応してスイッチング素子116が設けられている。複数のサブ駆動電極105は、スイッチング素子116によって個別に駆動信号が印加される。スイッチング素子116のオンオフ状態を制御するために走査信号線111が設けられ、スイッチング素子116を通して駆動信号をサブ駆動電極105に印加するために駆動信号線113が設けられる。図2は、複数のサブ駆動電極105に配列に対応して、X軸方向に伸びる複数の走査信号線111(第1走査信号線111A~第6走査信号線111F)、Y軸方向に伸びる複数の駆動信号線113(第1駆動信号線113A~第6駆動信号線113F)が配設される構成を示す。このような回路構成によれば、複数のサブ駆動電極105のそれぞれを個別に駆動することが可能となる。
図3は、液晶メタサーフェス反射板100に設けられるパッチ電極102と駆動電極104の平面図を示す。図3は、図1に示す模式図と同様に、駆動電極104が第1サブ駆動電極105A、第2サブ駆動電極105B、第3サブ駆動電極105C、及び第4サブ駆動電極105Dで構成される例を示す。
第1サブ駆動電極105A、第2サブ駆動電極105B、第3サブ駆動電極105C、及び第4サブ駆動電極105Dは、所定の間隔で離隔し、パッチ電極102と重なるように配置される。第1サブ駆動電極105A、第2サブ駆動電極105B、第3サブ駆動電極105C、及び第4サブ駆動電極105Dのそれぞれの面積は同一である。別言すれば、第1サブ駆動電極105A、第2サブ駆動電極105B、第3サブ駆動電極105C、及び第4サブ駆動電極105Dがパッチ電極102と重なる面積は等しい。
各サブ駆動電極105はスイッチング素子116と接続されている。具体的に、第1サブ駆動電極105Aは第1スイッチング素子116Aと接続され、第2サブ駆動電極105Bは第2スイッチング素子116Bと接続され、第3サブ駆動電極105Cは第3スイッチング素子116Cと接続され、第4サブ駆動電極105Dは第4スイッチング素子116Dと接続されている。第1スイッチング素子116A、第2スイッチング素子116B、第3スイッチング素子116C、及び第4スイッチング素子116Dは、例えば、薄膜トランジスタで形成される。第1スイッチング素子116A、第2スイッチング素子116B、第3スイッチング素子116C、及び第4スイッチング素子116Dが薄膜トランジスタで形成される場合、それぞれのスイッチング素子はゲート端子、信号入力端子、信号出力端子の3つの端子を有する。
図3に示すように、第1スイッチング素子116A及び第2スイッチング素子116Bのゲート端子は第1走査信号線111Aと接続され、第3スイッチング素子116C及び第4スイッチング素子116Dのゲート端子は第2走査信号線111Bと接続される。また、第1スイッチング素子116A及び第3スイッチング素子116Cの信号入力端子は第1駆動信号線113Aと接続され、第2スイッチング素子116B及び第4スイッチング素子116Dの信号入力端子は第2駆動信号線113Bと接続される。さらに、第1スイッチング素子116Aの信号出力端子は第1サブ駆動電極105Aと接続され、第2スイッチング素子116Bの信号出力端子は第2サブ駆動電極105Bと接続され、第3スイッチング素子116Cの信号出力端子は第3サブ駆動電極105Cと接続され、第4スイッチング素子116Dの信号出力端子は第4サブ駆動電極105Dと接続される。図1を参照して説明したように、第1走査信号線111A及び第2走査信号線111BはX軸方向に伸び、第1駆動信号線113A及び第2駆動信号線113BはY軸方向に伸びている。
第1サブ駆動電極105A、第2サブ駆動電極105B、第3サブ駆動電極105C、及び第4サブ駆動電極105Dがそれぞれ第1スイッチング素子116A、第2スイッチング素子116B、第3スイッチング素子116C、及び第4スイッチング素子116Dと接続されることにより、個別に駆動信号を印加することができ、個々のサブ駆動電極ごとに液晶層の配向状態の制御をすることが可能となる。例えば、第1サブ駆動電極105Aに第1の電圧レベルを有する駆動信号を印加し、第2サブ駆動電極105B、第3サブ駆動電極105C、第4サブ駆動電極105Dには駆動信号を印加しない条件でサブ駆動電極105を駆動することができる。また、第1サブ駆動電極105A及び第2サブ駆動電極105Bに第1の電圧レベルを有する駆動信号を印加し、第3サブ駆動電極105C及び第4サブ駆動電極105Dには駆動信号を印加しない条件でサブ駆動電極105を駆動することができる。
