JP6478397B2

JP6478397B2 - フェーズドアレイアンテナ

Info

Publication number: JP6478397B2
Application number: JP2015050742A
Authority: JP
Inventors: 史郎佐藤; 道央横山; 時任　静士; 静士時任; 古川　忠宏; 忠宏古川; 雄大宇佐美
Original assignee: Yamagata University NUC
Current assignee: Yamagata University NUC
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2035-03-13
Also published as: JP2016171501A

Description

本発明は、マイクロ波・ミリ波帯で用いられるフェーズドアレイ・アンテナ装置に関し、より詳細には送信アンテナからの電波を受信するアレイ状に配列された複数のアンテナ素子と、各アンテナ素子に接続される移相器とを有し、各アンテナ素子で受信された電波の位相を個々の移相器によって制御することにより、高周波ビームの到来方向に正確にアンテナ面全体をセットしなくても電気的に高い指向性利得を得ることができるフェーズドアレイ・アンテナ技術に関する。

従来より、レーダ装置や、携帯電話の基地局等には、フェーズドアレイ・アンテナが用いられている。これは、各アンテナ素子で送受信する高周波信号の位相を、それぞれ移相器で調整することにより、アンテナ全体としての指向性を可変させるだけでなく、所望の電波の到来方向の利得を増大させ、それ以外の方向から到来する電波の利得を低下させる処理を電気的に行うことができるものである。

フェーズドアレイ・アンテナの主要な基本構成部品は、個々のアンテナ素子、前記個々のアンテナ素子で受信した高周波信号の位相を調整する移相器、および給電線路である。その他に、位相調整に必要な位相検出回路、位相制御回路なども必須回路であるが、こうした駆動技術に関する部分はここでは省略し、上記の基本構成部品の要素技術について説明する。

基本構成部品の動作原理方式や用いる材料は、アンテナの使用目的、使用態様によって異なる。今、１０ＧＨｚ帯の高周波電波の送受信を想定すると、個々のアンテナ素子については、パッチアンテナ、ダイポールアンテナ、スロットアンテナなどを用いることができる。これらの各アンテナ素子に接続される移相器には、半導体素子、ＭＥＭＳ、誘電率可変材料（強誘電体、液晶など）などの応用が候補として挙げられる。また、給電線路には、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、導波管などが考えられる。

衛星搭載用のフェーズドアレイ・アンテナなどでは、送受信信号が大電力となるために、移相器や給電線路には導波管が用いられ、アンテナ素子も含めて主たる材料は金属材料で作製され、一部絶縁体としてセラミックス等が用いられてきている。これに対して、高周波信号が小電力の場合は、給電線路にはマイクロストリップ線路やコプレーナ線路、またアンテナ素子もそれらの延長上にあるパッチアンテナやスロットアンテナが考えられる。

本件発明は、後者の小電力用のフェーズドアレイ・アンテナに関するものである。これらの小電力用の回路基板には、樹脂やセラミックス等から成る硬質の誘電体の裏面を銅箔等の導電体で覆ってグランド（ＧＮＤ）面とし、表面に導電性の高い金属から成る信号線路やアンテナ素子を貼り付けたマイクロストリップ線路型のものが多く、通常〜１ｍｍ程度の厚さの堅牢な回路基板が用いられる。

前記フェーズドアレイ・アンテナの基本構成部品の中で、アンテナとしての性能は可変移相器の機構、構造あるいはその材料に大きく左右される。ここでは、小電力用移相器について従来技術の概要を説明する。マイクロストリップ線路型可変移相器の典型例として、マイクロストリップ線路長切り替え方式がある。この方式では、種々の電気長（遅延時間）をもついくつかの長さのマイクロストリップ線路を複数個基板上に搭載し、マイクロ波スイッチでそれらを選択することにより位相を可変することが行われている。

また、ハイブリッドカプラ（3dB Branch-Line Coupler とも呼ばれている）を応用した移相器も研究されている。図１にそのハイブリッドカプラの斜視図を示す。導波路用接地導体１０１上の導波路用誘電体層１０２上に導波路用導体１０３を積層したマイクロストリップ線路構造において、高周波信号の入力線路１０４ａ，出力線路１０４ｂを有するハイブリッドカプラ１０５（点線四角内）を形成する。

このハイブリッドカプラ１０５の四隅の端子を図１のようにＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ端子として、１対の端子Ｂ，Ｃに同じ長さの先端開放線路１０６ａ、１０６ｂを接続する。図１のハイブリッドカプラを応用した可変移相器では、先端開放線路１０６ａ、１０６ｂを通過することによる高周波信号の位相遅延によって出力線路１０４ｂに位相が遅延した信号が出力される。

