JP2005039370A - Radio wave lens control apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶を用いて電波の伝搬方向等を調整するための電波レンズの制御用の電波レンズ制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、マイクロ波やミリ波などの高周波の電波の伝搬方向を調整するものとして、液晶を用いた電波レンズが知られている(例えば、特許文献1、2参照)。
特許文献1に開示された電波レンズは、電波の伝搬方向や、ビームの形状などを調整するために用いる媒体として、液晶を用いるものであり、その構成を図4に概念的に示す。
【0003】
電波レンズは、図4に示すように、液晶層110、短冊状をした第一の電極120、第二の電極130、および制御電源140によって構成されている。また、電波レンズを構成する液晶層および電極は、図4に示す順序で積層され、拡大図に示すように、各液晶セル150において、第一の電極120と第二の電極130との間には制御電源140が接続される。
【0004】
ここで、第二の電極130は、アース等の所定の基準電位になっており、第一の電極120と第二の電極130との間に、制御電源140により制御電圧を印加できる構成となっている。この制御電源140によって印加される制御電圧を変えることで、液晶セル中の液晶の誘電率を調節し、電波レンズ全体で電波の伝搬方向やビームの形状などの制御を行うことができる。
【0005】
この誘電率の調節は、第一の電極120と第二の電極130との間に印加される制御電圧を調整することによってできるが、この制御電圧と、液晶層の比誘電率の関係は、図5に一例を示すように線形ではないことが知られている。また、この関係は、液晶の種類や電波レンズの構造などに依存している。そのため、従来は、この関係を事前に測定するなどして明らかにし、その結果に基づいて、各液晶セル中の液晶が所望の誘電率になるように、制御電圧を制御することが行われていた。そして、制御電圧と液晶層の誘電率との関係を測定する方法として、各液晶セルの制御電圧をすべて同一にした状態で、電波レンズ全体を透過する電波の位相を測定することによって求める方法がある。
【0006】
【特許文献1】
特願2001−389910号公報
【特許文献2】
特公平3−6683号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の制御電圧と液晶層の誘電率との関係を測定して電波レンズを制御する技術では、電波暗室中で平面波の電波を発生させて測定を行う必要があり、測定が大掛かりになると共に、非常に手間がかかるという問題があった。
【0008】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、容易に所望の誘電率に調節することができる電波レンズ制御装置を提供することを目的とする。
【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、液晶セルに印加する電圧可変の電源と、前記電源に接続された前記液晶セルの静電容量を測定する容量計と、前記容量計が測定した静電容量に基づいて前記液晶セルに含まれる液晶の誘電率を算出する誘電率算出部と、前記誘電率算出部が算出した前記誘電率を所望の周波数における誘電率に換算する高周波誘電率換算部と、前記液晶の誘電率として設定すべき値を入力させるインタフェースと、前記高周波誘電率換算部が換算して得られた誘電率を、前記インタフェース経由で入力された誘電率の値に一致させる方向に前記電源の出力電圧の制御を行う比較器とを備えた構成を有している。
【0010】
この構成により、容量計を用いて測定した静電容量に基づいて所望の周波数での誘電率が換算され、その誘電率に基づいて誘電率の制御を行うため、容易に所望の誘電率に調節することが可能な電波レンズ制御装置を実現することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る電波レンズ制御装置のブロック構成を概念的に示す図である。なお、図1には、説明のために電波レンズの一部を拡大した図も示した。電波レンズ210は、短冊状の形状をした第一の電極211、第二の電極212、および液晶層213で構成されている。ここでは、一つの短冊状をした第一の電極211を囲み、第二の電極212と液晶層213を含む、図中に点線で示す部分214を液晶セルと呼ぶことにする。
【0012】
図1における電波レンズ制御装置220は、電圧可変の低周波電源221、液晶セル214の静電容量を測定するための容量計222、容量計222が測定した静電容量の値から、液晶セル214中の液晶層213の低周波誘電率を算出する誘電率算出部223、誘電率算出部223で算出した低周波誘電率から高周波誘電率に換算するための高周波誘電率換算部224、液晶セル214の誘電率として設定したい誘電率を入力させるためのインタフェース225、高周波誘電率換算部224によって出力された誘電率とインタフェース225を介して入力された誘電率とを比較し、低周波電源221の電圧を制御するための信号を出力する比較器226、および比較器226の出力を低周波電源221に接続し、容量計222の出力を誘電率算出部223に連動して接続する切替スイッチ227により構成される。