別言すれば、駆動信号が2値(オン(Highレベル)とオフ(Lowレベル))の場合、図4に示す例では、4つのサブ駆動電極105を有するため、全てのサブ駆動電極に駆動信号を印加しない場合、1つのサブ駆動電極にオンとなる駆動信号を印加する場合、2つのサブ駆動電極にオンとなる駆動信号を印加する場合、3つのサブ駆動電極にオンとなる駆動信号を印加する場合、4つのサブ駆動電極にオンとなる駆動信号を印加する場合、の5通りの信号印加パターンを有することができる。
パッチ電極102の大きさ(縦及び横の長さ)は対象とする電波の周波数に応じて適宜設定される。パッチ電極102は、入射する電波の垂直偏波及び水平偏波に対して対称な形状を有するように縦横の寸法を設定される。パッチ電極102の一辺の長さは、例えば、対象とする電波の波長の1/2程度の長さを有する。液晶メタサーフェス反射板100の駆動電極104を複数のサブ駆動電極105に分割して、それぞれのサブ駆動電極105を異なる駆動信号で駆動すると、パッチ電極102の面内で液晶層の誘電率が局所的に変化する。しかし、反射する電波の波長はパッチ電極102の一辺の長さより大きく、反射特性は液晶メタサーフェス反射板100の全体的な電磁回路特性により決まるため、反射特性が局所的な誘電率の分布に影響されることはない。
液晶メタサーフェス反射板100による電波の反射方向を精密に制御するためには、液晶層に印加する駆動信号の電圧レベルを細かく刻み多値化することが考えられる。しかし、このような方式では、駆動回路や電源回路の構成が複雑となり規模も大きくなってしまう。これに対し、本実施形態に係る構成では、2値の駆動信号を用いたとしても、サブ駆動電極105の分割数に応じた数で液晶層の配向状態、すなわち電波の反射に影響を与える湯電極率を制御することができる。
液晶メタサーフェス反射板100は、後述されるように、液晶層の厚さが概略20μm~100μmとされており、ディスプレイとして用いられる液晶パネルのセルギャップより大きくなっている。これに伴い液晶層に印加する電圧も既存の液晶パネルより大きく設定する必要がある。そのため、既存の液晶ドライバICを用いることができず、仮に市販品があったとしても階調数が限られてしまうという懸念がある。このような懸念に対し、本実施形態に係る液晶メタサーフェス反射板100は、液晶層の配向を制御する駆動電極104が複数に分割されているため、上述のように液晶層の実効的な誘電率を多段階に制御することができる。
図4は、図3に示すA-B間に対応する断面図を示す。図4に示すように、第1基板150にパッチ電極102が設けられ、第2基板152に駆動電極104(第1サブ駆動電極105A、第2サブ駆動電極105B)が設けられる。第1基板150と第2基板152とは、パッチ電極102と駆動電極104(第1サブ駆動電極105A、第2サブ駆動電極105B)が対向するように配置され、かつ所定のギャップを有するように離隔して配置される。第1基板150と第2基板152とのギャップは、概略20μm~100μmであり、例えば、40μmである。図示されないが、第1基板150と第2基板152との間には、ギャップを一定に保つためのスペーサが設けられていてもよい。
第1基板150にはパッチ電極102を覆うように第1配向膜107Aが設けられ、第2基板152には駆動電極104(第1サブ駆動電極105A、第2サブ駆動電極105B)を覆うように第2配向膜107Bが設けられる。第1基板150と第2基板152とに挟まれるようにして液晶層106が設けられる。液晶層106の初期配向状態は第1配向膜107A及び第2配向膜107Bにより規制される。
第2基板152には第1サブ駆動電極105Aと接続される第1スイッチング素子116A、第2サブ駆動電極105Bと接続される第2スイッチング素子116Bが設けられる。第1スイッチング素子116A及び第2スイッチング素子116Bは前述のように、例えば、薄膜トランジスタで形成される。第1スイッチング素子116A及び第2スイッチング素子116Bは絶縁層109で覆われる。第1サブ駆動電極105A及び第2サブ駆動電極105Bは絶縁層109の上に設けられる。第1サブ駆動電極105Aと第1スイッチング素子116A及び第2サブ駆動電極105Bと第2スイッチング素子116Bとは、絶縁層109に形成されるコンタクトホールにより接続される。