図２は前記遅延動作のために、ハイブリッドカプラ２０１の端子Ｂ，Ｃに接続した先端開放線路２０２ａ、２０２ｂの開放端とアース（ＧＮＤ）との間に、同じ特性の可変容量コンデンサ（バラクタ）２０３ａ、２０３ｂを挿入して、逆バイアス下での空乏層による容量変化で電磁波の位相を遅延させる可変移相器の平面図を示す。可変容量コンデンサ２０３ａ、２０３ｂは、外部からのバイアス電界でその接合容量を可変し、その容量の大きさに対応して位相が遅延される。

図３は、先端開放線路３０６ａ、３０６ｂ直下の誘電体層の領域３０７のみに可変誘電率誘電体を用いる方式の可変移相器の斜視図を示す。可変誘電率誘電体は、外部からの電圧印加によって誘電率が変化する材料で、前記図２と同様に、入出力線路３０４ａ，３０４ｂを有するハイブリッドカプラ３０５を形成し、ハイブリッドカプラ３０５の１対の端子Ｂ、Ｃに接続された同じ長さの先端開放線路３０６ａ、３０６ｂを接続し、前記先端開放線路３０６ａ、３０６ｂ領域の誘電体層３０７のみに可変誘電率誘電体３０７を用いる。

可変誘電率誘電体の例として、印加電圧により誘電率が変化する液晶や強誘電体などが考えられる。例えば、印加電圧により液晶分子の配向が変化すると誘電異方性のため、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Ｌのマイクロストリップ線路を伝播するときの伝搬遅延に基づく位相遅れφは、次式で表される。
φ＝２πｆ・√（εｅｆｆ）・Ｌ／ｃ
ここで、εｅｆｆ：可変誘電率誘電体層の実効誘電率、ｆ：伝播する電磁波の周波数、ｃ：真空中の光の速度である。
次に示す非特許文献１に開示された液晶では、εｅｆｆの印加電圧依存性を活用する。

Ｄ．Ｄｏｌｆｉ，Ｍ．Ｌａｂｅｙｒｉｅ，Ｐ．ＪｏｆｆｒｅａｎｄＰ．Ｈｕｉｑａｒｄ， "Ｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｍｉｃｒｏｗａｖｅｐｈａｓｅｓｈｉｆｔｅｒ，" Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．１０，ｐｐ．９２６−９２７，１９９９

この方式では、位相遅れは実効誘電率εｅｆｆの平方根に比例するので、大きな誘電率変化をもたらす材料・機構が必要で、液晶としては、誘電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などが考えられる。

図３のように構成された可変移相器では、入力線路３０４ａから入力された高周波信号はハイブリッドカプラ３０５を通して可変誘電率誘電体上の二つの先端開放線路３０６ａ、３０６ｂに出力され、２つの可変誘電率誘電体先端開放線路３０６ａ、３０６ｂの開放端で反射された電磁波は、液晶層に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３０５に再入力され、ハイブリッドカプラ３０５を通った電磁波は出力線路３０４ｂに合成されて出力される。

本発明の目的は、１０ＧＨｚ帯の高周波域において、前記フェーズドアレイ・アンテナを、薄型・軽量・フレキシブルで丸めたり折り畳んだりして何処へでも持ち運び便利、しかも低価格でディスポーザルなフレキシブル・フェーズドアレイ・アンテナ実現に必要な可変移相器技術を提供することにある。

以上の発明の目的の視点で、これまでのマイクロストリップ線路を活用した可変移相器技術の問題点について説明する。例えばパッチアンテナなどの個々のアンテナ素子毎に複数の異なる長さのマイクロストリップ線路を搭載して移相を可変する方式も、ハイブリッドカプラ型の可変移相器も、基本的には、前記図２，図３のように誘電体基板としてアルミナセラミックス基板、アルミナコンポジット基板、サファイア基板、ガラスエポキシ基板など、高い剛性率を有する硬質の基板が用いられているので、平面型のアンテナにしか適用できず、フレキシブルで持ち運び便利なアンテナとすることができない。

マイクロストリップ線路長切り替え方式では、電気長２２．５°、４５°、９０°、１８０°の長さの線路を設けた移相器で、３６０／２２．５＝１６諧調のデジタル（４ビット＝１６諧調）可変が可能になる。この場合、マイクロ波スイッチは８個必要である。諧調数が増えれば必要なマイクロ波スイッチ数が増加するとともに搭載する前記電気長切片が占める素子空間が増加して、アンテナ全体としてコンパクト化が阻害される。

