JP3871930B2 - Radio wave lens - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部から入力される信号に基づいて電子的に電波の進行方向を制御するための電波レンズに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、特公平3−6683号公報に開示され、図3に示すような構成の電波レンズ300が知られている。図3に示された構成の電波レンズ300は、電波の進行方向を変更させるために用いる媒体として液晶を用いるものである。ここで、電波レンズ300は、図3(a)に示すように複数の移相器310によって構成される。図3(a)において、電波はホーンアンテナ400から電波レンズ300に向けて放射され、放射される電波の電界は方向20に向いているものとする。
【0003】
図3(b)は、移相器310の一構成例を示す一部欠載図である。この移相器310は、図3(b)に示すように4つの移相素子320によって構成され、4ビットの移相器として動作するものである。ホーンアンテナ400から放射された電波は、図3(b)に示す方向10に向かって伝搬し、その際の電界の向きは図3(b)に示す方向20に向いているものとする。移相素子320は、図3(b)に示すように、2組の誘電体薄板321、1組の導体薄板322、誘電体薄板321と電極薄板322とによって囲まれる直方体セルに充填された液晶323、および接続線324によって構成される。
【0004】
接続線324を介して導体薄板322に印加された電圧によって、移相器320内に充填された液晶323を構成する各分子の配向方向を変えることができる。ここで、液晶を構成する各分子の配向方向によって誘電率が変化することは、誘電率の異方性として知られている。液晶は誘電率に異方性があることから、分子の配向方向を制御することによって誘電率を変化させ、各移相器320を通り抜ける電波の伝搬速度を変えることができる。その結果、移相器310を構成する各移相素子320を通り抜ける電波の伝搬速度を移相素子320毎に調整することによって電波レンズ300としての動作を実現できる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、電波レンズに用いられる液晶は液体であるため、セラミクス板や金属板などによって液晶を充填する空間を作ることが必要となる。そして、従来、液晶セルは、図3(b)に示すように誘電体薄板321、導体薄板322、および液晶323によって構成されていた。そして、液晶323の配向を安定に制御するためには、特に、導体薄板322間に電圧を印加しないときの液晶323の配向を安定に制御するためには、液晶323の厚さを例えば100μm程度以下に薄くしなければならない。
【0006】
一方、導体薄板322は、液晶セルを構成するために、液晶セルの形状を保つ程度の機械的強度が求められる。そのため、導体薄板322の厚さは、例えば100μm程度以上にしなければならなかった。または、導体薄板322の代わりに誘電体薄板に導体薄膜を蒸着させたものを用いることも考えられるが、この場合でも誘電体薄板の厚さは例えば50μm程度以上でなければならなかった。
【0007】
以上の制約により、電波レンズの開口面積に対する液晶部分の面積の割合が減少し、電波の透過率が著しく減少すると共に、電波レンズの誘電率の変化率が減少するため、電波の進行方向の制御範囲が狭くなる等の問題が生じていた。
また、電波の透過率や電波の進行方向の制御範囲をある程度確保するためには、液晶323の厚さを例えば100μm程度以下の範囲でできるだけ厚くすることが要求される。従来のような構成で液晶323の厚さを厚くすると、制御電圧の変化に対する液晶分子の配向変化の応答が遅くなる。その結果、電波ビームの制御の応答速度が低下するという問題も生じていた。
【0008】
本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、入射電波の透過率を向上し、電波の進行方向の制御範囲を拡張し、電波ビームの制御の応答速度を向上することが可能な電波レンズを提供することである。
【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、電波の進行方向に対し平行に交互に配置された金属箔からなる第1および第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極とに挟持され、所定の液晶が所定の素材に含浸された液晶含浸素材とを備えた構成を有している。
【0010】
この構成により、電波の進行方向の制御範囲として所要の範囲を得るため、必要な電波レンズのサイズを従来の電波レンズに比べて小さくできるので、電波レンズを小型軽量化できると共に、簡易に形成することができる。
また、送信機やホーンアンテナ含む電波ビーム送信装置の一部として本発明の電波レンズを考えれば、電波レンズの透過率が従来の電波レンズに比べて大きくなる(電波レンズの損失が小さくなる)ので、所望の送信電力を得るために必要な送信機の出力電力を小さくでき、装置全体の小型軽量化が図れる。
【0011】
また、請求項2に係る発明は、請求項1において、前記所定の素材は、紙、布、または繊維を含む構成を有している。
この構成により、液晶を容易に含浸させることができる通常の材料を用いて、電波レンズを構成できる。
【0012】
また、請求項3に係る発明は、請求項1において、前記所定の液晶は、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、またはこれら液晶を混合して得られる液晶を含む構成を有している。
