(57)【要約】      （修正有）【課題】  印加電圧により誘電率が変化する可変誘電率誘電体を用いて構成された可変移相器を複数有するフェーズドアレイアンテナにおいて、可変誘電率誘電体層の誘電率のばらつきを低減し、単一の印加電圧により制御可能とし、ビームチルト時でもビーム形状の崩れが少なく、高い指向性利得が維持できるアンテナを実現する。【解決手段】  少なくとも、接地導体層１３４、絶縁体層１３３、伝播特性可変移相線路１３７、可変誘電率誘電体層１３８、バイアス電極層をこの順に積層して形成した積層構造を有する給電移相部を備え、前記給電移相部は複数の孤立した可変誘電率誘電体層を含み、前記各可変誘電率誘電体層を起点とし、アンテナの主面に対し垂直に開孔を形成し、アンテナ面とは反対側の主面にその開口を設けた構造とし、前記開口を介して液晶を注入封止することにより、各印加電圧可変誘電率誘電体層に、液晶を一様に注入することを可能とした。【選択図】  図５
2007295044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加電圧により誘電率が変化する可変誘電率誘電体を用いて構成された可変移相器を有するフェーズドアレイアンテナにおいて、
少なくとも、接地導体層、絶縁体層、伝播特性可変線路、可変誘電率誘電体層、バイアス電極層をこの順に積層して形成した積層構造を有する給電移相部を備え、
前記給電移相部は複数の孤立した可変誘電率誘電体層を含み、
前記各可変誘電率誘電体層は開孔を有し、
前記開孔は本フェーズドアレイアンテナの主面に対し垂直方向に形成され、該主面と反対側の主面にその開口を有する、
ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項２】
請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、
前記給電移相部は、前記可変誘電率誘電体層内に伝播特性可変線路を１本含み、
前記開口は、伝播特性可変線路の中心に対して互いに対向する位置に少なくとも１対形成されている、
ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項３】
請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、
前記給電移相部は、前記可変誘電率誘電体層内に伝播特性可変線路を複数本含み、
前記開口は、複数の伝播特性可変線路の外側の位置に互いに対向して少なくとも一対形成されている、
ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、
前記開口は、前記伝播特性可変線路の中心と該伝播特性可変線路端とを結ぶ直線を半径とする円弧の外側の前記可変誘電率誘電体層に設けられている、
ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、
前記開口は、前記可変誘電率誘電体層内であって、前記伝播特性可変線路を伝播する電磁波の波長に相当する距離の少なくとも３倍、該伝播特性可変線路より離れた位置に設けられている、
ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、
前記可変誘電率誘電体層は、前記液晶あるいは液晶を含む材料により構成されている、
ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項７】
請求項６に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、
前記可変誘電率誘電体層は、前記開口を介して前記液晶または液晶を含む材料を注入してなる、
ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェーズドアレイアンテナに関するものである。
より詳細には、印加電圧により誘電率が変化する可変誘電率誘電体を用いて構成された可変移相器を複数有するフェーズドアレイアンテナにおいて、ビームチルト時でもビーム形状の崩れが少なく、高い指向性利得が維持できる平面アンテナを実現可能とする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
印加電圧により誘電率が変化する可変誘電率誘電体を用いて構成された可変移相器は、その可変誘電率誘電体が誘電体基板と見なし得るマイクロストリップ線路となる。かかるマイクロストリップ線路と、地導体（グランド面）となる金属電極との間に制御電圧を加えることにより、可変誘電率誘電体分子の配向が変化する。
【０００３】
この場合、可変誘電率誘電体には分子配向による誘電異方性があるため、分子の配向が変化すると、マイクロストリップ線路を伝播する電磁波に対する誘電率が変化する。電磁波が長さｌのマイクロストリップ線路を伝播するときの伝播遅延に基づく位相遅れφは、
φ＝２πｆ・√（εｅｆｆ）・ｌ／ｃ・・・（１）
但し、εｅｆｆ：マイクロストリップ線路の等価誘電率
ｆ：伝播する電磁波の周波数
ｃ：真空中の光の速度
で表される。
【０００４】
この可変移相器を有する従来のフェーズドアレイアンテナとして、可変移相器を右側チルト用および左側チルト用の２つグループに分けてこれらの移相量を互いに独立に制御することで、各アンテナ素子へ分配する電力バラツキと移相バラツキとを抑え、よってビームチルト時にも先鋭なビーム形状を崩さず高い指向性利得を維持できるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、印加電圧により誘電率が変化する可変誘電率誘電体を用いて構成された可変移相器を有する従来のフェーズドアレイアンテナの構造として、例えば、可変移相器内の先端開放線路の支持絶縁体として可変誘電率誘電体を用いて伝播特性可変線路を構成し、伝播特性可変線路導体と接地導体との間に電圧を印加することで、伝播特性可変線路の伝搬特性を変化させ可変移相器の移相量を制御するものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