マイクロ波スイッチとしてシリコン製PIN ダイオードや化合物半導体から成るＭＥＳＦＥＴ(metal-semiconductor field effect transistor) などを用いると、とくに高周波域で挿入損が増大するという難点がある。逆に電磁機械式を用いると挿入損は低減できるが、スイッチ素子が占める体積が増大する難点がある。さらに、こうした半導体スイッチや電磁機械式スイッチは、シリコンや化合物半導体、無機絶縁材料あるいは金属材料などにより構成されるため、薄型・フレキシブルとすることができない。

一方、スイッチとしてＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)方式を採用することも行われている。この種のスイッチもシリコンや無機絶縁材料から構成されるため薄型・フレキシブルとすることはできない。

また可変容量ダイオード（バラクタ）を用いる場合は、逆バイアスを印加する際、印加電圧の大きさで空乏層の厚み、すなわち容量が変化することを利用する。バラクタ自身がシリコンデバイスプロセスを用いて作製され、フレキシブルな特性を付与するのは難しい。また高周波域で良好な容量可変性能をもつバラクタも得られにくい。

次に、可変誘電率誘電体方式についてその問題点を説明する。強誘電体膜や液晶膜は、電圧の印加によってその誘電率が変化する。しかし、一般に強誘電体材料の誘電率の電圧による変化は小さく通常数ｋＶの高電圧を必要とする。これに対して液晶の配向分極は比較的低電圧で起こるので、これまで研究例が多い。

可変移相器への液晶の応用に対する課題の一つは、十分な位相変化を生ぜしめるためには液晶層厚を大きく（〜１００μｍ）とる必要があり、このために駆動電圧が大きくなってしまう（〜１００Ｖ）ことにある。この課題を克服するために、液晶セルの構造や負荷電極の採用など種々の試みがなされているが、大きな改善がみられていない。

また、液晶デバイスはそれを２枚の電極で挟んだ構造をとり、電極間に印加した電圧で分子配向変化を実現するので、一様な分子配向を得るために電極間隔を一定に保つ必要がある。このため、液晶層のフレキシブル化には、曲がっても一定の間隔を保持する特殊構造が必要となる。例えば、ディスプレイなどでは電極間に側壁を設けて湾曲して一定間隔を保つ構造をとる場合がある。しかし、こうした構造は、マイクロ波伝搬用としては不均一誘電体層となり適用できない。薄型・フレキシブル化が困難といえる。さらに、均一なラビング層の形成、あるいは可変誘電率誘電体層に一様に液晶を注入する技術が必要となるが、それらの見通しはまだない。

また、これまでに研究されてきた液晶型の可変移相器の３つ目の課題は、挿入損が大きいことにある。解析の結果、誘電損によるとされているが、このための新しい液晶構造が求められている。

以上に記載した現状技術の課題はいずれも本件発明の目的に適うものはではない。本発明は、以上の課題を解決し、
１）１０ＧＨｚ帯の超高周波域において、
２）薄くて丸めたりできる持ち運び容易なフレキシブル型、
３）挿入損が少なく省電力で効率的な移相ができる、
４）省電力で環境に調和した印刷法により低コストで製造できる、
可変移相器を備えたフレキシブル・フェーズドアレイ・アンテナおよびそれらの製造方法を提供するものである。

前記した課題を解決するためになされたこの発明に係るフェーズドアレイアンテナは、柔軟でフレキシブルな有機材料から成る誘電体層と、柔軟な金属薄膜等の電導体から成る導波路用接地導体、および前記有機誘電体層上に柔軟な金属薄膜等から形成される導波路から構成されることを特徴とする柔軟でフレキシブルな９０°ハイブリッドカプラに、柔軟な導電性高分子アクチュエータを組み合わせて、前記９０°ハイブリッドカプラに入力する高周波信号の位相を制御することを基本構成とするものである。

この場合、前記可変移相器において、フレキシブルな９０°ハイブリッドカプラの４隅の端子を時計回りにＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとし、端子Ａに高周波信号を入力するとき、他方の一対の端子Ｂ，Ｃに接続した二本の先端開放線路の所定の位置を接地することにより、端子Ｄから出力される高周波信号の位相を、先端開放線路の開放端から接地点までの距離に応じて位相を調節変化させる手段が採用される。

また、９０°ハイブリッドカプラの先端開放線路の所定の位置を接地するにあたり、柔軟でフレキシブルな導電性高分子アクチュエータに電圧等の外場を印加して変形させることにより接地する手段を好適に採用することができる。
そして、前記導電性高分子アクチュエータの湾曲方向を前記先端開放線路上で線路に平行に配置することにより、移相を連続的に可変することができる。