この構成により、誘電率の異方性の強い液晶を用いるため、より小型の電波レンズを実現できる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照し、本発明の第1の実施の形態に係る電波レンズについて説明する。
図1に、本発明の第1の実施の形態に係る電波レンズの模式的な構成を示す。図1(a)において、電波レンズ100は、液晶含浸素材110、第1の電極120、第2の電極130、および制御電源140とによって構成される。
【0014】
各液晶含浸素材110は、紙、布、繊維その他の液晶を含浸させることができる素材に液晶を含浸させたものである。ここでは、例えば、厚さが200μm程度の薄い平板状の形状を有するものが用いられる場合について説明する。
第1の電極120および第2の電極130は、導電性の素材でできたフィルム状のものであり、例えば5ミクロン程度の厚さの金属箔等でもよい。
【0015】
また、液晶含浸素材110は、第1、第2の電極120、130と、図1(a)に示すように交互に積み重ねられる。ここで、第1の電極120は、第2の電極130とも図1(a)に示すように、更に交互に積み重ねられた構成となっている。
【0016】
以下では、図1(b)に示す最も接近した2枚の第2の電極130によって挟まれた部分を液晶セル層とする。ここで、液晶セル層には、この最も接近した2枚の第2の電極130を含むものとする。したがって、電波レンズ100は、構造的には液晶セル層を積層したものと考えることもでき、図1(a)には、積層数がnの場合の電波レンズ100を示す。
【0017】
また、第1の電極120は、例えば、短冊状の形状をした電極が横方向に配列された構造をなすのでも良い。以下では、この短冊状の形状をした電極の各々を第1の電極120ともいう。図1(a)では、横方向に配列された短冊状の形状をした電極の数をm枚とする。従って、短冊状の形状をした電極は、全体でn×m枚配列されていることになる。以下では、図1(b)に示すように、液晶セル層のうち、1つの短冊状の形状をした電極が第2の電極130によって挟まれる部分のことを液晶セルいう。ここで、液晶セルには、液晶含浸素材110を挟む2枚の第2の電極130を含むものとする。
【0018】
次に、各液晶セルの第1の電極120と第2の電極130との間には、制御電源140が接続される。ここで、第2の電極130は、アース等の所定の基準電位になっており、第1の電極120の電位を制御電源140によって制御する構成となっている。
【0019】
図2を用いて液晶セルの動作について説明する。第1の電極120と第2の電極130との間に電圧が印加されていないときの液晶の配向方向を図2(a)に示す。ここで、液晶を構成する分子111は、電極に対して概ね平行に配列されている例が示されている。
【0020】
次に、制御電源140によって所定の電圧が印加されると、図2(b)に示すように液晶を構成する分子111は、第1の電極120、第2の電極130に対して概ね垂直になるように配向するように構成されている。このように、液晶セルは、第1の電極120と第2の電極130との間に所定の電圧を印加すると、液晶分子の配向方向が変化し、液晶含浸素材110の誘電率を変化させることができる構成となっている。そして、電波レンズ100は、各液晶セルの誘電率を調整することによって電波レンズ100内の誘電率の分布を調整することが可能となり、電波ビームの方向を制御することができる。
【0021】
ここで、上記において例示した液晶含浸素材110の厚さ、第1の電極120および第2の電極130の厚さの数値を用いて電波レンズ開口面積に占める液晶層部分の面積の割合の一例を算出しておく。算出された値は97%(=200/(200+5))となり、金属箔による透過率の減少量は従来技術の電波レンズに比して数十%も削減でき、ほとんど無視できる程度にできる。これは、1つには、液晶含浸素材110を用いることによって、液晶含浸素材110だけで機械的な強度を確保することができたため、電極を薄くできたことによるものである。
【0022】
また、電波レンズ全体としての誘電率の変化も大きくとれるようになったため、電波ビームの進行方向の制御範囲を広げることができる。換言すれば、所要のビーム制御範囲を得るために必要な電波レンズのサイズを小さくできる。同時に、電波ビーム制御の応答速度も速くすることができる。
【0023】
ここで、液晶含浸素材110に含浸されている液晶は、高周波に対して誘電率の異方性を有し、細長い液晶分子の長軸方向の誘電率は、短軸方向のものに比べて高い。その誘電率の異方性は、大きい方が移相を大きく制御できるため、誘電率の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、またはこれら液晶の混合液晶を液晶含浸素材110に含浸させる液晶として用いることができる。
【0024】
ただし、高速性を得るには、低粘性かつ高弾性のネマティック液晶が適している。特に、屈折率異方性の大きなシアノビフェニル系、ターフェニル系、ピリジン系、ピリミジン系およびトラン系のネマティック液晶が好適である。一方、スメクティック液晶を用いる場合には、自発分極を有して高速応答を示す強誘電性液晶が有用である。また、このような液晶を含浸させる素材としては、高周波領域における損失が少なく、かつ、より多くの液晶を含むことのできる材料や構造が有効である。
【0025】
以上説明したように、本発明の第1の実施の形態に係る電波レンズは、電波の進行方向の制御範囲として所要の範囲を得るために必要な電波レンズのサイズを従来の電波レンズに比べて小さくできるので、電波レンズを小型軽量化できると共に、簡易に形成することができる。
【0026】