さらに、可変移相器領域を２層のマイクロストリップ線路構造として、一方の層の支持絶縁体として可変誘電率誘電体を用いて伝播特性可変線路を構成し、両層の線路導体間をスルーホールにて接続し、あるいは両層の線路導体間を電磁界結合にて接続し、伝播特性可変線路と接地導体との間に電圧を印加することで、伝播特性可変線路の電磁波に位相遅延を生じさせて可変移相器の移相量を制御するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
一方、可変誘電率誘電体としてネマティック液晶を利用した可変移相器は、マイクロ波帯可変移相器として、Ｄ．Ｄｏｌｆｉ，  Ｍ．  Ｌａｂｅｙｒｉｅ，  Ｐ．  Ｊｏｆｆｒｅ  ａｎｄ  Ｐ．  Ｈｕｉｑａｒｄにより報告されている（非特許文献１参照）。
【０００８】
本非特許文献１では、ネマティック液晶を２枚のセラミックス基板間に挟み、一方のセラミックス基板の主導体（線路）と他方のセラミックス基板上の地導体との間に制御電圧を印加することにより、前記ネマティック液晶からなるマイクロストリップ線路を伝搬する電磁波に位相遅延を生じることで、移相器が実現できることを示している。
【０００９】
かかる移相器では、所定の時間間隔で放射ビームを走査するためには、液晶の誘電率を所定の速度で変化させる必要がある。
【００１０】
電圧オフ時の液晶分子の電圧応答性を向上させるためには、可変移相器において、液晶表示装置の分野で公知である液晶に代えて、液晶を樹脂中に分散させた樹脂複合体を、２つの基板上の導体間に配置することでこれを実現する方法がある（例えば、特許文献３参照）。
【００１１】
また、液晶を含む可変移相器を共振器型移相器とし、その液晶層を、平板状部材あるいは多孔質膜に液晶を含浸させた繊維誘電体により構成する例がある（例えば、特許文献４参照）。
【００１２】
可変誘電率誘電体を用いて可変移相器を構成するには、例えば図１０に示すように、導波路用接地導体４０１上の導波路用絶縁体４０２上に導波路用導体を積層したマイクロストリップ線路構造において、入出力線路４０３ａ，４０３ｂを有するハイブリッドカプラ４０４を作製するとともに、ハイブリッドカプラ４０４の１対のアイソレーションポートに同じ長さの先端開放線路４０５を接続し、この先端開放線路を形成する領域の導波路用絶縁体４０６のみに可変誘電率誘電体を使用すれば良い。
【００１３】
ここで、可変移相器４００の導波路用導体４０３〜４０５と接地導体４０１との間にバイアス電圧を印加することにより、マイクロストリップ線路を伝播する電磁波が作る電界（準ＴＥＭモード）とバイアス電圧が作る電界（ＴＥＭモード）との向きが略平行であることから、先端開放線路４０５は、バイアス電圧により伝播する電磁波の位相を制御することが可能な伝播特性可変線路４０５として機能する。
【００１４】
このように構成された可変移相器４００では、入出力線路４０３の一方の入出力線路４０３ａから入力された電磁波はハイブリッドカプラ４０４を通して２つの伝播特性可変線路４０５に出力され、２つの伝播特性可変線路４０５の開放先端で反射された電磁波は、印加されたバイアス電圧を反映した伝播位相遅延を受けてハイブリッドカプラ４０４に再入力され、ハイブリッドカプラ４０４を通った電磁波は他方の入出力線路４０３ｂに合成されて出力される。
【００１５】
伝播特性可変線路４０５はハイブリッドカプラ４０４を介して入出力線路４０３にも直流的に接続されているので、複数の可変移相器４００を相互に直列に接続して使用する場合でも、接続された複数の可変移相器の連続する導波路用導体上の任意の位置にバイアス電圧を印加することで、全可変移相器に同じバイアス電圧が同時に加わり、よってバイアス回路の構成が簡単な多段可変移相器を実現することが可能となる。
【特許文献１】特開２００４−２３２２８号公報
【特許文献２】特開２０００−２３６２０７号公報
【特許文献３】特開２０００−３１５９０２号公報
【特許文献４】特開２００３−１７９１２号公報
【非特許文献１】Ｄ．Ｄｏｌｆｉ，  Ｍ．  Ｌａｂｅｙｒｉｅ，  Ｐ．  Ｊｏｆｆｒｅ  ａｎｄ  Ｐ．  Ｈｕｉｑａｒｄ，  “Ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｐｈａｓｅ  ｓｈｉｆｔｅｒ，”  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．  Ｌｅｔｔ．，  Ｖｏｌ．  ２９，  Ｎｏ．  １０，  ｐｐ．９２６−９２７，  １９９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、本件発明者は、前記従来技術を検討した結果、以下の問題点を見出した。
従来の可変移相器として、液晶または、液晶を含む材料、すなわち、液晶と樹脂との複合体、あるいは、液晶を平板状部材あるいは多孔質膜に含浸させた繊維誘電体を可変誘電率誘電体層として用いる場合に、可変誘電率誘電体層に一様に液晶を注入する必要があるが、前記従来技術ではこの点を可能とする方策は全く示されていない。
【００１７】
従って、前記従来技術をそのまま実施したとすると、位相特性がばらつき、複数の可変移相器の可変誘電率特性にばらつきを生じ、ビームチルト時でもビーム形状が崩れたり、ビーム指向性が低下するという問題があった。
【００１８】
具体的には、可変移相器となる容器に液晶を注入する際、気泡が入り、この状態で電界が印加されると、電界に応じて気泡が移動するため、個々の可変移相器の位相特性にばらつきが生じる。また液晶に配向処理を行う場合、注入後にその方向を一定にできない。また、液晶と樹脂との複合体を形成する場合には、その反応を同じ割合で実現できない、という問題があった。