一方、好ましい形態においては、フレキシブルな導電性高分子アクチュエータを用いて前記先端開放線路の所定の位置を接地するにあたり、２本の先端開放線路を高周波信号の伝搬に影響を及ぼさない範囲で極力近接して配置し、一式のフレキシブル導電性高分子アクチュエータ接地機構で２本の先端開放線路の同じ位置を同時に接地する構成が採用される。

そして、前記先端開放線路の長さ方向に複数のフレキシブル導電性高分子アクチュエータの接地機構を並べ、湾曲方向を前記先端開放線路にたいして垂直方向に配置することにより、各接地機構の占有面積に相当する解像度をもつ離散的な可変移相機能を有するフレキシブルなデジタル可変移相器を得ることができる。
また好ましくは、前記先端開放線路の所定の位置を導電性高分子アクチュエータで接地するにあたり、導電性高分子として、電解質層を２枚の電極層で挟んだ積層構造のアクチュエータが用いられる。

この場合、前記電極層としてポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）の混合体を主成分とし、これにフッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体〔Ｐ（ＶＤＦ／ＨＦＰ）〕を混合させた溶液を原料とすることが望ましい。
また望ましくは、前記電解質層としてイオン液体とフッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体〔Ｐ（ＶＤＦ／ＨＦＰ）〕の混合溶液が用いられる。

そして、好ましくは前記導波路、可変移相器、およびアンテナ素子を貼り合わせや塗布法を含む印刷法で作製され、この場合の前記印刷法として銀ペーストや銅ペースト、あるいは金ペーストを用いたスクリーン印刷法が好適に採用される。

本発明は１２ＧＨｚ帯でのフレキシブル・フェーズドアレイ・アンテナに資する要素技術およびその製造方法を提供するものである。まず、薄くて柔軟な有機誘電体層と金属薄膜から成る導波路接地用導体、導波路導体から成るマイクロストリップ線路で形成する９０°ハイブリッドカプラをベースとし、移相器は高分子アクチュエータの電圧による変形機能を用いるので、薄型・フレキシブルで持ち運び便利なフレキシブル・フェーズドアレイ・アンテナ用可変移相器とすることができる。

移相器は先端開放線路の所定の位置を接地することにより高周波の進行線路長を増減するものであるので基本的に反射型で挿入損が小さい。また線路長の異なる導波路をアンテナ素子毎に多数配置する線路長切り替え方式に比べてコンパクトに形成できる。基板表面上での占有面積が小さい。本発明は、アナログ方式としても、またデジタル変調方式としても設計することができる。

例えば、パッチアンテナ素子と本発明の可変移相器を組み合わせた構造は、貼り付けや塗布を含む印刷法で製造できる。従って低価格でディスポーザルとすることもできる。

マイクロストリップ線路を活用した従来のハイブリッドカプラの斜視図である。可変容量コンデンサ（バラクタ）を用いた従来の可変移相器の基本構成図である。可変誘電率誘電体を用いた従来の可変移相器の斜視図である。本発明の可変移相器の基本をなす９０°ハイブリッドカプラと開放線路の接地構造を示す基本原理図である。本発明において利用される高分子アクチュエータを示し、（ａ）は基本構造図、（ｂ）は両電極層間に電圧を印加した状態を示す。湾曲型高分子アクチュエータを用いたアナログ方式の移相可変手段を示す基本原理図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は縦断面図である。開放線路近接型移相器用ハイブリッドカプラおよび先端開放線路の構成を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ′断面図である。高分子アクチュエータに印加する電圧と位相の関係を示した特性図である。湾曲型高分子アクチュエータを用いたフレキシブル・アンテナユニットの斜視図である。デジタル位相可変方式を採用したフレキシブル・フェーズドアレイ・アンテナユニットを示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ′断面図、（ｃ）はアクチュエータが動作した場合のＸ−Ｘ′断面図である。

すでに説明した図２，図３に記載の移相器は、９０°ハイブリッドカプラの一対の端子Ｂ，Ｃに接続された先端開放線路の開放端とグランド（ＧＮＤ）との間に可変容量ダイオードを挿入してその容量を、あるいは先端開放線路直下の誘電体層の誘電率を外部電界の印加により可変するかにより先端開放線路を進行する高周波信号の位相を遅延させるものであった。

