JP6478397B2 - Phased array antenna - Google Patents
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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。 The present invention relates to a phased array antenna device used in a microwave / millimeter wave band, and more specifically, a plurality of antenna elements arranged in an array for receiving radio waves from a transmitting antenna, and connected to each antenna element. The phase of the radio wave received by each antenna element is controlled by the individual phase shifter, so that the entire antenna surface is not set accurately in the direction of arrival of the high-frequency beam. The present invention relates to a phased array antenna technology capable of obtaining a high directivity gain.
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。 Conventionally, phased array antennas have been used in radar devices, mobile phone base stations, and the like. This not only changes the directivity of the entire antenna by adjusting the phase of the high-frequency signal transmitted and received by each antenna element, respectively, but also increases the gain in the direction of arrival of the desired radio wave, The processing for reducing the gain of radio waves coming from other directions can be performed electrically.
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。 The main basic components of the phased array antenna are an individual antenna element, a phase shifter that adjusts the phase of a high-frequency signal received by the individual antenna element, and a feed line. In addition, a phase detection circuit, a phase control circuit, and the like necessary for phase adjustment are indispensable circuits. However, a part relating to such a driving technique is omitted here, and elemental techniques of the above basic components will be described.
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。 The principle of operation of the basic components and the materials used vary depending on the purpose and mode of use of the antenna. Assuming transmission and reception of high-frequency radio waves in the 10 GHz band, patch antennas, dipole antennas, slot antennas, and the like can be used for individual antenna elements. For the phase shifter connected to each of these antenna elements, applications such as semiconductor elements, MEMS, and dielectric constant variable materials (ferroelectric materials, liquid crystals, etc.) can be cited as candidates. In addition, the power supply line may be a microstrip line, a coplanar line, a waveguide, or the like.
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。 In phased array antennas for satellite use, etc., because transmission and reception signals are high power, waveguides are used for phase shifters and feed lines, and the main materials including antenna elements are made of metal materials. Ceramics and the like have been used as some insulators. On the other hand, when the high-frequency signal is low power, a microstrip line or a coplanar line may be used as the feed line, and a patch antenna or a slot antenna having an antenna element on the extension thereof may be considered.
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。 The present invention relates to the latter low power phased array antenna. On these low power circuit boards, the back surface of a hard dielectric made of resin or ceramics is covered with a conductor such as copper foil to form a ground (GND) surface, and the surface is made of a highly conductive metal signal. There are many microstrip line types with lines and antenna elements attached, and usually a robust circuit board with a thickness of about 1 mm is used.
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。 Among the basic components of the phased array antenna, the performance as an antenna greatly depends on the mechanism, structure or material of the variable phase shifter. Here, the outline of the prior art will be described for the phase shifter for low power. A typical example of the microstrip line type variable phase shifter is a microstrip line length switching system. In this method, a plurality of microstrip lines having various electrical lengths (delay times) are mounted on a substrate, and the phase is varied by selecting them with a microwave switch. ing.
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。
A phase shifter using a hybrid coupler (also called 3dB Branch-Line Coupler) has been studied. FIG. 1 is a perspective view of the hybrid coupler. In a microstrip line structure in which a
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。
The terminals at the four corners of the
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。
FIG. 2 shows a variable capacitor (varactor) 203a having the same characteristics between the open ends of the
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。
FIG. 3 is a perspective view of a variable phase shifter using a variable dielectric constant dielectric only in the
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。
As an example of the variable dielectric constant dielectric material, a liquid crystal or a ferroelectric material whose dielectric constant changes depending on an applied voltage can be considered. For example, when the orientation of the liquid crystal molecules changes due to the applied voltage, the dielectric constant for electromagnetic waves propagating through the microstrip line changes due to dielectric anisotropy. A phase delay φ based on a propagation delay when an electromagnetic wave propagates through a length L microstrip line is expressed by the following equation.
φ = 2πf · √ (εeff) · L / c
Where εeff is the effective dielectric constant of the variable dielectric constant dielectric layer, f is the frequency of the propagating electromagnetic wave, and c is the speed of light in vacuum.
The liquid crystal disclosed in Non-Patent Document 1 shown below utilizes the applied voltage dependence of εeff.