【0013】
ここで、低周波電源221は、液晶セル214の配向を制御するための電源で有り、図1に示す構成では、この低周波電源221を、静電容量を測定するための電源としても用いるようになっている。なお、図1に示すように容量計222を介して液晶セル214に接続されるのでなく、直接液晶セル214に接続される構成であっても良い。
【0014】
また、図1に示す構成では、低周波電源221と容量計222が単独で液晶セル214に接続されているようになっているが、低周波電源221だけが液晶セル214毎に設けられ、容量計222は切替スイッチで切り替え、共通に用いるようにしても良い。図1には、1対の低周波電源221と容量計222が液晶セル214に接続された構成のみを代表として示し、他の液晶セル214に接続された低周波電源221と容量計222を省略して示した。
【0015】
以下に、液晶層213を構成する液晶の性質について説明する。図2に概念的に示すように、液晶分子は、一般的に細長い形状をしており、液晶分子の長軸方向の誘電率ε1と、短軸方向の誘電率ε2とは、異なる(このことを異方性という。)。液晶に制御電圧を印加すると、その制御電圧の高さに応じて、液晶分子は、液晶分子の長軸方向が印加された制御電圧によって発生した電界方向と平行になるように配向しようとする。
【0016】
ここで、印加される制御電圧は、直流でも、例えば1kHz程度の低周波の交流でもよい。なお、電波レンズの液晶セル214は、制御電圧が印加されていないときに、液晶分子の長軸方向が、図3(a)に示すように、電極面に平行になるように予め配向処理されているものとする。このようにしておくことによって、制御電圧の上昇に応じて液晶分子の向きが、図3(b)に示すように変化し、制御電圧が所定値以上になると、液晶分子の長軸が図3(c)に示すように電極面とほぼ垂直な方向に配向することとなる。
【0017】
すなわち、図3(a)に示す状態では、電極211、212と垂直方向の液晶層213の誘電率(電波レンズを通過する電波は、この方向の誘電率の影響を受ける)は、液晶分子の短軸方向の誘電率ε2となり、図3(c)に示す状態では、電極211、212と垂直方向の液晶層213の誘電率は、液晶分子の長軸方向の誘電率ε1となる。また、図3(b)に示す状態では、電極211、212と垂直方向の液晶層213の誘電率は、上記の両者の中間的な誘電率となる。このように、制御電圧の高低に応じて、液晶分子の配向状態が変化し、液晶層の誘電率が変わることとなる。
【0018】
以下、本発明の実施の形態に係る電波レンズ制御装置の動作について説明する。
まず、低周波電源221が出力した制御電圧を容量計222経由で電波レンズ210を構成する液晶セル214に印加する。制御電圧が印加されると、液晶層213内の液晶分子は、制御電圧の高さに応じて配向し、液晶層213の誘電率が変化する。容量計222は、制御電圧に応じて誘電率が変化した液晶セルの静電容量を測定し、測定して得られた静電容量の情報を誘電率算出部223に出力する。
【0019】
静電容量の情報が入力された誘電率算出部223は、入力された静電容量の情報に基づいて液晶層213の誘電率εを算出する。ここで、液晶層213の誘電率εの算出は、液晶セルの構造が既知であるため、可能であり、例えば、第一の電極211の面積が液晶層213の厚みに比べて十分大きいときには、式(1)に示す式に基づいて簡単に求めることができる。
【0020】
ε=dC/2S (1)
ここで、dは液晶層213の厚さ、Sは第一の電極211の面積、Cは容量計222によって測定された液晶セルの静電容量の値を表す。
【0021】
誘電率算出部223が算出した誘電率は、低周波電源221の励振周波数での誘電率(低周波誘電率)であり、一般に、マイクロ波、ミリ波などの高周波帯での誘電率(高周波誘電率)とは異なる。しかし、各周波数帯での液晶の誘電率は、液晶の配向状態で一意に決まるので、本実施の形態においては、液晶の低周波誘電率が分かれば、その配向状態を知ることができ、配向状態から高周波誘電率を求めることができる。
【0022】
高周波誘電率換算部224は、上記のようにして求められた液晶の低周波誘電率と高周波誘電率の関係を予め記憶しておき、この関係に基づいて低周波誘電率を高周波誘電率に換算する。具体的な例としては、長軸と短軸方向の低周波誘電率をそれぞれε1L、ε2Lとし、長軸と短軸方向の高周波誘電率をそれぞれε1H、ε2Hとすると、換算して得られる高周波誘電率εHは、観測した低周波誘電率εLを用いて、以下の式(2)に示すように求めることができる。
εH=ε2H+(εL−ε2L)(ε1H−ε2H)/(ε1L−ε2L)(2)
【0023】
一方、インタフェース225を介して、電波レンズを制御するために設定する各液晶セル214の誘電率が入力される。換算によって高周波誘電率が得られ、インタフェース225を介して誘電率の設定値が入力されると、比較器226は、高周波誘電率と誘電率の設定値とを比較して、両者が一致するように、低周波電源221の電圧値を制御する。
【0024】