これに対して本発明に係るフェーズドアレイ・アンテナに採用される可変移相器は、図４のようにハイブリッドカプラ４０５の入力端子Ａから高周波信号を入力させるにあたり、一対の端子Ｂ、Ｃのそれぞれに接続された二つの先端開放線路４０６ａ、４０６ｂの所定の位置（Ｘ−Ｘ′）をフレキシブルなソフトアクチュエータを用いてグランド（ＧＮＤ）に短絡（接地）させることにより、所定の位置に対応する移相量を調節しようとすることを特徴とする。
本発明では、前記電気長可変のスイッチとして印刷法で比較的廉価に作製でき、フレキシブルな機能が実現できる高分子アクチュエータの活用を着想した。

図４の９０°ハイブリッドカプラ４０５は、λ／４（λ：誘電体層中の電磁波の波長）の電気長をもつ４本の９０°位相遅延線、４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃ、４０４ｄが矩形を取り囲むように配置されている。
ここで、９０°ハイブリッドカプラ４０５の四隅の端子は、時計回りにＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄと名付けてある。端子Ｂ，Ｃには、前記記載の図２、図３と同様に先端開放線路４０６ａ、４０６ｂが接続されている。

高周波信号が端子Ａに入力されると、その信号は位相が９０°遅れて端子Ｂに到着する。この端子Ｂの信号は先端開放線路４０６ａを進んで開放端４０８ａで反射され、ハイブリッドカプラ４０５に戻る。端子Ｃには、端子Ｂの信号の位相が９０°遅延されて到達する。この端子Ｃの信号も同様に先端開放線路４０６ｂを進んで開放端４０８ｂで反射され、ハイブリッドカプラに戻る。これらの反射波はまたさらに９０°位相が遅延されて端子Ｄに到達して出力される。

図４の端子Ａに入力された信号の電力が、端子ＢとＣに１／２づつ分割されて出力されるように各遅延線４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃ、４０４ｄのインピーダンスが、Ｚｐ（４０４ｂ、４０４ｄ），Ｚｒ（４０４ａ、４０４ｃ）となるように決められている。
９０°ハイブリッドカプラでは、Ｚｐ＝Ｚ₀，Ｚｒ＝Ｚ₀／√２である。ここで、Ｚ₀はマイクロストリップ線路の特性インピーダンスである。

図４で、端子Ｄから出力される信号の位相は、先端開放線路の所定の位置を接地することにより調整できる。接地点は高周波信号の反射点であるので、移相量は接地点４０７ａ、４０７ｂとそれぞれの開放端４０８ａ、４０８ｂとの間の距離（Ｌ）に依存する。すなわち、接地点４０７ａ、４０７ｂが開放端４０８ａ、４０８ｂより距離Ｌだけ端子Ｂあるいは端子Ｃ側にずれると、接地点で反射された信号は、開放端で反射される信号に比べて φ＝２（Ｌ／λ）・（２π）
だけ位相が早まることになる。この接地点の移動は導波線路長の増長・短縮に相当する。

先端開放線路の接地点４０７ａ、４０７ｂの移動をソフトアクチュエータで行うことについて説明する。この接地点の移動については、先端開放線路４０６ａ、４０６ｂを機械的に伸長・収縮させる方式も提案されているが、本発明目的の薄型・フレキシブルという要求条件にかなわない。これに対して、本発明は、フレキシブルな有機材料を用いた高分子アクチュエータで薄型・フレキシブル化を達成し、さらに省電力で環境に調和した印刷法によって作製できる特長をもつ。

図５は本発明で用いる高分子アクチュエータの基本構造例を示す。図５（ａ）に示すように電解質層５０２を電極層５０１ａ、５０１ｂで挟んだ構造をとる。例えば国際公開公報ＷＯ２００９／１５０６９７に記載されているように、この膜の両電極層間に電圧を印加すると、図５（ｂ）のように湾曲が起こる。

本発明は、図６に示すように、図５の基本構造をもつ高分子アクチュエータの先端開放線路の接点スイッチとして図２に示す９０°ハイブリッドカプラの先端開放線路に組み合わせ、高分子アクチュエータの湾曲の程度に対応して先端開放線路の接地点を移動させる機構を特徴とする。

移相量を連続可変できる機構について説明する。
先端開放線路部分の断面図を図６（ｂ）に示す。二本の先端開放線路６０３ａ、６０３ｂの間に接地用導体６０９を設ける。この接地用導体６０９は、導波路用接地導体６０１から金属等の導体を埋め込んだ接地用ビアホール６１０と接続して同電位（アース）である。湾曲型の高分子アクチュエータ６０５は、先端開放線路の上に先端開放線路の方向に湾曲方向を一致せて配置する。高分子アクチュエータ６０５の下部は接地用導体薄膜６０４が貼り付けられていて、この接地用導体薄膜６０４が、先端開放線路６０３ａ，６０３ｂと接地用導体６０９に接触すると、その位置が接地される接地点となる〔図６（ｂ）ではＸ点〕。接地用導体６０４と高分子アクチュエータ６０５の間に薄い絶縁層を挿入して、高分子アクチュエータ駆動電源系と、マイクロ波導波路を電気的に絶縁することも考えられる。

