JP7222738B2

JP7222738B2 - フェーズドアレイアンテナ装置

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Publication number: JP7222738B2
Application number: JP2019019239A
Authority: JP
Inventors: 大一鈴木
Original assignee: Japan Display Inc
Current assignee: Japan Display Inc
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2019-02-06
Publication date: 2023-02-15
Anticipated expiration: 2039-02-06
Also published as: WO2020161992A1; US20210367338A1; JP2020127155A

Description

本発明の一実施形態は、フェーズドアレイアンテナ装置の特性変動を補償する技術に関する。

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

液晶材料の誘電率は、温度に依存して変化する。したがって、液晶材料を用いた移相器は、位相シフト量が温度に依存して変化する。そうすると、フェーズドアレイアンテナ装置の指向性が温度変化に応じて変動することが問題となる。

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は、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にそれぞれ接続される複数の移相器と、複数の移相器の位相シフト量を制御する位相制御回路と複数の移相器の温度を検知する温度センサとを有し、位相制御回路は、温度センサが検知した温度に応じて移相器に印加する電圧を変化させる。

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図である。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図である。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に用いられる移相器の構成を示す図である。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に用いられる移相器の構成を示す図である。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に用いられる移相器の動作を説明する図であり、（Ａ）は液晶層に電圧が印加されない状態を示し、（Ｂ）は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フェーズドアレイアンテナ装置に用いられる移相器のチューナビリティを説明するグラフを示し、（Ａ）は温度に応じて直流電圧を設定することでチューナビリティを一定に保つことを示し、（Ｂ）は温度に応じて周波数を設定することでチューナビリティを一定に保つことを示す。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に用いられる位相制御回路の構成を示す図である。

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。

図１は、本実施形態に係るフェーズドアレイアンテナ装置１００の構成の一例を示す。フェーズドアレイアンテナ装置１００は、アンテナ素子１０２、移相器１０４、移相器１０４の位相シフト量を制御する位相制御回路１０６、移相器１０４の温度を検知する温度センサ１０８を含む。アンテナ素子１０２は、直線状、円弧状、面状に複数個が配列されてアンテナ素子アレイ１０３を形成する。移相器１０４は複数個配列されたアンテナ素子１０２のそれぞれと直列に接続される。

なお、図１は、フェーズドアレイアンテナ装置１００が送信用である場合を示す。この場合、フェーズドアレイアンテナ装置１００は、発信器１１４と接続される。発信器１１４から出力される高周波信号は、分配器１１２によってそれぞれの移相器１０４に分配される。

複数のアンテナ素子１０２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、複数のアンテナ素子１０２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。アンテナ素子１０２から放射される電磁波の位相は移相器１０４によって調整される。移相器１０４は、位相制御回路１０６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。ここで、移相器１０４によって制御される高周波信号の位相の変動量を位相シフト量」というものとする。

フェーズドアレイアンテナ装置１００は、位相制御回路１０６によって複数のアンテナ素子１０２のそれぞれに供給される高周波信号の位相を、移相器１０４によって個別に調整する。複数のアンテナ素子１０２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１００は、複数のアンテナ素子１０２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。

一方、フェーズドアレイアンテナ装置１００を受信用である場合には、発信器１１４の代わりに高周波増幅器を設け、複数のアンテナ素子１０２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構成となる。

温度センサ１０８は、センシング部１０９と測定回路１１０とを含んで構成される。センシング部１０９は、赤外線強度を検知する非接触式温度センサ、熱起電力、電気抵抗、又は磁気の変化を検知する接触式温度センサ等により実現される。例えば、センシング部１０９には、抵抗温度センサが用いられる。抵抗温度センサとしては、例えば、サーミスタ、白金薄膜温度センサを用いることができる。センシング部１０９は、移相器１０４の少なくとも一つの温度を検出可能となるように配置される。例えば、センシング部１０９は、移相器１０４に接して設置される。また、センシング部１０９は、移相器１０４に隣接して、又は移相器１０４に近接して設置される。別言すれば、センシング部１０９は、移相器１０４が置かれた環境の温度を検知するように設置される。いずれにしても、センシング部１０９は、移相器１０４の温度を直接測定するように配置されてもよいし、複数の移相器１０４が置かれた環境の温度を代用特性として検知するように配置されてもよい。

図１は、複数の移相器１０４に対し、一つのセンシング部１０９が配置される例を示す。センシング部１０９は、移相器１０４が置かれた環境の温度を検知するように設置される。また、センシング部１０９は、特定の移相器１０４の温度を検知するように設置されてもよい。図１に示す構成によれば、フェーズドアレイアンテナ装置１００の構成を簡略化することができる。一方、図２は、複数の移相器１０４のそれぞれに対ししてセンシング部１０９が配置される例を示す。図２に示す構成によれば、個々の移相器１０４の温度を検出可能となり、精密な温度管理をすることができる。

