(57)【要約】  【課題】  偏波方向に係らずミリ波及びマイクロ波に適用することができる電波レンズを提供する。  【解決手段】  電波レンズは、直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有しミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の第１の基準電極１１と、第１の液晶層１２と、直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有しミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の制御電極１３と、第２の液晶層１４と、直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有しミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の第２の基準電極１５とを順に積層して構成される１つのセル、又は２つ以上の積層されたセルを含む。【選択図】  図１
2005244458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有し、ミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の第１の基準電極と、
第１の液晶層と、
直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有し、ミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の制御電極と、
第２の液晶層と、
直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有し、ミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の第２の基準電極とを順に積層して構成されるセルを２つ以上積層した電波レンズ。
【請求項２】
前記第１の基準電極、制御電極、及び第２の基準電極の液晶との接触面に塗布される配向膜を含む請求項１に記載の電波レンズ。
【請求項３】
直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有し、ミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の第１の基準電極と、
繊維状絶縁体に液晶を含浸させた第１の液晶含浸層と、
直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有し、ミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の制御電極と、
繊維状絶縁体に液晶を含浸させた第２の液晶含浸層と、
直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有し、ミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の第２の基準電極とを積層して構成されるセルを２つ以上積層した電波レンズ。
【請求項４】
前記制御電極が、電波の伝播方向に少なくとも２つに分割される請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電波レンズ。
【請求項５】
前記第１の基準電極、制御電極、及び第２の基準電極が、導電性高分子材で作られる請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電波レンズ。
【請求項６】
前記導電性高分子材が、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロールのいずれかである請求項５に記載の電波レンズ。
【請求項７】
前記ポリチオフェンが、ＰＥＤＯＴ［poly（3,4-ethylenedioxythiophene）］である請求項６に記載の電波レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電波レンズに係り、特に、偏波方向に係らずミリ波及びマイクロ波に適用可能な可変電波レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
通信衛星（ＣＳ）放送を移動体で受信する場合は、受信アンテナの受信指向性を通信衛星の方向に向ける、いわゆる追尾制御が必要となる。
【０００３】
受信アンテナの受信指向性を制御する方法としては、受信アンテナの姿勢を機械的に制御する追尾装置を使用することが一般的であるが、装置が大規模となるだけでなく、機械装置の保守が必要となるという課題がある。
【０００４】
この課題を解決するために、電波の伝播方向を電気的に制御することができる電波レンズを使用し、指向性を電気的に制御する受信アンテナも実用化されている。
【０００５】
図８は、従来提案されている電波レンズの構成図であって、液晶を誘電体として使用している（特許文献１参照）。