第1スイッチング素子116A及び第2スイッチング素子116Bは、前述のように、ゲート端子、信号入力端子、信号出力端子の3つの端子を有する。図4は、第1スイッチング素子116Aの信号入力端子が第1駆動信号線113Aと接続され、信号出力端子が第1サブ駆動電極105Aと接続され、第2スイッチング素子116Bの信号入力端子が第2駆動信号線113Bと接続され、信号出力端子が第2サブ駆動電極105Bと接続される構造を示す。
図4には詳細に示されないが、絶縁層109は複数の絶縁膜が積層された構造を有する。第1駆動信号線113A及び第2駆動信号線113Bは、第1サブ駆動電極105A及び第2サブ駆動電極105Bより下層に位置するように、絶縁層109の中に設けられる。図4には示されないが、第1走査信号線111Aも絶縁層109の中に設けられる。第1走査信号線111Aと、第1駆動信号線113A及び第2駆動信号線113Bとは絶縁層109の中で異なる層に設けられる。第1走査信号線111Aと、第1駆動信号線113A及び第2駆動信号線113Bとは交差するが交差部では絶縁層が介在している。
第2基板152には、また、グランド電極108が設けられる。グランド電極108は、第1サブ駆動電極105A及び第2サブ駆動電極105Bが離隔する領域を埋めるように設けられる。図3に示すように、グランド電極108と、第1サブ駆動電極105A及び第2サブ駆動電極105Bとの間には、両者が直接接触しないように絶縁層109が介在している。
グランド電極108と、駆動電極104(第1サブ駆動電極105A、第2サブ駆動電極105B)とは物理的に分離されているが、液晶メタサーフェス反射板100に入射する電波(高周波の電波)に対して一つのグランド面が形成される。したがって、グランド電極108の端部は、第1サブ駆動電極105A及び第2サブ駆動電極105Bと重なるように配置されていることが好ましいといえる。
なお、図4は、グランド電極108がスイッチング素子116(第1スイッチング素子116A、第2スイッチング素子116B)を形成する層と異なる層で形成される態様を示すが、グランド電極108の構成はこの例に限定されない。グランド電極108は、例えば、駆動信号線113を形成する層と同じ導電層で形成されてもよいし、走査信号線111を形成する層と同じ導電層で形成されてもよい。
第1基板150及び第2基板152は、ガラス、樹脂、金属板などの平坦性を有する部材で形成される。また、第1基板150及び第2基板152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。スイッチング素子116(薄膜トランジスタ)を形成する半導体層は、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。絶縁層109は、絶縁性を有する材料であれば良く、例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜などの無機絶縁材料、アクリル、エポキシ、ポリイミドなどの有機絶縁材料を用いて形成される。走査信号線111、駆動信号線113などの配線、駆動電極104、グランド電極108、パッチ電極102などの電極は、導電性材料で形成され、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、モリブデン-タングステン(MoW)、銅(Cu)などの金属材料で形成される。
図3は、4つのサブ駆動電極105(第1サブ駆動電極105A、第2サブ駆動電極105B、第3サブ駆動電極105C、第4サブ駆動電極105D)がマトリクス状に配列される構成を示すが、サブ駆動電極の配置はこの例に限定されない。例えば、図5Aに示すように、マトリクス状に配列された4つの第1サブ駆動電極105A1、105B1、105C1、105D1を囲むように、第2サブ駆動電極105A2、105B2、105C2、105D2が設けられ、さらにその外側を囲むように、第3サブ駆動電極105A3、105B3、105C3、105D3が設けられてもよい。別言すれば、平面視で矩形の第1サブ駆動電極105A1の2つの側面に隣接するように鉤形の第2サブ駆動電極105A2が設けられ、さらにその外側に鉤形の第3サブ駆動電極105A3が設けられ、このようなサブ駆動電極(第1サブ駆動電極105A1、第2サブ駆動電極105A2、第3サブ駆動電極105A3)の組が回転対称性を有するように90度回転しながら配置されていてもよい。
