JP7169914B2 - アンテナ装置及びフェーズドアレイアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明の一実施形態は、移相器と平面アンテナ素子とを具備するアンテナ装置に関する。

フェーズドアレイアンテナ（Phased Array Antenna）装置は、複数のアンテナ素子の一部又は全部にそれぞれ高周波信号を印加するときに、それぞれの高周波信号の振幅と位相を制御することで、アンテナの向きを一方向に固定したままで、アンテナの放射指向性を制御できるという特性を有する。フェーズドアレイアンテナ装置は、アンテナ素子に印加する高周波信号の位相を制御するために移相器が用いられている。

移相器の方式としては、伝送線路の長さを物理的に変化させて高周波信号の位相を変化させる方式、伝送線路の途中でインピーダンスを変化させ反射により高周波の位相をさせる方式、位相が異なる２つの信号を増幅する増幅器の利得を制御して合成することで合成することで所望の位相を有する信号を生成する方式など様々な方式が採用されている。また、これら以外にも、移相器の一例として、印加する電圧によって誘電率が変化するという液晶材料特有の性質を利用する方式が開示されている（特許文献１参照）。

特開平１１－１０３２０１号公報

可変誘電体層として液晶材料を用いた移相器と平面アンテナ素子とを集積した場合、移相器における誘電体層の誘電率を変化させるとパッチアンテナ素子から出力される周波数が変化してしまうことが問題となる。

本発明の一実施形態に係るアンテナ装置は、ストリップ導体層と、ストリップ導体層から連続する放射導体層と、ストリップ導体層及び放射導体層に対向する接地導体層と、ストリップ導体層及び放射導体層と接地導体層との間の液晶層と、ストリップ導体層及び放射導体層と、液晶層との間の配向膜と、を有する。配向膜は、ストリップ導体層と重なる第１領域と放射導体層と重なる第２領域とで、液晶層の液晶分子の配向状態を異ならせるように設けられる。

本発明の一実施形態に係るアンテナ装置は、ストリップ導体層と、ストリップ導体層から連続する放射導体層と、ストリップ導体層及び放射導体層に対向する接地電極層と、ストリップ導体層及び放射導体層と接地電極層との間の液晶層と、液晶層と接する配向膜と、を有する。配向膜は、ストリップ導体層と接し、放射導体層を露出させるように設けられる。

本発明の一実施形態に係るアンテナ装置は、ストリップ導体層と、ストリップ導体層から連続する放射導体層と、ストリップ導体層及び放射導体層に対向する接地導体層と、ストリップ導体層及び放射導体層と、接地導体層との間の液晶層と、ストリップ導体層及び放射導体層と、液晶層との間の配向膜と、を有する。配向膜は、ストリップ導体層と重なる第１領域で液晶層の液晶分子を配向させ、放射導体層と重なる第２領域で液晶層の液晶分子の配向をランダムに配向させるように設けられる。

本発明の一実施形態に係るアンテナ装置の構成を示し、（Ａ）は平面図を示し、（Ｂ）はＡ３－Ａ４線に対応する断面図を示す。 本発明の一実施形態に係るアンテナ装置に用いられる移相器の動作を説明する図であり、（Ａ）は誘電体層としての液晶層に電圧が印加されない状態を示し、（Ｂ）は誘電体層としての液晶層に電圧が印加された状態を示す。 本発明の一実施形態に係るアンテナ装置における誘電体層としての液晶分子の配向状態を示し、（Ａ）はバイアス電圧が印加されない状態を示し、（Ｂ）はバイアス電圧が印加された状態を示す。 本発明の一実施形態に係るアンテナ装置における誘電体層としての液晶分子の配向状態を示し、（Ａ）はバイアス電圧が印加されない状態を示し、（Ｂ）はバイアス電圧が印加された状態を示す。 本発明の一実施形態に係るアンテナ装置の構成を示し、（Ａ）は平面図を示し、（Ｂ）はＡ３－Ａ４線に対応する断面図を示す。 本発明の一実施形態に係るアンテナ装置における誘電体層としての液晶分子の配向状態を示し、（Ａ）はバイアス電圧が印加されない状態を示し、（Ｂ）はバイアス電圧が印加された状態を示す。 本発明の一実施形態に係るアンテナ装置における誘電体層としての液晶分子の配向状態を示し、（Ａ）はバイアス電圧が印加されない状態を示し、（Ｂ）はバイアス電圧が印加された状態を示す。 本発明の一実施形態に係るアンテナ装置の構成を示し、（Ａ）は平面図を示し、（Ｂ）はＡ５－Ａ６線に対応する断面図を示す。 本発明の一実施形態に係るアンテナ装置における誘電体層としての液晶分子の配向状態を示し、（Ａ）はバイアス電圧が印加されない状態を示し、（Ｂ）はバイアス電圧が印加された状態を示す。 本発明の一実施形態に係るアンテナ装置における誘電体層としての液晶分子の配向状態を示し、（Ａ）はバイアス電圧が印加されない状態を示し、（Ｂ）はバイアス電圧が印加された状態を示す。 本発明の一実施形態に係るフェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す。