アクチュエータ用電極６０６、６０７を通して、高分子アクチュエータ６０５に電圧が印加されると、印加電圧の大きさに依存して湾曲の大きさが変る。すなわち、印加電圧が大きいと湾曲が大きく接地点Ｘは開放端の方へ移動し、印加電圧が小さいと接地点Ｘは９０°ハイブリッドカプラ側へ移動する。これらの移動は連続的であり、移相量も連続的に変化させることができる。

位相のシフト量は、φ＝２（Ｌ／λ）・（２π）で表されるので、Ｌ＝（１／２）λとすればφ＝２πであるので、湾曲型ポリマーアクチュエータの長さ、すなわち接地点の最大移動距離はＬ＝（１／２）λとしておけばよい。
なお、図６において符号６０２は、導波路用誘電体層を示し、６０８は絶縁スペーサを示している。

［実施例１］
〔９０°ハイブリッドカプラおよび可変移相器の印刷法による作製〕
本発明の目的の一つとして省電力で環境に調和した印刷法による製造技術の実現がある。可変移相器あるいはフレキシブル・フェーズドアレイ・アンテナのベースとなるフレキシブルな９０°ハイブリッドカプラについては、図１において、導波路用誘電体層１０２を薄型でフレキシブルな有機誘電体フィルムとし、その裏面の導波路用設置導体１０１および導波路用導体１０３を導電性インクを用いて印刷法で作製する。また、所定の厚さの銅箔などの高電導性金属薄膜を貼り付けるのも考えられる。

フレキシブルな有機誘電体フィルムとしては、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムなどが考えられる。これらの材料の比誘電率は、低周波帯から１０ＧＨｚ帯の高周波域まで、ほぼ〜３．０と安定しており、アンテナや移相器のマイクロストップ線路用絶縁材料に適している。さらに挿入損失低減のためには、テフロン（登録商標）などのＴａｎδが小さいフィルムが望ましい。

有機誘電体フィルムの表面には、銀ペーストなどを用いた印刷法でマイクロストリップ線路、すなわち９０°ハイブリッドカプラの回路を形成する。印刷法としては、スクリーン印刷、グラビア印刷、オフセット印刷、インクジェット法などが考えられるが、高周波帯での信号伝送から数μ以上の厚膜導波路が求められるので、粘性の大きい銀ペーストを用いたスクリーン印刷法などが適している。

図４の二本の先端開放線路４０６ａ，４０６ｂにおいてそれぞれの開放端から同じ距離の位置を接地しやすくするために、図７の回路では、先端開放線路７０６ａ，７０６ｂは図２、図３に比べて近接した配置としている。但し、相互作用等による高周波信号の伝播にロス、あるいは移相異常を生じない最小の間隔Ｙは確保するようにする。この配置とすることで、一式の接地機構（図６）で二つの先端開放線路の所望の位置を同時に設置することができる。
なお、図７に示す符号７０１は導波路用接地導体、７０２は導波路用誘電体層、７０３は導波路用導体、７０４ａ，７０４ｂは入出力線路、７０５はハイブリッドカプラを示しており、これらはすでに図１に基づいて説明した各部の符号の下一桁で一致させて示しており、同一の機能を果たす。

〔高分子アクチュエータの作製〕
次に前記本発明の機能をもつ高分子アクチュエータについて説明する。この高分子アクチュエータは図５に示したように、一対の電極層５０１ａ，５０１ｂと、前記電極層に挟まれる電解質層５０２の積層構造から成る。この種の高分子アクチュエータの作製法については、前記した国際公開公報ＷＯ２００９／１５０６９７などに記載されている。

〔電極層の形成〕
電極層の形成例としては、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）の混合体（Heraeus 社製、商品名：Clevios PH500 ）を主成分とし、これにフッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体〔Ｐ（ＶＤＦ／ＨＦＰ）〕（Arkema社製、商品名：Kynar2801-00）を微量混合させた溶液をガラス基板上に塗布、乾燥させて形成した。乾燥後、７０℃、１時間のアニールを行う。

