(57)【要約】【課題】無線通信と放送の送受信及びレーダーにおいて、非常に高い周波数帯まで使用しうる安価な偏波可変アンテナを提供することを目的とするものである。【解決手段】第１の配向膜２ａのコーティングされた第１のガラス基板１ａと第２の配向膜２ｂのコーティングされた第２のガラス基板１ｂとの間に液晶３を介在させ、第１のガラス基板１ａ側に透明電極４ａを配置すると共に第２のガラス基板１ｂ側にアンテナ素子５を配置し、液晶３を駆動するための低周波信号を透明電極４ａとアンテナ素子５との間に印加し、且つ、アンテナ素子５にはマイクロ波又はミリ波を給電することを特徴とする。【選択図】　　　　図１
2004056549.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線通信と放送の送受信のために用いられる偏波可変アンテナにおいて、第１の配向膜のコーティングされた第１のガラス基板と第２の配向膜のコーティングされた第２のガラス基板との間に液晶を介在させ、前記第１のガラス基板側にアンテナ素子を配置すると共に前記第２のガラス基板側に透明電極を配置し、前記液晶を駆動するための低周波信号を前記透明電極と前記アンテナ素子との間に印加し、且つ、前記アンテナ素子にはマイクロ波又はミリ波を給電することを特徴とする偏波可変アンテナ。
【請求項２】
無線通信と放送の送受信のために用いられる偏波可変アンテナにおいて、第１の配向膜のコーティングされた第１のガラス基板と第２の配向膜のコーティングされた第２のガラス基板との間に液晶を介在させ、第１のガラス基板側に金属電極を二箇所に配置すると共に第２のガラス基板側にアンテナ素子を配置し、前記液晶を駆動するための低周波信号を前記金属電極に印加し、且つ、前記アンテナ素子にはマイクロ波又はミリ波を給電することを特徴とする偏波可変アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波又はミリ波を用いた無線通信と放送の送受信に用いられる偏波可変アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ブロードバンド応用を目指したミリ波帯を用いた無線通信及び放送システムの研究開発が盛んである。
ミリ波帯の電波は波長が短いため、高利得のアンテナが小型に製作できる。アンテナを高利得にすれば、他の通信との干渉を少なくし、多くの通話チャンネルを確保することができる。
【０００３】
アンテナの偏波を可変にすれば、信号多重度の向上やビットエラー率の低減が可能になる。
例えば、放送衛星システムにおいては、偏波多重によって日本と韓国における周波数利用効率を高めている。
【０００４】
また、ミリ波を室内など反射の多い場所で使う場合、円偏波を用いると多重反射に起因するビットエラー率を低減できる。
直接波が右円偏波とすれば、１回の反射波は左円偏波に変換される。
右円偏波の受信アンテナの感度は、遅延量が異なりエラーの原因となる反射波（左円偏波）に対する感度が低い。
よって、円偏波を用いることで多重反射に起因するビットエラー率を低減できる。
【０００５】
さて、偏波可変アンテナの従来例を図５に示す。
図中、９はミリ波発信器、１１１はパッチアンテナ、１１２ａ，１１２ｂはパッチアンテナ１１１の給電点、１１３は可変移相器、１１４ａ，１１４ｂは可変減衰器、１１５は電力分配器である。
紙面のｘ軸平行な偏波を水平偏波、ｙ軸平行な偏波を垂直偏波と呼ぶこととし、また発射される電波は紙面上向きへと進むものとする。
【０００６】
ミリ波発信器９から出力されるミリ波信号は、電力分配器１１５で分けられたのち、２本の経路を辿る。
ひとつは右側の可変減衰器１１４ｂと可変移相器１１３を通って、給電点１１２ａにいたる経路である。
また、もうひとつは左側の可変減衰器１１４ａを通って、給電点１１２ｂにいたる経路である。
従来の構成では、可変移相器１１３と可変減衰器１１４ａ，１１４ｂの状態の組合せによって次のような偏波が得られる。
【０００７】
可変移相器１１３の位相遅れを０にすれば、次の２種の直線偏波が得られる。可変減衰器１１４ａの減衰量を無限大に、１１４ｂの減衰量を０にすれば、ミリ波は給電点１１２ａにのみ印加され、水平偏波のみが出射される。
一方、可変減衰器１１４ａの減衰量を０に、１１４ｂの減衰量を無限大にすれば、ミリ波は給電点１１２ｂにのみ印加され、垂直偏波のみが出射される。
【０００８】
また、可変減衰器１１４ａ，１１４ｂはともに減衰量を０にしておけば、次の２種の円偏波の発生も可能である。