また、図5Bに示すように、平面視で三角形の第1サブ駆動電極105A1の1辺に隣接するように多角形(変形した六角形)の第2サブ駆動電極105A2が設けられ、さらにその外側に三角形の第3サブ駆動電極105A3が設けられ、このようなサブ駆動電極(第1サブ駆動電極105A1、第2サブ駆動電極105A2、第3サブ駆動電極105A3)の組が回転対称性を有するように90度回転しながら配置されていてもよい。図5A及び図5Bに示すサブ駆動電極105の構成は、第1サブ駆動電極105A1、第2サブ駆動電極105A2、第3サブ駆動電極105A3の面積が異なっている。このように、複数に分割されたサブ駆動電極105のそれぞれの面積が異なっていても、個別に駆動信号を印加することにより、液晶層106の誘電率を多段階に変化させることができる。
図6Aは、図5Aに示す複数のサブ駆動電極105と、複数のサブ駆動電極105(105A1~105A3、1015B1~105B3、105C1~105C3)に対応して設けられるスイッチング素子116(116A1~116A3、116B1~116B3、116C1~116C3)、及び複数の走査信号線111(第1走査信号線111A、第2走査信号線111AB)並びに複数の駆動信号線113(第1駆動信号線113A~第6駆動信号線113F)の配置を示す。
第1サブ駆動電極105A1は第1スイッチング素子116A1と接続され、第2サブ駆動電極105A2は第2スイッチング素子116A2と接続され、第3サブ駆動電極105A3は第3スイッチング素子116A3と接続される。第1スイッチング素子116A1、第2スイッチング素子116A2、第3スイッチング素子116A3のゲート端子は第1走査信号線111Aと接続される。第1スイッチング素子116A1の入力端子は第1駆動信号線113Aと接続され、第2スイッチング素子116A2の入力端子は第2駆動信号線113Bと接続され、第3スイッチング素子116A3の入力端子は第3駆動信号線113Cと接続される。
図6Aの挿入図に示すように、薄膜トランジスタで形成されるスイッチング素子116(挿入図は第3スイッチング素子116A3を示す)は、半導体層1162を有する。第1走査信号線111Aは図示されない絶縁層を挟んで半導体層1162を横切るように配置され、交差部分がゲート端子(ゲート電極)となる。第1駆動信号線113Aは、半導体層1162とコンタクトを形成する。このコンタクト部分が信号入力端子に相当する。また、半導体層1162は、サブ駆動電極105(挿入図では第3サブ駆動電極105A3)とコンタクトを形成する。このコンタクト部分が信号出力端子に相当する。
図6Bは、図6Aに示すC-D間の断面構造を示す。図6Bに示すように、一つのパッチ電極102に対向して、第1サブ駆動電極105A1~第3サブ駆動電極105A3、及び第1サブ駆動電極105S1~第3サブ駆動電極105B3が配置される。また、パッチ電極102とサブ駆動電極105(105A1~105A3、105B1~105B3)の間には液晶層106が設けられる。
図6Aで示すように、各サブ駆動電極105(105A1~105A3、105B1~105B3)はスイッチング素子116(116A1~116A3、116B1~116B3)が接続されており、個別に駆動信号が印加される。本実施形態に係る液晶メタサーフェス反射板100は、全てのサブ駆動電極105に駆動信号を印加する第1の動作モードと、一部のサブ駆動電極105に駆動信号を印加する第2の動作モードと、を有していてもよい。第2の駆動モードは、サブ駆動電極105の数に応じて駆動信号の印加状態を細分化することがきる。図6Aに示す構成では、サブ駆動電極105(105A1~105A3、105B1~105B3、105C1~105C3、105D1~105D3)のが12個設けられているため、第2の動作モードは12段階の駆動信号印加パターンを形成することができる。
図6Bは、第1サブ駆動電極105A1、105B1、第2サブ駆動電極105A2、105B2に所定の電圧レベルを有する第1駆動信号Sg1が印加され、第3サブ駆動電極105A3、105B3には駆動信号が印加されない状態(記号Sg0として示す)を示す。第1駆動信号Sg1は、例えば、パッチ電極102との間に+15Vの電位差を生じさせる信号である。第1駆動信号Sg1は、周期的に極性が反転する信号であってもよい。すなわち、パッチ電極102との間に、ある1周期で+15Vの電位差を生じさせるとき、次の1周期で-15Vの電位差を生じさせる信号であってもよい。駆動信号は、例えば、30~120Hz、一例として60Hzの周波数で極性が反転してもよい。