【００１９】
このように、印加電圧により誘電率が変化する可変誘電率誘電体を用いて構成された可変移相器を複数有するフェーズドアレイアンテナにおいて、ビームチルト時でもビーム形状の崩れが少なく、高い指向性利得が維持できるアンテナを実現するためには、
第一に、給電移相部を複数の孤立した可変誘電率誘電体層とする、
第二に、同一の可変誘電率特性を有する可変移相器を形成する、
必要がある。
【００２０】
また、可変誘電率誘電体はその材料の特性に関して、低誘電損失の材料が好ましい。さらに、可変誘電率誘電体と通常の基板である固定誘電率誘電体との電磁結合性がよい材料、すなわち、可変誘電率誘電体の誘電率が基板の誘電率に近い材料が好ましい。可変誘電率誘電体に印加する電圧は、実際のアンテナ用途にも依存するが、１００Ｖ以下の低電圧駆動で誘電率を可変できる材料が望ましい。
【００２１】
本発明は、以上のような従来の技術における問題点を鑑みて案出されたものであり、その目的は、フェーズドアレイアンテナを構成する複数の可変移相器の印加電圧可変誘電率誘電体として、特に液晶、または液晶を含む材料、たとえば液晶と無機材料との複合体、または液晶と有機材料である樹脂との複合体、あるいは、液晶を平板状部材あるいは多孔質膜に含浸させた繊維誘電体、を用いたものにおいて、複数の可変移相器間の可変誘電率誘電体層の誘電率のばらつきを低減し、ビームチルト時にもビーム形状の崩れが少なく、高い指向性利得を維持できるフェーズドアレイアンテナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に発明にかかるフェーズドアレイアンテナは、印加電圧により誘電率が変化する可変誘電率誘電体を用いて構成されたフェーズドアレイアンテナにおいて、少なくとも、接地導体層、絶縁体層、伝播特性可変移相線路、可変誘電率誘電体層、バイアス電極層をこの順に積層して形成した積層構造を有する給電移相部を備え、前記給電移相部は複数の孤立した可変誘電率誘電体層を含み、前記各可変誘電率誘電体層は、開孔を有し、前記開孔は本フェーズドアレイアンテナの主面に対し垂直方向に形成され、該主面と反対側の主面にその開口を有することを特徴としている。
【００２３】
また、本発明の請求項２に発明にかかるフェーズドアレイアンテナは、請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、前記給電移相部は、前記可変誘電率誘電体層内に伝播特性可変線路を１本含み、前記開口は、伝播特性可変線路の中心に対して互いに対向する位置に少なくとも１対形成されていることを特徴としている。
【００２４】
また、本発明の請求項３に発明にかかるフェーズドアレイアンテナは、請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、前記給電移相部は、前記可変誘電率誘電体層内に伝播特性可変線路を複数本含み、前記開口は、複数の伝播特性可変線路の外側の位置に互いに対向して少なくとも一対形成されていることを特徴としている。
【００２５】
また、本発明の請求項４に発明にかかるフェーズドアレイアンテナは、請求項１乃至３のいずれかに記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、前記開口は、前記伝播特性可変線路の中心と該伝播特性可変線路端とを結ぶ直線を半径とする円弧の外側の前記可変誘電率誘電体層に設けられていることを特徴としている。
【００２６】
また、本発明の請求項５に発明にかかるフェーズドアレイアンテナは、請求項１乃至３のいずれかに記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、前記開口は、前記可変誘電率誘電体層内であって、前記伝播特性可変線路を伝播する電磁波の波長に相当する距離の少なくとも３倍、該伝播特性可変線路より離れた位置に設けられていることを特徴としている。
【００２７】
また、本発明の請求項６に発明にかかるフェーズドアレイアンテナは、請求項１乃至５のいずれかに記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、前記可変誘電率誘電体層は、前記液晶あるいは液晶を含む材料により構成されていることを特徴としている。
【００２８】
また、本発明の請求項７に発明にかかるフェーズドアレイアンテナは、請求項６に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、前記可変誘電率誘電体層は、前記開口を介して前記液晶または液晶を含む材料を注入してなることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２９】
上記の構成によれば、本発明は、印加電圧により誘電率が変化する可変誘電率誘電体を用いて構成された可変移相器を有するフェーズドアレイアンテナにおいて、フェーズドアレイアンテナの可変移相器を構成する可変誘電率誘電体層に、真空注入法あるいは毛細管注入法により液晶、あるいは液晶を含む複合材を注入するようにしたので、可変誘電率誘電体層となる液晶容器内に液晶、あるいは液晶を含む複合材を均一に注入でき、これにより、可変誘電率誘電体層の誘電率のばらつきを抑えることができ、ビームチルト時にもビーム形状の崩れが少なく、高い指向性利得を維持できるフェーズドアレイアンテナを実現できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下に、本発明のフェーズドアレイアンテナの実施形態を図面とともに詳細に説明する。