【０００６】
２枚の基準電極１３０の間に短冊状の制御電極１２０を配置し、基準電極１３０と制御電極１２０の間に液晶含浸材１１０を配置した液晶セルを積層した構成を有する。この構成により、制御電極１２０と基準電極１３０の間に所定の制御電圧を印加して液晶分子の配向方向を制御することにより、液晶の誘電率を制御することができる。
【０００７】
この結果、上記の電波レンズを通過する電波の伝播方向を制御すること、即ち、アンテナの指向性を電気的に制御することが可能となる。
【特許文献１】特開２００３−１８５９９０号公報（［００１３］〜［００１４］、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来の電波レンズは、電極に垂直な偏波面を有するマイクロ波又はミリ波（以下Ｖ波）に適用できるものの、電極に平行な偏波面を有するマイクロ波又はミリ波（以下Ｈ波）には適用することができないという課題があった。
【０００９】
通信衛星放送においては、混信防止のため、放送チャンネルに応じて、垂直偏波と水平偏波を使い分けているが、従来の電波レンズでは、電極（制御電極１２０及び基準電極１３０）が金属製であるために、Ｈ波への適用は不可能であった。
【００１０】
即ち、間隔ａの２枚の金属板間を伝播可能な電波の波長λは、周知のように、［数１］によって制限される。
【００１１】
【数１】
2005244458.tif 000003
液晶の誘電率は“３”程度であるので、波長が０．００１〜０．１メートルのマイクロ波又はミリ波を伝播するためには、金属板間の間隔ａを２９０マイクロメートル〜２９ミリメートル以上としなければならいない。
【００１２】
しかし、金属板の間隔ａを２９０マイクロメートル〜２９ミリメートル以上とすると、液晶の配向方向を制御するための制御電圧は約１００〜１０，０００ボルトとする必要があるが、制御電源装置自体が大規模となってしまい現実的ではない。
【００１３】
従来の電波レンズでは、制御電圧を１００ボルト以下に抑えるために、電極板間の間隔を約２００マイクロメートル以下とせざるを得なかった。
【００１４】
従って、従来の電波レンズを使用してＨ波及びＶ波の両方に対して適用可能な受信アンテナを実現するためには、受信アンテナにＨ波用及びＶ波用の２つの電波レンズを使用するか、電波レンズ自体を機械的に９０度回転可能な構造とする必要があるが、いずれも受信アンテナの構成が複雑となり、保守性及び経済性の面で不利となる。
【００１５】
本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであって、偏波方向に係らずミリ波及びマイクロ波に適用することができる電波レンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る電波レンズの第１の実施形態は、直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有しミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の第１の基準電極と、第１の液晶層と、直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有し、ミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の制御電極と、第２の液晶層と、直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有しミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の第２の基準電極とを順に積層して構成されるセルが２つ以上積層する。
【００１７】
この構成により、電波の偏波方向に係らず電波の伝播方向を変更できることとなる。
【００１８】
本発明に係る電波レンズの第１の実施形態は、前記第１の基準電極、制御電極、及び第２の基準電極の液晶との接触面に塗布される配向膜を含んでいてもよい。
【００１９】
この構成により、制御電圧が印加されていない状態における液晶分子を電極と平行な方向に配向することが可能となる。
【００２０】
本発明に係る電波レンズの第２の実施形態は、直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有しミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の第１の基準電極と、繊維状絶縁体に液晶を含浸させた第１の液晶含浸層と、直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有し、ミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の制御電極と、繊維状絶縁体に液晶を含浸させた第２の液晶含浸層と、直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有し、ミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の第２の基準電極とを積層して構成されるセルが２つ以上積層する。