以下、本発明の実施の形態を、図面等を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に例示する実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号（又は数字の後にａ、ｂなどを付した符号）を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。さらに各要素に対する「第１」、「第２」と付記された文字は、各要素を区別するために用いられる便宜的な標識であり、特段の説明がない限りそれ以上の意味を有さない。

本明細書において、ある部材又は領域が他の部材又は領域の「上に（又は下に）」あるとする場合、特段の限定がない限りこれは他の部材又は領域の直上（又は直下）にある場合のみでなく他の部材又は領域の上方（又は下方）にある場合を含み、すなわち、他の部材又は領域の上方（又は下方）において間に別の構成要素が含まれている場合も含む。なお、以下の説明では、特に断りのない限り、断面視において、ベース部材に対してタッチセンサが設けられる側を「上」又は「上方」といい、「上」又は「上方」から見た面を「上面」又は「上面側」というものとし、その逆を「下」、「下方」、「下面」又は「下面側」というものとする。
［第１実施形態］

本実施形態は、可変誘電体層として液晶層を用いた移相器と、その液晶層を誘電体層として用いた平面アンテナ素子とを具備するアンテナ装置の構造について示す。

１－１．アンテナ装置の構造
図１（Ａ）は本実施形態に係るアンテナ装置１００ａの平面模式図を示し、図１（Ｂ）はＡ１－Ａ２線に沿った断面模式図を示す。アンテナ装置１００ａは、移相器１０２と平面アンテナ素子１０４ａを含む。移相器１０２は入力された高周波信号の位相をシフトさせる機能を有し、平面アンテナ素子１０４ａは高周波信号を電磁波として空中へ放射し又は吸収するアンテナとしての機能を有する。移相器１０２と平面アンテナ素子１０４ａは、第１基板１１０及び第２基板１１２の面内に形成された導電膜と、第１基板１１０と第２基板１１２との間に挟持された液晶層とを含んで形成され、一体化された構造を有する。

移相器１０２は、ストリップ導体層１１４、接地導体層１１８、可変誘電体層としての液晶層１２８、及び第１配向膜１２０を含む。ストリップ導体層１１４は第１基板１１０に設けられ、接地導体層１１８は第２基板１１２に設けられる。ストリップ導体層１１４と接地導体層１１８とは間隙をもって対向配置され、その間隙部に液晶層１２８が設けられる。第１配向膜１２０は、ストリップ導体層１１４と液晶層１２８との間、及び接地導体層１１８と液晶層１２８との間にそれぞれ設けられる。ストリップ導体層１１４は、高周波を伝搬するマイクロストリップ線路を形成するように、細長い導体パターンで形成される。

平面アンテナ素子１０４ａは、放射導体層１１６、接地導体層１１８、誘電体層としての液晶層１２８、及び第２配向膜１２４を含む。放射導体層１１６は第１基板１１０に設けられ、接地導体層１１８は第２基板１１２に設けられる。放射導体層１１６と接地導体層１１８は間隙をもって対向配置され、その間隙部に液晶層１２８が設けられる。第２配向膜１２４は、放射導体層１１６と液晶層１２８との間、及び接地導体層１１８と液晶層１２８との間にそれぞれ設けられる。放射導体層１１６は、放射又は吸収する電磁波の波長に応じた矩形の導体パターンにより形成される。

図１（Ｂ）に示すように、接地導体層１１８と液晶層１２８は、移相器１０２と平面アンテナ素子１０４ａとに共通する部材として設けられる。すなわち、接地導体層１１８は、第２基板１１２において移相器１０２の領域から平面アンテナ素子１０４ａの領域にかけて連続して広がるように設けられれる。液晶層１２８は、間隙をもって対向配置された第１基板１１０と第２基板１１２との間の空間を充填するように設けられる。放射導体層１１６はストリップ導体層１１４から連続するように設けられる。ストリップ導体層１１４と放射導体層１１６とは、機能及び形状が異なるものの、第１基板１１０上に形成された同一の導電膜によって形成することができる。

ストリップ導体層１１４、放射導体層１１６、及び接地導体層１１８を形成する導電膜として金属膜が用いられる。金属膜としては、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等の金属材料又はこれらの金属材料を含む合金材料を用いることができる。ストリップ導体層１１４、放射導体層１１６、及び接地導体層１１８は、これらの金属材料で形成される金属膜をコアとして、上層側及び下層側を、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属膜で被覆された構造を有していてもよい。

液晶層１２８には各種の液晶材料が用いられる。多くの液晶材料は誘電率異方性を有する。液晶材料を誘電率異方性によって分類すると、棒状の液晶分子の誘電率が長軸方向に大きく長軸に垂直な短軸方向に小さいポジ型液晶（誘電率異方性が正の液晶）と、長軸方向に小さく短軸方向に大きいネガ型液晶（誘電率異方性が負の液晶）の双方の液晶を用いることができる。液晶層１２８は、ポジ型液晶及びネガ型液晶の双方を用いることができる。このような液晶材料として、例えば、ネマチック液晶、スメクチック液晶、コレステリック液晶、ディスコティック液晶を用いることができる。

