JP6478397B2 - フェーズドアレイアンテナ - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
〔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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (11)
- 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。
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