【００２１】
この構成により、液晶層に機械的強度を付与することができると共に、電波の偏波方向に係らず電波の伝播方向を変更できることとなる。
【００２２】
本発明に係る電波レンズの第１及び第２の実施形態は、前記制御電極が電波の伝播方向に少なくとも２つに分割される。
【００２３】
この構成により、電波の伝播方向を正確に制御することが可能となる。
【００２４】
本発明に係る電波レンズの第１及び第２の実施形態は、前記第１の基準電極、制御電極、及び第２の基準電極が、導電性高分子材で作られる。
【００２５】
この構成により、電極はキロヘルツ以下の電圧変化に対し導電性を有し、マイクロ波及びミリ波に対し透過性を維持することが可能となる。
【００２６】
本発明に係る電波レンズの第１及び第２の実施形態は、前記導電性高分子材が、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロールのいずれかである。
【００２７】
この構成により、電極はキロヘルツ以下の電圧変化に対し導電性を有し、マイクロ波及びミリ波に対し透過性を維持することが可能となる。
【００２８】
本発明に係る電波レンズの第１及び第２の実施形態は、前記ポリチオフェンが、ＰＥＤＯＴ［poly（3,4-ethylenedioxythiophene）］である。
【００２９】
この構成により、電極はキロヘルツ以下の電圧変化に対し導電性を有し、マイクロ波及びミリ波に対し透過性を維持することが可能となる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明は、直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有しミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で電極を構成することにより、偏波方向に係らずミリ波及びマイクロ波に適用可能な電波レンズを提供できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明に係る電波レンズの実施形態を、図面を用いて説明する。
【００３２】
本発明に係る電波レンズの第１の実施形態の構成図を、図１及び図２に示す。
【００３３】
セル１は、図１に示すように、直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有し、ミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の第１の基準電極１１と、第１の液晶層１２と、直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有しミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の制御電極１３と、第２の液晶層１４と、直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有しミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の第２の基準電極１５とを順に積層した構成を有する。
【００３４】
そして、電波レンズ１０は、図２に示すように、それぞれが上記構成を有するセルを２つ以上積層して構成される。
【００３５】
制御電極１３は、電波の伝播方向（図１及び図２のＹ軸方向）に少なくとも２つに分割されていてもよい。
【００３６】
また、第１の基準電極１１、制御電極、及び第２の基準電極１５は、その形状及び位置を維持するために、実際は、ミリ波及びマイクロ波に対して透過性を有する絶縁基板１６上にパターニング形成される。なお、絶縁基板１６は、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、又はポリイミドで製作することができる。
【００３７】
さらに、第１の基準電極１１、制御電極１３、第２の基準電極１５、及び絶縁基板１６の液晶との接触面には配向膜１７が塗布されている。
【００３８】
第１の液晶層１２及び第２の液晶層１４に使用する液晶としては、ネマティック液晶、コレステリック液晶、スメクティック液晶、又はこれらの混合液晶を使用することができる。
【００３９】
第１の基準電極１１、制御電極１３、及び第２の基準電極１５の材料である、直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有し、ミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料としては、いわゆる導電性高分子材、即ち、共役性を有する高分子材を使用することができる。
【００４０】
導電性高分子材としてはポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール等を使用することができ、ポリチオフェン、特にＰＥＤＯＴ［poly（3,4-ethylenedioxythiophene）］を使用することが望ましい。
【００４１】
