(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波線路を構成する導体線路とグランド導体との間に液晶層を配設してなる可変移相器において、
該液晶層を樹脂とこの樹脂中に分散された液晶とからなる液晶・樹脂複合体により構成し、該液晶層の厚さを２００〜６００μｍとしたことを特徴とする可変移相器。
【請求項２】
前記液晶・樹脂複合体を構成する液晶はシアノビフェニル系、ターフェニル系、ピリジン系、ピリミジン系もしくはトラン系のネマティック液晶、または強誘電性のスメクティック液晶であり、前記液晶・樹脂複合体を構成する樹脂はアクリル樹脂、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、またはこれらの共重合体である請求項１記載の可変移相器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶・樹脂複合体を使用することにより挿入損失の低減を図った可変移相器に関する。
【０００２】
［発明の概要］
本発明は、高周波回路で使用される可変移相器において、この可変移相器を構成する基板などに用いられる誘電体材料を構成する液晶層として、樹脂中に液晶を分散させた液晶・樹脂複合体を用いることにより、液晶層の厚さを厚くし、導体線路の太さ、あるいは幅を大きく構成することを可能にし、これにより主に導体線路の導体損を小さくして、可変移相器の挿入損失を低減するようにしたものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来、ネマティック液晶を利用したマイクロ波帯可変移相器は、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。この報告に記載された「液晶可変移相器」の構成およびその動作原理を図４を用いて説明する。
【０００４】
図４に示す液晶可変移相器１０１は、２枚のセラミックス基板１０２，１０３と、これらのセラミックス基板１０２，１０３に挟まれた部分に封入されたネマティック液晶層１０４とを備えている。セラミックス基板１０２には導体線路（金属ライン）１０５が形成され、また、セラミックス基板１０３にはグランド面用の金属膜１０６が形成されている。導体線路１０５と金属膜１０６との間には制御電源１０７が接続されている。なお、図示は省略されているが、両セラミックス基板１０２，１０３の液晶層１０４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ミド配向膜が付けれている。
【０００５】
上記の構成により、このマイクロ波帯可変移相器１０１は、液晶層１０４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。そして、導体線路１０５とグランド面となる金属膜１０６との間に制御電圧Ｅを加えることにより、液晶分子の配向が変化する。この場合、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が感じ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搬するときの伝搬遅延時間に基づく位相の遅れΦは、
【数１】
Φ＝２πｆ・√（εeff）・ｌ／ｃ
但し、εeff：マイクロストリップ線路の等価誘電率
ｆ：伝搬する電磁波の周波数
ｃ：真空中の光の速度
で表される。
【０００６】
この場合、等価誘電率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ので、結果として、線路の位相遅れは導体線路１０５とグランド面（金属膜１０６）との間の制御電圧Ｅにより変化させることができ、これによって液晶可変移相器１０１を構成することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、液晶可変移相器１０１の挿入損失を考える。マイクロ波やミリ波では、線路の特性インピーダンスとして、５０Ωのものが一般に使用されるので、液晶可変移相器１０１の特性インピーダンスは例えば５０Ωとする。図５は、この条件下で、液晶可変移相器１０１を構成するマイクロストリップ線路の誘電損αdと導体損αcの値を、液晶層１０４の厚さを変化させて計算した結果の一例を示している。
【０００８】
図５によれば、液晶可変移相器１０１の挿入損失を小さく抑えるためには、液晶層１０４の厚さｈを厚く取って導体線路１０５の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理解される。
【０００９】
ところが、液晶可変移相器１０１の液晶として通常のネマティ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１０４の厚さを一般に１００μｍ程度以下にしなければならない。液晶可変移相器１０１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る。このため、液晶可変移相器の挿入損失の低減を図るための手法として、液晶層１０４を厚くして導体損を小さくすることはできなかった。実際、前述したD.Dolfiらの報告では、液晶層１０４の厚さはｈ＝５０μｍとしている。
【００１０】