第１配向膜１２０と第２配向膜１２４とは異なる種類の配向膜が用いられる。例えば、液晶層１２８にポジ型液晶が用いられる場合、第１配向膜１２０として水平配向膜（液晶分子の長軸方向を基板の主面に対し平行に配向させる膜）が適用され、第２配向膜１２４として垂直配向膜（液晶分子の長軸方向を基板の主面に対し垂直に配向させる膜）が適用される。また、液晶層１２８にネガ型液晶が用いられる場合、第１配向膜１２０として垂直配向膜が適用され、第２配向膜として水平配向膜が適用される。

このように、第１配向膜１２０と第２配向膜１２４とに対し、異なる種類の配向膜を適用することで、移相器１０２の領域と平面アンテナ素子１０４ａの領域とで液晶分子の配向状態を異ならせることができる。換言すれば、移相器１０２において液晶層１２８を可変誘電体層として用い、平面アンテナ素子１０４ａにおいて液晶層１２８を誘電体層（誘電率が変化しない）として用いることができる。これにより、アンテナ装置１００ａを動作させたとき、移相器１０２で液晶層１２８の液晶分子の配向を制御しつつ、平面アンテナ素子１０４ａでは液晶層１２８の液晶分子の配向が変動しないようにすることができる。

１－２．移相器の構造と動作
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、移相器１０２はストリップ導体層１１４と接地導体層１１８との間に、水平配向膜１２２を介して可変誘電体層としての液晶層１２８が設けられた構造を有する。なお、図１（Ｂ）には示されないが、第１基板１１０と第２基板１１２との間には、間隔を一定に保つようにスペーサが設けられていてもよい。また、第１基板１１０と第２基板１１２とは、液晶層１２８を密封するようにシール材で貼り合わされていてもよい。

接地導体層１１８は一定電位に保持される。例えば、接地導体層１１８は接地された状態に保持される。ストリップ導体層１１４の一端（入力端側）には高周波信号が印加される。高周波信号は、超短波（ＶＨＦ：Very High Frequency）帯、極超短波（ＵＨＦ：Ultra-High Frequency）帯、マイクロ波（ＳＨＦ：Super High Frequency）帯、ミリ波（ＥＨＦ：Extra High Frequency）帯の周波数を有する。液晶層１２８の液晶分子は誘電率異方性を有する。しかし、液晶分子はストリップ導体層１１４に入力される高周波信号の周波数にほとんど追従しないため、高周波信号が印加されることによって液晶層１２８の誘電率が変化しない。

高周波信号に直流電圧が重畳されると、接地導体層１１８に対するストリップ導体層１１４の電位が変化し、それに伴い液晶分子の配向が変化する。液晶分子は極性分子であり誘電率異方性を有するので、配向状態によって誘電率が変化する。図２（Ａ）は、接地導体層１１８とストリップ導体層１１４との間に電圧が印加されない状態（「第１の状態」とする）を示す。液晶分子１３０は、水平配向膜１２２により第１基板１１０及び第２基板１１２の主面と平行な方向に配向しているものとする。液晶分子１３０は、ストリップ導体層１１４を伝搬する高周波信号が形成する電界に対し長軸方向が垂直に配向する状態となる。図２（Ａ）は、直流電圧がストリップ導体層１１４に印加されない第１の状態において、液晶層１２８が第１の誘電率（ε_⊥）を有することを示す。

図２（Ｂ）は、ストリップ導体層１１４に電圧が印加された状態（「第２の状態」とする）を示す。第２の状態において、液晶分子１３０は電界の作用を受けて長軸方向が第１基板１１０及び第２基板１１２の主面と垂直な方向に配向する。ストリップ導体層１１４に高周波信号が印加されると、高周波信号により生成される電界に対し、液晶分子１３０の長軸方向が平行に配向する状態となる。図２（Ｂ）は、第２の状態において、液晶層１２８が第２の誘電率（ε_／／）を有することを示す。

液晶層１２８の誘電率は、第１の誘電率（ε_⊥）に対し第２の誘電率（ε_／／）の方が大きくなる（ε_⊥＜ε_／／）。移相器１０２は、ストリップ導体層１１４に印加するバイアス電圧（例えば、直流バイアス電圧）により液晶層１２８の配向を制御することで誘電率を変化させる機能を有する。移相器１０２は、液晶の誘電率異方性を利用して可変誘電体層を形成する。

ところで、移相器１０２を伝搬する高周波信号の伝搬位相θは次式で示される。
θ＝２πｆ（ε_ｒ）^１／２・Ｌｓ／ｃ （１）
ここで、ｆは高周波信号の周波数、ε_ｒは誘電体（液晶）の誘電率、Ｌはストリップ導体層の長さ、ｃは光速である。

式（１）から明らかなように、伝搬位相θは誘電率ε_ｒの１／２乗に比例する。従って、第１の状態における伝搬位相をθ１とし、第２の状態における伝搬位相をθ２とすると、θ２とθ１との差分が移相量となる。移相器１０２は、液晶分子１３０の配向を制御して誘電率ε_ｒを変化させることにより、ストリップ導体層１１４を流れる高周波信号の位相を制御する。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、液晶分子１３０が水平に配向した状態と垂直に配向した状態の２つの状態を示すが、液晶分子１３０はこの両者の中間の状態もとり得る。すなわち、移相器１０２に印加する直流電圧を連続的に変化させることにより、高周波信号の位相シフト量を連続的に変化させることができる。

