(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一表面上にミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線が設けられ、前記一表面と向かい合う他の一表面上に、前記伝送線の延在方向に関して該伝送線内のミリ波信号またはマイクロ波信号の波長のほぼ１／４以下のピッチで配置された複数本の第１の電極を有する第１の基板と、
前記第１の基板に対向して配置され、前記第１の基板と対向する表面と向かい合う他の表面上に、前記複数本の第１の電極と平面視上重なる複数本の第２の電極を有する第２の基板と、
前記第１および第２の基板間に挟持され、前記第１および第２の電極に電圧を印加することによって、前記伝送線からみた誘電率が変化する液晶層と、
前記複数本の第１の電極および前記複数本の第２の電極それぞれに電圧を供給する制御回路とを有し、
前記第１の電極および前記第２の電極が、平面視上、前記伝送線に沿った長さが前記ミリ波信号またはマイクロ波信号の波長のほぼ４倍以上の領域内に配置され、
前記制御回路が、前記第１および第２の電極間に周期的な電界を発生させて、前記液晶層に周期的な誘電率分布を形成することにより、前記伝送線内に禁止帯を形成でき、前記第１および第２の電極に印加する電圧を適宜制御することで前記禁止帯の形成位置を変更し、該伝送線に供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号の位相変調を行う位相変調装置。
【請求項２】
さらに、
前記第１の基板の一表面上に配置されて前記伝送線を覆う第１の配向膜と、
前記第２の基板の他の表面上に配置された第２の配向膜と
を有する請求項１に記載の位相変調装置。
【請求項３】
一表面上にミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線が設けられ、前記一表面と向かい合う他の一表面上に、前記伝送線の延在方向に関して該伝送線内のミリ波信号またはマイクロ波信号の波長のほぼ１／４以下のピッチで配置された複数本の第１の電極を有する第１の基板と、
前記第１の基板に対向して配置され、前記第１の基板に対向する表面上に、前記複数本の第１の電極に平面視上重なる複数本の第２の電極を有する第２の基板と、
前記第１および第２の基板間に挟持され、前記第１および第２の電極に電圧を印加することによって、前記伝送線からみた誘電率が変化する液晶層と、
前記複数本の第１の電極および前記複数本の第２の電極それぞれに電圧を供給する制御回路とを有し、
前記第１の電極および前記第２の電極が、平面視上、前記伝送線に沿った長さが前記ミリ波信号またはマイクロ波信号の波長のほぼ４倍以上の領域内に配置され、
前記制御回路が、前記第１および第２の電極間に周期的な電界を発生させて、前記液晶層に周期的な誘電率分布を形成することにより、前記伝送線内に禁止帯を形成でき、前記第１および第２の電極に印加する電圧を適宜制御することで前記禁止帯の形成位置を変更し、該伝送線に供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号の位相変調を行う位相変調装置。
【請求項４】
さらに、
前記第１の基板の一表面上に配置されて前記伝送線を覆う第１の配向膜と、
前記第２の基板の表面上に配置されて前記複数本の第２の電極を覆う第２の配向膜と
を有する請求項３に記載の位相変調装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶を利用した位相変調素子および位相変調装置に係り、特に、ミリ波帯またはマイクロ波帯の周波数を有する信号（以下、「ミリ波信号またはマイクロ波信号」という。）の位相を変化させることができる位相変調素子および位相変調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ミリ波信号またはマイクロ波信号を利用した無線システム、例えば、超高速無線ローカルエリアネットワーク、高速無線回線システム、ホームリンク、車車間通信システム等の開発が積極的に提唱されている。
【０００３】
無線システムにおいてデータ伝送を行う一法として、位相変調がある。位相変調は、例えば位相変調装置を用いて行うことができる。種々のタイプの位相変調装置が知られているが、その中の１つに、液晶を利用したものがある。
【０００４】
例えば、特開２００１−２３７６０４号公報に記載されている位相変調装置（位相可変装置）では、セル容器を構成する２枚の基板のうちの一方の基板の内側表面上に蛇行形状の伝送線路を配置し、この伝送線路に流れるミリ波信号またはマイクロ波信号の位相を、セル容器内に形成した液晶層の誘電率を変化させることによって制御する。
【０００５】
液晶層の誘電率を変化させるために、上記の伝送線路の周囲には、この伝送線路から所定の間隔をあけて接地導体が配置される。また、セル容器を構成する２枚の基板それぞれの内側表面上には配向膜が配置され、これらの基板それぞれの外側表面上には、各々が伝送線路と接地導体との平面視上の間に位置するようにして、複数の電極（外部電極）が配置される。
【０００６】
一方の基板の外側表面上に配置された外部電極の各々と、他方の基板の外側表面上に配置された外部電極の各々とに、１つの電源から所定の大きさの交流バイアス電圧を同時に印加することによって、伝送線路の周囲の液晶分子が一様に再配列し、伝送線路の周囲の液晶層の誘電率が一様に変化する。この変化に伴って伝送線路の電気長が変化し、その結果として、伝送線路の一端に供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号とは異なる位相を有するミリ波信号またはマイクロ波信号が、伝送線路の他端から出力される。位相変調を行うことができる。
【０００７】