このような第1駆動信号Sg1により、パッチ電極102と、第1サブ駆動電極105A1、105B1及び第2サブ駆動電極105A2、105B2と間には電界Eが形成される。図6Bは、液晶層106に含まれる液晶分子118を模式的に示す。液晶分子118は、細長い棒状の構造を有する。液晶分子118は、電界Eの作用を受けて、棒状の分子の長手方向が電界の向きと平行になるように配向する。
具体的に、パッチ電極102と第1駆動信号Sg1が印加される第1サブ駆動電極105A1、105B1、第2サブ駆動電極105A2、105B2との間では、液晶分子118が電界Eの作用を受けて棒状分子の長手方向が垂直に立つように配向する。一方、第3サブ駆動電極105A3、105B3の領域では、電界が生じないので、液晶分子118は初期配向の状態が維持され、棒状分子の長手方向が第2基板152の面と平行な方向(水平方向)に配向している。このように、本実施形態の構成によれば、駆動電極104が複数のサブ駆動電極105に分割されていることにより、パッチ電極102と重なる領域で、部分的に液晶分子118の配向状態を初期配向状態から変化させることができる。
液晶層106の誘電率は、液晶分子118の配向状態により変化する。本実施形態に係る構成では、パッチ電極102の面内で、局所的に液晶層106の配向状態を変化させることができる。前述のように、反射する電波の波長はパッチ電極102の一辺の長さより大きいため、局所的な誘電率分部が電波の反射特性に直接影響を及ぼさないが、1つのパッチ電極102の面内でみた液晶層106の誘電率の平均値が変化することにより、反射する電波の位相に変化を与えるようにすることができる。したがって、駆動電極104を複数のサブ駆動電極105に分割することにより、その分割数に応じて液晶層106の実効的な誘電率を多段階に変化させることができる。それにより、液晶メタサーフェス反射板100による電波の反射方向を細かく制御することができる。
なお、液晶メタサーフェス反射板100が対象とする電波の周波数帯は、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、及びテラヘルツ波帯である。液晶層106の液晶分子118はサブ駆動電極105に印加される駆動信号によって液晶分子の配向が変化するが、パッチ電極102に入射する電波の周波数にはほとんど追従しない。したがって、サブ駆動電極105によって液晶層106の誘電率を変化させつつ、パッチ電極102で電波を反射して、反射される電波の位相(反射波の進行方向)を精密に制御することができる。
上述のように、本実施形態に係る液晶メタサーフェス反射板100は、図7に示すように、パッチ電極102がストリップ配線103で接続されている。図7は、Y軸方向に配列するパッチ電極102をストリップ配線103で接続する構造を示すが、ストリップ配線103の接続方向は図示される例に限定されない。ストリップ配線103は、パッチ電極102のX軸方向に沿った配列を接続するために用いられてもよいし、X軸方向及びY軸方向の両方向を接続するために用いられてもよい。
図7に示す構成において、パッチ電極102同士を接続するストリップ配線103の幅は、極めて細くてもよい。ストリップ配線103の幅W2は、パッチ電極102の一辺の長さW1に対して1/100以下とすることができる。例えば、パッチ電極の一辺の長さW1が10mmである場合、ストリップ配線の線幅を100μm以下にすることができる。
ストリップ配線103の平面視における形状は、直線状であってもよいし、図7に示されるようにクランク状に屈曲していてもよい。ストリップ配線103の長さは、反射する電波の実効波長λgの半分の長さ、具体的にはλg/2の±10%以内の長さを有することが好ましい。ここで、実効波長とは、液晶層の比誘電率εsをもとに、次式(1)のように表される。
λg=λ/(εs)1/2 (1)
ストリップ配線103の長さが、上記のように電波の実効波長の約半分の長さを有することで、パッチ電極102に生じる電流密度分布が乱れないようにすることができ、反射損失を抑制することができる。
λg=λ/(εs)1/2 (1)
ストリップ配線103の長さが、上記のように電波の実効波長の約半分の長さを有することで、パッチ電極102に生じる電流密度分布が乱れないようにすることができ、反射損失を抑制することができる。