可変移相器１１３の位相遅れをπ／２にしておけば、給電点１１２ａに印加される位相は１１２ｂに印加される位相よりπ／２だけ遅れることとなる。
この場合、出射される電波の偏波は左円偏波となる。
【０００９】
さらに、可変移相器１１３の位相遅れを３π／２にしておけば、給電点１１２ａに印加される位相は給電点１１２ｂに印加される位相よりπ／２だけ進むこととなる。
この場合、出射される電波の偏波は右円偏波となる。
このようにして、ここで述べた従来の構成によって左／右円偏波、水平／垂直直線偏波を得ることができる。
【００１０】
さてここで用いた可変移相器１１３であるが、一般に遅延量の異なる伝送路を移相器回路内に複数準備しておき、所望の遅延を得られるような経路をダイオードやトランジスタで切り替えるデジタル移相器を用いるのが一般的である。
この構成においては、多数の遅延経路を準備しておかねばならず、移相器自身を集積した回路寸法が大きくなるとともにコスト増となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、無線通信と放送の送受信及びレーダーにおいて、非常に高い周波数帯まで使用しうる安価な偏波可変アンテナを提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係る偏波可変アンテナは、無線通信と放送の送受信のために用いられる偏波可変アンテナにおいて、第１の配向膜のコーティングされた第１のガラス基板と第２の配向膜のコーティングされた第２のガラス基板との間に液晶を介在させ、前記第１のガラス基板側にアンテナ素子を配置すると共に前記第２のガラス基板側に透明電極を配置し、前記液晶を駆動するための低周波信号を前記透明電極と前記アンテナ素子との間に印加し、且つ、前記アンテナ素子にはマイクロ波又はミリ波を給電することを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係る偏波可変アンテナは、無線通信と放送の送受信のために用いられる偏波可変アンテナにおいて、第１の配向膜のコーティングされた第１のガラス基板と第２の配向膜のコーティングされた第２のガラス基板との間に液晶を介在させ、第１のガラス基板側に金属電極を二箇所に配置すると共に第２のガラス基板側にアンテナ素子を配置し、前記液晶を駆動するための低周波信号を前記金属電極に印加し、且つ、前記アンテナ素子にはマイクロ波又はミリ波を給電することを特徴とする。
【００１４】
〔作用〕
本発明によれば、偏波可変アンテナを構成するにあたって、液晶をミリ波に対する複屈折材料として使用するため、アンテナ素子で入出力されるミリ波の偏波を自由に制御することができる。
アンテナ装置としては、トランジスタやダイオードを用いた回路も不要であるため、使用可能な周波数帯はミリ波に限らずのＴＨｚ帯まで包含する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
本発明の第一の実施例に係る偏波可変アンテナを図１に示す。
図１（ａ）は偏波可変アンテナの上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）中のＡ−Ｂ面における断面図、図１（ｃ）はミリ波源、低周波発振器、バイアス回路も含む回路図である。
図中、１ａ，１ｂはガラス基板、２ａ，２ｂは配向膜、３は液晶、４ａは透明電極、５はアンテナ素子、６はコンデンサ、７はコイル、８は低周波発振器、９はミリ波発振器である。
【００１６】
本実施例に係る偏波可変アンテナの構造と製作法は、以下の通りである。
先ず、図１（ｂ）の右端に描いたガラス基板１ａの方から製作する。
ガラス基板１ａは石英基板であり、その片面に９４ＧＨｚ帯用アンテナ素子５を金の蒸着及びパターンニングによって形成した。
なお、アンテナ素子５としてはパッチアンテナを採用した。
ガラス基板１ａの上に、ポリイミドの配向膜２ａをスピンコートで塗布し、乾燥・硬化ののちラビング処理した。
【００１７】
また、左側のガラス基板１ｂは次のように加工した。
ガラス基板１ｂは１ａと同様に石英基板である。
その片面にｌＴＯ（インジウム錫の酸化物）の透明電極４ａを蒸着し、配向膜２ｂをコーティングした。
配向膜２ｂの材料や処理方法は配向膜２ａと同じとした。
ただし、両側の配向方向は９０度のツイスト配向とした。
ここまで加工されたガラス基板１ａ，１ｂをスペーサ入りの接着剤２０で接着した。