本発明は、積層構造を有するフェーズドアレイアンテナを構成した後、液晶、または液晶を含有する材料を一様に注入して可変誘電率誘電体層を構成することにより、複数の可変移相器の可変誘電率誘電体層の誘電率同士のばらつきを低減し、ビームチルト時にもビーム形状の崩れが少なく、高い指向性利得を維持できるようにしたものである。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１によるフェーズドアレイアンテナの一例を示す平面図である。図１において、フェーズドアレイアンテナは、給電移相部３０８と、アンテナ部３０９との積層構造からなる。
【００３２】
給電移相部３０８は、給電口３０１と、図２に示すように２本の伝播特性可変線路１１５が略平行に配置された可変移相器３０２と、図３に示すように２本の伝播特性可変線路１１５が略同一直線上に配置された可変移相器３０３と、移相量制御部（図示せず）と、高周波回路３０７と、可変誘電体用電圧発生回路（図示せず）とで構成される。
【００３３】
３０５は、後述する各可変移相器の可変誘電率誘電体層に設けられた開口、３０６は、後述する可変移相器の集合体である。図１のフェーズドアレイアンテナは、図２に示されるように、複数の孤立した誘電率誘電体層を含む複数の可変移相器３０２と３０３とを有する。
【００３４】
具体的には、図１のフェーズドアレイアンテナは、図２に示される可変移相器（各移相器は３０２）４８個と、図３に示される可変移相器（各移相器は３０３）１６個とで構成される。なお、移相器の数は、上記の数に限定されず、使用する電磁波の周波数やアンテナのビーム指向性利得、ビームの触れ角により移相器の数は決定される。
【００３５】
また、後述する伝播特性可変移相線路１１５の形状も行単位（図２の横方向）で同一の可変移相特性であればよく、図２、及び図３の形状には限定されない。
【００３６】
各誘電率誘電体層は液晶注入のために開口３０５を有する。可変誘電率誘電体は、一般には、誘電損失が小さければ、本発明のような給電移相部を複数の孤立した可変誘電率誘電体層とする分割構造は不要であり、フェーズドアレイアンテナ全面に可変誘電率誘電体を一体に成形できる。
【００３７】
しかしながら、前述の、同一の可変誘電率特性を有する可変移相器を形成するという要望を満足する可変誘電率誘電体としての液晶、または液晶を含む材料の誘電損失は、１つの移相器あたり約０．５ｄＢと大きく、可変誘電率誘電体を伝播特性固定線路部分にまで設けると、アンテナの電力利得が得られない。
【００３８】
そこで本発明は、可変誘電率誘電体層を可変移相器が形成される領域のみに配置することで、誘電損失を極力低減することが可能となる。一方、アンテナ部は、複数のアンテナパッチ３０４で構成されるアンテナパッチ列を複数有し、各アンテナパッチ列の各アンテナパッチ３０４同士は接続線路３１０を介して互いに図１中の縦方向に接続されてアンテナパッチ列を構成する。
【００３９】
図２を用いて本発明のフェーズドアレイアンテナにおける可変移相器３０２の具体的構造を説明する。図２において、１１０は、伝播信号の入力端子、１１１は給電線路、１１２はハイブリッドカプラ、１１３はアンテナ素子、１１４は結合窓、１１５は伝播特性可変線路、１１６はバイアス電圧供給スルーホール、１１７はスルーホール用ランド、１１８はバイアス電極面（副導体）、１１９はバイアス線路、１２０はバイアス端子、１２１は可変誘電率誘電体層、１２２は開口（開孔）である。
【００４０】
図１における移相器３０２は、図２における、給電線路１１１と、ハイブリッドカプラ１１２と、概ね同等の伝播特性を有する２本の伝播特性可変線路１１５とで構成される。本発明の可変誘電率誘電体層１２１は、少なくとも、上記１つの可変移相器を構成する１本の伝播特性可変線路１１５を含む領域に形成されればよい。
【００４１】
図２では、２本の伝播特性可変線路１１５を含む領域に、可変誘電率誘電体層１２１（図２中の破線で囲まれる領域）が形成されている。可変誘電率誘電体層１２１は、伝播特性可変線路１１５全域にわたり均一な誘電特性を有するように形成される必要がある。このため、その可変誘電率誘電体として、液晶、または液晶を含む材料を用いる場合には、開口１２２より、均一な誘電特性を有するように、液晶を注入する必要がある。
【００４２】
開口１２２は、図２のように、各可変誘電率誘電体層１２１に少なくとも１つあればよい。開口１２２の位置に関しては、伝播特性可変線路１１５の中心１１６を該開口の中心として、前記中心１１６と伝播特性可変線路端１２４とを結ぶ直線を半径とする円弧の一部より外側の位置か、あるいは、好ましくは、伝播特性可変線路１１５を避け、伝播する電磁波信号の波長をλ（電磁信号強度が３ｄＢ減衰する距離）とすると、各可変誘電率誘電体層１２１内であって、伝播特性可変線路１１５の中心１１６から距離３λ以上離れた位置、の少なくともどちらか一方を満たす位置が好ましい。
【００４３】
これは、開口１２２の線路を伝播する電磁波への影響を極力低減するためである。液晶の注入方法としては、液晶表示装置で公知である真空注入法、あるいはまた毛細管注入法、を用いることができる。
【００４４】
なお、図２は、本発明の真空注入法で液晶を注入する場合の可変移相器の平面図である。その製造方法は、図１のように、フェーズドアレイアンテナを構成する各基板を熱圧着で張合わせた後に、前記各誘電率誘電体層内に対応する位置に、アンテナ面（アンテナ部３０９）とは反対側の基板面に、これに垂直方向に切削により開孔１４４（図５参照）を形成する。基板面には開孔１４４の開口１２２が形成される。
【００４５】
次に液晶注入方法の具体的方法を説明する。液晶を注入するための管（図示せず）を各可変移相器の開口１２２に接続する。次に各可変誘電率誘電体層１２１の開口１２２に管を接続した状態のフェーズドアレイアンテナを、真空槽に入れ、真空度１０-1Ｔｏｒｒ以下に減圧する。
【００４６】