以上のような制御をリアルタイムに行うことにより、液晶セルの誘電率を所望の大きさに調節することができる。そして、他の各液晶セルに対しても、同様な制御を行うことにより、電波レンズ全体として、所望の誘電率の分布に調整することができ、高周波の電磁波の伝搬方向を正確に制御することが可能となる。
【0025】
すなわち、この電波レンズ制御装置220を用いることによって、図5に示されるような制御電圧と液晶層の誘電率の関係を事前に明らかにして、その結果を考慮して制御電圧の大きさを決定する必要がなく、容易に電波レンズの制御ができる。
【0026】
ここで、本発明の電波レンズ制御装置では、予め液晶の低周波誘電率と高周波誘電率との関係を事前に明らかにしておく必要がある。しかし、これらの関係は材料定数で不変であるため、一度測定すればよい。すなわち、上記の式(2)のε1L、ε2L、ε1H、およびε2Hは、前もって測定しておき、テーブルとして参照できるようにしておく。また、用いるのが同じ材料の液晶であれば、上記の式(1)における液晶層の厚みdと第一の電極211の面積Sの値を変更して誘電率算出部223に設定するだけでよい。
【0027】
これに対して従来の技術では、同じ材料の液晶を用いても、電波レンズの電極の大きさや液晶層の厚さを変えるなど構造を変化させる度に、制御電圧と液晶の高周波誘電率との関係を事前に測定する必要があった。したがって、電波レンズの構造を変化させる度に煩雑な上記の測定を行わなければならなかった。
【0028】
なお、本実施の形態では制御電源を低周波電源としたが、制御電源の周波数はこれに制限されるものではなく、液晶の配向を制御できる電源であればよく、直流、または液晶の配向の制御が可能な高周波帯の電源でも制御電源として用いることができる。
また、本発明における容量計とは、被測定物の静電容量を測定しうる手段を意味する。個々の電圧計や電流計の測定値から、被測定物の静電容量を計算で求める場合についても、本発明との関連では容量計として表記することとする。
【0029】
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る電波レンズ制御装置は、液晶を用いた電波レンズの制御において、従来必要であった、電極に加える制御電圧の大きさと液晶層の誘電率の関係を事前に測定する手間を省くことができる。
また、それらの複雑な関係を意識することなく、容易に誘電率を調整し、電波レンズを制御することができる。
また、電源と容量計は、他の構成部と分離可能であるため、電源と容量計を測定の必要な液晶セルに設けておき、切替スイッチを電気的接続の切り替えを行うことができ、操作性良く測定することができる。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、容易に所望の誘電率に調節することが可能な電波レンズ制御装置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制御装置のブロック構成を示す図である。
【図2】液晶分子の誘電率の異方性について説明するための図である。
【図3】印加された電圧に応じて配向する液晶分子の様子を説明するための図である。
【図4】電波レンズの構成と、電波レンズを構成する液晶セル内の液晶の誘電率を制御する、従来の制御装置の構成とを示す図である。
【図5】液晶に印加される制御電圧と液晶の比誘電率との関係の一例を示す図である。
【符号の説明】
110、213 液晶層
120、211 第1の電極
130、212 第2の電極
140 制御電源
150、214 液晶セル
210 電波レンズ
220 電波レンズ制御装置
221 低周波電源
222 容量計
223 誘電率算出部
224 高周波誘電率換算部
225 インタフェース
226 比較器
227 切替スイッチ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a radio wave lens control device for controlling a radio wave lens for adjusting the propagation direction of radio waves using liquid crystal.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, radio wave lenses using liquid crystals are known as devices that adjust the propagation direction of high frequency radio waves such as microwaves and millimeter waves (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
The radio wave lens disclosed in Patent Document 1 uses liquid crystal as a medium used for adjusting the propagation direction of radio waves, the shape of a beam, and the like, and its configuration is conceptually shown in FIG.
[0003]
As shown in FIG. 4, the radio wave lens includes a
[0004]
Here, the
[0005]
The dielectric constant can be adjusted by adjusting a control voltage applied between the
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application No. 2001-389910 [Patent Document 2]
Japanese Examined Patent Publication No. 3-6683 [0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional technology that controls the radio lens by measuring the relationship between the control voltage and the dielectric constant of the liquid crystal layer, it is necessary to generate a plane wave in the anechoic chamber and perform the measurement. There was a problem that it took a lot of time and was very troublesome.
[0008]
The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to provide a radio wave lens control device that can be easily adjusted to a desired dielectric constant.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In view of the above, the invention according to claim 1 is a voltage variable power source applied to the liquid crystal cell, a capacitance meter that measures the capacitance of the liquid crystal cell connected to the power source, and the capacitance meter. A dielectric constant calculating unit that calculates a dielectric constant of liquid crystal contained in the liquid crystal cell based on the measured capacitance, and a high frequency that converts the dielectric constant calculated by the dielectric constant calculating unit into a dielectric constant at a desired frequency. A dielectric constant conversion unit, an interface for inputting a value to be set as a dielectric constant of the liquid crystal, and a dielectric constant obtained by conversion by the high-frequency dielectric constant conversion unit are values of the dielectric constant input via the interface. And a comparator that controls the output voltage of the power supply in a direction that matches the power supply.
[0010]
With this configuration, the dielectric constant at the desired frequency is converted based on the capacitance measured using a capacitance meter, and the dielectric constant is controlled based on the dielectric constant, so it can be easily adjusted to the desired dielectric constant. It is possible to realize a radio wave lens control device that can do this.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram conceptually showing a block configuration of a radio wave lens control apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 also shows an enlarged view of a part of the radio wave lens for explanation. The
[0012]
The radio wave
[0013]
Here, the low
[0014]
In the configuration shown in FIG. 1, the low
[0015]
Hereinafter, the properties of the liquid crystal constituting the
[0016]
Here, the applied control voltage may be a direct current or a low frequency alternating current of about 1 kHz, for example. In addition, the
[0017]
That is, in the state shown in FIG. 3A, the dielectric constant of the
[0018]
Hereinafter, the operation of the radio wave lens control device according to the embodiment of the present invention will be described.
First, the control voltage output from the low
[0019]
The dielectric
[0020]
ε = dC / 2S (1)
Here, d represents the thickness of the
[0021]
The dielectric constant calculated by the dielectric
[0022]
The high-frequency dielectric
ε H = ε2 H + (ε L -ε2 L) (ε1 H -ε2 H) / (ε1 L -ε2 L) (2)
[0023]
On the other hand, the dielectric constant of each
[0024]
By performing the above control in real time, the dielectric constant of the liquid crystal cell can be adjusted to a desired size. By performing the same control for each of the other liquid crystal cells, the radio wave lens as a whole can be adjusted to a desired dielectric constant distribution, and the propagation direction of high-frequency electromagnetic waves can be accurately controlled. Is possible.
[0025]
That is, by using this radio wave
[0026]
Here, in the radio wave lens control device of the present invention, it is necessary to clarify in advance the relationship between the low-frequency dielectric constant and the high-frequency dielectric constant of the liquid crystal. However, since these relationships are invariant with the material constants, they need only be measured once. That is, ε1 L , ε2 L , ε1 H , and ε2 H in the above equation (2) are measured in advance and can be referred to as a table. Further, if the liquid crystal of the same material is used, the value of the liquid crystal layer thickness d and the area S of the
[0027]
On the other hand, in the conventional technology, even when liquid crystal of the same material is used, the control voltage and the high frequency dielectric constant of the liquid crystal are changed every time the structure is changed, such as changing the size of the electrode of the radio wave lens or the thickness of the liquid crystal layer. The relationship had to be measured in advance. Therefore, the complicated measurement described above must be performed every time the structure of the radio wave lens is changed.
[0028]
In this embodiment, the control power supply is a low-frequency power supply, but the frequency of the control power supply is not limited to this, and any power supply that can control the alignment of the liquid crystal may be used. A controllable high frequency power supply can also be used as a control power supply.
Further, the capacitance meter in the present invention means a means capable of measuring the capacitance of the object to be measured. The case where the capacitance of the object to be measured is calculated from the measured values of individual voltmeters and ammeters is also expressed as a capacitance meter in the context of the present invention.
[0029]
As described above, the radio wave lens control device according to the embodiment of the present invention has a control voltage magnitude applied to an electrode and a dielectric constant of a liquid crystal layer, which are conventionally required in radio wave lens control using liquid crystal. It is possible to save the trouble of measuring the relationship in advance.
In addition, it is possible to easily adjust the dielectric constant and control the radio wave lens without being aware of these complicated relationships.
In addition, since the power supply and the capacity meter can be separated from other components, the power supply and the capacity meter are provided in the liquid crystal cell that needs to be measured, and the changeover switch can be switched between electrical connections. Can be measured with good performance.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, the present invention can realize a radio wave lens control device that can be easily adjusted to a desired dielectric constant.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a block configuration of a radio wave lens control apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining anisotropy of dielectric constant of liquid crystal molecules.
FIG. 3 is a diagram for explaining a state of liquid crystal molecules aligned in accordance with an applied voltage.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a radio wave lens and a configuration of a conventional control device that controls a dielectric constant of a liquid crystal in a liquid crystal cell constituting the radio wave lens.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a relationship between a control voltage applied to a liquid crystal and a relative dielectric constant of the liquid crystal.
[Explanation of symbols]
110, 213
Claims (1)
前記電源に接続された前記液晶セルの静電容量を測定する容量計と、
前記容量計が測定した静電容量に基づいて前記液晶セルに含まれる液晶の誘電率を算出する誘電率算出部と、
前記誘電率算出部が算出した前記誘電率を所望の周波数における誘電率に換算する高周波誘電率換算部と、
前記液晶の誘電率として設定すべき値を入力させるインタフェースと、
前記高周波誘電率換算部が換算して得られた誘電率を、前記インタフェース経由で入力された誘電率の値に一致させる方向に前記電源の出力電圧の制御を行う比較器とを備えたことを特徴とする電波レンズ制御装置。A voltage variable power source to be applied to the liquid crystal cell;
A capacitance meter that measures the capacitance of the liquid crystal cell connected to the power source;
A dielectric constant calculator that calculates the dielectric constant of the liquid crystal contained in the liquid crystal cell based on the capacitance measured by the capacitance meter;
A high-frequency dielectric constant converter that converts the dielectric constant calculated by the dielectric constant calculator into a dielectric constant at a desired frequency;
An interface for inputting a value to be set as the dielectric constant of the liquid crystal;
A comparator that controls the output voltage of the power source in a direction that matches the dielectric constant obtained by the high-frequency dielectric constant conversion unit with the value of the dielectric constant input via the interface. A radio lens control device.
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