１－３．平面アンテナ素子の構造と動作
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る平面アンテナ素子１０４ａは放射導体層１１６と接地導体層１１８との間に、水平配向膜１２２を介して液晶層１２８が設けられた構造を有する。放射導体層１１６はストリップ導体層１１４と電気的に接続され、高周波信号を空中に放射する。また、放射導体層１１６は、ストリップ導体層１１４にバイアス電圧が印加されると、同様にバイアス電圧が印加されることとなる。

平面アンテナ素子の共振周波数ｆ_ｒは次式で示される。
ｆ_ｒ＝ｃ／２Ｌｅ√（ε_ｒ） （２）
ここで、ｃは光速、Ｌａは等価的な放射素子長、ε_ｒは誘電体（液晶）の比誘電率である。

式（２）から明らかなように、平面アンテナ素子１０４ａは、液晶層１２８の誘電率ε_ｒが変化した場合、それに伴って共振周波数ｆ_ｒが変化することとなる。すなわち、移相器１０２にバイアス電圧を印加することによって、平面アンテナ素子１０４ａにおける液晶層１２８の液晶分子１３０も同様に配向状態が変化すると、共振周波数ｆ_ｒが変化してしまうこととなる。

このような好ましくない変化に対し、本実施形態に係るアンテナ装置１００ａは、種類の異なる２つの配向膜を用いることにより不具合を解消している。以下、アンテナ装置１００ａの動作を、第１配向膜及び第２配向膜の組み合わせに基づき説明する。

１－４．配向膜について
本実施形態に係るアンテナ装置１００ａは、液晶の配向状態を制御する配向膜として、第１配向膜１２０及び第２配向膜１２４の２種類の配向膜が用いられる。以下においては、移相器１０２のバイアス状態と、移相器１０２及び平面アンテナ素子１０４ａにおける液晶層１２８の配向状態との関係について説明する。

１－４－１．異なる配向膜の組み合わせ
図３（Ａ）は、移相器１０２にバイアス電圧が印加されない状態において、移相器１０２及び平面アンテナ素子１０４ａにおける液晶層１２８の配向状態を模式的に示す。図３（Ａ）は、移相器１０２には水平配向膜１２２が設けられ、平面アンテナ素子１０４ａには垂直配向膜１２６が設けられ、液晶層１２８は移相器１０２及び平面アンテナ素子１０４ａに亘って広がっている状態を示す。なお、図３（Ａ）に示す液晶層１２８は、ポジ型液晶であるものとする。

図３（Ａ）に示すように、移相器１０２の領域における液晶層１２８は、水平配向膜１２２の作用により液晶分子１３０が水平に配向（液晶分子の長軸方向が基板の主面と略平行な方向に配向している状態をいうものとする。以下同じ。）している。他方、平面アンテナ素子１０４ａの領域における液晶層１２８は、垂直配向膜１２６の作用により液晶分子１３０が垂直に配向（液晶分子の長軸方向が基板の主面と略垂直な方向に配向している状態をいうものとする。以下同じ。）している。

図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に対し、移相器１０２にバイアス電圧が印加された状態を示す。具体的には、ストリップ導体層１１４にバイアス電圧が印加された状態を示す。この場合、ストリップ導体層１１４と放射導体層１１６は同電位にバイアスされ、接地導体層１１８との間に直流電界が発生する。そして、この直流電界は液晶層１２８に作用する。

移相器１０２の領域における液晶層１２８は、直流電界の作用により液晶分子１３０が垂直に配向する。前述のように、液晶分子１３０の配向が変化することにより、液晶層１２８の誘電率は変化するので（ε_⊥からε_／／への変化）、移相器１０２はストリップ導体層１１４を伝搬する高周波信号の位相をシフトさせることが可能となる。一方、平面アンテナ素子１０４ａの領域における液晶層１２８は、液晶分子１３０が既に垂直に配向しているため、直流電界が作用しても液晶分子１３０の配向は変化しない。このため、平面アンテナ素子１０４ａの領域における液晶層１２８の誘電率は変化せず、平面アンテナ素子１０４ａの共振周波数は変化しない状態が維持される。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、液晶層１２８としてポジ型液晶を用い、移相器１０２においては水平配向膜１２２を用い、平面アンテナ素子１０４ａにおいては垂直配向膜１２６を用いることで、移相器１０２により高周波信号の位相を制御しつつ、平面アンテナ素子１０４ａにおいては共振周波数が変化しないようにすることができる。

図４（Ａ）は、液晶層１２８にネガ型液晶が用いられた場合において、移相器１０２には垂直配向膜１２６が設けられ、平面アンテナ素子１０４ａには水平配向膜１２２が設けられた態様を示す。図４（Ａ）に示すように、バイアス電圧が印加されない状態において、移相器１０２の領域における液晶層１２８は、垂直配向膜１２６の作用により液晶分子１３０が垂直に配向している。他方、平面アンテナ素子１０４ａの領域における液晶層１２８は、水平配向膜１２２の作用により液晶分子１３０が水平に配向している。

図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に対し、移相器１０２にバイアス電圧が印加された状態を示す。バイアス電圧により、ストリップ導体層１１４と放射導体層１１６は同電位にバイアスされ、接地導体層１１８との間に直流電界が発生する。そして、この直流電界は液晶層１２８に作用する。