次に、可変誘電率誘電体層に設けたすべての管を真空槽内に設けた容器に入った液晶面に漬けることで、開口に向けて液晶が吸入され、その後大気圧に戻すことにより、すべての可変誘電率誘電体層１２１に液晶を注入できる。然る後に管を外し、開口１２２を急速硬化エポキシ系強力接着剤、例えば、製品名：「Ｒａｐｉｄ  Ａｒａｌｄｉｔｅ」（ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ（株）製、販売：昭和高分子（株））で封止することで、可変誘電率誘電体１２１が形成されたフェーズドアレイアンテナが完成する。図４はこのフェーズドアレイアンテナの全体的な概要を示す断面図である。
【００４７】
ところで、可変誘電率誘電体１２１は、誘電体損失及び導体損失の及び挿入損失の観点から、伝播特性可変線路１１５を形成する領域（以下、伝播特性可変線路部分と称す）に設けることが好ましい。したがって伝播特性可変線路１１５部分以外の給電線路１１１には、可変誘電率誘電体層１２１を極力設けないために、各移相器３０２、３０３毎に、可変誘電率誘電体層１２１のセルに分割し、液晶を封入する必要がある。したがって、後述するように可変誘電率誘電体層１２１を複数のグループに分けることで、結合損失（誘電体損失，導体損失，及び挿入損失からなる）を低減することができる。
【００４８】
次に、本発明のフェーズドアレイアンテナを構成する図２の可変移相器のＡ−Ａ’断面、Ｂ−Ｂ’断面、Ｃ−Ｃ’断面、Ｄ−Ｄ’断面の詳細について図５を用いて説明する。
図５のＡ−Ａ’断面図において、１３０は第１の絶縁体層、１３１は導体層であり、図１のアンテナ素子１１３として機能する。第１の絶縁体層１３０としては、テフロン（登録商標）製基板（以下、テフロン（登録商標）基板と称す）が低誘電損失の観点から好ましい。さらに第１の絶縁体層１３０としては、テフロン（登録商標）をガラスクロスに含浸した基板や、液晶ポリマー基板や、アルミナセラミックス基板や、アルミナコンポジット基板、サファイア基板も用いることができる。
【００４９】
誘電損失のやや高い基板であるガラスエポキシ基板、例えばＦＲ４を使用する場合には、アンテナ素子上部は、絶縁体層を開口とし空気層にするなど形状の工夫が必要である。導体層１３１としては、金属電極である、銅や、銀、金など高導電率を有する金属または金属合金、金属多層膜、金属複合材料の薄膜または厚膜が使用される。
【００５０】
１３２は、結合窓であり、空気層からなり、図２の１１４に相当する。１３３は第２の絶縁体層であり、テフロン（登録商標）基板が低誘電損失の観点から好ましい。さらに、第２の絶縁体層１３３としてはテフロン（登録商標）をガラスクロスに含浸した基板や、液晶ポリマー基板や、アルミナセラミックス基板や、アルミナコンポジット基板、サファイア基板も用いることができる。
【００５１】
１３４は接地導体層であり、金属電極で、銅や、銀、金など高導電率を有する金属または金属合金、金属多層膜、金属複合材料の薄膜または厚膜が使用される。１３５は主導体層であり、伝播特性固定線路や、伝播特性可変線路１１５の給電線路として作用する。１３６は第３の絶縁体層であり、テフロン（登録商標）基板が低誘電損失の観点から好ましい。
【００５２】
なお、第３の絶縁体層１３６としてはテフロン（登録商標）をガラスクロスに含浸した基板や、液晶ポリマー基板や、アルミナセラミックス基板や、アルミナコンポジット基板、サファイア基板を用いることもできる。
【００５３】
図５のＢ−Ｂ’断面図において、１３５は主導体層であり、Ａ−Ａ’断面図では主導体層１３５はＡ−Ａ’線に沿う方向に配設されているため幅広に図示されているが、このＢ−Ｂ’断面図ではＢ−Ｂ’線と直交する方法に配設されているため、幅狭に図示されている。
【００５４】
図５のＣ−Ｃ’断面図において、１３７は、Ａ−Ａ’断面図の１３５と同様に主導体層であるが、図２の伝播特性可変線路１１５として作用する。伝播特性可変線路１３７としては、金属電極である、銅や、銀、金など高導電率を有する金属または金属合金、金属多層膜、金属複合材料の薄膜または厚膜が使用される。
【００５５】
１３８は、可変誘電率誘電体層であり、液晶、または液晶を含有する材料を用いて構成される。液晶としては、誘電異方性が大きな液晶であるネマティック液晶、コレステリック液晶、スメクティック液晶、またはこれらの混合液晶や、電圧応答性を向上させるためにこれら液晶に無機材料や有機材料を混合した混合物が用いられる。
【００５６】
無機材料としては、金属酸化物である酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ），酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や、金属硫化物である硫化カドミウム（ＣｄＳ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）や、複合酸化物であるＳｉＯ2−ＭｇＯ、ＳｉＯ2−ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3−ＭｇＯ、ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2−ＴｉＯ2、ＴｉＯ2−ＺｒＯ2や、これらの混合物が用いることができる。
【００５７】
これら無機材料は、微粒子として液晶に分散させてもよく、または多孔質構造を持つ無機材料であってもよい。有機材料としては、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ふっ素樹脂、またはこれらの共重合体を用いることができる。
【００５８】
また、前記液晶とこれら無機材料と有機材料との混合物を用いることもできる。１３９は、副導体層であり、可変誘電率誘電体へのバイアス電極面１１８として作用する。副導体層１３９としては、金属電極である、銅や、銀、金など高導電率を有する金属または金属合金、金属多層膜、金属複合材料の薄膜または厚膜が使用される。副導体１３９は、第３の絶縁体層１３６に施されたバイアス電極供給スルーホール１４０（１１６）の金属めっきを介して導体層１４１に接続される。
【００５９】