上述したように、従来の液晶可変移相器１０１では、その線路長を長くした場合に大きな挿入損失が生じることは避けられず、挿入損失の低減が課題となっていた。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑み、導体線路の導体損を減らして挿入損失を低減できる可変移相器を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために請求項１の発明は、高周波線路を構成する導体線路とグランド導体との間に液晶層を配設してなる可変移相器において、該液晶層を樹脂とこの樹脂中に分散された液晶とからなる液晶・樹脂複合体により構成し、該液晶層の厚さを２００〜６００μｍとしたことを特徴としている。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の可変移相器において、前記液晶・樹脂複合体を構成する液晶はシアノビフェニル系、ターフェニル系、ピリジン系、ピリミジン系もしくはトラン系のネマティック液晶、または強誘電性のスメクティック液晶であり、前記液晶・樹脂複合体を構成する樹脂はアクリル樹脂、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、またはこれらの共重合体である。
【００１４】
上記の構成によれば、請求項１では、導体線路とグランド導体との間に液晶・樹脂複合体を配置することにより、液晶層である液晶・樹脂複合体の厚さを厚くし、導体線路の太さ、あるいは幅を大きく構成することを可能にし、これによって主に導体線路の導体損を小さくして、可変移相器の挿入損失を低減する。
【００１５】
請求項２では、液晶・樹脂複合体を構成する液晶として高周波に対して誘電率異方性を有し、かつその誘電率異方性が大きいものが選択されるので、従来のものに比べて位相を大きく制御することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による可変移相器の実施の形態を示す構成図である。
【００１７】
同図に示す可変移相器１は、２枚のセラミックス基板２，３と、これらのセラミックス基板２，３に挟まれた部分に封入された液晶・樹脂複合体４とを備えている。セラミックス基板２には高周波信号用の導体線路（金属ライン）５が形成され、また、セラミックス基板３にはグランド面用の金属膜６が形成されている。また、導体線路５と金属膜６との間には、制御電源７が接続され、直流電圧（または低周波電圧）Ｅが印加される構成となっている。
【００１８】
この場合、２枚のセラミックス基板２，３の間に封入された液晶・樹脂複合体４を誘電体基板として導体線路５とグランド面となる金属膜６とでマイクロストリップ線路が構成され、このマイクロストリップ線路上を高周波信号が伝搬する。また、前記制御電源７は、可変移相器１の移相量を調節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Ｅを、導体線路５と金属膜６との間に印加するもので、この制御電圧Ｅに応じて液晶・樹脂複合体４の誘電率が変化し、可変移相器１の移相量が変化する。
【００１９】
セラミックス基板２，３との間に挟まれた液晶・樹脂複合体４は、図２に示すように、樹脂８と、この樹脂８中に液晶が小滴状に分散された液晶小滴９とを有する構造（J.W.Doane,N.A.Vaz,B.G.Wu and S.Zumer,“Field controlled light scattering from nematic microdroplets,”Appl.Phys.Lett.,vol.48,no.4,pp.269-271(1986)）となっている。この場合、樹脂８に閉じ込められた液晶小滴９は、それぞれの小滴内で分子の配向の均一性を保つことができるので、液晶・樹脂複合体４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、液晶・樹脂複合体４を可変移相器として利用することにより、液晶層の厚さを厚くすることが可能となり、線路の導体損を低減して挿入損失を低減できる。この液晶・樹脂複合体４の厚さｈは、可変移相器１の挿入損失が十分小さくなるような厚さとして、例えば、２００〜６００μｍ程度とする。
【００２０】
液晶小滴９を構成する液晶は、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、またはこれら液晶の混合液晶を選択して用いることができる。但し、高速性を得るためには、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。
【００２１】
樹脂８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、またはこれらの共重合体（例えばアクリル・ウレタン共重合体）などが好適である。
【００２２】
上記の構成において、高周波信号は液晶・樹脂複合体４を誘電体基板として導体線路５と金属膜６とで構成されるマイクロストリップ線路を伝搬する。このとき、制御電源７から移相量を調節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Ｅが導体線路５と金属膜６との間に印加されると、この制御電圧Ｅの大きさに応じて液晶・樹脂複合体４の誘電率が変化し、これによって可変移相器１の移相量が変化する。
【００２３】
＜液晶・樹脂複合体４の形成方法＞
液晶・樹脂複合体４の形成方法について２つの方法を説明する。
【００２４】
第１の方法では、先ず、液晶、および樹脂の構成材料を混ぜ合わせて均質溶液にした後、これを２枚のセラミックス基板２，３の間に流し込む。
【００２５】