センシング部１０９で検知された信号は測定回路１１０に入力される。測定回路１１０は、センシング部から出力された信号を、温度データに変換して位相制御回路に出力する。位相制御回路１０６は、それぞれの移相器１０４に対し、位相シフト量を制御する制御信号を出力する。このとき位相制御回路１０６は、測定回路１１０から入力された温度データに基づいて、温度によって移相器１０４の位相シフト量が変化しないように、位相制御信号の設定値を温度に応じて設定する。

図３は、本実施形態に係る移相器１０４の構成を示す斜視図である。移相器１０４は、第１電極１２０と、ストリップ線路を形成する第２電極１２２とが間隙をもって対向して配置され、その間隙に液晶層１２４が設けられた構成を有する。第１電極１２０は第１基板１１６に設けられ、第２電極１２２は第２基板１１８基板に設けられる。第１基板１１６と第２基板１１８とは一定の間隙をもって対向配置され、その間隙部に液晶層１２４が設けられる。

第１電極１２０は第１基板１１６の略全面に広がる導体パターンで形成される。一方、第２電極１２２は、マイクロストリップ線路を形成するように細長い、帯状の導体パターンで形成される。第１電極１２０は一定電位が付与される。例えば、第１電極１２０は接地される。第２電極１２２は、長手方向の一方が高周波信号の入力端となり、他方が高周波信号の出力端となる。液晶層１２４は、少なくとも、第１電極１２０と第２電極１２２との間の領域を充満するように設けられる。図３には図示されないが、第１基板１１６と第２基板１１８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、図３には示されないが、第１基板１１６と第２基板１１８とは、液晶層１２４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。

液晶層１２４としては、液晶材料が用いられる。液晶材料としては、ネマチック液晶、スメクチック液晶、コレステリック液晶、ディスコレステリック液晶、強誘電性液晶（例えば、キラルスメチック液晶）を用いることができる。

第２電極１２２には、位相制御回路１０６から制御信号が印加される。制御信号は、直流又は交流の電圧信号である。直流の電圧信号は、一定時間経過するごとに極性が反転する極性反転信号であることが好ましい。第２電極１２２に制御信号が印加されることで、液晶層１２４は、第１電極１２０と第２電極１２２との電位差に応じて液晶分子の配向が変化する。液晶分子は極性分子の一種であるので、液晶層１２４の誘電率は液晶分子の配向状態に依存して変化する。すなわち、移相器１０４は、第２電極１２２に印加する電圧によって誘電率を変化させることができる。

液晶層１２４として用いられる液晶材料は、温度の変化に応じて誘電率も変化する。したがって、移相器１０４が伝搬する高周波信号の位相シフト量を正確に制御するには、第２電極１２２に印加する制御信号が液晶層１２４の温度特性に応じて補償されていることが好ましい。フェーズドアレイアンテナ装置１００は、図１を参照して説明したように、温度センサ１０８によって移相器１０４の温度を検出する機能を有する。位相制御回路１０６は、温度センサ１０８で検出された移相器１０４の温度が入力されることにより、温度補償された制御信号を移相器１０４に出力する機能を有する。

図４は、移相器１０４にセンシング部１０９が設けられる態様を示す。センシング部１０９は、移相器１０４に密接して設けられる。図４は、第２基板１１８にセンシング部１０９が密接して設置される態様を示す。このような場合、センシング部１０９には薄膜温度センサが用いられることが好ましい。薄膜温度センサとして、例えば、白金薄膜温度センサを用いることができる。このように、センシング部１０９として密着型の温度センサを用いることで、液晶層１２４の温度を、より近接した状態で測定することができる。図４に示すセンシング部１０９の構成は、図２に示すように、それぞれの移相器１０４に個々に移相器１０４を設ける場合に適している。なお、図４は、第２基板１１８にセンシング部１０９を設ける態様を示すが、センシング部１０９は、第１基板１１６に設けられていてもよいし第１基板１１６と第２基板１１８の双方に設けられていてもよい。

前述のように液晶分子は極性分子であり誘電率の異方性を有しているので、配向状態によって誘電率が変化する。図５（Ａ）は、第１電極１２０と第２電極１２２との間に電圧が印加されない第１の状態を示す。移相器１０４が第１の状態にあるとき、液晶分子１２６は、長軸方向が第１基板１１６及び第２基板１１８の主面と平行な方向に配向する。図５（Ａ）において、マイクロストリップ線路を形成する第２電極１２２に高周波信号が伝搬するとき、高周波電界に対し液晶分子１２６の長軸方向が垂直に配向する状態となる。図５（Ａ）は、第１の状態において液晶層１２４が第１の誘電率（ε_⊥）を有することを示す。