また、同公報には、セル容器を構成する２枚の基板それぞれの外側表面上に外部電極を設けずに、伝送線路にミリ波信号またはマイクロ波信号と一緒に液晶駆動用の交流電圧を供給することによって位相変調を行うタイプの位相変調装置も記載されている。このタイプの位相変調装置においても、位相変調の際には、伝送線路の周囲の液晶分子を一様に再配列させて、伝送線路の周囲の液晶層の誘電率を一様に変化させる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に記載されている位相変調装置では、伝送線路の周囲の液晶分子の配列をこの伝送線路に沿って一様に制御することから、液晶層による誘電体損失が比較的多い。
【０００９】
本発明の目的は、液晶を利用した位相変調素子であって、液晶層による誘電体損失を少なくすることができる位相変調素子を提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的は、液晶を利用した位相変調装置であって、液晶層による誘電体損失を少なくすることができる位相変調装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、(i) 一表面上にミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線が設けられた第１の基板と、(ii)前記第１の基板に対向して配置され、前記第１の基板に対向する一表面上に、前記伝送線の延在方向に関して該伝送線内の信号の波長のほぼ１／４以下のピッチで配置された複数本の電極を有する第２の基板と、(iii) 前記第１および第２の基板間に挟持され、前記電極に電圧を印加することによって、前記伝送線からみた誘電率が変化する液晶層とを有する位相変調素子が提供される。
【００１２】
本発明の他の観点によれば、(i) 一表面上にミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線が設けられ、前記一表面と向かい合う他の一表面上に、前記伝送線の延在方向に関して該伝送線内の信号の波長のほぼ１／４以下のピッチで配置された複数本の第１電極を有する第１の基板と、(ii)前記第１の基板に対向して配置され、前記第１の基板に対向する一表面と向かい合う他の一表面上に、前記複数本の第１電極と平面視上重なる複数本の第２電極を有する第２の基板と、(iii) 前記第１および第２の基板間に挟持され、前記第１および第２電極に電圧を印加することによって、前記伝送線からみた誘電率が変化する液晶層とを有する位相変調素子が提供される。
【００１３】
本発明の更に他の観点によれば、(i) 一表面上にミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線が設けられ、前記一表面と向かい合う他の一表面上に、前記伝送線の延在方向に関して該伝送線内の信号の波長のほぼ１／４以下のピッチで配置された複数本の第１電極を有する第１の基板と、(ii)前記第１の基板に対向して配置され、前記第１の基板に対向する一表面上に、前記複数本の第１電極に平面視上重なる複数本の第２電極を有する第２の基板と、(iii) 前記第１および第２の基板間に挟持され、前記第１および第２電極に電圧を印加することによって、前記伝送線からみた誘電率が変化する液晶層とを有する位相変調素子が提供される。
【００１４】
本発明の更に他の観点によれば、(A) (i) 一表面上にミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線が設けられた第１の基板と、(ii)前記第１の基板に対向して配置され、前記第１の基板に対向する一表面上に、前記伝送線の延在方向に関して該伝送線内の信号の波長のほぼ１／４以下のピッチで配置された複数本の電極を有する第２の基板と、(iii) 前記第１および第２の基板間に挟持され、前記電極に電圧を印加することによって、前記伝送線からみた誘電率が変化する液晶層とを有する位相変調素子と、(B) 前記複数本の電極それぞれに駆動信号を供給することができる駆動回路と、(C) 前記駆動回路の動作を制御して、前記液晶層に誘電率分布を形成することができる制御回路とを備えた位相変調装置が提供される。
【００１５】
本発明の更に他の観点によれば、(A) (i) 一表面上にミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線が設けられ、前記一表面と向かい合う他の一表面上に、前記伝送線の延在方向に関して該伝送線内の信号の波長のほぼ１／４以下のピッチで配置された複数本の第１電極を有する第１の基板と、(ii)前記第１の基板に対向して配置され、前記第１の基板に対向する一表面と向かい合う他の一表面上に、前記複数本の第１電極と平面視上重なる複数本の第２電極を有する第２の基板と、(iii) 前記第１および第２の基板間に挟持され、前記第１および第２電極に電圧を印加することによって、前記伝送線からみた誘電率が変化する液晶層とを有する位相変調素子と、(B) 前記複数本の第１電極および前記複数本の第２電極それぞれに駆動信号を印加することができる駆動回路と、(C) 前記駆動回路の動作を制御して、前記液晶層に誘電率分布を形成することができる制御回路とを備えた位相変調装置が提供される。
【００１６】
本発明の更に他の観点によれば、(A) (i) 一表面上にミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線が設けられ、前記一表面と向かい合う他の一表面上に、前記伝送線の延在方向に関して該伝送線内の信号の波長のほぼ１／４以下のピッチで配置された複数本の第１電極を有する第１の基板と、(ii)前記第１の基板に対向して配置され、前記第１の基板に対向する一表面上に、前記複数本の第１電極に平面視上重なる複数本の第２電極を有する第２の基板と、(iii) 前記第１および第２の基板間に挟持され、前記第１および第２電極に電圧を印加することによって、前記伝送線からみた誘電率が変化する液晶層とを有する位相変調素子と、(B) 前記複数本の第１電極および前記複数本の第２電極それぞれに駆動信号を印加することができる駆動回路と、(C) 前記駆動回路の動作を制御して、前記液晶層に誘電率分布を形成することができる制御回路とを備えた位相変調装置が提供される。