次に、光硬化（N.A.Vaz,G.W.Smith and G.P.Montgomery,Jr.,“A light control film composed of liquid crystal droplets in a UV-curable polymer,”Mol.Cryst.Liq.Cryst.,vol.146,pp.1-15(1987)）、熱硬化（J.W.Doane,N.A.Vaz,B.G.Wu and S.Zumer,“Field controlled light scattering from nematic microdroplets,”Appl.Phys.Lett.,vol.48,no.4,pp.269-271(1986)）または反応硬化などの方法を用いて樹脂成分を硬化させる。これにより、液晶の成分を急速に不溶化・析出（相分離）させ、樹脂中に微少な液晶小滴９を形成する。光硬化により樹脂成分を硬化させる場合には、樹脂成分に光が照射されるように、セラミックス基板２，３として、石英ガラスなどの透明な基板が有用である。
【００２６】
液晶・樹脂複合体４を形成する第２の方法では、液晶と樹脂を共通の溶媒に溶解し、その均一溶液を一方のセラミックス基板２上に塗布した後、溶媒成分を揮発させ、もう一方のセラミックス基板３を圧着する（T.Kajiyama,K.Park,F.Usui,H.Kikuchi and A.Takahara,“Phase separated structure-electro-optical property relationships of (polymer/liquid crystal) composite film,”SPIE,vol.1911,pp.122-131(1993)）。この方法でも、上記と同様の構造を有する液晶・樹脂複合体４を形成することができる。
【００２７】
樹脂に対して液晶の構成比が大きい場合には、図３に示すように、液晶小滴９が互いに連結した連結状液晶１０が形成される一方、樹脂８の形状が海綿体状または三次元の網目構造をなすこともある（他の実施の形態）。その場合、予めセラミックス基板２，３上に設けたラビング配向膜や外部電界の印加などにより、液晶１０と樹脂８の分子を配向させて重合させることにより、樹脂構造内に液晶分子を配向させた状態で初期化することも可能である。また、これらの液晶・樹脂複合体４の多くは自己支持性であるため、膜厚の制御が容易であり、膜厚が均一で長い導体線路を持つ素子を作製することも可能である。但し、樹脂８が軟質の場合には、液晶・樹脂複合体４を支えるために、側面または全面に球状または繊維状のスペーサを配設することもある。
【００２８】
この実施の形態において、液晶・樹脂複合体４の厚さを増やすことによる可変移相器１の挿入損失の変化のうち、特にその変化の大きな導体損について検討する。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であったのに比べて、この実施の形態による可変移相器１では、液晶・樹脂複合体４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に設計することができる。これにより、可変移相器１の導体損を約２６ｄＢ／ｍも減らすことが可能となる。
【００２９】
以上、この実施の形態では、可変移相器１に用いられる高周波信号の伝搬線路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搬線路はこれに限られず、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全ての高周波信号用伝送線路に適用することができる。
【００３０】
また、この実施の形態の可変移相器１の応用例としては、フェーズドアレーアンテナが考えられる。従来技術のように移相器の損失が大きいと、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。この実施の形態の可変移相器１をフェーズドアレーアンテナの移相器として使用することにより、その分の高周波増幅器を簡略化でき、装置を安価に構成することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明によれば、液晶層である液晶・樹脂複合体の厚さを厚くし、導体線路の太さ、あるいは幅を大きく構成することができ、これによって主に導体線路の導体損を小さくして、可変移相器の挿入損失を低減することが可能となる。
【００３２】
請求項２の発明によれば、液晶・樹脂複合体を構成する液晶として高周波に対して誘電率異方性を有し、かつその誘電率異方性が大きいものが選択されるので、従来のものに比べて位相を大きく制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による可変移相器の実施の形態の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明による可変移相器の実施の形態の構成を示す正面図である。
【図３】本発明による可変移相器の他の実施の形態の構成を示す正面図である。
【図４】従来の可変移相器に構成を示す正面図である。
【図５】液晶層の厚さｈと導体損失および誘電損失との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１  可変移相器
２，３  セラミックス基板
４  液晶・樹脂複合体
５  導体線路
６  金属膜（グランド導体）
７  制御電源
８  樹脂
９  液晶小滴
１０  連通状液晶
【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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