本実施形態に係る液晶メタサーフェス反射板100の構成によれば、液晶層106の配向状態を制御する駆動電極104を複数のサブ駆動電極105に分割することにより、入力する駆動信号の階調数(電圧レベルの数)以上に、電波に対する実効的な液晶層106の誘電率を多段階に変化させることができる。それにより、階調数の少ない駆動回路を用いる場合、又は電源回路のみの簡易な回路構成であっても、液晶層106の誘電率を多段階に変化させることができ、電波の反射方向を多段階に変化させることができる。
本発明の一実施形態として例示した液晶メタサーフェス反射板の各種構成は、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液晶メタサーフェス反射板を基にして、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。
100:液晶メタサーフェス反射板、102:パッチ電極、103:ストリップ配線、104:駆動電極、105A:第1サブ駆動電極、105B:第2サブ駆動電極、105C:第3サブ駆動電極、105D:第4サブ駆動電極、106:液晶層、107A:第1配向膜、107B:第2配向膜、108:グランド電極、109:絶縁層、110:走査信号線駆動回路、111:走査信号線、112:駆動信号線選択回路、113:駆動信号線、113A:第1駆動信号線、113B:第2駆動信号線、114:端子部、115:端子電極、116:スイッチング素子、1162:半導体層、116A:第1スイッチング素子、116B:第2スイッチング素子、118:液晶分子、150:第1基板、152:第2基板
Claims (7)
- マトリクス状に配列されたパッチ電極と、
前記パッチ電極と重なる駆動電極と、
前記パッチ電極と前記駆動電極との間の液晶層と、
を有し、
前記駆動電極は、複数のサブ駆動電極に分割され、
前記複数のサブ駆動電極を個別に駆動して、前記液晶層の配向状態を前記パッチ電極の面内で局所的に制御可能なように構成されていることを特徴とする液晶メタサーフェス反射板。 - 前記複数のサブ駆動電極のそれぞれは、スイッチング素子と接続され、前記スイッチング素子を介して個別に駆動信号が印加される、請求項1に記載の液晶メタサーフェス反射板。
- 前記複数のサブ駆動電極の面積が等しい、請求項1に記載の液晶メタサーフェス反射板。
- 前記複数のサブ駆動電極の中の1つサブ駆動電極と、他の1つのサブ駆動電極とは、面積が異なっている、請求項1に記載の液晶メタサーフェス反射板。
- 前記複数のサブ駆動電極は、第1の形状を有する複数のサブ駆動電極と、前記第1の形状とは異なる第2の形状を有する複数のサブ駆動電極と、を含み、
前記第1の形状を有する複数のサブ駆動電極と、前記第2の形状を有する複数のサブ駆動電極とが、前記パッチ電極と重なる面内で対称性を有するように配置されている、請求項1に記載の液晶メタサーフェス反射板。 - 前記複数のパッチ電極がストリップ配線で接続されている、請求項1に記載の液晶メタサーフェス反射板。
- 前記ストリップ配線の幅が、前記パッチ電極の一辺の長さに対し、1/100以下である、請求項6に記載の液晶メタサーフェス反射板。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2024-040880 | 2024-03-15 | ||
| JP2024040880 | 2024-03-15 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2025192577A1 true WO2025192577A1 (ja) | 2025-09-18 |
Family
ID=97064064
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2025/009038 Pending WO2025192577A1 (ja) | 2024-03-15 | 2025-03-11 | 液晶メタサーフェス反射板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2025192577A1 (ja) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2022156917A (ja) * | 2021-03-31 | 2022-10-14 | 株式会社ジャパンディスプレイ | 電波反射板 |
| JP2023058014A (ja) * | 2021-10-12 | 2023-04-24 | 稜研科技股▲ふん▼有限公司 | 電磁波リフレクトアレイ |