【００１７】
ここで、本明細書でいう「ミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線」とは、ミリ波信号またはマイクロ波信号を伝搬することができる伝送線を意味する。「ミリ波信号」は、周波数が概ね３０Ｇ〜３００ＧＨｚの信号を意味し、「マイクロ波信号」は、周波数が概ね３Ｇ〜３０ＧＨｚの信号を意味する。
【００１８】
位相変調素子の外部から伝送線に供給されて当該伝送線内を伝播するミリ波信号またはマイクロ波信号の波長のほぼ１／４以下のピッチで、上述のように複数本の電極を配置し、これらの電極に印加する電圧を適宜制御することにより、液晶層の誘電率を伝送線の延在方向に沿って概ね前記の波長の周期で変化させることができる。
【００１９】
液晶層の誘電率の周期的変化に伴って、伝送線の電気長（特性インピーダンス）も周期的に変化する。伝送線の電気長を概ね前記の波長の周期で変化させることによって、伝送線内に、ミリ波信号またはマイクロ波信号に対する禁止帯を効率よく形成することができる。この禁止帯は、光に対する禁止帯（フォトニックバンドギャップ）と同様のものである。本明細書においては、伝送線内に形成されるこの禁止帯についても「フォトニックバンドギャップ」（以下、「ＰＢＧ」と略記する。）と呼ぶものとする。
【００２０】
伝送線内にＰＢＧが形成されると、伝送線内を伝播するミリ波信号またはマイクロ波信号はＰＢＧへは侵入できずに反射する。ＰＢＧの形成位置を適宜変更することにより、伝送線に供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号とは異なる位相のミリ波信号またはマイクロ波信号を生成することができる。位相変調を行うことができる。
【００２１】
この位相変調は、例えば、伝送線内でのＰＢＧの開始端の位置を、伝送線内のミリ波信号またはマイクロ波信号の波長以下の長さを有する領域内で適宜変更することによって行うことが可能である。
【００２２】
伝送線の周囲の液晶分子の配列をこの伝送線に沿って一様に変化させて位相変調を行う従来の装置に比べて、液晶層による誘電体損失を大幅に少なくすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、第１の実施例による位相変調素子の平面形状を概略的に示す。同図に示す位相変調素子５０は、第１および第２の基板１０、２０を有するセル容器３０と、このセル容器３０内に充填された液晶によって構成される液晶層（図示せず。）とを備える。
【００２４】
第１の基板１０は電気的絶縁材料によって形成され、その一表面上には、ミリ波信号またはマイクロ波信号を伝搬することができる伝送線（ミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線）１１が配置される。この伝送線１１は、例えば金（Ａｕ）によって、あるいは、金（Ａｕ）層と銅（Ｃｕ）層との積層体によって形成することができる。
【００２５】
第２の基板２０も電気的絶縁材料によって形成され、その一表面上には、伝送線１１を平面視上横切る所定本数の電極２１が一定のピッチで互いに並列に配置される。電極２１の各々は、金属や、導電性の金属酸化物等によって形成することができる。
【００２６】
これら第１および第２の基板１０、２０は、伝送線１１と電極２１とが互いに向かい合う向きで配置されて、セル容器３０を構成する。伝送線１１の入力端には、必要に応じてパッドＰが設けられる。
【００２７】
以下、位相変調素子５０の構成を、図２（Ａ）および図２（Ｂ）を参照しつつより詳細に説明する。
【００２８】
図２（Ａ）は、図１に示したIIＡ−IIＡ線に沿った断面を概略的に示し、図２（Ｂ）は、図１に示したIIＢ−IIＢ線に沿った断面を概略的に示す。
【００２９】
これらの図に示すように、伝送線１１は第１の配向膜１２によって覆われ、電極２１の各々は第２の配向膜２２によって覆われている。
【００３０】
第１および第２の配向膜１２、２２それぞれの材質は、適宜選定可能である。また、これらの配向膜１２、２２に施す配向処理も適宜選択可能である。
【００３１】
ただし、位相変調素子５０の応答性を高めるうえからは、液晶分子に大きなプレチルト角（配向膜表面を基準面にして測定したプレチルト角）を付与することができ、また、極角アンカリングエネルギーが高い配向膜が好ましい。このような配向膜は、例えば、アルキル側鎖を有するポリイミド系材料によって形成された膜にラビング処理を施すことによって得られる。
【００３２】
第１の基板１０と第２の基板２０とは、スペーサ（図示せず。）が分散されたシール材１５によって互いに一体化されて、セル容器３０を形成する。伝送線１１と電極２１の各々とは、セル容器３０の外側にまで延在する。セル容器３０内には、前述したように、液晶層２５が形成される。
【００３３】
応答性の高い位相変調素子を得るうえからは、屈折率が高く、粘性が低い液晶材料、例えばネマティック液晶によって液晶層２５を形成することが好ましい。必要に応じて、ポリマーまたはオリゴマーが分散された液晶（高分子分散型液晶や高分子安定化液晶）を用いることもできる。
【００３４】
上記の高分子分散型液晶や高分子安定化液晶は、液晶中に数wt％〜数十wt％のポリマーまたはオリゴマーを分散させ、さらに、当該ポリマーまたはオリゴマーに対して数wt％の光反応開始剤を添加させたものである。この高分子分散型または高分子安定化液晶では、空セル（セル容器）内への充填後に紫外線等を照射すると上記のポリマーまたはオリゴマーが重合して、液晶層中にポリマーネットワークが形成され、液晶層がゾルゲル状もしくは固体状になる。そのため、メインシールが不要になるばかりでなく、応答性も向上する。ただし、ポリマーの比率が高くなるにつれて誘電異方性（Δε）が減少するので、液晶中に分散させるモノマーまたはオリゴマーの量は、概ね１０wt％以下とすることが好ましい。
【００３５】
応答性の高い位相変調素子を得るうえからは、セル厚（液晶層２５の厚さ）を薄くすることが好ましい。また、液晶層２５とセル容器３０とによって構成されるセルは、必要に応じて、ハイブリッド配向セル、パイ（π）セル、垂直配向セルとすることもできる。
【００３６】
ただし、位相変調を容易かつ正確に行ううえからは、液晶層２５にカイラル剤を添加しない方がよい。また、電圧を印加しない状態での液晶分子の配向方向は、伝送線１１の延在方向に平行であることが好ましい。
【００３７】
位相変調素子５０では、隣り合う電極２１同士のピッチが、外部から伝送線１１に供給されて当該伝送線１１内を伝播するミリ波信号またはマイクロ波信号の波長λの概ね１／４以下に選定される。
【００３８】
このように電極２１が配置された位相変調素子５０では、個々の電極２１に供給する電圧を制御することにより、液晶層２５の誘電率を伝送線１１の延在方向に沿って概ね波長λの周期で変化させることができる。これに伴って、セル容器３０内での伝送線１１の電気長（特性インピーダンス）を、ほぼ波長λの周期で変化させることが可能になる。
【００３９】
その結果として、ミリ波信号またはマイクロ波信号に対するＰＢＧを伝送線１１内に効率よく形成することが可能になる。伝送線１１に供給されたミリ波信号やマイクロ波信号は、ＰＢＧへは侵入できずに反射し、位相変調素子５０から出される。
【００４０】
位相変調素子５０を通信機器に利用する場合には、一般に位相角がπ／ｎ（ｎは１以上の整数を表す。）ずつずれた２ｎ相のミリ波信号またはマイクロ波信号によってｎビットのデータの伝送が行われることから、ＰＢＧの形成位置をλ／４ｎ単位（λは、伝送線１１に供給されるミリ波信号またはマイクロ波信号の波長を表す。）でずらすことによって位相変調することが好ましい。そのためには、前記の波長λを単位長さとしたときに、伝送線１１に沿った単位長さ当たり４ｎ本の電極２１を配置することが好ましい。
【００４１】
以下、位相角がπ／２ずつずれた４相のミリ波信号またはマイクロ波信号を生成することが可能な位相変調装置を例にとり、その構成および動作を図３〜図５を参照しつつ具体的に説明する。
【００４２】
図３は、実施例による位相変調装置の構成を概略的に示す。この位相変調装置１００は、既に説明した位相変調素子５０の他に、駆動装置６０、制御回路７０、電圧制御発振器８０（以下、「ＶＣＯ８０」と略記する。）、サーキュレータ８５、および放射器９０を備える。
【００４３】
駆動装置６０は、制御回路７０によって動作を制御されて、位相変調素子５０およびＶＣＯ８０を駆動するための駆動信号を生成する。位相変調素子５０用の駆動信号は、電極２１の各々に供給される駆動信号と、伝送線１１に供給される駆動信号とに大別される。位相変調素子５０に供給される駆動信号の詳細については、後述する。
【００４４】
ＶＣＯ８０は、駆動回路６０から供給される駆動信号に従って動作して、所定の波長および周波数を有するミリ波信号またはマイクロ波信号を発生する。この信号は、サーキュレータ８５に供給される。
【００４５】
サーキュレータ８５は、ＶＣＯ８０から供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号を位相変調素子５０の伝送線１１へ供給すると共に、位相変調素子５０から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号を放射器９０に供給する。
【００４６】
放射器９０は例えばアンテナであり、位相変調素子５０からサーキュレータ８５を介して供給されるミリ波信号またはマイクロ波信号を放射する。
【００４７】
図示の位相変調素子５０では、伝送線１１に供給されるミリ波信号またはマイクロ波信号の波長λを単位長さとしたときに、伝送線１１に沿った単位長さ当たり８本の電極２１が配置される。
【００４８】
伝送線１１内にＰＢＧを効率よく形成するためには、伝送線１１の電気長を、例えばほぼ波長λの周期で概ね４周期以上に亘って変化させることが望まれる。また、４相のミリ波信号またはマイクロ波信号を生成するためには、パッドＰ側でのＰＢＧの開始端を、例えば連続する４電極の範囲内で変更することが好ましい。これらの理由から、位相変調素子５０には、概ね１９本以上の電極２１を配置することが好ましい。
【００４９】
これらの電極２１は７本おきに共通結線されて、８つのグループに分かれる。各グループは、駆動回路６０から駆動信号φ１〜φ８のいずれか１つの供給を受ける。１つのグループに１つの駆動信号が対応する。
【００５０】
位相変調装置１００の駆動時には、駆動信号φ１〜φ８のうち４つがハイレベルになり、残りの４つがローレベルになる。どの駆動信号をハイレベルにし、どの駆動信号をローレベルにするかは、生成しようとする４相のミリ波信号またはマイクロ波信号のうちのどの相の信号を生成するかに応じて異なる。伝送線１１へは、駆動回路６０から一定電位（例えば接地電位）の駆動信号が供給される。
【００５１】
以下、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）および図５（Ａ）〜図５（Ｂ）を参照しつつ、位相変調素子５０へ供給する駆動信号φ１〜φ８のレベルと、位相変調素子５０から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号の位相との関係を説明する。
【００５２】
図４（Ａ）は、駆動信号φ１〜φ４をハイレベルにし、駆動信号φ５〜φ８をローレベル（例えば接地電位）にして位相変調素子５０を駆動させたときのＰＢＧの形成位置を概略的に示す。
【００５３】
同図においてハッチングが付されている電極２１の各々にはハイレベルの駆動信号が供給され、ハッチングが付されていない電極２１の各々へはローレベルの駆動信号が供給される（以下同様。）。
【００５４】
駆動信号φ１〜φ８のレベルを上記のように制御すると、液晶層２５（図２（Ａ）参照）内に、相対的に誘電率の高い領域と相対的に誘電率の低い領域とが周期的に形成される。これらの領域は、パッドＰに最も近い電極２１下からその後方（伝送線１１に沿って、パッドＰから遠ざかる方向を意味する。以下同じ。）にかけて、ほぼ波長λの周期で形成される。伝送線１１に沿った個々の領域の長さは、ほぼλ／２に相当する。
【００５５】
その結果として、パッドＰに最も近い電極２１下からその後方にかけて、伝送線１１の電気長がほぼ波長λの周期で変化し、ここにＰＢＧが形成される。
【００５６】
伝送線１１内にＰＢＧが形成されると、伝送線１１に供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号はＰＢＧ内に侵入できずに反射してサーキュレータ８５（図３参照）へ戻り、ここから放射器９０へ供給される。
【００５７】
このとき位相変調素子５０から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号の位相は、供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号の位相に対して一定の位相差を有する。
【００５８】
図４（Ｂ）〜図４（Ｃ）、および図５（Ａ）〜図５（Ｂ）は、パッドＰ側でのＰＢＧの開始端を図４（Ａ）に示した状態からほぼ１電極、ほぼ２電極、ほぼ３電極、またはほぼ４電極後方にずらすときの各駆動信号φ１〜φ８のレベルと、ＰＢＧの形成位置との関係を概略的に示す。
【００５９】
図４（Ｂ）に示すように、駆動信号φ２〜φ５をハイレベルにし、駆動信号φ１およびφ６〜φ８をローレベルにして位相変調素子５０を駆動させると、パッドＰ側でのＰＢＧの開始端が図４（Ａ）に示した状態からほぼ１電極後方にずれる。
【００６０】
このとき位相変調素子５０から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号は、図４（Ａ）の状態と比較して、往復で２電極分の差、すなわち、２π／４（＝π／２）の位相差を生じる。
【００６１】
図４（Ｃ）に示すように、駆動信号φ３〜φ６をハイレベルにし、駆動信号φ１〜φ２およびφ７〜φ８をローレベルにして位相変調素子５０を駆動させると、パッドＰ側でのＰＢＧの開始端が図４（Ａ）に示した状態からほぼ２電極後方にずれる。
【００６２】
このとき位相変調素子５０から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号は、図４（Ａ）の状態と比較して、４π／４（＝π）の位相差を生じる。
【００６３】
図５（Ａ）に示すように、駆動信号φ４〜φ７をハイレベルにし、駆動信号φ１〜φ３およびφ８をローレベルにして位相変調素子５０を駆動させると、パッドＰ側でのＰＢＧの開始端が図４（Ａ）に示した状態からほぼ３電極後方にずれる。
【００６４】
このとき位相変調素子５０から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号は、図４（Ａ）の状態と比較して、６π／４（＝３π／２）の位相差を生じる。
【００６５】
図５（Ｂ）に示すように、駆動信号φ５〜φ８をハイレベルにし、駆動信号φ１〜φ４をローレベルにして位相変調素子５０を駆動させると、パッドＰ側でのＰＢＧの開始端が図４（Ａ）に示した状態からほぼ４電極後方にずれるが、ＰＢＧの開始端は図４（Ａ）に示した位置と電気的に同等になる。
【００６６】
このとき位相変調素子５０から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号は、図４（Ａ）の状態と比較して、２πの位相差を生じる。信号としては、図４（Ａ）の状態下で出力される信号と同等となる。
【００６７】
図４（Ａ）〜図４（Ｃ）、および図５（Ａ）〜図５（Ｂ）から理解されるように、位相変調素子５０から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号の位相は、パッドＰ側でのＰＢＧの開始端をほぼ１電極後方にずらす毎に、ほぼλ／４（π／２）遅れる。パッドＰ側でのＰＢＧの開始端を連続する４電極の範囲内で適宜変更することにより、４相のミリ波信号またはマイクロ波信号を生成することができる。
【００６８】
このようにして位相変調を行う位相変調装置１００は、伝送線の周囲の液晶分子の配列を伝送線に沿って一様に変化させて位相変調を行うタイプの装置に比べて、液晶層による誘電体損失を容易に少なくすることができる。
【００６９】
次に、第２の実施例による位相変調素子について説明する。
【００７０】
図６（Ａ）は、第２実施例による位相変調素子の平面形状を概略的に示す。同図に示した位相変調素子１５０は、伝送線１１がセル容器３０の外側においてキャパシタＣに接続されているという点で、第１の実施例による位相変調素子５０と構成上異なる。位相変調素子１５０の他の構成は、位相変調素子５０と同様である。
【００７１】
図６（Ａ）に示した構成要素のうち、既に図１に示した構成要素については、図１で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。上記のキャパシタＣについては、図６（Ｂ）を参照しつつ詳述する。
【００７２】
図６（Ｂ）は、キャパシタＣの一例を拡大して示す。同図に示したキャパシタＣは、１本のミリ波帯またはマイクロ波帯伝送線の途中に方形波状のギャップを形成することによって作製されている。パッドＰとキャパシタＣとの間の伝送線を、参照符号１１ａで示している。
【００７３】
キャパシタＣは、このキャパシタＣを設けない場合と同様にミリ波信号またはマイクロ波信号が伝送線１１ａ、１１間を伝播することを許容する一方で、電極２１に駆動信号を供給したときに伝送線１１、１１ａがアース線として機能するのを抑止するためのものである。
【００７４】
キャパシタＣの特性は、位相変調素子１５０に供給するミリ波信号またはマイクロ波信号の周波数等に応じて、適宜変更可能である。
【００７５】
キャパシタＣを有する位相変調素子１５０では、液晶層２５（図２（Ａ）参照）中の液晶分子を、隣り合う電極２１間に形成した電界（横電界）によって再配列させることができる。位相変調素子１５０の駆動時には、電極２１の各々に所定の駆動信号が供給され、伝送線１１にはミリ波信号またはマイクロ波信号のみが供給される。
【００７６】
横電界を利用して位相変調素子１５０中の液晶分子の配向を制御して位相角がπ／ｎずつずれた２ｎ相のミリ波信号またはマイクロ波信号を生成する場合には、伝送線１１を伝播するミリ波信号またはマイクロ波信号の波長λを単位長さとしたときに、単位長さ当たり４ｎ本の電極２１を配置することが好ましい。このとき、隣り合う電極２１同士の間の間隔よりも各電極２１の線幅を狭くすることが好ましい。また、液晶層２５の厚さは、薄い方が好ましい。
【００７７】
以下、位相角がπ／２ずつずれた４相のミリ波信号またはマイクロ波信号を生成する場合を例にとり、位相変調素子１５０での各電極２１の配置、および位相変調素子１５０の駆動方法を具体的に説明する。
【００７８】
位相変調素子１５０によって４相のミリ波信号またはマイクロ波信号を生成する場合には、伝送線１１に供給されるミリ波信号またはマイクロ波信号の波長λを単位長さとしたときに、伝送線１１に沿った単位長さ当たり８本の電極２１が配置される。
【００７９】
これらの電極２１は７本おきに共通結線されて、８つのグループに分かれる。各グループは、駆動回路から駆動信号φ１〜φ８のいずれか１つの供給を受ける。１つのグループに１つの駆動信号が対応する。
【００８０】
位相変調装置１００の駆動時には、例えば駆動信号φ１〜φ８のうちの６つがハイレベルになり、残りの２つがローレベルになる。駆動信号φ１〜φ８のうちの２つをローレベルにし、残りの６つをハイレベルにすることもできる。
【００８１】
どの駆動信号をハイレベルにし、どの駆動信号をローレベルにするかは、生成しようとする４相のミリ波信号またはマイクロ波信号のうちのどの相の信号を生成するかに応じて異なる。伝送線１１へは、ミリ波信号またはマイクロ波信号のみが供給される。
【００８２】
図７（Ａ）〜図７（Ｃ）および図８（Ａ）〜図８（Ｂ）を参照しつつ、位相変調素子１５０へ供給する駆動信号のレベルと、位相変調素子１５０から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号の位相との関係を説明する。
【００８３】
図７（Ａ）は、駆動信号φ２およびφ４〜φ８をハイレベルにし、駆動信号φ１およびφ３をローレベル（例えば接地電位）にして位相変調素子１５０を駆動させたときのＰＢＧの形成位置を概略的に示す。
【００８４】
同図においてハッチングが付されている電極２１の各々にはハイレベルの駆動信号が供給され、ハッチングが付されていない電極２１の各々へはローレベルの駆動信号が供給される（以下同様。）。
【００８５】
互いに隣り合う２本の電極の一方にハイレベルの駆動信号を供給し、他方にローレベルの駆動信号を供給すると、これら２本の電極間に横電界が形成される。互いに隣り合う２本の電極それぞれに同じレベルの駆動信号を供給すると、これら２本の電極間に横電界が形成されない。
【００８６】
駆動信号φ１〜φ８のレベルを上記のように制御すると、液晶層２５（図２（Ａ）参照）内に、相対的に誘電率の高い領域と相対的に誘電率の低い領域とが周期的に形成される。これらの領域は、パッドＰに最も近い電極２１下からその後方にかけて、ほぼ波長λの周期で形成される。伝送線１１に沿った個々の領域の長さは、ほぼλ／２に相当する。
【００８７】
その結果として、パッドＰに最も近い電極２１下からその後方にかけて、伝送線１１の電気長がほぼ波長λの周期で変化し、ここにＰＢＧが形成される。
【００８８】
供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号に対して一定の位相差を有するミリ波信号またはマイクロ波信号が、位相変調素子１５０から出力される。
【００８９】
図７（Ｂ）、図７（Ｃ）、図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、パッドＰ側でのＰＢＧの開始端を図７（Ａ）に示した状態からほぼ１電極、ほぼ２電極、ほぼ３電極、またはほぼ４電極後方にずらすときの各駆動信号φ１〜φ８のレベルと、ＰＢＧの形成位置との関係を概略的に示す。
【００９０】
図７（Ｂ）に示すように、駆動信号φ１、φ３およびφ５〜φ８をハイレベルにし、駆動信号φ２およびφ４をローレベルにして位相変調素子１５０を駆動させると、パッドＰ側でのＰＢＧの開始端が図７（Ａ）に示した状態からほぼ１電極後方にずれる。
【００９１】
このとき位相変調素子１５０から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号は、図７（Ａ）の状態と比較して、２π／４（＝π／２）の位相差を生じる。
【００９２】
図７（Ｃ）に示すように、駆動信号φ１〜φ２、φ４、およびφ６〜φ８をハイレベルにし、駆動信号φ３およびφ５をローレベルにして位相変調素子１５０を駆動させると、パッドＰ側でのＰＢＧの開始端が図７（Ａ）に示した状態からほぼ２電極後方にずれる。
【００９３】
このとき位相変調素子５０から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号は、図７（Ａ）の状態と比較して、４π／４（＝π）の位相差を生じる。
【００９４】
図８（Ａ）に示すように、駆動信号φ１〜φ３、φ５、およびφ７〜φ８をハイレベルにし、駆動信号φ４およびφ６をローレベルにして位相変調素子１５０を駆動させると、パッドＰ側でのＰＢＧの開始端が図７（Ａ）に示した状態からほぼ３電極後方にずれる。
【００９５】
このとき位相変調素子５０から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号は、図７（Ａ）の状態と比較して、６π／４（＝３π／２）の位相差を生じる。
【００９６】
図８（Ｂ）に示すように、駆動信号φ１〜φ４、φ６、およびφ８をハイレベルにし、駆動信号φ５およびφ７をローレベルにして位相変調素子１５０を駆動させると、パッドＰ側でのＰＢＧの開始端が図７（Ａ）に示した状態からほぼ４電極後方にずれるが、ＰＢＧの開始端は図７（Ａ）に示した位置と電気的に同等になる。
【００９７】
このとき位相変調素子５０から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号は、図７（Ａ）の状態と比較して、２πの位相差を生じる。信号としては、図７（Ａ）の状態下で出力される信号と同等となる。
【００９８】
図７（Ａ）〜図７（Ｃ）、および図８（Ａ）〜図８（Ｂ）から理解されるように、位相変調素子１５０から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号の位相は、パッドＰ側でのＰＢＧの開始端をほぼ１電極後方にずらす毎に、ほぼλ／４（π／２）遅れる。パッドＰ側でのＰＢＧの開始端を連続する４電極の範囲内で適宜変更することにより、４相のミリ波信号またはマイクロ波信号を生成することができる。
【００９９】
このようにして位相変調を行うことができる位相変調素子１５０は、伝送線の周囲の液晶分子の配列を伝送線に沿って一様に変化させて位相変調を行うタイプの装置に比べて、液晶層による誘電体損失を容易に少なくすることができる。
【０１００】
次に、第３の実施例による位相変調素子について説明する。
【０１０１】
図９は、第３実施例による位相変調素子の断面構造を概略的に示す。同図に示した位相変調素子２５０は、(i) 第１の基板１０の外側表面上に電極１３が複数本配置される点、および、(ii)第２の基板２０の内側表面上に電極が配置されずに、外側表面上に電極２３が複数本配置される点で、第１の実施例による位相変調素子５０とは構成上異なる。位相変調素子２５０の他の構成は、位相変調素子５０の構成と同様である。
【０１０２】
図９に示した構成要素のうち、電極１３および電極２３をそれぞれ除いた構成要素については、図２（Ａ）で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【０１０３】
図示の位相変調素子２５０においては、電極１３の各々および電極２３の各々が、第１の実施例による位相変調素子５０における電極２１の各々と同様に、伝送線１１に供給されるミリ波信号またはマイクロ波信号の波長λのほぼ１／４未満の所定のピッチで配置される。これらの電極１３、２３は、いずれも伝送線１１を平面視上横切る。１本の電極１３に１本の電極２３が対応し、互いに対応する電極１３と電極２３とは平面視上重なる。
【０１０４】
位相変調素子２５０は、前述した第１の実施例による位相変調素子５０と同様の方法で駆動される。このとき、互いに対応する１対の電極１３、２３へは、同じレベルの駆動信号が供給される。伝送線１１へは、駆動信号を供給しない。
【０１０５】
このようにして位相変調素子２５０を駆動させることにより、第１の実施例による位相変調素子５０と同様に、供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号を位相変調させて出力することができる。伝送線の周囲の液晶分子の配列を伝送線に沿って一様に変化させて位相変調を行うタイプの装置に比べて、液晶層による誘電体損失を容易に少なくすることができる。
【０１０６】
次に、第４の実施例による位相変調素子について説明する。
【０１０７】
図１０は、第４実施例による位相変調素子の断面構造を概略的に示す。同図に示した位相変調素子３５０は、第１の基板１０の外側表面上に電極１３が複数本配置される点で、第１の実施例による位相変調素子５０とは構成上異なる。位相変調素子３５０の他の構成は、位相変調素子５０の構成と同様である。
【０１０８】
図１０に示した構成要素のうち、各電極１３を除いた構成要素については、図２（Ａ）で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【０１０９】
図示の位相変調素子３５０においては、電極１３の各々および電極２１の各々が、伝送線１１に供給されるミリ波信号またはマイクロ波信号の波長λの１／２未満の所定のピッチで配置される。これらの電極１３、２１は、いずれも伝送線１１を平面視上横切る。１本の電極１３に１本の電極２１が対応し、互いに対応する電極１３と電極２１とは平面視上重なる。
【０１１０】
位相変調素子３５０も、前述した第１の実施例による位相変調素子５０と同様の方法で駆動される。このとき、互いに対応する１対の電極１３、２１へは、同じレベルの駆動信号が供給される。伝送線１１へは、駆動信号を供給しない。
【０１１１】
このようにして位相変調素子３５０を駆動させることにより、第１の実施例による位相変調素子５０と同様に、供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号を位相変調させて出力することができる。伝送線の周囲の液晶分子の配列を伝送線に沿って一様に変化させて位相変調を行うタイプの装置に比べて、液晶層による誘電体損失を容易に少なくすることができる。
【０１１２】
以上、実施例による位相変調素子および位相変調装置について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【０１１３】
例えば、伝送線１１に供給されたミリ波信号またはマイクロ波信号の位相角をπ／ｎとは異なる値ずらして２ｎ相のミリ波信号またはマイクロ波信号を生成しようとする場合には、単位長さ当たり４ｎ本より多くの電極２１を配置することも可能である。２相（ｎ＝１）のミリ波信号またはマイクロ波信号は、単位長さあたり３本の電極２１を配置することによっても生成することが可能である。
【０１１４】
配向膜は、例えば第１および第２の基板が液晶分子に対する配向機能を有していれば、省略することも可能である。
【０１１５】
平面視したときのセル容器内での伝送線の形状は、直線状に限らず、例えば櫛形等にすることも可能である。伝送線と電極とを、平面視上互いに斜行させることも可能である。
【０１１６】
位相変調素子を利用して生成する複数相のミリ波信号またはマイクロ波信号の中で最も位相の進んだミリ波信号またはマイクロ波信号を生成する際のＰＢＧの形成位置は、伝送線の入力端に最も近い電極下からの後方に亘る領域に限定されるものではない。
【０１１７】
伝送線内にＰＢＧを形成するにあたっては、この伝送線に供給されるミリ波信号またはマイクロ波信号の波長程度の周期で伝送線の電気長を変化させることが好適である。伝送線の電気長が前記の周期で変化しさえすれば、１周期の範囲に形成する相対的に電気長の大きな領域の平面視上の長さと、相対的に電気長の小さな領域の平面視上の長さとを合わせる必要性は必ずしもない。
【０１１８】
したがって、液晶層の誘電率を周期的に変化させるにあたっても、相対的に誘電率の高い領域の平面視上の長さ（伝送線に沿った長さ）と、相対的に誘電率の低い領域の平面視上の長さ（伝送線に沿った長さ）とを合わせる必要性は必ずしもない。
【０１１９】
更に、液晶層の誘電率の変化は、伝送線に供給されるミリ波信号またはマイクロ波信号の波長程度以下の周期性を有していさえすれば、高・中・低の３値に亘って、あるいは４値以上に亘っていてもよい。この場合でも、伝送線内にＰＢＧを形成することができる。
【０１２０】
１つの位相変調装置で対応することができるミリ波信号またはマイクロ波信号の周波数を複数の値の中で適宜選択したい場合には、位相変調素子中の各電極を互いに電気的に独立させて、位相変調素子と駆動回路とを電気的に接続することが好ましい。
【０１２１】
位相変調素子から出力されるミリ波信号またはマイクロ波信号の位相は、伝送線の入力端から数えて２番目またはそれ以上後ろの所定の電極下からＰＢＧを形成し、このＰＢＧの形成位置を固定したまま、ＰＢＧよりも前記の入力端側にある電極に印加する電圧の値を適宜選定することによっても、制御することが可能である。
【０１２２】
その他、種々の変更、改良、組み合わせ、応用等が可能なことは当業者に自明であろう。
【０１２３】
上述した構成を有する位相変調素子および位相変調装置は小型化が容易であり、液晶層による誘電体損失も少ないことから、特に携帯用通信機器に好適に利用可能である。勿論、携帯用通信機器に限らず、種々の通信機器に利用可能である。また、車載レーダ等の探査装置にも利用可能である。
【０１２４】
セル容器に設ける電極の単位長さ当たりの本数を比較的容易に増やすことができるので、種々の性能の位相変調器を容易に構成することができる。音データや画像データ等、種々のデータの変調にも利用することができ、中間調の制御も比較的容易である。また、原理的に、位相変調が可能な周波数帯域が広い。
【０１２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の位相変調素子は、液晶を利用した素子でありながら、液晶層による誘電体損失を少なくすることができる。小型で消費電力の少ない位相変調素子および位相変調装置を提供することが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例による位相変調素子の平面形状を示す概略図である。
【図２】図２（Ａ）は、図１に示したIIＡ−IIＡ線に沿った断面を示す概略図であり、図２（Ｂ）は、図１に示したIIＢ−IIＢ線に沿った断面を示す概略図である。
【図３】実施例による位相変調装置の構成を示す概略図である。
【図４】図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、それぞれ、図３に示した位相変調素子に供給する各駆動信号のレベルと、伝送線内に形成されるフォトニックバンドギャップの位置との関係を示す概略図である。
【図５】図５（Ａ）〜図５（Ｂ）は、それぞれ、図３に示した位相変調素子に供給する各駆動信号のレベルと、伝送線内に形成されるフォトニックバンドギャップの位置との他の関係を示す概略図である。
【図６】第２の実施例による位相変調素子の平面形状を示す概略図である。
【図７】図７（Ａ）〜図７（Ｃ）は、それぞれ、図６に示した位相変調素子に供給する各駆動信号のレベルと、伝送線内に形成されるフォトニックバンドギャップの位置との関係を示す概略図である。
【図８】図８（Ａ）〜図８（Ｂ）は、それぞれ、図６に示した位相変調素子に供給する各駆動信号のレベルと、伝送線内に形成されるフォトニックバンドギャップの位置との他の関係を示す概略図である。
【図９】第３実施例による位相変調素子の断面構造を示す概略図である。
【図１０】第４実施例による位相変調素子の断面構造を示す概略図である。
【符号の説明】
１０…第１の基板、  １１…伝送線、  １２…第１の配向膜、  １３…第１の基板に設けられた電極、  １５…シール材、  ２０…第２の基板、  ２１、２３…第２の基板に設けられた電極、  ２２…第２の配向膜、  ２５…液晶層、  ３０…セル容器、  ５０、１５０、５０Ｂ、５０Ｃ…位相変調素子、  ６０…駆動回路、  ７０…制御回路、  ８０…電圧制御発振器、  ８５…サーキュレータ、９０…放射器、  １００…位相変調装置。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003830848.tif 000009
【図９】
0003830848.tif 000010
【図１０】
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