以上のように構成された電波レンズ１０の第１の実施形態について、図３及び図４を用いて、その動作を説明する。
【００４２】
図３は、図２の一点鎖線で囲まれた部分の拡大図であって、第１の基準電極１１と第２の基準電極１５とは共通導体３０で接続され、同一電位とされる。
【００４３】
制御電極１３は電波の伝播方向に、第１の制御電極１３１と第２の制御電極１３２とに分割されている。そして、第１の制御電極１３１には第１の導体３１が、第２の制御電極１３２には第２の導体３２が接続されている。
【００４４】
さらに、第１の導体３１は第１の制御電圧源３３の一方の極に、第２の導体３２は第２の制御電圧源３４の一方の極に接続されている。なお、第１の制御電圧源３３及び第２の制御電圧源３４の他方の極は、共通導体３０に接続されている。
【００４５】
従って、第１の制御電圧源３３及び第２の制御電圧源３４の電圧を調整することにより、電波の伝播方向を電極と水平方向に制御することが可能となる。
【００４６】
各セルの液晶の誘電率を電波の進行方向左側を大きく、進行方向右側に行くほど誘電率が小さくするように制御電圧を制御すると、セル左側を伝播する電波の伝播速度は小さくなり、セル右側を伝播する電波の伝播速度は大きくなるので、電波の等位相面は左側に傾き、電波の伝播方向が変化する。
【００４７】
図４は、図３の二点鎖線で囲まれた部分の拡大図であって、第１の制御電極１３１に印加する電圧と液晶分子の配向方向との関係を示す。
【００４８】
図４（ａ）は、第１の制御電極１３１と第１の基準電極１１及び第２の基準電極１５との間の電圧を低電圧ＶL（＝略零ボルト）とした場合であって、液晶分子は第１の制御電極１３１と第１の基準電極１１及び第２の基準電極１５との間に発生する電界の影響をほとんど受けず、配向膜１７の作用により水平方向に配向する。
【００４９】
この結果、第１の液晶層１２及び第２の液晶層１４は、Ｈ波に対して誘電率εL（＝液晶分子の長軸方向の誘電率）の物質として、Ｖ波に対しては誘電率εS（＝液晶分子の短軸方向の誘電率）の物質として作用する。
【００５０】
第１の液晶層１２及び第２の液晶層１４の電極に平行方向の長さは、マイクロ波又はミリ波の遮断波長に対して十分大きいので、Ｖ波は第１の液晶層１２及び第２の液晶層１４中を伝播する。そして、第１の制御電極１３１と第１の基準電極１１及び第２の基準電極１５との間の電界は略零であるので、Ｖ波は第１の液晶層１２及び第２の液晶層１４をほぼＹ軸に沿って伝播する。
【００５１】
一方Ｈ波に関しては、第１の液晶層１２と第２の液晶層１４との間に存在する電極が電波に対して透過性を有するので、電極は電波の伝播に対しては障害とならず、Ｈ波もほぼＹ軸に沿って伝播する。
【００５２】
図４（ｃ）は、第１の制御電極１３１と第１の基準電極１１及び第２の基準電極１５との間の電圧を高電圧ＶHとした場合であって、液晶分子は第１の制御電極１３１と第１の基準電極１１及び第２の基準電極１５との間に発生する電界の作用により垂直方向に配向する。
【００５３】
従って、第１の液晶層１２及び第２の液晶層１４は、Ｈ波に対して誘電率εSの物質として、Ｖ波に対しては誘電率εLの物質として作用し、第１の制御電極１３１と第１の基準電極１１及び第２の基準電極１５との間の電界の作用により、Ｖ波であるかＨ波であるかに係らず電波の伝播速度は第１の液晶層１２及び第２の液晶層１４を通過する間に変化する。
【００５４】
図４（ｂ）は、第１の制御電極１３１と第１の基準電極１１及び第２の基準電極１５との間の電圧を中間電圧ＶＭ（ＶL＜ＶM＜ＶH）とした場合であって、液晶分子は第１の制御電極１３１と第１の基準電極１１及び第２の基準電極１５との間に発生する電界の影響により斜め方向に配向する。
【００５５】
第１の液晶層１２及び第２の液晶層１４は誘電率が略０．５（εL＋εS）の物質として作用し、電波の伝播速度が変化する。
【００５６】
従って、セル毎に制御電極に印加する電圧を制御することにより、電波の伝播方向を電極と垂直方向に屈折させる電波レンズとして機能する。
【００５７】
上方のセルの液晶の誘電率を大きく、下方のセルほど液晶の誘電率を小さくするように制御電圧を制御すると、上方のセル内を伝播する電波の伝播速度は小さくなり、下方のセルを伝播する電波の伝播速度は大きくなるので、電波の等位相面は上方に傾き、電波の伝播方向が変化する。
【００５８】
図５は制御電圧と液晶層の誘電率との関係を示すグラフであって、液晶層の誘電率は、Ｈ波に対しては制御電圧の単調減少関数となり、Ｖ波に対しては単調増加関数となる。
【００５９】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る電波レンズは、Ｖ波であるかＨ波であるかに係らず、制御電圧を変更することにより伝播方向を変更することのできる可変電波レンズとして機能することとなる。
【００６０】
本発明に係る電波レンズの第２の実施形態は、セルが、図６の部分拡大図に示すように、直流から数キロヘルツの交流に対しては導電性を有し、ミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の第１の基準電極１１と、繊維状絶縁体に液晶を含浸させた第１の液晶含浸層２２と、ミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の制御電極１３と、繊維状絶縁体に液晶を含浸させた第２の液晶含浸層２４と、ミリ波及びマイクロ波に対しては透過性を有する材料で作られた平板状の第２の基準電極１５とを積層して構成される。