図１（ａ）に示したように接着剤２０は全面に塗らずに、液晶注入用の窓２０ａを空けておいた。
この窓２０ａから配向膜２ａ，２ｂの間にｐ型のネマティック液晶３を注入した。最後に窓２０ａを封止した。
【００１８】
次に、実施例１の原理を図２に示す。ここでは、パッチアンテナであるアンテナ素子５から発射されるミリ波の偏波が可変であることを説明する。
図中、２１は液晶分子である。
ＥＣＢモードの液晶素子はその印加電圧の大小で液晶３の向きが変化するが、図２（ａ）は閾値以上の電圧が印加された場合に相当し、図２（ｂ）は閾値電圧が印加された場合に相当し、図２（ｃ）は電圧が印加されていない場合に相当する。
【００１９】
アンテナ素子５から出射されたミリ波の偏波は水平偏波（Ｘ軸に平行）で、ミリ波の進行方向はＺ軸の正の方向であることとする。
図２（ａ）のように液晶３に閾値電圧以上の低周波信号が印加されている場合、液晶分子２１は低周波電圧（ここでは周波数１０ｋＨｚ）の方向と同じ方向に並ぶ。このとき、Ｚ軸に平行に進むミリ波の偏波は変化しない。
よって、水平偏波はそのまま水平偏波のまま出射される。
【００２０】
図２（ｃ）のように、電圧が印加されていなければ、液晶分子２１はラビング方向に配向する。
ここでラビングの角度はｘ軸から４５度だけｙ軸に傾けた方向である。
このとき、液晶３に入射するミリ波の偏波は９０度回転し、水平偏波が入射した場合は、出射波の偏波は垂直偏波となる。
【００２１】
図２（ｂ）では、液晶３に閾値電圧程度の低周波信号が印加されているので、液晶分子２１の配向方向はＺ軸に平行でもなく、ラビング方向に平行でもない。このような角度の複屈折材料に直線偏波のミリ波が入射した場合、出射波の偏波は図示されるように一般に円偏波（楕円偏波を含む）となる。
従って、この説明のように直線偏波のミリ波を液晶３に入射させた場合、印加電圧に応じて出射波の偏波を水平偏波、円偏波、垂直偏波と可変にすることができる。
また、高周波デバイスは用いることなく実現可能な方法である。
本発明の偏波可変アンテナに制御電圧を印加する構成を図１（ｃ）を用いて説明する。
一般に送信機に相当するミリ波発信器９からのミリ波はコンデンサ６を経て、アンテナ素子５に給電される。
【００２２】
一方、液晶３を駆動されるための低周波電圧は、低周波発信器８で発生されコイル７を経て、液晶３に印加される。
液晶３への電極は一方が透明電極４ａで、もう一方はアンテナ素子５がそれを兼ねる。
この構成において、周波数１０ｋＨｚで駆動したとき液晶３の閾値電圧は２Ｖｒｍｓであった。
低周波発信器の出力電圧を４，２，０Ｖｒｍｓと変化させたところ、原理の説明で用いた図２で示されるように水平偏波、円偏波、垂直偏波と自由に出射ミリ波の偏波を変化させることが出来た。
【００２３】
〔実施例２〕
本発明の第二の実施例に係る偏波可変アンテナを図３に示す。
実施例１の構成は透過型の素子であるが、本実施例の構成は反射型の素子である。
図３（ａ）は偏波可変アンテナの構成を示す断面図、図３（ｂ）はミリ波発信器を含む回路図である。
図中、１ａ，１ｂはガラス基板、２ａ，２ｂは配向膜、３は液晶、５はアンテナ素子、８は低周波発信器、９はミリ波発信器である。
【００２４】
製作手順は次の通りである。
図３（ａ）の右端に描いたガラス基板１ａの方から製作する。
ガラス基板１ａは石英基板であり、櫛状のアルミニウム電極１０を蒸着及びパターンニングによって二箇所に形成した。
ガラス基板１ａのアルミニウム電極１０のある方の面に、ＳｉＯ斜め蒸着膜による配向膜２ａを蒸着した。
【００２５】
また、左側のガラス基板１ｂは次のように加工した。
ガラス基板１ｂの片面にＳｉＯ斜め蒸着膜による配向膜２ｂを蒸着した。ガラス基板１ｂも石英基板である。
図では省略したが、実施例１と同様にガラス基板２ａ，２ｂをスペーサ入りの接着剤で接着した。
ガラス基板２ａ，２ｂの間にｎ型のネマティック液晶３を注入した。
【００２６】
本実施例ではＳｉＯ斜め蒸着膜による配向膜２ａ，２ｂを用いたので、液晶３は平行配向となる。
図中の矢印は低周波信号がアルミニウム電極１０に印加されたときの電界の方向である。正確には、印加信号によって方向は時間とともに変化する。
また、実施例１の場合は電界はガラス基板に垂直に印加されるが、本実施例ではガラス基板１ａ，１ｂに平行となる。
液晶パネル部分が完成したのちに、アンテナ素子５を接着剤で固定した。
アンテナ素子５としてパッチアンテナを用いた。
【００２７】
次に実施例２の動作原理を図４を参照して説明する。