〔電解質層の形成〕
電解質層は、イオン液体（１−エチルー３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド）（アルドリッチ社製）とフッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体〔Ｐ（ＶＤＦ／ＨＦＰ）〕（Arkema社製、商品名：Kynar2801-00）を混合した溶液を１００℃、３０分、アニールして作製した。イオン液体は他の材料も考えられる。

〔積層構造アクチュエータの作製〕
前記電解質層を、２枚の前記電極層で挟んで、１１０℃、３０分、アニールして積層化した。この積層膜を、図２の２本の先端開放線路を接地できるサイズに切断して高分子アクチュエータとした。

図８は前記のように銀ペーストを用いてスクリーン印刷法で作製した９０°ハイブリッドカプラと高分子アクチュエータを図６のように組み合わせた可変移相器において、高分子アクチュエータの印加電圧と位相の関係を示す。アクチュエータの電圧３Ｖ→６Ｖの増加で位相が３０℃程度増加しており、本発明の機能が実証された。

前記本発明の高分子アクチュエータの動作（湾曲）原理については、イオン液体のカチオンとアニオンのサイズ差に基づくものと考えられるが詳細は不明である

［実施例２］
先端開放線路上の接地点を決めておき、それぞれの接地点に作用する高分子アクチュエータアレイを用いて接地するという離散的な位相制御方式（デジタル移相器）も考えられる。図９はその例を示しており、離散の分解能はアクチュエータとマトリクス駆動電極線幅などのアクチュエータ機構のサイズＺできまる。図９において、符号９０１は導波路用接地導体、９０２は導波路用誘電体層、９０３は金属導体埋め込みビアホール、９０４ａ，９０４ｂは先端開放線路、９０５はアースパッド、９０６は接地用ポリマーアクチュエータ、９０７は絶縁薄膜、９０８は接地用導電薄膜、９０９はアクチュエータ駆動用下部電極、９１０はアクチュエータ駆動用上部電極を示している。

［実施例３］
図７の９０°ハイブリッドカプラと、図６のアナログ方式の可変移相器、およびパッチアンテナ素子を組み合わせたフレキシブル・フェーズドアレイ・アンテナユニットの斜視図を図１０に示す。パッチアンテナ素子１００３で受電した高周波信号は、９０°ハイブリッドカプラ１００４の入力端１００５ａに入力され、導電性高分子アクチュエータ１００６の接地位置に対応した位相で出力端１００５ｂに出力される。接地は埋め込みビアホール１００８を介してアースパッド１００７と２本の先端開放線路を接触させることにより行う。導電性高分子アクチュエータ１００６は導電性高分子アクチュエータ用電極線１００９ａ，１００９ｂに電圧印加することにより湾曲させる。フレキシブル・フェーズドアレイ・アンテナは、前記フレキシブルフェーズドアレイ・アンテナユニットを複数個アレイ化することにより構成する。

以上のように、本発明によれば、フェーズドアレイアンテナにおいて、薄型・軽量・フレキシブル化が可能になり、丸めたり折り畳んだりして容易に持ち運べることになる。これにより衛星放送等の移動体受信に貢献できる。また、挿入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。

１０１：導波路用接地導体、１０２：導波路用誘電体層、１０３：導波路用導体、１０４ａ：入力端、１０４ｂ：出力端、１０５：９０゜ハイブリッドカプラ、１０６ａ：先端開放線路、１０６ｂ：先端開放線路、２０１：ハイブリッドカプラ、２０２ａ，２０２ｂ：先端開放線路、２０３ａ，２０３ｂ：可変容量ダイオード（バラクタ）、３０４ａ：入力端、３０４ｂ：出力端、３０５：ハイブリッドカプラ、３０６ａ：先端開放線路、３０６ｂ：先端開放線路、３０７：可変誘電率誘電体、４０４ａ，４０４ｂ，４０４ｃ，４０４ｄ：９０°遅延線、４０５：ハイブリッドカプラ、４０６ａ，４０６ｂ：先端開放線路、４０７ａ，４０７ｂ：接地点、４０８ａ，４０８ｂ：開放端、５０１ａ，５０１ｂ：電極層、５０２：電解質層、６０１：導波路用接地導体、６０２：導波路用誘電体層、６０３ａ，６０３ｂ：先端開放線路、６０４：接地用導体薄膜、６０５：接地用ポリマーアクチュエータ、６０６：アクチュエータ用下部電極、６０７：アクチュエータ用上部電極、６０８：絶縁スペーサ、６０９：接地用導体、６１０：接地用ビアホール、７０１：導波路用接地導体、７０２：導波路用誘電体層、７０３：導波路用導体、７０４ａ，７０４ｂ：入出力線路、７０５：ハイブリッドカプラ、７０６ａ，７０６ｂ：先端開放線路、９０１：導波路用接地導体、９０２：導波路用誘電体層、９０３：金属導体埋め込みビアホール、９０４ａ，９０４ｂ：先端開放線路、９０５：アースパッド、９０６：接地用導電性高分子アクチュエータ、９０７：絶縁薄膜、９０８：接地用導電薄膜、９０９：アクチュエータ駆動用下部電極、９１０、アクチュエータ駆動用上部電極、１００１：接地用導体、１００２：導波路用誘電体層、１００３：パッチアンテナ素子、１００４：９０°ハイブリッドカプラ、１００５ａ：入力端、１００５ｂ：出力端、１００６：導電性高分子アクチュエータ、１００７：アースパッド、１００８：金属導体埋め込みビアホール、１００９ａ、１００９ｂ：導電性高分子アクチュエータ用電極線

Claims

柔軟でフレキシブルな有機材料から成る誘電体層と、柔軟な金属薄膜等の電導体から成る導波路用接地導体、および前記有機誘電体層上に柔軟な金属薄膜等から形成される導波路から構成されることを特徴とする柔軟でフレキシブルな９０°ハイブリッドカプラに、柔軟な導電性高分子アクチュエータを組み合わせて、前記９０°ハイブリッドカプラに入力する高周波信号の位相を制御することを特徴とするフレキシブル可変移相器を備えたフェーズドアレイアンテナ。
前記可変移相器において、フレキシブルな９０°ハイブリッドカプラの４隅の端子を時計回りにＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとし、端子Ａに高周波信号を入力するとき、他方の一対の端子Ｂ，Ｃに接続した二本の先端開放線路の所定の位置を接地することにより、端子Ｄから出力される高周波信号の位相を、先端開放線路の開放端から接地点までの距離に応じて位相を調節変化させることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルな可変移相器を備えたフェーズドアレイアンテナ。
９０°ハイブリッドカプラの先端開放線路の所定の位置を接地するにあたり、柔軟でフレキシブルな導電性高分子アクチュエータに電圧等の外場を印加して変形させることにより接地することを特徴とする請求項１または２に記載のフレキシブルな可変移相器を備えたフェーズドアレイアンテナ。
前記導電性高分子アクチュエータの湾曲方向を前記先端開放線路上で線路に平行に配置することにより、移相を連続的に可変する請求項１ないし３のいずれか１に記載のフレキシブルなアナログ可変移相器を備えたフェーズドアレイアンテナ
フレキシブルな導電性高分子アクチュエータを用いて前記先端開放線路の所定の位置を接地するにあたり、２本の先端開放線路を高周波信号の伝搬に影響を及ぼさない範囲で極力近接して配置し、一式のフレキシブル導電性高分子アクチュエータ接地機構で２本の先端開放線路の同じ位置を同時に接地することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１に記載のフレキシブル可変移相器を備えたフェーズドアレイアンテナ。
前記先端開放線路の長さ方向に複数のフレキシブル導電性高分子アクチュエータの接地機構を並べ、湾曲方向を前記先端開放線路にたいして垂直方向に配置することにより、各接地機構の占有面積個に相当する解像度をもつ離散的な可変移相機能を有することを特徴とする請求項２または３に記載のフレキシブルなデジタル可変移相器を備えたフェーズドアレイアンテナ。
前記先端開放線路の所定の位置を導電性高分子アクチュエータで接地するにあたり、導電性高分子として、電解質層を２枚の電極層で挟んだ積層構造のアクチュエータを用いることを特徴とする請求項２ないし６のいずれか１項に記載のフレキシブルな可変移相器を備えたフェーズドアレイアンテナ。
前記電極層としてポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）の混合体を主成分とし、これにフッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体〔Ｐ（ＶＤＦ／ＨＦＰ）〕を混合させた溶液を原料とすることを特徴とする請求項７に記載のフレキシブルな可変移相器を備えたフェーズドアレイアンテナ。
前記電解質層としてイオン液体とフッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体〔Ｐ（ＶＤＦ／ＨＦＰ）〕の混合溶液を用いることを特徴とする請求項７または８に記載のフレキシブルな可変移相器を備えたフェーズドアレイアンテナ。
前記導波路、可変移相器、およびアンテナ素子を貼り合わせや塗布法を含む印刷法で作製したことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナ。
前記印刷法として銀ペーストや銅ペースト、あるいは金ペーストを用いたスクリーン印刷法を用いることを特徴とする請求項１０に記載のフェーズドアレイアンテナ。