図５のＤ−Ｄ’断面図において、１４４は液晶注入する開孔である。開孔１４４は、可変誘電率誘電体層を起点とし、基板面に垂直に形成され、導体層１３１で形成されるアンテナ素子１１３を有するアンテナ面に対向する基板面に開口１２２を有する。
【００６０】
伝播特性可変線路１３７（１１５）に印加されるバイアス電圧は、バイアス端子１２０からバイアス線路１１９と、バイアス電圧供給スルーホール１４０の金属めっきを介して、副導体１３９（図２におけるバイアス線路１１９）に印加される。
【００６１】
したがってバイアス線路１１９と、伝播特性可変線路１１５との間の可変誘電率誘電体１３８への電圧制御が可能となり、バイアス電圧によって、可変誘電率誘電体１３８を構成する液晶の配向を制御することにより誘電率を可変でき、移相制御が可能となる。
【００６２】
液晶、または液晶を含有する材料は、線路に平行な面１４２、及び１４３に配向処理を行ってもよい。配向処理を行うことで誘電異方性を最大にし、可変移相量を最大にすることができる。
【００６３】
前記配向処理は、液晶表示装置の分野で公知である手法、例えば、フェーズドアレイアンテナを形成する前に、絶縁体面１４２、及び１４３に、ポリイミドやポリビニルアルコールを塗布し、ラビング処理する手法や、液晶を含有する樹脂を絶縁体面１４２及び１４３に略平行となるように延伸させる手法や、あるいは、液晶を含有する樹脂面を一方向に摺ることで物理的に微細な擦り傷を形成した樹脂を用いることができる。
【００６４】
そして、配向処理を行った液晶を開口１２２より封入し封止することで、電圧オフ時に配向を有する可変誘電率誘電体層を形成できる。
【００６５】
以下では、以上のようなフェーズドアレイアンテナの詳細な製造方法を、図６を用いて説明する。
まず、第２の絶縁体層１３３上に接地導体層１３４を形成する（同図（ａ），（ｂ）参照）。
【００６６】
次に、第２の絶縁体層１３３の接地導体層１３４が形成された主面とは反対側の主面上の全面に導体層を形成し、これをパターニングすることで、伝播特性固定線路１３５を形成する（同図（ｃ）参照）。但し、第２の絶縁体層１３３の伝播特性固定線路１３５が形成される位置には、予め溝を形成する。
【００６７】
次いで、第２の絶縁体層１３３の伝播特性固定線路１３５が形成された側の主面上に、第２の絶縁体層１３３を接合する（同図（ｄ）参照）。但し、この別の第２の絶縁体層１３３の可変誘電率誘電体層１３８となる部分には、型成形により液晶容器となる凹部が形成されている（同図（ｄ）の左側参照）。
【００６８】
次に、この図６（ｄ）の工程で形成した第２の絶縁体層１３３の下側に第３の絶縁体層１３６を形成する（同図（ｅ）参照）。そして、この第３の絶縁体層１３６の第２の絶縁体層１３３側の主面に溝を形成し、この溝を含む全面に導体層を形成し、パターニングを行うことで、副導体層１３９を形成する（同図（ｅ）の左側参照）。
【００６９】
次いで、第３の絶縁体層１３６内に、内部に導体が充填されたスルーホール１４０を形成し（同図（ｆ）の左側参照）、第３の絶縁体層１３６の副導体層１３９が形成された主面とは反対側の主面に、スルーホール１４０の露出面を覆うようにスルーホール用ランド１４１を形成する（同図（ｇ）の左側参照）。
【００７０】
その後、図６（ｂ）の接地導体層１３４上に配置する第２の絶縁体層１３３を用意し（同図（ｈ）参照）、その上に第１の絶縁体層１３０を形成し（同図（ｉ）参照）、その後、図６（ｇ）の上に熱圧着することにより、フェーズドアレイアンテナが完成する。
【００７１】
そして、このようにして完成したフェーズドアレイアンテナの、ランド１４１が形成された側の主面より、可変誘電率誘電体層１３８となる空洞（凹部）に達する開孔を形成し、液晶、あるいは液晶を含む材料を真空注入法あるいは毛細管注入法により注入することにより、誘電率のばらつきを抑えた可変誘電率誘電体層１３８を形成することが可能となる。
【００７２】
なお、図６（ａ）ないし（ｇ）の工程と、図６（ｈ）ないし（ｉ）の工程とは、並行して行ってもよい。
【００７３】
このように、本実施の形態１によれば、
（１）液晶誘電体、または液晶と無機材料との複合体、または樹脂との複合体、あるいは、液晶層を平板状部材あるいは多孔質膜に液晶を含浸させた繊維誘電体を一様に注入して可変誘電率誘電体層を構成するようにしたので、複数の可変移相器の誘電率のばらつきを低減し、単一の印加電圧により制御可能な複数の可変移相器を実現することにより、ビームチルト特性の優れた平面アンテナを提供できる。
【００７４】
（２）また、伝播特性可変線路に接する可変誘電率誘電体層を可変移相器が形成される領域のみに配置するようにしたので、誘電損失を抑制したビーム指向性利得の良好な平面アンテナを提供できる。
【００７５】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２を、図３を用いて説明する。この実施の形態２は、伝播特性可変線路１１５の形状が実施の形態１と異なる。
図３に、フェーズドアレイアンテナに使用される図１の可変移相器３０３の平面図を示す。図２との違いは、一対の伝播特性可変線路１１５が同一直線上に互いに離れて配置されるように構成された点である。さらに、一対の伝搬特性可変線路１１５が離れて配置されたのに応じて、可変移相器を構成する可変誘電率誘電体層１２１を、２つに分割する構成としている。
【００７６】
図３において、１１０は伝播信号の入力端子、１１１は給電線路、１１２はハイブリッドカプラ、１１３はアンテナ素子、１１４は結合窓、１１５は伝播特性可変線路、１１６はバイアス電圧供給スルーホール、１１７はスルーホール用ランド、１１８はバイアス電極面（副導体）、１１９はバイアス線路、１２１ａ，１２１ｂは可変誘電率誘電体層、１２２ａ，１２２ｂは開口である。
【００７７】