移相器１０２の領域における液晶層１２８は、直流電界の作用により液晶分子１３０が水平に配向する。前述のように、液晶分子１３０の配向が変化することにより、液晶層１２８の誘電率は変化するので（ε_／／からε_⊥への変化）、移相器１０２はストリップ導体層１１４を伝搬する高周波信号の位相をシフトさせることが可能となる。一方、平面アンテナ素子１０４ａの領域における液晶層１２８は、液晶分子１３０が既に水平に配向しているため、直流電界が作用しても液晶分子１３０の配向は変化しない。そのため、平面アンテナ素子１０４ａの領域における液晶層１２８の誘電率は変化せず、平面アンテナ素子１０４ａにおける共振周波数は変化しない。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、液晶層１２８としてネガ型液晶を用い、移相器１０２においては垂直配向膜１２６を用い、平面アンテナ素子１０４ａにおいては水平配向膜１２２を用いることで、移相器１０２により高周波信号の位相を制御しつつ、平面アンテナ素子１０４ａにおいては共振周波数が変化しないようにすることができる。

１－４－２．水平配向膜と垂直配向膜
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すアンテナ装置１００ａの構造において、第１配向膜１２０と第２配向膜１２４とを塗り分けることで、異なる特性の配向膜を設けることができる。例えば、第１配向膜１２０として水平配向膜を形成し、第２配向膜として垂直配向膜を形成することができる。また、第１配向膜１２０として垂直配向膜を形成し、第２配向膜として水平配向膜を形成することができる。このような配向膜は印刷法を用いることで、同一基板上で作り分けることができる。

水平配向膜及び垂直配向膜は、ポリイミド系の液体組成物を塗布し、焼成することで形成することができる。配向膜の配向処理としては、ラビング、光配向処理により行うことができる。この場合、第１配向膜１２０と第２配向膜１２４とで異なる配向処理が必要となるので、一方の配向膜の配向処理をするとき、他方の配向膜はマスキングしておくことが好ましい。また、垂直配向膜においては、ポリイミド分子に疎水性基を導入することで配向処理を省略しても液晶分子を垂直配向させることができる。垂直配向膜に疎水性基を導入した場合、ラビングを省略することができるので、製造プロセスを簡略化することができる。

１－５．まとめ
本実施形態によれば、移相器１０２と平面アンテナ素子１０４ｂを集積したアンテナ装置１００ａにおいて、配向特性の異なる複数種の配向膜を用いることで、移相器１０２で高周波信号の位相を制御し、平面アンテナ素子１０４ａで共振周波数が変化しないようにすることができる。すなわち、本実施形態の構成によれば、移相器１０２と平面アンテナ素子１０４ａを形成するための誘電体層として液晶層１２８を共通に用いることができ、アンテナ装置１００ａの周波数特性が変化しないようにすることができる。
［第２実施形態］

本実施形態は、移相器と平面アンテナ素子とを具備するアンテナ装置において、第１実施形態とは異なる構成を示す。以下においては、第１実施形態と相違する部分を中心に説明する。

２－１．アンテナ装置の構造
図５（Ａ）は本実施形態に係るアンテナ装置１００ｂの平面模式図を示し、図５（Ｂ）はＡ３－Ａ４線に沿った断面模式図を示す。第１実施形態との対比において、本実施形態に係るアンテナ装置１００ｂは、平面アンテナ素子１０４ｂの構成が異なる。

平面アンテナ素子１０４ｂは、放射導体層１１６と接地導体層１１８が対向配置され、その間に液晶層１２８が設けられる。すなわち、本実施形態に係る平面アンテナ素子１０４ｂは、配向膜が省略され、放射導体層１１６及び接地導体層１１８が液晶層１２８と直接的に接する構成を有する。一方、移相器１０２は第１実施形態と同様の構成を有する。なお、液晶層１２８は、移相器１０２の領域から平面アンテナ素子１０４ｂの領域に亘って連続的に広がっている。

２－２．移相器と平面アンテナ素子における液晶分子の動き
図６（Ａ）は、アンテナ装置１００ｂにおける、移相器１０２と平面アンテナ素子１０４ｂの構成を示す。液晶層１２８としては、ポジ型液晶が用いられる。アンテナ装置１００ｂは、移相器１０２の領域には水平配向膜１２２が設けられ、平面アンテナ素子１０４ｂには配向膜が設けられない構造を有する。

図６（Ａ）に示すように、バイアス電圧が印加されない状態において、移相器１０２の領域における液晶層１２８は、水平配向膜１２２の作用により液晶分子１３０が水平に配向している。他方、平面アンテナ素子１０４ｂの領域における液晶層１２８は、配向膜が無いことにより液晶分子がランダムに配向している。

図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に対し、移相器１０２にバイアス電圧が印加された状態を示す。この状態では、ストリップ導体層１１４と放射導体層１１６が同電位にバイアスされ、接地導体層１１８との間に直流電界が発生する。移相器１０２の領域における液晶層１２８は、直流電界の作用により液晶分子１３０が垂直に配向する。また、平面アンテナ素子１０４ｂにおいても、ランダムに配向していた液晶分子１３０が直流電界の作用により液晶分子１３０が垂直に配向する。