また、送信機やホーンアンテナ含む電波ビーム送信装置の一部として本発明の電波レンズを考えれば、電波レンズの透過率が従来の電波レンズに比べて大きくなる(電波レンズの損失が小さくなる)ので、所望の送信電力を得るために必要な送信機の出力電力を小さくでき、装置全体の小型軽量化が図れる。
さらに、電波ビーム制御の応答速度が高速になるので、例えばレーダのような高速なビーム制御を必要とする装置へも、応用範囲を広げることができる。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、入射電波の透過率を向上し、電波の進行方向の制御範囲を拡張し、電波ビームの制御の応答速度を向上することが可能な電波レンズ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の模式的な構成に示す図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係る電波レンズの動作を説明するための図である。
【図3】従来の電波レンズの模式的な構成に示す図である。
【符号の説明】
10 電波の進行方向
20 電界の方向
100 電波レンズ
110 液晶含浸素材
111 液晶を構成する分子
120 第1の電極
130 第2の電極
140 制御電源
300 従来の電波レンズ
310 移相器
320 移相素子
321 誘電体薄板
322 導体薄板
323 液晶
324 接続線
400 ホーンアンテナ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a radio wave lens for electronically controlling the traveling direction of a radio wave based on an externally input signal.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a
[0003]
FIG. 3B is a partially omitted view showing a configuration example of the
[0004]
The orientation direction of each molecule constituting the
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Here, since the liquid crystal used in the radio wave lens is a liquid, it is necessary to create a space for filling the liquid crystal with a ceramic plate or a metal plate. Conventionally, the liquid crystal cell is composed of a dielectric
[0006]
On the other hand, the conductor
[0007]
Due to the above restrictions, the ratio of the area of the liquid crystal part to the aperture area of the radio lens is reduced, the radio wave transmittance is remarkably reduced, and the rate of change of the dielectric constant of the radio lens is reduced. Problems such as narrowing of the range occurred.
Further, in order to secure a certain range of radio wave transmittance and radio wave traveling direction, it is required to make the
[0008]
The present invention has been made to solve such problems, and its purpose is to improve the transmittance of incident radio waves, expand the control range of the radio wave traveling direction, and improve the response speed of radio wave beam control. It is providing the radio wave lens which can do.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In view of the above points, the invention according to claim 1 is the first and second electrodes made of metal foil alternately arranged in parallel to the traveling direction of the radio wave, the first electrode, and the first electrode. A liquid crystal impregnated material sandwiched between two electrodes and impregnated with a predetermined liquid crystal in a predetermined material .