移相器３０３は、図３における、給電線路１１１と、ハイブリッドカプラ１１２と、概ね同等の伝播特性を有する２本の伝播特性可変線路１１５で構成される。開口１２２ａ及び１２２ｂは、それぞれ誘電率誘電体層１２１ａ及び１２１ｂを起点とし、各誘電率誘電体層に垂直に形成された開孔を形成し、アンテナ素子１１３面に対して対向する基板面に作製された概ね垂直方向に形成される。１つの可変誘電率誘電体層１２１に開口１２２を１つ形成する場合には、実施の形態１と同様に真空注入法で液晶を注入し封止することで作製できる。
【００７８】
このように、本実施の形態２によれば、伝播特性可変線路１１５の形状が実施の形態１とは異なるフェーズドアレイアンテナにおいて、フェーズドアレイアンテナの可変移相器を構成する可変誘電率誘電体層に、真空注入法あるいは毛細管注入法により液晶、あるいは液晶を含む複合材を注入するようにしたので、複数の可変移相器の誘電率のばらつきを低減し、単一の印加電圧により制御可能な複数の可変移相器を実現することにより、ビームチルト特性の優れた平面アンテナを提供できる。
【００７９】
また、伝播特性可変線路に接する可変誘電率誘電体層を可変移相器が形成される領域のみに配置するようにしたので、誘電損失を抑制したビーム指向性利得の良好な平面アンテナを提供できる。
【００８０】
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３を、図７を用いて説明する。
この実施の形態３（図７）と実施の形態２（図３）との違いは、可変誘電率誘電体層の開口１２２の個数にある。液晶封入法として毛細管法を用いる場合には、液晶表示装置の液晶注入法で公知のように排気口と液晶吸入口の少なくとも２つの開口１２２が必要となる。
【００８１】
すなわち、開口は可変誘電率誘電体層内に伝播特性可変線路を１本含む場合には、伝播特性可変線路の中心に対して概ね対向する位置に少なくとも１対の開口が形成される。第１の開口を１２２、第２の開口を１２３とすると、これらの可変移相器用開口は、伝播特性可変線路１１５の中心となる、バイアス電圧供給スルーホール１１６に関して第１の開口１２２と対向する位置となるように第２の開口１２３を形成すればよい。なお、開口１２２、及び開口１２３のどちらを排気口、液晶吸入口とするかが限定されないことは勿論である。
【００８２】
そして、排気口からは減圧しながら、吸入口からは液晶、あるいは液晶を含んだ材料を注入することで、液晶容器内に液晶あるいは液晶を含んだ材料を均一に注入することが可能である。
【００８３】
このように、１対の開口が対角線上に形成されることにより、１対の開口を他の位置に形成する場合に比べ開口間の距離が長くなることから、仮に注入した液晶中に気泡が残存したとしても、この気泡が誘電率のばらつきに与える悪影響を最小限に抑えることができる。
【００８４】
次に、図８は、可変誘電率誘電体層１２１内に伝播特性可変線路１１５を複数本（図８の例では２本）含む場合の１対の開口１２２の配置について説明するものである。
図８において、２１５ａは第１の伝播特性可変線路であり、２１５ｂは第２の伝播特性可変線路である。開口１２２は、可変誘電率誘電体層１２１の伝播特性可変線路２１５ａと２１５ｂで構成される領域の外側に、互いに対向して配置される。開口１２２ａと１２２ｂの位置は、それぞれの伝播特性可変線路２１５ａ、２１５ｂの外側の可変誘電率誘電体層１２１内に設ける方が好ましい。
【００８５】
さらに好ましくは、近接する伝播特性可変線路から距離３λ（ここでλは伝播特性可変線路を伝播する電磁波信号の波長）以上離れた位置に配置する。伝播特性可変線路２１５ａ、２１５ｂから３λ離れると電磁波信号強度は３ｄＢ減少し、開口１２２、及び１２３から伝播特性可変線路への影響を抑制できるからである。ここでは伝播特性可変線路として２本含む場合について説明したが、伝播特性可変線路が複数（２本以上）でも適用できることは勿論である。
【００８６】
また、図９は、互いに隣り合う２つの可変移相器を構成する可変誘電率誘電体層を、１つの可変誘電率誘電体層１２１により構成する場合を示す。可変誘電率誘電体層１２１を共通とする可変移相器の数は、伝播特性固定線路１３５（給電線路１１１で伝播特性可変線路１１５以外）に可変誘電率誘電体層１２１が交差しなければ限定されないことは勿論である。
【００８７】
可変誘電率誘電体１２１として液晶を真空注入法で注入する場合には、開口１２２の数は、各可変誘電率誘電体層１２１あたり少なくとも１つであればよい。開口１２２の位置はアンテナ面に対向する基板面に設ければよい。
【００８８】
一方、液晶を毛細管法で注入する場合には、開口１２２は、各可変誘電率誘電体層１２１あたり、排気口と注入口の少なくとも２つ設ける必要がある。毛細管法により液晶を注入する場合の開口１２２の好ましい位置について図９を用いて詳細に説明する。
【００８９】
図９において、１２１は可変誘電率誘電体層であり、１２２は第１の開口であり、１２３は第２の開口であり、２５０は第１の開口１２２の中心であり、２５１は第２の開口１２３の中心であり、２６０は第１の伝播特性可変線路端であり、第１の開口部１２２に最も近接した伝播特性可変線路と可変誘電率誘電体層１２１との交点（最近接伝播特性可変線路端）である。２７０は、第１の開口の中心２５０と、交点２６０を結ぶ直線であり、長さＬ１を持つ。
【００９０】
同様に、２６１は第２の伝播特性可変線路端であり、第１の開口１２２に２番目に近接する伝播特性可変線路と可変誘電率誘電体層１２１との第２の交点である。２７１は第１の開口の中心２５０と、交点２６１を結ぶ直線であり、長さＬ２を持つ。同様に、２６２、２６３は第３、第４の伝播特性可変線路端であり、第１の開口１２２に３番目、４番目に近接する伝播特性可変線路と可変誘電率誘電体層１２１との交点である。第１の開口の中心２５０と、交点２６２、２６３をそれぞれ結ぶ直線を２７２、２７３とし、直線２７２の長さをＬ３，直線２７３の長さをＬ４とする。
【００９１】
２８０は第１の開口１２２の中心２５０と第２の開口２３の中心２５１とを結ぶ直線であり、長さＬ０を有する。曲線２８１は、第１の開口の中心２５０とし、可変誘電率誘電体層１２１内の長さＬ０の直線を半径とする円弧である。