一方、図５（Ｂ）は、第１電極１２０と第２電極１２２との間に電圧が印加された第２の状態を示す。第２の状態では、液晶分子１２６の長軸方向が第１基板１１６及び第２基板１１８の主面と垂直な方向に配向する。図５（Ｂ）において、第２電極１２２に高周波信号が伝搬するとき、高周波電界に対し液晶分子１２６の長軸方向が平行に配向する状態となる。図５（Ｂ）は、第１の状態において液晶層１２４が第２の誘電率（ε_／／）を有することを示す。

第１の誘電率（ε_⊥）に対し、第２の誘電率（ε_／／）は、液晶分子１２６が第１基板１１６及び第２基板１１８の主面と垂直な方向に配向していることから大きくなる（ε_⊥＜ε_／／）。移相器１０４は、液晶層１２４の誘電率が変化することにより、第２電極１２２を流れる高周波信号の位相を変化させることができる。例えば、液晶層１２４の誘電率が大きくなる方向に変化すると位相速度が遅くなるので高周波信号の位相が遅延する。具体的には、移相器１０４が第１の状態から第２の状態に変化することで、第２電極１２２を伝搬する高周波信号の位相が遅延することとなる。このように、第２電極１２２に印加する電圧（直流電圧）を変化させることで、高周波信号の位相シフト量を制御することが可能となる。

なお、液晶層１２４の誘電率は、液晶分子１２６の分極によって変化するものであるため、第２電極１２２に交流電圧を印加すると共に、その周波数を変化させることで誘電率を変化さることができる。例えば、液晶分子１２６は、第２電極１２２に印加する交流電圧の周波数が高くなると、周波数に追従できず分極しない状態となる。したがって、第２電極１２２に印加する交流電圧の周波数を変化させることで、液晶層１２４の誘電率を変化させることができる。この場合、交流電圧の周波数が高く液晶分子１２６の分極が周波数に追従できない場合は前述の第１の状態に対応し、交流電圧の周波数が低く液晶分子１２６の分極が周波数に追従できる場合は前述の第２の状態に対応する。このように、移相器１０４は、第２電極１２２に交流電圧を印加すると共に、その周波数を変化させることによっても、高周波信号の位相を制御することができる。

液晶層１２４の誘電率は、温度に依存して変化する。表１は、ネマチック液晶における誘電率の温度依存性の一例を示す。第１の状態における第１の誘電率（ε_⊥）の誘電率は、２０℃、４０℃、６０℃の範囲で変化しないのに対し、第２の状態における第２の誘電率（ε_／／）は同温度範囲において変化する。また、表１は、誘電率が液晶層に印加する交流電圧の周波数（１ｋＨｚ、２０ＧＨｚ）によっても変化することを示す。

表１に示されるように、液晶層１２４の誘電率は、第１の誘電率（ε_⊥）が温度に対して一定であるのに対し、第２の誘電率（ε_／／）が温度に対して変化する。したがって、液晶層１２４の配向状態を制御する制御信号Ｖ_ＬＣの値を調整することで、誘電率の温度補償をすることが可能となる。ここで、液晶層１２４の誘電率の温度補償を行うには、式（１）で定義されるチューナビリティ（τ_eｆｆ）が一定となるように制御すればよい。
τ_eｆｆ＝（ε_／／－ε_⊥）／ε_／／（１）

図６（Ａ）は、液相層のチューナビリティと制御信号Ｖ_ＬＣとの関係を模式的に示すグラフである。図６（Ａ）に示すように、液晶層１２４へ印加する制御信号Ｖ_ＬＣが一定であっても、誘電率は温度に依存して変化する。したがって、温度補償を考慮しない場合には、移相器１０４の位相シフト量が温度に応じて変化してしまう。そこで、チューナビリティ（τ_eｆｆ）が一定となるように、制御信号Ｖ_ＬＣを調整することで、位相シフト量の温度補償を行うことが可能となる。例えば、図６（Ａ）に示すように、チューナビリティ（τ_eｆｆ）が一定となるように、制御信号Ｖ_ＬＣをＶ_２０、Ｖ_４０、Ｖ_６０と変化させることにより、液晶層１２４の誘電率を一定に保ち、位相シフト量の温度による変動を抑制することが可能となる。