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。 In this method, since the phase delay is proportional to the square root of the effective dielectric constant εeff, a material / mechanism that causes a large change in the dielectric constant is required. As the liquid crystal, nematic liquid crystal, cholesteric liquid crystal, smectic liquid crystal, large dielectric anisotropy, Alternatively, a mixed liquid crystal of these, or a mixture in which an inorganic material or an organic material is mixed with the liquid crystal in order to improve voltage response can be considered.
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。
In the variable phase shifter configured as shown in FIG. 3, the high-frequency signal input from the
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。 An object of the present invention is to provide a flexible phased array antenna that is easy to carry anywhere, in a high-frequency range of 10 GHz band, and that is thin, lightweight, flexible, rounded and folded, and can be carried anywhere. It is to provide a variable phase shifter technology necessary for realizing an antenna.
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。 From the viewpoint of the object of the above invention, problems of the variable phase shifter technology using the microstrip line so far will be described. For example, both a system in which a plurality of microstrip lines having different lengths are mounted for each individual antenna element such as a patch antenna to change the phase shift, and a hybrid coupler type variable phase shifter are basically shown in FIG. As shown in FIG. 3, since a rigid substrate such as an alumina ceramic substrate, an alumina composite substrate, a sapphire substrate, or a glass epoxy substrate is used as a dielectric substrate, it can be applied only to a planar antenna. It cannot be a flexible and portable antenna.
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。 The microstrip line length switching system is a phase shifter provided with lines of electrical lengths of 22.5 °, 45 °, 90 °, and 180 °, and 360 / 22.5 = 16-tone digital (4 bits = 16 tone) variable. In this case, eight microwave switches are required. As the number of gradations increases, the number of necessary microwave switches increases, and the element space occupied by the mounted electrical length section increases, which prevents the antenna as a whole from being made compact.
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。 When a microwave PIN switch or a MESFET (metal-semiconductor field effect transistor) made of a compound semiconductor is used, there is a problem that insertion loss increases particularly in a high frequency range. On the contrary, when the electromagnetic mechanical type is used, the insertion loss can be reduced, but the volume occupied by the switch element is disadvantageous. Furthermore, such semiconductor switches and electromechanical switches cannot be made thin and flexible because they are made of silicon, compound semiconductors, inorganic insulating materials or metal materials.
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。 On the other hand, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) system is also employed as a switch. Since this type of switch is also made of silicon or an inorganic insulating material, it cannot be made thin and flexible.
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。 When a variable capacitance diode (varactor) is used, it is used that the thickness of the depletion layer, that is, the capacitance changes with the magnitude of the applied voltage when a reverse bias is applied. The varactor itself is fabricated using a silicon device process and it is difficult to impart flexible characteristics. In addition, it is difficult to obtain a varactor having good capacity variable performance in a high frequency range.
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。 Next, the problem of the variable dielectric constant dielectric system will be described. The dielectric constant of a ferroelectric film or a liquid crystal film changes with the application of voltage. However, generally the change of the dielectric constant of a ferroelectric material due to the voltage is small, and usually a high voltage of several kV is required. On the other hand, the alignment polarization of liquid crystals occurs at a relatively low voltage, and so far there have been many research examples.
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。 One of the challenges to the application of liquid crystals to variable phase shifters is that the liquid crystal layer thickness needs to be large (˜100 μm) in order to produce a sufficient phase change, which increases the driving voltage. (~ 100V) In order to overcome this problem, various attempts have been made, such as the structure of the liquid crystal cell and the use of load electrodes, but no significant improvement has been observed.
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。 In addition, the liquid crystal device has a structure in which it is sandwiched between two electrodes, and changes the molecular orientation with the voltage applied between the electrodes, so it is necessary to keep the electrode spacing constant in order to obtain uniform molecular orientation. is there. For this reason, in order to make the liquid crystal layer flexible, a special structure that maintains a constant interval even when bent is required. For example, a display or the like may have a structure in which a side wall is provided between electrodes and curved to keep a constant interval. However, such a structure cannot be applied as a non-uniform dielectric layer for microwave propagation. It can be said that thinning and flexibility are difficult. Further, a technique for forming a uniform rubbing layer or a technique for uniformly injecting liquid crystal into a variable dielectric constant dielectric layer is required, but there is no prospect for these.
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。 The third problem of the liquid crystal type variable phase shifter that has been studied so far is that the insertion loss is large. As a result of analysis, it is said to be due to dielectric loss, but a new liquid crystal structure for this purpose is required.
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。
None of the above-described problems of the current technology meet the purpose of the present invention. The present invention solves the above problems,
1) In the ultra high frequency region of 10 GHz band,
2) A flexible type that is thin and easy to carry.
3) Efficient phase shift with low insertion loss and power saving
4) It can be manufactured at low cost by a printing method that saves power and harmonizes with the environment.
A flexible phased array antenna having a variable phase shifter and a manufacturing method thereof are provided.
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。 The phased array antenna according to the present invention, which has been made to solve the above-mentioned problems, includes a dielectric layer made of a flexible and flexible organic material, a waveguide ground conductor made of a conductive material such as a flexible metal thin film, and the like. Combining a flexible conductive polymer actuator with a flexible flexible 90 ° hybrid coupler characterized by comprising a waveguide formed of a flexible metal thin film or the like on the organic dielectric layer, the 90 ° The basic configuration is to control the phase of the high-frequency signal input to the hybrid coupler.
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。 In this case, in the variable phase shifter, when the four corner terminals of the flexible 90 ° hybrid coupler are set to A, B, C, D in the clockwise direction, and a high frequency signal is input to the terminal A, the other pair of terminals B , C, the phase of the high-frequency signal output from the terminal D is adjusted according to the distance from the open end of the open end line to the ground point. A means for adjusting and changing is adopted.
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。
Further, when grounding a predetermined position of the open-end line of the 90 ° hybrid coupler, a means for grounding by applying an external field such as voltage to the flexible and flexible conductive polymer actuator is preferably employed. be able to.
And the phase shift can be continuously varied by arranging the bending direction of the conductive polymer actuator parallel to the line on the open end line.
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。 On the other hand, in a preferred embodiment, when grounding a predetermined position of the open-ended line using a flexible conductive polymer actuator, the open-ended lines of the two ends are as close as possible without affecting the propagation of high-frequency signals. A configuration is adopted in which the same position of two open-ended lines is grounded simultaneously by a set of flexible conductive polymer actuator grounding mechanisms.
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。
Then, by arranging the grounding mechanisms of a plurality of flexible conductive polymer actuators in the length direction of the open end line, and arranging the bending direction in a direction perpendicular to the open end line, it corresponds to the area occupied by each grounding mechanism. A flexible digital variable phase shifter having a resolution and a discrete variable phase shift function can be obtained.
Preferably, when the predetermined position of the open-ended line is grounded by the conductive polymer actuator, an actuator having a laminated structure in which an electrolyte layer is sandwiched between two electrode layers is used as the conductive polymer.
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。
In this case, the electrode layer is mainly composed of a mixture of polyethylene dioxythiophene (PEDOT) and polystyrene sulfonic acid (PSS), and a vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymer [P (VDF / HFP)] is added thereto. It is desirable to use a mixed solution as a raw material.
Desirably, a mixed solution of an ionic liquid and a vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymer [P (VDF / HFP)] is used as the electrolyte layer.
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。 Preferably, the waveguide, the variable phase shifter, and the antenna element are manufactured by a printing method including bonding and coating methods, and a screen using silver paste, copper paste, or gold paste as the printing method in this case A printing method is preferably employed.
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。 The present invention provides an elemental technology that contributes to a flexible phased array antenna in the 12 GHz band and a manufacturing method thereof. First, it is based on a 90 ° hybrid coupler formed by a waveguide grounding conductor composed of a thin and flexible organic dielectric layer and a metal thin film, and a microstrip line composed of a waveguide conductor, and the phase shifter depends on the voltage of the polymer actuator. Since the deformation function is used, it is possible to provide a variable phase shifter for a flexible phased array antenna that is thin, flexible, and portable.
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。 Since the phase shifter increases or decreases the length of the high-frequency traveling line by grounding a predetermined position of the open-ended line, it is basically a reflection type and has a small insertion loss. Further, it can be formed more compactly than a line length switching method in which a large number of waveguides having different line lengths are arranged for each antenna element. The occupied area on the substrate surface is small. The present invention can be designed as an analog system or as a digital modulation system.
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。 For example, a structure in which the patch antenna element and the variable phase shifter of the present invention are combined can be manufactured by a printing method including pasting and coating. Therefore, it can be made a disposal at a low price.
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。 The phase shifter shown in FIG. 2 and FIG. 3 described above includes a variable capacitance diode between the open end of the open-ended line connected to the pair of terminals B and C of the 90 ° hybrid coupler and the ground (GND). The phase of a high-frequency signal traveling through the open-ended line is delayed depending on whether the capacitance is inserted and the dielectric constant of the dielectric layer immediately below the open-ended line is varied by applying an external electric field.
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。
On the other hand, the variable phase shifter employed in the phased array antenna according to the present invention receives a high-frequency signal from the input terminal A of the
The present invention has been conceived of utilizing a polymer actuator that can be manufactured at a relatively low cost by the printing method as the variable electrical length switch and can realize a flexible function.
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。
In the 90 °
Here, the four corner terminals of the 90 °
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。
When a high frequency signal is input to terminal A, the signal arrives at terminal B with a phase delay of 90 °. The signal at the terminal B travels through the
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。
The impedance of each
In the 90 ° hybrid coupler, Zp = Z 0 and Zr = Z 0 / √2. Here, Z 0 is the characteristic impedance of the microstrip line.
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。
In FIG. 4, the phase of the signal output from the terminal D can be adjusted by grounding a predetermined position of the open-ended line. Since the ground point is a high-frequency signal reflection point, the amount of phase shift depends on the distance (L) between the ground points 407a and 407b and the respective open ends 408a and 408b. That is, when the ground points 407a and 407b are shifted to the terminal B or terminal C side by a distance L from the open ends 408a and 408b, the signal reflected at the ground point is φ = 2 ( L / λ) · (2π)
Only the phase will be advanced. This movement of the ground point corresponds to the increase / decrease of the waveguide length.
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。
The movement of the ground contact points 407a and 407b of the open-ended line with a soft actuator will be described. As for the movement of the grounding point, a system in which the open-
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。
FIG. 5 shows an example of the basic structure of the polymer actuator used in the present invention. As shown in FIG. 5A, an
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。 As shown in FIG. 6, the present invention is combined with the open-end line of the 90 ° hybrid coupler shown in FIG. 2 as a contact switch for the open-end line of the polymer actuator having the basic structure shown in FIG. It features a mechanism that moves the grounding point of the open-ended line according to the degree.
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。
A mechanism capable of continuously varying the amount of phase shift will be described.
A sectional view of the open-ended line portion is shown in FIG. A
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。
When a voltage is applied to the
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。
Since the phase shift amount is represented by φ = 2 (L / λ) · (2π), if L = (1/2) λ, then φ = 2π, the length of the curved polymer actuator, That is, the maximum moving distance of the grounding point may be set to L = (1/2) λ.
In FIG. 6,
[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。
[Example 1]
[Production of 90 ° hybrid coupler and variable phase shifter by printing method]
One of the objects of the present invention is to realize a manufacturing technique based on a printing method that saves power and is harmonized with the environment. For a flexible 90 ° hybrid coupler that is the base of a variable phase shifter or flexible phased array antenna, the
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。 As a flexible organic dielectric film, PEN (polyethylene naphthalate), PET (polyethylene terephthalate) film, etc. can be considered. The relative dielectric constant of these materials is stable to about -3.0 from the low frequency band to the high frequency range of 10 GHz band, and is suitable as an insulating material for microstop lines of antennas and phase shifters. Furthermore, a film with a small Tan δ, such as Teflon (registered trademark), is desirable for reducing insertion loss.
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。 A microstrip line, that is, a 90 ° hybrid coupler circuit is formed on the surface of the organic dielectric film by a printing method using silver paste or the like. Possible printing methods include screen printing, gravure printing, offset printing, and ink-jet method, but a thick film waveguide of several μm or more is required from signal transmission in the high frequency band, so a highly viscous silver paste was used. A screen printing method is suitable.
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。
In the circuit of FIG. 7, the open-ended
7,
〔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。
[Production of polymer actuator]
Next, the polymer actuator having the function of the present invention will be described. As shown in FIG. 5, the polymer actuator has a laminated structure of a pair of
〔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。
(Formation of electrode layer)
As an example of forming an electrode layer, a main component is a mixture of polyethylene dioxythiophene (PEDOT) and polystyrene sulfonic acid (PSS) (product name: Clevios PH500, manufactured by Heraeus Co., Ltd.), and this is vinylidene fluoride / hexafluoropropylene. A solution in which a small amount of a copolymer [P (VDF / HFP)] (Arkema, trade name: Kynar2801-00) was mixed was applied on a glass substrate and dried. After drying, annealing is performed at 70 ° C. for 1 hour.
〔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。
(Formation of electrolyte layer)
The electrolyte layer consists of an ionic liquid (1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide) (manufactured by Aldrich) and a vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymer [P (VDF / HFP)] (Arkema (Product name: Kynar2801-00) manufactured by the company was annealed at 100 ° C. for 30 minutes. Other materials can be considered for the ionic liquid.
〔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。
[Production of laminated actuator]
The electrolyte layer was sandwiched between the two electrode layers and annealed at 110 ° C. for 30 minutes to be laminated. This laminated film was cut into a size that can ground the two open-ended lines in FIG. 2 to obtain a polymer actuator.
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。 FIG. 8 shows the relationship between the applied voltage and the phase of the polymer actuator in the variable phase shifter in which the 90 ° hybrid coupler produced by the screen printing method using silver paste and the polymer actuator are combined as shown in FIG. Indicates. The phase increased by about 30 ° C. as the actuator voltage increased from 3 V to 6 V, demonstrating the function of the present invention.
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 The operation (curving) principle of the polymer actuator of the present invention is considered to be based on the size difference between the cation and anion of the ionic liquid, but the details are unknown.
[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。
[Example 2]
A discrete phase control method (digital phase shifter) is also conceivable in which a grounding point on the open-ended line is determined and grounded using a polymer actuator array acting on each grounding point. FIG. 9 shows an example, and the discrete resolution is determined by the actuator mechanism size Z such as the actuator and matrix drive electrode line width. In FIG. 9,
[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。
[Example 3]
FIG. 10 is a perspective view of a flexible phased array antenna unit in which the 90 ° hybrid coupler of FIG. 7, the analog variable phase shifter of FIG. 6, and the patch antenna element are combined. The high-frequency signal received by the
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。 As described above, according to the present invention, the phased array antenna can be made thin, light, and flexible, and can be easily carried by being rolled or folded. This can contribute to mobile reception such as satellite broadcasting. In addition, it is possible to provide a phased array antenna that can reduce insertion loss as much as possible, maintain little directivity gain even during beam tilt, and maintain high directivity gain, and is useful as an in-vehicle radar, satellite communication antenna, millimeter wave sensor, etc. is there.
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 101: Grounding conductor for waveguide, 102: Dielectric layer for waveguide, 103: Conductor for waveguide, 104a: Input end, 104b: Output end, 105: 90 ° hybrid coupler, 106a: Open end line, 106b: End Open line, 201: hybrid coupler, 202a, 202b: open end line, 203a, 203b: variable capacitance diode (varactor), 304a: input end, 304b: output end, 305: hybrid coupler, 306a: open end line, 306b: Open end line, 307: Variable dielectric constant dielectric, 404a, 404b, 404c, 404d: 90 ° delay line, 405: Hybrid coupler, 406a, 406b: Open end line, 407a, 407b: Ground point, 408a, 408b: Open End, 501a, 501b: electrode layer, 502: electrolyte layer, 60 : Ground conductor for waveguide, 602: Dielectric layer for waveguide, 603a, 603b: Open end line, 604: Conductive thin film for ground, 605: Polymer actuator for ground, 606: Lower electrode for actuator, 607: Upper part for actuator Electrode, 608: Insulating spacer, 609: Grounding conductor, 610: Grounding via hole, 701: Grounding conductor for waveguide, 702: Dielectric layer for waveguide, 703: Conductor for waveguide, 704a, 704b: Input / output line 705: Hybrid coupler, 706a, 706b: open-ended line, 901: ground conductor for waveguide, 902: dielectric layer for waveguide, 903: via hole embedded with metal conductor, 904a, 904b: open-ended line, 905: ground pad 906: conductive polymer actuator for grounding, 907: insulating thin film, 908: for grounding Electrode thin film, 909: lower electrode for driving actuator, 910, upper electrode for driving actuator, 1001: conductor for grounding, 1002: dielectric layer for waveguide, 1003: patch antenna element, 1004: 90 ° hybrid coupler, 1005a: input End, 1005b: Output end, 1006: Conductive polymer actuator, 1007: Ground pad, 1008: Via hole embedded in metal conductor, 1009a, 1009b: Electrode wire for conductive polymer actuator
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