【００９２】
第２の開口１２３を可変誘電率誘電体層１２１内で円弧２８１の外側に配置することにより、すなわち、第２の開口１２３の位置をＬ０＞Ｌ４＞Ｌ３＞Ｌ２＞Ｌ１の関係を満たすように配置することにより、伝播特性可変線路の電磁波への影響を抑制できる。
【００９３】
以上の配置と製造方法により、共通とする可変誘電率誘電体層１２１に一様に、均一に液晶を注入できる。
このように、本実施の形態３によれば、フェーズドアレイアンテナの可変移相器を構成する可変誘電率誘電体層に達する一対の開口を設け、毛細管注入法により液晶、あるいは液晶を含む複合材を注入するようにしたので、複数の可変移相器の誘電率のばらつきを低減し、単一の印加電圧により制御可能な複数の可変移相器を実現することにより、ビームチルト特性の優れた平面アンテナを提供できる。
【００９４】
また、伝播特性可変線路に接する可変誘電率誘電体層を可変移相器が形成される領域のみに配置するようにしたので、誘電損失を抑制したビーム指向性利得の良好な平面アンテナを提供できる。
【００９５】
なお、実施の形態１〜３では、可変移相器の例として、マイクロストリップ線路を例示したが、本発明における伝送線路はマイクロストリップ線路だけに限られるものでなく、複数の孤立した可変移相器を有するコプレーナ線路、ストリップ線路などの高周波信号の伝送媒体として誘電体を使った伝送線路すべてに応用可能である。
【００９６】
以上、本発明を、前記実施の形態１〜３に基づき具体的に示したが、本発明は、前記実施の形態１〜３に限定されるものではなく、その主旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
以上のように、本発明は、フェーズドアレイアンテナにおいて、液晶、または液晶を含む材料により、各可変移相器を構成する可変誘電率誘電体を一様に構成することができ、誘電損失を極力低減できるとともに、ビームチルト時にもビーム形状の崩れが少なく、高い指向性利得を維持できるフェーズドアレイアンテナを提供でき、車載レーダや衛星通信用アンテナ、ミリ波センサ等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の実施の形態１におけるフェーズドアレイアンテナの平面図
【図２】本発明の実施の形態１における可変移相器の平面図
【図３】本発明の実施の形態２における伝播特性可変線路毎に液晶注入孔を設けた可変移相器の平面図
【図４】本発明の実施の形態１におけるフェーズドアレイアンテナの全体的な概要を示す断面図
【図５】本発明の実施の形態１における図１の各断面を示す図
【図６】本発明の実施の形態１におけるフェーズドアレイアンテナの製造方法を示す断面図
【図７】本発明の実施の形態３における可変移相器の平面図
【図８】本発明の実施の形態３における可変移相器の他の例を示す図
【図９】本発明の実施の形態３における可変移相器のさらに他の例を示す図
【図１０】可変移相器の動作原理を説明するための図
【符号の説明】
【００９９】
１１０  入力端子
１１１  給電線路
１１２  ハイブリッドカプラ
１１３  アンテナ素子
１１４  結合窓
１１５  伝播特性可変線路
１１６  バイアス電圧供給スルーホール
１１７  スルーホール用ランド
１１８  副導体（バイアス電極面）
１１９  バイアス線路
１２０  バイアス端子
１２１  可変誘電率誘電体層
１２２  開口（注入孔）
１２３  第２の開口
１２４  伝播特性可変線路端
１３０  第１の絶縁体層
１３１  導体層（アンテナ素子）
１３２  結合窓
１３３  第２の絶縁体層
１３４  接地導体層
１３５  伝播特性固定線路
１３６  第３の絶縁体層
１３７  伝播特性可変線路
１３８  可変誘電率誘電体層
１３９  副導体層（バイアス線路）
１４０  バイアス電圧供給スルーホール
１４１  スルーホール用ランド
１４２  第２の絶縁体層で可変誘電率誘電体層に接する面
１４３  第３の絶縁体層で可変誘電率誘電体層に接する面
１４４  開口（注入口）
２１５  伝播特性可変線路
２５０  第１の開口中心
２５１  第２の開口中心
２６０  第１の伝播特性可変線路端
２６１  第２の伝播特性可変線路端
２６２  第３の伝播特性可変線路端
２６３  第４の伝播特性可変線路端
２７０  第１の開口の中心２５０と、交点２６０を結ぶ直線
２７１  第１の開口の中心２５０と、交点２６１を結ぶ直線
２７２  第１の開口の中心２５０と、交点２６２を結ぶ直線
２７３  第１の開口の中心２５０と、交点２６３を結ぶ直線
２８０  第１の開口１２２の中心２５０と第２の開口１２３の中心２５１とを結ぶ直線
２８１  第１の開口１２２の中心２５０と交点２６３を半径とし、可変誘電率誘電体層１２１内の円弧曲線
３０１  給電口
３０２  第１の可変移相器
３０３  第２の可変移相器
３０４  アンテナパッチ
３０５  開口（注入孔）
３０６  可変移相器の集合体
３０７  高周波回路
３０８  給電移相部
３０９  アンテナ部
３１０  接続線路
４０１  導波路用接地導体
４０２  導波路用絶縁体
４０３  入出力線路
４０４  ハイブリッドカプラ
４０５  先端開放線路
４０６  先端開放線路の導波路用絶縁体
【図１】
2007295044.tif 000003
【図２】
2007295044.tif 000004
【図３】
2007295044.tif 000005
【図４】
2007295044.tif 000006
【図５】
2007295044.tif 000007
【図６】
2007295044.tif 000008
【図７】
2007295044.tif 000009
【図８】
2007295044.tif 000010
【図９】
2007295044.tif 000011
【図１０】
2007295044.tif 000012