【００６１】
そして、電波レンズ１０は、それぞれが上記構成を有する１つのセル、または積層された２つ以上のセル１、２、３・・・Ｎ（Ｎ≧１）で構成される。
【００６２】
第２の実施形態は、液晶層が液晶を含浸させた液晶含浸層、例えば、繊維状樹脂で構成される点が第１の実施形態と異なる。なお、液晶含浸層は、樹脂中に液晶を拡散させた液晶樹脂複合体であってもよい。
【００６３】
上記構造に起因して、液晶含浸層自体に機械的強度を付与することができるだけでなく、第１の基準電極１１、制御電極１３、第２の基準電極１５、及び絶縁基板１６と第１の液晶含浸層２２及び第２の液晶含浸層２４との接触面に配向膜を塗布する必要はない。
【００６４】
図７（ａ）は、制御電圧として低電圧ＶL（＝略零ボルト）を印加した場合の状態図であって、液晶分子は繊維状絶縁体中でアトランダムに配向される。この場合第１の液晶含浸層２２及び第２の液晶含浸層２４の誘電率εは、次式で表わすことができる。
【００６５】
【数２】
2005244458.tif 000004
図６（ｃ）は、第１の制御電極１３１と第１の基準電極１１及び第２の基準電極１５との間の電圧を高電圧ＶHとした場合であって、液晶分子は第１の制御電極１３１と第１の基準電極１１及び第２の基準電極１５との間に発生する電界の影響により垂直方向に配向する。
【００６６】
この結果、第１の液晶含浸層２２及び第２の液晶含浸層２４は、Ｈ波に対しては誘電率εSの物質として、Ｖ波に対して誘電率εLの物質として作用する。
【００６７】
図６（ｂ）は、第１の制御電極１３１と第１の基準電極１１及び第２の基準電極１５との間の電圧を中間電圧ＶＭ（ＶL＜ＶM＜ＶH）とした場合であって、液晶分子は第１の制御電極１３１と第１の基準電極１１及び第２の基準電極１５との間に発生する電界の影響により液晶分子の配向方向は垂直に近づく。この結果、第１の液晶含浸層２２及び第２の液晶含浸層２４の誘電率はεとεSとの中間の値となる。
【００６８】
なお、第２の実施形態における誘電率に変化を図５に破線で示す。
【００６９】
以上説明したように、第２の実施形態においては、液晶含浸層が液晶を含浸させた繊維状絶縁体で構成されるため、液晶含浸層に機械的強度を付与することができるだけでなく、液晶含浸層に接する電極に配向膜を塗布する必要はなく、液晶含浸層の厚さを一定に維持するために液晶中にスペーサを配置する必要もなくなるので、製造工程を簡略化することができる。
【００７０】
ただし、液晶の誘電率の変化範囲は、第１の実施形態がεL〜εSであるのに対して、第２の実施形態ではε〜εSと狭くなる。
【００７１】
なお、以上の説明では、本発明に係る電波レンズを通信衛星受信用アンテナに適用する場合について説明したが、ミリ波帯の無線ＬＡＮ機器あるいはレーダのアンテナにも使用できることは明らかである。
【００７２】
なお、発明者は、導電性高分子材として導電率１２５Ｓ／センチメートルのＰＥＤＯＴを誘電性基板上に厚さ２００ナノメートルに塗布した電極を使用して基礎実験を行い、５０〜７５ギガヘルツのミリ波のＶ波及びＨ波に対して電波レンズとして機能することを確認している。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上のように、本発明に係る電波レンズは偏波方向に係らず電波の伝播方向を変更できるという効果を有し、通信衛星放送受信用アンテナ、レーダ用アンテナの電波レンズ等として有効である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１の実施形態における電波レンズのセルの構造図
【図２】本発明の第１の実施形態における電波レンズの構造図
【図３】本発明の第１の実施形態における電波レンズの部分拡大図
【図４】本発明の第１の実施形態における電波レンズの動作説明図
【図５】制御電圧と液晶の誘電率の関係を示すグラフ
【図６】本発明の第２の実施形態における電波レンズの部分拡大図
【図７】本発明の第２の実施形態における電波レンズの動作説明図
【図８】従来の電波レンズの構成図
【符号の説明】
【００７５】
１、２、３・・・Ｎ  セル
１１  第１の基準電極
１２  第１の液晶層
１３  制御電極
１４  第２の液晶層
１５  第２の基準電極
１６  絶縁基板
１７  配向膜
２２  第１の液晶含浸層
２４  第２の液晶含浸層
【図１】
2005244458.tif 000005
【図２】
2005244458.tif 000006
【図３】
2005244458.tif 000007
【図４】
2005244458.tif 000008
【図５】
2005244458.tif 000009
【図６】
2005244458.tif 000010
【図７】
2005244458.tif 000011
【図８】
2005244458.tif 000012