平行配向処理されたｎ型液晶素子はその印加電圧の大小で液晶３の向きが変化するが、図４（ａ）は閾値以上の電圧が印加された場合に相当し、図４（ｂ）は閾値電圧が印加された場合に相当し、図４（ｃ）は電圧が印加されていない場合に相当する。
アンテナ素子５から出射されたミリ波の偏波は水平偏波（Ｘ軸に平行）で、ミリ波の進行方向はＺ軸の負の方向に進行し液晶素子の片面で反射されｚ軸の正の方向へ進むものとする。
【００２８】
図４（ａ）のように液晶３に閾値電圧以上の低周波信号が印加されている場合、液晶分子２１はガラス基板の間で垂直に揃う。このとき、Ｚ軸に平行に進むミリ波の偏波は変化しない。
よって、水平偏波はそのまま水平偏波のまま出射される。
図４（ｃ）では、図２（ｃ）のように電圧が印加されていなければ、液晶分子２１は配向方向に配向する。
このときの配向の角度はｘ軸から４５度だけｙ軸に傾けた方向である。
【００２９】
液晶３に入射するミリ波の偏波は９０度回転し、水平偏波が入射した場合は、出射波の偏波は垂直偏波となる。
図４（ｂ）では、液晶３に閾値電圧程度の低周波信号が印加されているので、液晶分子２１の配向方向はＺ軸に平行でもなく、配向方向に平行でもない。
このような角度の複屈折材料に直線偏波のミリ波が入射した場合、出射波の偏波は図示されるように円偏波又は楕円偏波となる。
【００３０】
以上の説明のように実施例２で直線偏波のミリ波を液晶３に入射させた場合、印加電圧に応じて出射波の偏波を水平偏波、垂直偏波、円偏波と可変にすることができる。
本発明の偏波可変アンテナに制御電圧を印加する構成を図３（ｂ）を用いて説明する。ミリ波発信器９からのミリ波はアンテナ素子５に給電される。
液晶３を駆動されるための低周波電圧は、低周波発信器８から液晶３に印加される。
この構成において、周波数１ｋＨｚで駆動したとき液晶３の閾値電圧は５Ｖｒｍｓであった。
【００３１】
低周波発信器の出力電圧を５，２．５，０Ｖｒｍｓと変化させたところ、原理の説明で用いた図４で示されるように水平偏波、円偏波、垂直偏波と自由に出射ミリ波の偏波を変化させることが出来た。
説明は送信に限って行ったが、受信時においても同じように偏波を変化させることができた。
【００３２】
以上、説明したように本発明は、偏波が可変なアンテナに関するもので、液晶を用いてその複屈折効果により出射する電波の偏波を変える点が特徴であり、これにより、従来必要であったトランジスタやダイオード素子を不要とし、簡易な構成で偏波可変アンテナを実現できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、液晶の複屈折効果を用いた本発明の偏波可変アンテナは、液晶部分への低周波電圧の印加電圧制御によって簡単に出射するミリ波の偏波を変えることができる。
また、いずれの実施例に例示するように、ミリ波周波数帯のトランジスタやダイオードを用いる必用もない。
よって、大変安価な構成でマイクロ波又はミリ波を用いた無線通信と放送の送受信の偏波可変アンテナを構成しうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例に係り、図１（ａ）は偏波可変アンテナの上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）中のＡ−Ｂ面における断面図、図１（ｃ）はミリ波源、低周波発振器、バイアス回路も含む回路図である。
【図２】本発明の実施例１における原理を示す説明図である。
【図３】本発明の第二の実施例に係り、図３（ａ）は偏波可変アンテナの構成を示す断面図、図３（ｂ）はミリ波発信器を含む回路図である。
【図４】本発明の実施例２における原理を示す説明図である。
【図５】従来技術を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ　ガラス基板
２ａ，２ｂ　配向膜
３　液晶
４ａ　透明電極
５　アンテナ素子
６　コンデンサ
７　コイル
８　低周波発振器
９　ミリ波発信器
１０　アルミニウム電極
２０　接着剤
２０ａ　液晶注入用の窓
２１　液晶分子
１１１　パッチアンテナ
１１２ａ，１１２ｂ　給電点
１１３　可変移相器
１１４ａ，１１４ｂ　可変減衰器
１１５　電力分配器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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