移相器１０２の領域に存在する液晶分子１３０は、水平配向から垂直配向に配向状態が大きく変化するので、液晶層１２８の誘電率は大きく変化する。一方、平面アンテナ素子１０４ｂの領域に存在する液晶分子１３０はランダムな状態から垂直配向に変化するものの、液晶層１２８の誘電率の変化量は小さくなる。そのため、平面アンテナ素子１０４ｂにおける共振周波数の変化量も小さく抑えることができる。

図７（Ａ）は、液晶層１２８にネガ型液晶が用いられた場合において、移相器１０２には垂直配向膜１２６が設けられ、平面アンテナ素子１０４ｂには配向膜が設けられない状態を示す。図７（Ａ）に示すように、バイアス電圧が印加されない状態では、移相器１０２の領域における液晶分子１３０は垂直に配向している。他方、平面アンテナ素子１０４ｂの領域における液晶分子１３０の配向はランダムである。

図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に対し、移相器１０２にバイアス電圧が印加された状態を示す。バイアス電圧により、移相器１０２の領域における液晶分子１３０は水平に配向する。また、平面アンテナ素子１０４ｂにおける液晶分子１３０も直流電界の作用により水平に配向する。この場合、図６（Ｂ）と同様に、移相器１０２の領域においては、液晶層１２８の誘電率が大きく変化するのに対し、平面アンテナ素子１０４ｂの領域における液晶層１２８の誘電率の変化量は小さくなる。そのため、平面アンテナ素子１０４ｂにおける共振周波数の変化量も小さく抑えることができる。

本実施形態は、平面アンテナ素子１０４ｂの領域に配向膜が設けられない態様を示すが、この態様に代えて、水平配向膜１２２又は垂直配向膜１２６を移相器１０２及び平面アンテナ素子１０４ｂの領域の全面に設け、放射導体層１１６の略全面又は少なくとも一部を露出させる開口部を設けるようにしてもよい。

２－３．まとめ
本実施形態によれば、移相器１０２と平面アンテナ素子１０４ｂを集積したアンテナ装置１００ｂにおいて、配向特性の異なる複数種の配向膜を用いることで、移相器１０２で高周波信号の位相を制御し、平面アンテナ素子１０４ｂで共振周波数が大きく変化しないようにすることができる。すなわち、本実施形態の構成によれば、移相器１０２と平面アンテナ素子１０４ｂを形成するための誘電体層として液晶層１２８を共通に用いることができ、アンテナ装置１００ｂの周波数特性を安定化することができる。
［第３実施形態］

本実施形態は、移相器と平面アンテナ素子とを具備するアンテナ装置において、第１実施形態及び第２実施形態とは異なる構成を示す。以下においては、第１実施形態と相違する部分を中心に説明する。

３－１．アンテナ装置の構造
図８（Ａ）は本実施形態に係るアンテナ装置１００ｃの平面模式図を示し、図８（Ｂ）はＡ５－Ａ６線に沿った断面模式図を示す。第１実施形態との対比において、本実施形態に係るアンテナ装置１００ｃは、平面アンテナ素子ｃにおける配向膜の構成が異なる。

平面アンテナ素子１０４ｃは、放射導体層１１６と接地導体層１１８が対向配置され、その間に液晶層１２８が設けられている。放射導体層１１６と液晶層１２８間、及び接地導電層と液晶層１２８との間には第２配向膜１２４が設けられている。図８に示すアンテナ装置１００ｃにおいて、移相器１０２の領域に設けられる第１配向膜１２０は、水平配向又は垂直配向のための配向処理がされている。一方、平面アンテナ素子１０４ｃの領域に設けられる第２配向膜１２４は、配向処理がされていない。このため、移相器１０２にバイアス電圧が印加されない状態においても、移相器１０２の領域と平面アンテナ素子１０４ｃの領域とで液晶分子の配向が異なっている。

３－２．移相器と平面アンテナ素子における液晶分子の動き
図９（Ａ）は、アンテナ装置１００ｃにおける、移相器１０２と平面アンテナ素子１０４ｃの構成を示す。アンテナ装置１００ｃは、移相器１０２の領域に第１配向膜１２０が設けられ、平面アンテナ素子１０４ｃの領域には第２配向膜１２４が設けられる。第１配向膜１２０は表面が水平配向処理された水平配向膜であり、第２配向膜１２４は特段配向処理がされていない膜である。第１配向膜１２０と第２配向膜１２４とは同じ材質で形成され、連続する一つの薄膜とみなすことができ、配向処理の有無によって区別される。液晶層１２８にはポジ型液晶が用いられる。

図９（Ａ）に示すように、バイアス電圧が印加されない状態において、移相器１０２の領域における液晶分子１３０は、第１配向膜１２０の作用により水平に配向している。他方、平面アンテナ素子１０４ｃの領域における液晶層１２８は、第２配向膜１２４が配向処理されていないことにより液晶分子１３０がランダムに配向している。