[0010]
With this configuration, in order to obtain the required range as the control range of the radio wave traveling direction, the size of the required radio wave lens can be made smaller than that of the conventional radio wave lens, so that the radio wave lens can be reduced in size and weight and easily formed. be able to.
In addition, if the radio lens of the present invention is considered as a part of the radio beam transmitter including the transmitter and the horn antenna, the radio lens has a higher transmittance than the conventional radio lens (the loss of the radio lens is reduced). Thus, the output power of the transmitter necessary for obtaining a desired transmission power can be reduced, and the entire apparatus can be reduced in size and weight.
[0011]
In addition, the invention according to claim 2 has a configuration according to claim 1, wherein the predetermined material includes paper, cloth, or fiber.
With this configuration, a radio wave lens can be configured using a normal material that can be easily impregnated with liquid crystal.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the predetermined liquid crystal includes a nematic liquid crystal, a cholesteric liquid crystal, a smectic liquid crystal, or a liquid crystal obtained by mixing these liquid crystals.
With this configuration, since a liquid crystal having a strong dielectric anisotropy is used, a smaller radio wave lens can be realized.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a radio wave lens according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a schematic configuration of a radio wave lens according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1A, the radio wave lens 100 includes a liquid crystal impregnated
[0014]
Each liquid crystal impregnated
The
[0015]
Further, the liquid crystal impregnated
[0016]
Hereinafter, a portion sandwiched between the two closest
[0017]
Further, the
[0018]
Next, a
[0019]
The operation of the liquid crystal cell will be described with reference to FIG. FIG. 2A shows the alignment direction of the liquid crystal when no voltage is applied between the
[0020]
Next, when a predetermined voltage is applied by the
[0021]
Here, an example of the ratio of the area of the liquid crystal layer portion in the radio wave lens opening area using the values of the thickness of the liquid crystal impregnated
[0022]
In addition, since the change in the dielectric constant of the entire radio wave lens can be increased, the control range of the traveling direction of the radio wave beam can be expanded. In other words, the size of the radio wave lens necessary for obtaining a required beam control range can be reduced. At the same time, the response speed of the radio wave beam control can be increased.
[0023]
Here, the liquid crystal impregnated in the liquid
[0024]
However, in order to obtain high speed, nematic liquid crystal having low viscosity and high elasticity is suitable. In particular, cyanobiphenyl, terphenyl, pyridine, pyrimidine, and tolan nematic liquid crystals having a large refractive index anisotropy are suitable. On the other hand, when using a smectic liquid crystal, a ferroelectric liquid crystal having spontaneous polarization and showing a high-speed response is useful. In addition, as a material for impregnating such liquid crystal, a material or a structure that has little loss in a high frequency region and can contain more liquid crystal is effective.
[0025]
As described above, the radio wave lens according to the first embodiment of the present invention has a radio wave lens size required to obtain a required range as a control range of the radio wave traveling direction as compared with a conventional radio wave lens. Since the size can be reduced, the radio wave lens can be reduced in size and weight and can be easily formed.
[0026]
In addition, if the radio lens of the present invention is considered as a part of the radio beam transmitter including the transmitter and the horn antenna, the radio lens has a higher transmittance than the conventional radio lens (the loss of the radio lens is reduced). Thus, the output power of the transmitter necessary for obtaining a desired transmission power can be reduced, and the entire apparatus can be reduced in size and weight.
Furthermore, since the response speed of the radio wave beam control becomes high, the application range can be expanded to an apparatus that requires high-speed beam control such as radar.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, the present invention realizes a radio wave lens capable of improving the transmittance of incident radio waves, extending the control range of the radio wave traveling direction, and improving the response speed of radio wave beam control. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a radio wave lens according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the radio wave lens according to the first embodiment of the invention.
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional radio wave lens.
[Explanation of symbols]
10 Radio
Claims (3)
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