(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電波の進行方向に対し平行に交互に配置された金属箔からなる第１および第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極とに挟持され、所定の液晶が所定の素材に含浸された液晶含浸素材とを備えたことを特徴とする電波レンズ。
【請求項２】
前記所定の素材は、紙、布、または繊維を含むことを特徴とする請求項１記載の電波レンズ。
【請求項３】
前記所定の液晶は、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、またはこれら液晶を混合して得られる液晶を含むことを特徴とする請求項１記載の電波レンズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部から入力される信号に基づいて電子的に電波の進行方向を制御するための電波レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特公平３−６６８３号公報に開示され、図３に示すような構成の電波レンズ３００が知られている。図３に示された構成の電波レンズ３００は、電波の進行方向を変更させるために用いる媒体として液晶を用いるものである。ここで、電波レンズ３００は、図３（ａ）に示すように複数の移相器３１０によって構成される。図３（ａ）において、電波はホーンアンテナ４００から電波レンズ３００に向けて放射され、放射される電波の電界は方向２０に向いているものとする。
【０００３】
図３（ｂ）は、移相器３１０の一構成例を示す一部欠載図である。この移相器３１０は、図３（ｂ）に示すように４つの移相素子３２０によって構成され、４ビットの移相器として動作するものである。ホーンアンテナ４００から放射された電波は、図３（ｂ）に示す方向１０に向かって伝搬し、その際の電界の向きは図３（ｂ）に示す方向２０に向いているものとする。移相素子３２０は、図３（ｂ）に示すように、２組の誘電体薄板３２１、１組の導体薄板３２２、誘電体薄板３２１と電極薄板３２２とによって囲まれる直方体セルに充填された液晶３２３、および接続線３２４によって構成される。
【０００４】
接続線３２４を介して導体薄板３２２に印加された電圧によって、移相器３２０内に充填された液晶３２３を構成する各分子の配向方向を変えることができる。ここで、液晶を構成する各分子の配向方向によって誘電率が変化することは、誘電率の異方性として知られている。液晶は誘電率に異方性があることから、分子の配向方向を制御することによって誘電率を変化させ、各移相器３２０を通り抜ける電波の伝搬速度を変えることができる。その結果、移相器３１０を構成する各移相素子３２０を通り抜ける電波の伝搬速度を移相素子３２０毎に調整することによって電波レンズ３００としての動作を実現できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、電波レンズに用いられる液晶は液体であるため、セラミクス板や金属板などによって液晶を充填する空間を作ることが必要となる。そして、従来、液晶セルは、図３（ｂ）に示すように誘電体薄板３２１、導体薄板３２２、および液晶３２３によって構成されていた。そして、液晶３２３の配向を安定に制御するためには、特に、導体薄板３２２間に電圧を印加しないときの液晶３２３の配向を安定に制御するためには、液晶３２３の厚さを例えば１００μｍ程度以下に薄くしなければならない。
【０００６】
一方、導体薄板３２２は、液晶セルを構成するために、液晶セルの形状を保つ程度の機械的強度が求められる。そのため、導体薄板３２２の厚さは、例えば１００μｍ程度以上にしなければならなかった。または、導体薄板３２２の代わりに誘電体薄板に導体薄膜を蒸着させたものを用いることも考えられるが、この場合でも誘電体薄板の厚さは例えば５０μｍ程度以上でなければならなかった。
【０００７】
以上の制約により、電波レンズの開口面積に対する液晶部分の面積の割合が減少し、電波の透過率が著しく減少すると共に、電波レンズの誘電率の変化率が減少するため、電波の進行方向の制御範囲が狭くなる等の問題が生じていた。
また、電波の透過率や電波の進行方向の制御範囲をある程度確保するためには、液晶３２３の厚さを例えば１００μｍ程度以下の範囲でできるだけ厚くすることが要求される。従来のような構成で液晶３２３の厚さを厚くすると、制御電圧の変化に対する液晶分子の配向変化の応答が遅くなる。その結果、電波ビームの制御の応答速度が低下するという問題も生じていた。
【０００８】
本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、入射電波の透過率を向上し、電波の進行方向の制御範囲を拡張し、電波ビームの制御の応答速度を向上することが可能な電波レンズを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以上の点を考慮して、請求項１に係る発明は、電波の進行方向に対し平行に交互に配置された金属箔からなる第１および第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極とに挟持され、所定の液晶が所定の素材に含浸された液晶含浸素材とを備えた構成を有している。
【００１０】
この構成により、電波の進行方向の制御範囲として所要の範囲を得るため、必要な電波レンズのサイズを従来の電波レンズに比べて小さくできるので、電波レンズを小型軽量化できると共に、簡易に形成することができる。
また、送信機やホーンアンテナ含む電波ビーム送信装置の一部として本発明の電波レンズを考えれば、電波レンズの透過率が従来の電波レンズに比べて大きくなる（電波レンズの損失が小さくなる）ので、所望の送信電力を得るために必要な送信機の出力電力を小さくでき、装置全体の小型軽量化が図れる。
【００１１】
また、請求項２に係る発明は、請求項１において、前記所定の素材は、紙、布、または繊維を含む構成を有している。
この構成により、液晶を容易に含浸させることができる通常の材料を用いて、電波レンズを構成できる。
【００１２】
また、請求項３に係る発明は、請求項１において、前記所定の液晶は、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、またはこれら液晶を混合して得られる液晶を含む構成を有している。
この構成により、誘電率の異方性の強い液晶を用いるため、より小型の電波レンズを実現できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照し、本発明の第１の実施の形態に係る電波レンズについて説明する。
図１に、本発明の第１の実施の形態に係る電波レンズの模式的な構成を示す。図１（ａ）において、電波レンズ１００は、液晶含浸素材１１０、第１の電極１２０、第２の電極１３０、および制御電源１４０とによって構成される。
【００１４】
各液晶含浸素材１１０は、紙、布、繊維その他の液晶を含浸させることができる素材に液晶を含浸させたものである。ここでは、例えば、厚さが２００μｍ程度の薄い平板状の形状を有するものが用いられる場合について説明する。
第１の電極１２０および第２の電極１３０は、導電性の素材でできたフィルム状のものであり、例えば５ミクロン程度の厚さの金属箔等でもよい。
【００１５】
また、液晶含浸素材１１０は、第１、第２の電極１２０、１３０と、図１（ａ）に示すように交互に積み重ねられる。ここで、第１の電極１２０は、第２の電極１３０とも図１（ａ）に示すように、更に交互に積み重ねられた構成となっている。
【００１６】
以下では、図１（ｂ）に示す最も接近した２枚の第２の電極１３０によって挟まれた部分を液晶セル層とする。ここで、液晶セル層には、この最も接近した２枚の第２の電極１３０を含むものとする。したがって、電波レンズ１００は、構造的には液晶セル層を積層したものと考えることもでき、図１（ａ）には、積層数がｎの場合の電波レンズ１００を示す。
【００１７】
また、第１の電極１２０は、例えば、短冊状の形状をした電極が横方向に配列された構造をなすのでも良い。以下では、この短冊状の形状をした電極の各々を第１の電極１２０ともいう。図１（ａ）では、横方向に配列された短冊状の形状をした電極の数をｍ枚とする。従って、短冊状の形状をした電極は、全体でｎ×ｍ枚配列されていることになる。以下では、図１（ｂ）に示すように、液晶セル層のうち、１つの短冊状の形状をした電極が第２の電極１３０によって挟まれる部分のことを液晶セルいう。ここで、液晶セルには、液晶含浸素材１１０を挟む２枚の第２の電極１３０を含むものとする。
【００１８】
次に、各液晶セルの第１の電極１２０と第２の電極１３０との間には、制御電源１４０が接続される。ここで、第２の電極１３０は、アース等の所定の基準電位になっており、第１の電極１２０の電位を制御電源１４０によって制御する構成となっている。
【００１９】
図２を用いて液晶セルの動作について説明する。第１の電極１２０と第２の電極１３０との間に電圧が印加されていないときの液晶の配向方向を図２（ａ）に示す。ここで、液晶を構成する分子１１１は、電極に対して概ね平行に配列されている例が示されている。
【００２０】
次に、制御電源１４０によって所定の電圧が印加されると、図２（ｂ）に示すように液晶を構成する分子１１１は、第１の電極１２０、第２の電極１３０に対して概ね垂直になるように配向するように構成されている。このように、液晶セルは、第１の電極１２０と第２の電極１３０との間に所定の電圧を印加すると、液晶分子の配向方向が変化し、液晶含浸素材１１０の誘電率を変化させることができる構成となっている。そして、電波レンズ１００は、各液晶セルの誘電率を調整することによって電波レンズ１００内の誘電率の分布を調整することが可能となり、電波ビームの方向を制御することができる。
【００２１】
ここで、上記において例示した液晶含浸素材１１０の厚さ、第１の電極１２０および第２の電極１３０の厚さの数値を用いて電波レンズ開口面積に占める液晶層部分の面積の割合の一例を算出しておく。算出された値は９７％（＝２００／（２００＋５））となり、金属箔による透過率の減少量は従来技術の電波レンズに比して数十％も削減でき、ほとんど無視できる程度にできる。これは、１つには、液晶含浸素材１１０を用いることによって、液晶含浸素材１１０だけで機械的な強度を確保することができたため、電極を薄くできたことによるものである。
【００２２】
また、電波レンズ全体としての誘電率の変化も大きくとれるようになったため、電波ビームの進行方向の制御範囲を広げることができる。換言すれば、所要のビーム制御範囲を得るために必要な電波レンズのサイズを小さくできる。同時に、電波ビーム制御の応答速度も速くすることができる。
【００２３】
ここで、液晶含浸素材１１０に含浸されている液晶は、高周波に対して誘電率の異方性を有し、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。その誘電率の異方性は、大きい方が移相を大きく制御できるため、誘電率の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液晶含浸素材１１０に含浸させる液晶として用いることができる。
【００２４】
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好適である。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させる素材としては、高周波領域における損失が少なく、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。
【００２５】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る電波レンズは、電波の進行方向の制御範囲として所要の範囲を得るために必要な電波レンズのサイズを従来の電波レンズに比べて小さくできるので、電波レンズを小型軽量化できると共に、簡易に形成することができる。
【００２６】
また、送信機やホーンアンテナ含む電波ビーム送信装置の一部として本発明の電波レンズを考えれば、電波レンズの透過率が従来の電波レンズに比べて大きくなる（電波レンズの損失が小さくなる）ので、所望の送信電力を得るために必要な送信機の出力電力を小さくでき、装置全体の小型軽量化が図れる。
さらに、電波ビーム制御の応答速度が高速になるので、例えばレーダのような高速なビーム制御を必要とする装置へも、応用範囲を広げることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、入射電波の透過率を向上し、電波の進行方向の制御範囲を拡張し、電波ビームの制御の応答速度を向上することが可能な電波レンズを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電波レンズの模式的な構成に示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る電波レンズの動作を説明するための図である。
【図３】従来の電波レンズの模式的な構成に示す図である。
【符号の説明】
１０  電波の進行方向
２０  電界の方向
１００  電波レンズ
１１０  液晶含浸素材
１１１  液晶を構成する分子
１２０  第１の電極
１３０  第２の電極
１４０  制御電源
３００  従来の電波レンズ
３１０  移相器
３２０  移相素子
３２１  誘電体薄板
３２２  導体薄板
３２３  液晶
３２４  接続線
４００  ホーンアンテナ
【図１】
0003871930.tif 000002
【図２】
0003871930.tif 000003
【図３】
0003871930.tif 000004