図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に対し、移相器１０２にバイアス電圧が印加された状態を示す。この状態では、ストリップ導体層１１４と放射導体層１１６が同電位にバイアスされ、接地導体層１１８との間に直流電界が発生する。移相器１０２の領域における液晶層１２８は、直流電界の作用により液晶分子１３０が垂直に配向する。また、平面アンテナ素子１０４ｃにおいても、ランダムに配向していた液晶分子１３０が直流電界の作用により垂直に配向する。移相器１０２の領域において、液晶層１２８の誘電率は大きく変化するのに対し、平面アンテナ素子１０４ｃの領域において、液晶層１２８の誘電率の変化量は小さくなる。そのため、移相器１０２において高周波信号の位相を制御することができ、平面アンテナ素子１０４ｃにおいては共振周波数の変化量を小さく抑えることができる。

図１０（Ａ）は、液晶層１２８にネガ型液晶が用いられた場合において、移相器１０２の領域には第１配向膜１２０として垂直配向処理がされた第１配向膜１２０が設けられ、平面アンテナ素子１０４ｃの領域には配向処置がされていない第２配向膜１２４が設けられた形態を示す。液晶層１２８にはネガ型液晶が用いられる。図１０（Ａ）に示すように、バイアス電圧が印加されない状態では、移相器１０２の領域における液晶分子１３０は第１配向膜１２０の作用により垂直に配向している。他方、平面アンテナ素子１０４ｃの領域における液晶分子１３０の配向はランダムである。

図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に対し、移相器１０２にバイアス電圧が印加された状態を示す。バイアス電圧により、移相器１０２の領域における液晶分子１３０は水平に配向する。また、平面アンテナ素子１０４ｃにおける液晶分子１３０も直流電界の作用により水平に配向する。この場合、図９（Ｂ）と同様に、移相器１０２の領域においては、液晶層１２８の誘電率が大きく変化するのに対し、平面アンテナ素子１０４ｃの領域における液晶層１２８の誘電率の変化は僅かである。そのため、平面アンテナ素子１０４ｃにおける共振周波数の変動量を小さく抑えることができる。

３－３．まとめ
本実施形態によれば、アンテナ装置１００ｃにおいて、移相器１０２と平面アンテナ素子１０４ｃとに同じ配向膜を用いつつ、表面の配向処理の有無により液晶分子１３０の配向状態を異ならせることで、移相器１０２で高周波信号の位相を制御し、平面アンテナ素子１０４ｃで共振周波数が大きく変化しないようにすることができる。すなわち、本実施形態の構成によれば、移相器１０２と平面アンテナ素子１０４ｃを形成するための誘電体層として液晶層１２８を共通に用いることができ、アンテナ装置１００ｃの周波数特性を安定化することができる。
［第４実施形態］

本実施形態は、第１実施形態乃至第３実施形態で示されるアンテナ装置が用いられるフェーズドアレイアンテナ装置の構成の一例を示す。

図１１は、本実施形態に係るフェーズドアレイアンテナ装置２００の構成を示す。フェーズドアレイアンテナ装置２００は、アンテナ装置１００、位相制御回路２０４、分配器２０６を含む。アンテナ装置１００は移相器１０２と平面アンテナ素子１０４を含む。アンテナ装置１００は複数個がマトリクス状に配列され、平面アンテナ素子アレイ２０２を形成する。分配器２０６は発信器２１０と接続され、高周波信号を個々のアンテナ装置１００に分配する。移相器１０２の位相シフト量は、位相制御回路２０４により制御される。位相制御回路２０４は、複数個配置されたアンテナ装置１００のそれぞれに対応して、位相を制御する位相制御信号を出力する。位相制御信号は、バイアス回路２０８を介して高周波信号と共に移相器１０２に印加される。

複数のアンテナ装置１００のそれぞれから放射される電磁波はコヒーレント性を有する。そのため、複数のアンテナ装置１００のそれぞれから放射される電磁波によって、位相が揃った波面が形成される。平面アンテナ素子１０４から放射される電磁波の位相は移相器１０２によって調整される。移相器１０２は、位相制御回路２０４によって、電磁波として放射される高周波信号の位相が制御される。

フェーズドアレイアンテナ装置２００は、位相制御回路２０４によって複数のアンテナ装置１００のそれぞれに供給される高周波信号の位相を、移相器１０２によって個別に調整する。それにより、複数のアンテナ装置１００から放射される電磁波の波面の進行方向を任意の角度に制御することができる。フェーズドアレイアンテナ装置２００は、複数のアンテナ装置１００のそれぞれの位相を制御することで、放射する電磁波の指向性を制御する。

なお、図１１は、フェーズドアレイアンテナ装置２００が送信用である場合を示す。一方、フェーズドアレイアンテナ装置２００が受信用である場合には、発信器２１０を高周波増幅器に置き換えることで、平面アンテナ素子アレイ２０２で受信した電磁波を増幅して復調回路等の後段の回路に信号を出力することが可能となる。

平面アンテナ素子アレイ２０２を構成するアンテナ装置１００は、第１実施形態乃至第３実施形態に示すものが適用される。アンテナ装置１００は、移相器１０２と平面アンテナ素子１０４が集積化されているため、フェーズドアレイアンテナ装置２００を小型化することができる。アンテナ装置１００は、高周波信号の位相をシフトさせることが可能であると共に、平面アンテナ素子１０４の共振周波数の変動が小さく抑えられているため、フェーズドアレイアンテナ装置２００は指向性の高い送信（又は受信）をすることができる。