また、図６（Ｂ）は、液相層のチューナビリティと液晶層１２４への印加する制御信号Ｖ_ＬＣの周波数との関係を模式的に示すグラフである。図６（Ｂ）に示すように、液晶層１２４の誘電率は制御信号Ｖ_ＬＣの周波数ｆ_ＬＣが一定であっても、温度に依存して変化する。したがって、温度補償をしない場合には、移相器１０４の位相シフト量が温度に依存して変化してしまう。そこで、チューナビリティ（τ_eｆｆ）が一定となるように、制御信号Ｖ_ＬＣの周波数ｆ_ＬＣを調整することで、位相シフト量の温度補償を行うことが可能となる。例えば、図６（Ａ）に示すように、チューナビリティ（τ_eｆｆ）が一定となるように、制御信号Ｖ_ＬＣの周波数ｆ_ＬＣを、ｆ_６０、ｆ_４０、ｆ_２０と変化させることにより、液晶層１２４のチューナビリティを一定に保ち、位相シフト量の温度による変動を抑制することが可能となる。

液晶層１２４は、液晶分子１２６の配向の変化により誘電率が変化するが、それに伴って第１電極１２０と第２電極１２２との間に形成される容量も変化する。すなわち、第１の状態に比べ第２の状態の方が、第１電極１２０と第２電極１２２との間に形成される容量が大きくなる。このような特性を利用することで、アンテナの共振周波数を変化させることもできる。すなわち、アンテナの共振条件を自在に可変にすることもできる。

図７は、位相制御回路１０６の構成の一例を示す。図７に示すように、位相制御回路１０６は、入力部１２８、温度補償部１３０、温度補償テーブル１３２、位相シフト量設定部１３４、出力信号設定部１３６、出力部１３８を含む。入力部１２８は、温度センサ１０８の出力信号が入力される。温度補償部１３０は、入力部１２８に入力された温度データに基づき、温度補償テーブル１３２から補償データを読み出して、前述のようにチューナビリティ（τ_eｆｆ）が一定となるように、温度補償データを読み出す。位相シフト量設定部１３４は、それぞれのアンテナ素子１０２に対応する移相器１０４の位相シフト量を制御する制御信号Ｖ_ＬＣ０を設定する。位相シフト量設定部１３４で設定される制御信号Ｖ_ＬＣ０は、温度補償が行われる前の初期設定値である。出力信号設定部１３６は、制御信号Ｖ_ＬＣ０と温度補償データとを演算処理して、制御信号Ｖ_ＬＣを設定する。出力部１３８は、設定された制御信号Ｖ_ＬＣを移相器１０４に出力する。

なお、上記は、制御信号Ｖ_ＬＣが直流電圧である場合を示すが、交流の制御信号Ｖ_ＬＣを印加する場合も同様である。この場合、出力信号設定部１３６は、温度補償データに基づいて制御信号Ｖ_ＬＣの周波数ｆ_ＬＣを設定することとなる。

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１００は、移相器１０４の位相シフト量を制御する制御信号を出力する位相制御回路１０６は、温度センサ１０８によって検知された移相器１０４の温度に基づいて、制御信号を出力するので、アンテナ素子アレイ１０３から放射される電磁波が、環境温度によらず安定して出力することができる。

１００・・・フェーズドアレイアンテナ装置、１０２・・・アンテナ素子、１０３・・・アンテナ素子アレイ、１０４・・・移相器、１０６・・・位相制御回路、１０８・・・温度センサ、１０９・・・センシング部、１１０・・・測定回路、１１２・・・分配器、１１４・・・発信器、１１６・・・第１基板、１１８・・・第２基板、１２０・・・第１電極、１２２・・・第２電極、１２４・・・液晶層、１２６・・・液晶分子、１２８・・・入力部、１３０・・・温度補償部、１３２・・・温度補償テーブル、１３４・・・位相シフト量設定部、１３６・・・出力信号設定部、１３８・・・出力部

Claims

複数のアンテナ素子と、
前記複数のアンテナ素子にそれぞれ接続され、それぞれが第１電極と、前記第１電極に対向しストリップ線路を形成する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間の液晶層と、を有する複数の移相器と、
前記複数の移相器の位相シフト量を制御する位相制御回路と、
前記複数の移相器の温度を検知する温度センサと、を有し、
前記位相制御回路は、前記複数の移相器のそれぞれに入力される高周波信号の位相シフト量が、前記複数の移相器の温度変化によって変動しないように、前記温度センサが検知した温度に応じて、前記複数の移相器のそれぞれの液晶層の誘電率を変化させる、
ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ装置。
前記複数のアンテナ素子の一つと、前記複数の移相器の一つの前記第１電極とが接続され、前記第２電極は、前記複数の移相器の間で互いに接続される、請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
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に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
前記温度センサは、前記複数の移相器の少なくとも一つ又は全部の温度を検知する、請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
前記温度センサは、前記複数の移相器が置かれた環境の温度を検知する、請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
前記温度センサは、前記複数の移相器の少なくとも一つと接して設けられる、請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
前記位相制御回路は、前記温度センサが検知した温度に応じて前記移相器に印加する制御信号を変化させる、請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
前記位相制御回路は、前記温度センサが検知した温度に応じて前記移相器に印加する制御信号の周波数を変化させる、請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。