-
2025
- 2025-03-11 WO PCT/JP2025/009038 patent/WO2025192577A1/ja active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2022156917A (ja) * | 2021-03-31 | 2022-10-14 | 株式会社ジャパンディスプレイ | 電波反射板 |
| JP2023058014A (ja) * | 2021-10-12 | 2023-04-24 | 稜研科技股▲ふん▼有限公司 | 電磁波リフレクトアレイ |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3835852B1 (en) | Liquid crystal phase shifter and operation method therefor, liquid crystal antenna, and communication device | |
| US20240364008A1 (en) | Reflect array | |
| US20240085746A1 (en) | Intelligent reflecting surface and intelligent reflecting device | |
| US20240103322A1 (en) | Phase modulating device and intelligent reflecting surface | |
| US20250015508A1 (en) | Reflect array | |
| US20250023252A1 (en) | Reflecting device having liquid crystal material | |
| US20240243484A1 (en) | Reflect array | |
| US20250149800A1 (en) | Reflecting device | |
| WO2022259789A1 (ja) | 電波反射板及びフェーズドアレイアンテナ | |
| US20250372884A1 (en) | Reflecting device | |
| WO2025192577A1 (ja) | 液晶メタサーフェス反射板 | |
| WO2024116573A1 (ja) | 電波反射装置 | |
| US12578599B2 (en) | Reflecting device having liquid crystal material | |
| WO2025192578A1 (ja) | 液晶メタサーフェス反射板 | |
| US20250266865A1 (en) | Intelligent reflecting surface | |
| US20260011928A1 (en) | Intelligent reflecting surface | |
| US20260005436A1 (en) | Reflecting element for intelligent reflecting surface | |
| US20250210880A1 (en) | Reflecting device | |
| WO2025192048A1 (ja) | 電波反射装置 | |
| US20250379367A1 (en) | Intelligent reflecting surface | |
| TWI886995B (zh) | 電子裝置 | |
| US20250316910A1 (en) | Reflecting device and control method thereof | |
| US20250389989A1 (en) | Intelligent reflecting surface | |
| US20260003234A1 (en) | Intelligent reflecting surface | |
| US20260018800A1 (en) | Intelligent reflecting surface |
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: 25769384 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |