(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波伝送線路を構成する誘電体材料として二周波駆動用液晶を用い、該二周波駆動用液晶のクロスオーバ周波数をはさむ複数の周波数の電圧で構成した信号により駆動するよう構成したことを特徴とする可変特性高周波伝送線路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高周波回路部品に係り、特に、特性を調整できる高周波伝送線路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ネマチック液晶を利用した可変特性高周波伝送線路の応用例として、マイクロ波帯可変移相器が、D. Dolfi, M.Labeyrie, P. Joffre and P. Huignard:“Liquid crystal microwave phase shifter, ”Electron. Lett., Vol. 29, No. 10,pp. 926-927 (1993)により報告されている。
この報告による「液晶可変移相器」の動作原理を図１図示の構造図に従って説明する。まず、２枚のセラミクス基板１１，１２に挟まれた部分（図１図示の二周波駆動用液晶の部分）１３に通常のネマチック液晶を封入する。１枚の基板１２にはグランド面用の金属膜１５を付け、もう１枚の基板１１には導体線路（金属ライン）１４を付ける。また、両セラミクス基板１１，１２の液晶に接する部分には、液晶分子に初期配向を与えるためのポリイミド配向膜１６をつける。これにより本構造は液晶を誘電体基板と見なしたマイクロストリップ線路となる。
【０００３】
次に、導体線路とグランド面の間に制御電圧を加えることにより液晶分子の配向が変化する。液晶の誘電率には異方性があるため、分子の配向が変化するとマイクロストリップ線路を伝搬する電磁波に対する誘電率が変化する。電磁波が長さ１のマイクロストリップ線路を伝搬するときの伝搬遅延時間にもとづく位相の遅れφは、
【数１】
0003938267.tif 000002
ここで、εeff はマイクロストリップ線路の実効誘電率、ｆは伝搬する電磁波の周波数、ｃは真空中の光の速度である。
εeff はまた、マイクロストリップ線路を伝搬する電磁波が受ける液晶の誘電率の関数として表される。この結果、導体線路とグランド面の間の制御電圧によりマイクロストリップ線路の位相遅れが変化し可変移相器となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
液晶を用いた可変特性高周波伝送線路の挿入損を考える。マイクロ波やミリ波では、線路の特性インピーダンスは一般に５０Ωが使用されるので、液晶を用いた可変特性高周波伝送線路の特性インピーダンスも５０Ωとして考える。この条件下で、伝送線路を構成するマイクロストリップ線路の誘電体損αd と導体損αc の値を、液晶層の厚さｈを変化させて計算した結果の一例（周波数１０GHz ）を図２に示す。図より線路の挿入損を小さくするためには、液晶層の厚さｈを厚くし導体線路幅を広くするなどして、マイクロストリップ線路の導体損αc を小さくする必要のあることがわかる。
【０００５】
ところが、液晶を用いた可変特性高周波伝送線路の液晶材料として通常のネマチック液晶を用いると、液晶分子の配向の均一性を保つために、液晶層の厚さを一般に１００μm 程度以下にしなければならない。液晶を用いた可変特性高周波伝送線路は液晶分子の配向変化による誘電率の変化を動作原理としているため、配向の均一性の確保は不可欠であり、液晶層を厚く、従って導体損を小さくすることは困難であった。実際、前出のD. Dolfiらの報告では、ｈ＝５０μm としている。従って、従来の可変特性高周波伝送線路では、その線路長を長くすると大きな挿入損失は避けられず、挿入損失の低減が課題であった。
【０００６】
一方、通常のネマチック液晶を用いたデバイスにおいて、液晶分子の配向の応答時間は、液晶層の厚さの２乗に比例することが知られている（E. Jakeman and E. P. Raynes, Phys. Lett., 39A, 1992)。液晶を用いた可変特性高周波伝送線路は、液晶分子の配向変化による誘電率の変化を動作原理としているため、導体損を小さくするために液晶層を厚くすると伝送特性調整の応答時間が遅くなり、例えば可変移相器への応用を考えるとその移相制御性が悪くなるという問題が生じる。Dolfi らによれば、このために液晶層の厚さを一般に１００μm 程度以下にしなければならないとしており、実際、前述の報告ではｈ＝５０μm としている。従って従来の可変特性高周波伝送線路では、応答時間と挿入損はトレードオフとなり両者同時の改善は難しかった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、従来のこの種課題を解決し、挿入損失の低減が図れかつ伝送特性調整の応答時間の短縮の図れる可変特性高周波伝送線路を提供せんとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、可変特性高周波伝送線路の発明は、高周波伝送線路を構成する誘電体材料として二周波駆動用液晶を用い、該二周波駆動用液晶のクロスオーバ周波数をはさむ複数の周波数の電圧で構成した信号により駆動するよう構成したことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図２図示の特性から明らかなように、液晶を用いた可変特性高周波伝送線路の挿入損失の低減を図るための一つの方法として液晶層を厚くすればよい。しかし、従来の液晶層では、液晶分子の配向の均一性の制限から、液晶層の厚さを厚くすることができなかった。
【００１１】
一方、繊維含浸液晶では、液晶を紙、布あるいは繊維などに含浸させることにより、液晶分子の配向はこれら繊維の界面に影響されて均一性を保つことができる（応答性がよくなる）。従って、例えば、液晶を含浸させた紙を複数枚重ねるなどの方法により液晶層の厚さを厚くしても、配向の均一性を損なうことはない。そこで、繊維含浸液晶を液晶を用いた可変特性高周波伝送線路へ利用すれば液晶層の厚さを厚くすることが可能となり、線路の導体損を減らしても挿入損失を低減できる。また、繊維の並び方（方向性）が一方向にそろった紙や繊維を用いることにより、液晶分子の配向をより均一に保つことができるようになる（応答性がよりよくなる）。
【００１２】
次に、液晶を用いた可変特性高周波伝送線路の特性調整の応答時間短縮を図る手段として、二周波駆動用液晶を誘電体材料として用い、この液晶のクロスオーバ周波数をはさむ二つの周波数の電圧で構成した信号を制御信号として用いることを考える。
【００１３】
液晶分子は、一般に細長い形をしており、分子の長軸方向の誘電率をε//、短軸方向の誘電率をε⊥とすれば、ε//とε⊥の値が異なる異方性を示す。この様な液晶に制御電圧を加えると、液晶分子の配向は、誘電率の大きい軸が制御電圧と平行になるように変化する。通常のネマチック液晶ではε//＞ε⊥であり、電圧を加えると液晶分子の長軸が電圧と平行になるように配向する。
ところが、二周波駆動用液晶では、誘電率の異方性に印加電圧の周波数依存性があり、制御電圧の周波数の低い領域ではε//＞ε⊥であるが、周波数を高くしていくとε//＝ε⊥となり（このときの周波数をクロスオーバ周波数と呼ぶ）、さらに高い周波数ではε//＜ε⊥となる。従って液晶は、クロスオーバ周波数より低い周波数の電圧を加えるとその長軸が電圧と平行になるように配向し、高い周波数の電圧を加えると短軸が平行（即ち長軸が電圧と直交）になるように配向する。
【００１４】
ただし、伝送線路を伝搬するような高周波帯では、二周波駆動用液晶においても誘電率の周波数依存性はほとんどなく、通常のネマチック液晶と同じくε//＞ε⊥を示す。従って、高周波伝送線路の誘電体としての振る舞いは通常のネマチック液晶と同じである。
【００１５】
一般に液晶分子の配向はこのような制御電圧の他に、ガラス基板などに設けられた配向膜に起因する力によって制御される。従来の技術では、一般的なネマチック液晶を用いており、液晶をマイクロ波電界と垂直な方向へ配向させる力は、制御電圧による力は利用できず配向膜の力だけである。このため、制御電圧を除去して垂直方向へ配向するときには、その応答時間が遅くなるといった問題があった。そこで、本発明では二周波駆動用液晶とクロスオーバ周波数をはさむ複数の周波数の電圧で構成した信号を制御電圧に用いており、かくすれば制御電圧で液晶を垂直方向へ配向させる大きな力を与えることができるので、応答時間の改善が可能となる。
【００１６】
さらに上述の構成で挿入損を低減をすることを考える。図２から明らかなように、液晶を用いた可変特性高周波伝送線路の挿入損を低減するための一つの方法として、液晶層を厚くすればよいことがあった。しかし、従来のような通常のネマチック液晶では、配向の応答時間の制約から、液晶層を厚くすることができなかった。一方、二周波駆動用液晶を用い、この液晶のクロスオーバ周波数をはさむ二つの周波数の電圧で構成した信号を制御信号として用いれば、液晶層をある程度厚くしても配向の応答時間が遅くならないことがわかった。そこで、二周波駆動用液晶を液晶を用いた可変特性高周波伝送線路に応用し、この液晶のクロスオーバ周波数をはさむ二つの周波数の電圧で構成した信号を制御信号として用いて液晶層を厚くすることが可能となり、線路の導体損を減らして挿入損を低減できることとなった。
【００１７】
【実施例】
以下、添付図面を参照し実施例により本発明の実施の形態をさらに詳細に説明する。
第１の実施例として本明細書記載第１の発明に係る繊維含浸液晶を用いた可変特性高周波伝送線路の応用例としての可変移相器の構造図を図１を使用して説明する。第１の発明に係る可変移相器には２枚のセラミクス基板１１，１２と繊維含浸液晶１３と導体線路１４とグランド面１５と制御電源１７とを含む。繊維含浸液晶１３は、液晶を紙、布あるいは繊維などへ含浸した構造を有する。高周波信号１７は、２枚のセラミクス基板１１，１２の間に封入された繊維含浸液晶１３を誘電体基板として導体線路１４とグランド面１５で構成するマイクロストリップ線路を伝搬する。制御電源１７は本発明に係る可変移相器の移相量を調整する制御信号により調整された直流、あるいは低周波電圧信号を、導体線路１３とグランド面１４の間に印加する。この電圧に応じて繊維含浸液晶１３の誘電率が変化し可変移相器の移相量が変化する。繊維含浸液晶１３の厚さｈは、可変移相器の挿入損失が小さくなるような厚さとして、例えば、２００μm から６００μm 程度に設定すれば、導体損を誘電損より小さくすることが可能となる。
【００１８】
繊維含浸液晶１３で使用される液晶は、高周波に対して誘電率異方性を有し、細長い液晶分子の長軸方向の誘電率は、短軸方向のものに比べて高い。その誘電率異方性は、可能な限り大きい方が位相を大きく制御できるため、誘電率異方性が大きなネマティック液晶、コレステリック液晶、スメクティック液晶またはこれら液晶の混合液晶を選択して用いることができる。ただし、高速性を得るには、低粘性かつ高弾性のネマティック液晶が適している。特に、屈折率異方性の大きなシアノビフェニル系、ターフェニル系、ピリジン系、ピリミジン系およびトラン系のネマティック液晶が最適である。一方、スメクティック液晶を用いる場合には、自発分極を有して高速応答を示す強誘電性液晶が有用である。また、このような液晶を含浸する繊維としては、高周波に対する損失が少なく、かつ、より多くの液晶を含むことのできる材料や構造が有効である。
【００１９】
なお、この第１の実施例では、可変移相器に用いる伝送線路の形態としてマイクロストリップ線路を例示したが、本発明における高周波信号の伝送線路はマイクロストリップ線路だけに制限されるものではなく、同軸線路、コプレーナ線路、ストリップ線路などの誘電体を使った高周波信号用伝送線路すべてに応用可能である。
【００２０】
次に第２の実施例として本明細書記載第１の発明に係る繊維含浸液晶を同軸線路へ用いる構造を図３に示す。繊維含浸液晶３１を中心導体３２にロール状に巻き付け３４、さらにその上に外部導体３３をつけることにより、繊維含浸液晶を誘電体とした同軸線路を構成することができる。制御電源３５を中心導体３２と外部導体３３に接続してその電圧を変化させることにより、同軸線路の伝送特性を調整することができる。同軸線路の場合、通常のネマチック液晶を同軸線路に封入すれば、可変特性高周波伝送線路が実現できると考えられる。しかし、
（イ）外部導体内面や中心導体表面に配向処理を施すことが難しい。
（ロ）液晶部分の厚さ（即ち、中心導体と外部導体の隙間）が厚く、液晶分子の配向の均一性が保てない。
の問題から、その実現は困難であった。繊維含浸液晶を図３のように用いれば、上記問題は解決され、同軸型の可変特性高周波伝送線路が実現できる。
【００２１】
さらに第３の実施例として本明細書記載第２の発明に係る二周波駆動用液晶を用いた可変特性高周波伝送線路の応用例としての可変移相器の構造図を再び図１を使用して説明する。第２の発明に係る可変移相器には、２枚のセラミクス基板１１，１２と二周波駆動用液晶１３と導体線路１４とグランド面１５と配向膜１６と制御電源１７とを含む。高周波信号１８は２枚のセラミクス基板１１，１２の間に封入された二周波駆動用液晶１３を誘電体基板として導体線路１４とグランド面１５で構成するマイクロストリップ線路を伝搬する。制御電源１７はこの可変移相器の移相量を調整する制御電圧を、導体線路１４とグランド面１５の間に印加する。この制御電圧の波形の一例を図４に示す。二周波駆動用液晶１３のクロスオーバ周波数より低い周波数の電圧とて直流（図４（ａ））、高い周波数の電圧として数kHz の正弦波（図４（ｂ））とし、この２つの電圧を加えたものを制御電圧（図４（ｃ））とする。
【００２２】
直流電圧は二周波駆動用液晶１３の配向が高周波電界と平行になるための力を発生させ、また高い周波数の電圧は配向が高周波電界に垂直となるための力を発生させる。そこでこの第２の発明では、図４（ｄ）に示すように二周波駆動用液晶１３は、この二種類の電圧４２による力および配向膜による力がバランスした方向に液晶分子４１が配向し、これに応じて高周波帯における誘電率が変化して第２の発明の可変移相器の移相量が変化する。二周波駆動用液晶１３の厚さｈを例えば２００μm から６００μm 程度に設定しても、本可変移相器の移相の応答時間を実用的に問題とならない程度に保ちつつ、挿入損を小さくすることができる。
【００２３】
二周波駆動用液晶１３で使用される液晶層の構造は、該液晶のみから構成される液晶層のみならず、該液晶を樹脂中に分散させた液晶樹脂複合体、あるいは、繊維などに該液晶を含浸させた繊維含浸液晶などを利用した構造も有効である。
【００２４】
なお、この第３の実施例では、可変移相器に用いる伝送線路の形態としてマイクロストリップ線路を例示したが、本発明における高周波信号の伝送線路はマイクロストリップ線路だけに制限されるものではなく、同軸線路、コプレーナ線路、ストリップ線路などの高周波信号の伝搬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。
【００２５】
また、本発明における制御信号は、本実施例で例示した直流電圧とクロスオーバ周波数より高い周波数の電圧を加算した信号に限らず、クロスオーバ周波数をはさむ複数の周波数の電圧を切り替えた信号、クロスオーバ周波数をはさんで周波数変調した信号など、クロスオーバ周波数をはさむ複数の周波数の電圧を組み合わせて構成される各種の信号が適用可能である。
【００２６】
【発明の効果】
図２より、液晶層の厚さを増やすことによる可変移相器の挿入損の変化のうち、特にその変化の大きな導体損を見積もってみる。従来の方法による可変移相器の導体損は、液晶層の厚さが５０μm であるから３１dB／ｍであった。本発明による可変移相器では、液晶層の厚さを例えば４００μm とすることができるので、導体損を４．５dB／ｍと設計することができる。従って、本発明により、可変移相器の導体損を２６dB／ｍ減らすことができる。
【００２７】
また本発明による可変移相器の応用例としてのフェーズドアレーアンテナを考えてみる。従来技術による液晶層の薄い（例えば、５０μm ）移相器のように損失が大きいと、その損失を補償するための高周波増幅器を追加したり、あるいは、より増幅度の大きな高周波増幅器を使用することになる。本発明の可変移相器を利用すれば、その分高周波増幅器を簡略化でき経済的効果も大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る可変特性高周波伝送線路の構造を示す図。
【図２】  液晶可変移相器の液晶厚さと挿入損（誘電損、導体損）の関係の一例を計算した図。
【図３】  本発明第２の実施例の同軸型可変特性高周波伝送線路の構造図。
【図４】  本発明第３の実施例の可変特性高周波伝送線路の制御電圧波形と液晶分子配向の状態を説明する図。
【符号の説明】
11，12  セラミクス基板
13  二周波駆動用液晶
14  導体線路（金属ライン）
15  グランド面（金属膜）
16  配向膜
17  制御電源
18  高周波信号
31  繊維含浸液晶
32  中心導体
33  外部導体
34  ロール状に巻きつけ
35  制御電源
41  液晶分子
42  高周波電界の方向
【図１】
0003938267.tif 000003
【図２】
0003938267.tif 000004
【図３】
0003938267.tif 000005
【図４】
0003938267.tif 000006