１０００・・・アンテナ装置、１０２・・・移相器、１０４・・・平面アンテナ素子、１１０・・・第１基板、１１２・・・第２基板、１１４・・・ストリップ導体層、１１６・・・放射導体層、１１８・・・接地導体層、１２０・・・第１配向膜、１２２・・・水平配向膜、１２４・・・第２配向膜、１２６・・・垂直配向膜、１２８・・・液晶層、１３０・・・液晶分子、２００・・・フェーズドアレイアンテナ装置、２０２・・・平面アンテナ素子アレイ、２０４・・・位相制御回路、２０６・・・分配器、２０８・・・バイアス回路、２１０・・・発信器

Claims (15)

1. ストリップ導体層と、
   前記ストリップ導体層から連続する放射導体層と、
   前記ストリップ導体層及び前記放射導体層に対向する接地導体層と、
   前記ストリップ導体層及び前記放射導体層と、前記接地導体層との間の液晶層と、
   前記ストリップ導体層及び前記放射導体層と、前記液晶層との間の配向膜と、を有し、
   前記配向膜は、前記ストリップ導体層と重なる第１領域と前記放射導体層と重なる第２領域とで、前記液晶層の液晶分子の配向状態を異ならせることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記液晶層は、誘電率異方性が正の液晶（ポジ型液晶）を含み、
   前記ストリップ導体層にバイアス電圧が印加されない状態において、前記第１領域の前記液晶分子は水平に配向し、前記第２領域の前記液晶分子は垂直に配向する、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記液晶層は、誘電率異方性が負の液晶（ネガ型液晶）を含み、
   前記ストリップ導体層にバイアス電圧が印加されない状態において、前記第１領域の前記液晶分子は垂直に配向し、前記第２領域の前記液晶分子は水平に配向する、請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記液晶層は、誘電率異方性が正の液晶（ポジ型液晶）を含み、
   前記配向膜は、前記第１領域に設けられた水平配向膜と、前記第２領域に設けられた垂直配向膜と、を含む、請求項１に記載のアンテナ装置。
5. 前記液晶層は、誘電率異方性が負の液晶（ネガ型液晶）を含み、
   前記配向膜は、前記第１領域に設けられた垂直配向膜と、前記第２領域に設けられた水平配向膜と、を含む、請求項１に記載のアンテナ装置。
6. ストリップ導体層と、
   前記ストリップ導体層から連続する放射導体層と、
   前記ストリップ導体層及び前記放射導体層に対向する接地電極層と、
   前記ストリップ導体層及び前記放射導体層と前記接地電極層との間の液晶層と、
   前記液晶層と接する配向膜と、を有し、
   前記配向膜は、前記ストリップ導体層と接する領域で前記液晶層の液晶分子を配向させ、前記放射導体層を露出させることを特徴とするアンテナ装置。
7. 前記液晶層は、誘電率異方性が正の液晶（ポジ型液晶）を含み、
   前記配向膜は、前記液晶分子を水平に配向する水平配向膜である、請求項６に記載のアンテナ装置。
8. 前記液晶層は、誘電率異方性が負の液晶（ネガ型液晶）を含み、
   前記配向膜は、前記液晶分子を垂直に配向する垂直配向膜である、請求項６に記載のアンテナ装置。
9. ストリップ導体層と、
   前記ストリップ導体層から連続する放射導体層と、
   前記ストリップ導体層及び前記放射導体層に対向する接地導体層と、
   前記ストリップ導体層及び前記放射導体層と、前記接地導体層との間の液晶層と、
   前記ストリップ導体層及び前記放射導体層と、前記液晶層との間の配向膜と、を有し、
   前記配向膜は、前記ストリップ導体層と重なる第１領域で前記液晶層の液晶分子を配向させ、前記放射導体層と重なる第２領域で前記液晶層の液晶分子の配向をランダムに配向させることを特徴とするアンテナ装置。
10. 前記液晶層は、誘電率異方性が正の液晶（ポジ型液晶）を含み、
    前記ストリップ導体層にバイアス電圧が印加されない状態において、前記第１領域の前記液晶分子は水平に配向し、前記第２領域の前記液晶分子は垂直に配向する、請求項９に記載のアンテナ装置。
11. 前記液晶層は、誘電率異方性が負の液晶（ネガ型液晶）を含み、
    前記ストリップ導体層にバイアス電圧が印加されない状態において、前記第１領域の前記液晶分子は垂直に配向し、前記第２領域の前記液晶分子は水平に配向する、請求項９に記載のアンテナ装置。
12. 前記液晶層は、誘電率異方性が正の液晶（ポジ型液晶）を含み、
    前記配向膜は、前記第１領域に設けられた水平配向膜を含む、請求項９に記載のアンテナ装置。
13. 前記液晶層は、誘電率異方性が負の液晶（ネガ型液晶）を含み、
    前記配向膜は、前記第１領域に設けられた垂直配向膜を含む、請求項９に記載のアンテナ装置。
14. 前記液晶層は、ネマチック液晶、スメクチック液晶、コレステリック液晶、ディスコティック液晶、強誘電性液晶から選ばれた一種である、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
15. 請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のアンテナ装置を複数有し、前記放射導体層がマトリクス状に配置された、フェーズドアレイアンテナ装置。
    

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