CN110444868A - 天线装置与天线系统 - Google Patents

Abstract

一种天线装置包含第一基板、第一辐射部、第一接地部、第二辐射部、液晶层以及馈入线。第一基板包含第一平面和第二平面。第一辐射部设置于第一平面。第一接地部包含槽孔，其中第一辐射部位于槽孔于第一平面上的投影之内。第二辐射部设置于槽孔内，通过导电段耦接于第一接地部。液晶层位于第一辐射部与第二辐射部之间。馈入线设置于第二平面，其中第一辐射部于第二平面上的投影至少部分重叠于馈入线。

Description

天线装置与天线系统

技术领域

本发明有关一种天线装置与天线系统，尤指一种利用液晶调整共振频率的天线装置。

背景技术

现今的日常生活中存在许多需要使用指向性天线，以将天线产生的波束准确对准目标的情境。例如，非接触式生医感测系统需将波束对准受测者，远距无线充电需将波束对准被充电的装置，行车雷达需将波束对准行车方向，或是无人飞行载具需将波束对准被追踪的目标等等。然而，传统的指向性天线(例如，碟型天线)以及其马达传动装置难以满足上述情境对于轻量化、微型化以及低功耗的要求。有鉴于此，如何提供轻薄且低功耗的指向性天线，实为业界有待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种天线装置。天线装置包含第一基板、第一辐射部、第一接地部、第二辐射部、液晶层以及馈入线。第一基板包含第一平面和第二平面。第一辐射部设置于第一平面。第一接地部包含槽孔，其中第一辐射部位于槽孔于第一平面上的投影之内。第二辐射部设置于槽孔内，通过导电段耦接于第一接地部。液晶层位于第一辐射部与第二辐射部之间。馈入线设置于第二平面，其中第一辐射部于第二平面上的投影至少部分重叠于馈入线。

本发明提供一种天线系统。天线系统包含控制电路以及多个天线装置。每个天线装置包含第一基板、第一辐射部、第一接地部、第二辐射部、液晶层以及馈入线。第一基板包含第一平面和第二平面。第一辐射部设置于第一平面。第一接地部包含槽孔，其中第一辐射部位于槽孔于第一平面上的投影之内。第二辐射部设置于槽孔内，通过导电段耦接于第一接地部。液晶层设置于第一辐射部与第二辐射部之间。馈入线设置于第二平面，其中第一辐射部于第二平面上的投影至少部分重叠于馈入线。多个天线装置各自的馈入线互相耦接，且控制电路用于控制每个天线装置的第一辐射部和第二辐射部之间的电压差。

上述的天线系统和天线装置具有轻薄且低功耗之优点。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为依据本发明一实施例的天线装置简化后的俯视示意图。

图2为图1的天线装置沿着参考点A与A’之间的连线简化后的剖面示意图。

图3为图2的第一辐射部、第二辐射部以及馈入线的相对位置示意图。

图4A为依据本发明一实施例的天线装置的等效电流路径示意图。

图4B为依据本发明一实施例的天线装置的等效电路示意图。

图5为依据本发明另一实施例的天线装置简化后的俯视示意图。

图6为依据本发明又一实施例的天线装置简化后的俯视示意图。

图7为图6的天线装置沿着参考点A与A’之间的连线简化后的剖面示意图。

图8为依据本发明又一实施例的天线装置简化后的俯视示意图。

图9为图8的天线装置沿着参考点B与B’之间的连线简化后的剖面示意图。

图10为图1的天线装置调整第一辐射部和第二辐射部之间的电压差时的天线特性比较示意图。

图11为依据本发明一实施例的天线系统简化后的功能方块图。

其中，附图标记：

100、500、600、800、1120：天线装置

102、1110：控制电路

110：第一辐射部

120：第二辐射部

130：第一接地部

132：槽孔

140：馈入线

150：导电段

160：第二接地部

310～360：第一导电段～第六导电段

410～440：第一电流路径～第四电流路径

C1：电容

L1：电感

610、810：通孔

1100：天线系统

1130：射频信号产生电路

L1：预设距离

M1～M4：投影

D1、D2：第一方向、第二方向

A、A’、B、B’：参考点

LC：液晶层

P1～P3：第一基板～第三基板

SF1～SF6：第一平面～第六平面

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

以下将配合相关附图来说明本发明的实施例。在附图中，相同的标号表示相同或类似的元件或方法流程。

图1为依据本发明一实施例的天线装置100简化后的俯视示意图。图2为图1的天线装置100沿着参考点A与A’之间的连线简化后的剖面示意图。请同时参考图1与图2，天线装置100包含第一辐射部110、第二辐射部120、第一接地部130、馈入线140、导电段150、第二接地部160、第一基板P1、第二基板P2、第三基板P3以及液晶层LC。

第一基板P1包含第一平面SF1与第二平面SF2，而第二基板P2包含第三平面SF3与第四平面SF4。第一辐射部110设置于第一平面SF1，而第二辐射部120、第一接地部130以及导电段150设置于第三平面SF3。第一接地部130包含槽孔132，槽孔132用于暴露第一辐射部110，使第一辐射部110的辐射场不会被第一接地部130屏蔽，以提升天线装置100的辐射效率。第二辐射部120设置于槽孔132内，且通过导电段150耦接于第一接地部130。液晶层LC填充于第一基板P1与第二基板P2之间，亦即位于第一平面SF1和第三平面SF3之间。

第三基板P3包含第五平面SF5与第六平面SF6，其中馈入线140设置于第二平面SF2和第五平面SF5之间，第二接地部160则设置于第六平面SF6。实作上，第一基板P1、第二基板P2以及第三基板P3可以用玻璃基板来实现。在本实施例中，馈入线140则沿着第一方向D1延伸，而槽孔132沿着第二方向D2延伸。在某一实施例中，第一方向D1实质垂直于第二方向D2。

实作上，第一基板P1、第二基板P2和第三基板P3可以用玻璃基板来实现。在一实施例中，液晶层LC会通过钝化层(passivation layer)和/或配向膜间接接合于第一辐射部110、第二辐射部120、第一接地部130、第一平面SF1以及第三平面SF3。

第一辐射部110、第二辐射部120以及位于第一辐射部110与第二辐射部120之间与周围的部分液晶层LC会形成等效电容。第一辐射部110和第一接地部130耦接于控制电路102。控制电路102用于施加电压于第一辐射部110以及第一接地部130，以控制第一辐射部110和第二辐射部120之间的电压差值，进而控制第一辐射部110和第二辐射部120之间及周围的液晶的旋转角度。如此一来，便可以调整前述等效电容的电容值，以使天线装置100于致能状态与禁能状态之间切换。

在某一实施例中，天线装置100包含多个导电段150，而第二辐射部120通过多个导电段150耦接于第一接地部130。

图3为图2的第一辐射部110、第二辐射部120以及馈入线140的相对位置示意图。第一辐射部110包含第一辐射段310、第二辐射段320、第三辐射段330、第四辐射段340、第五辐射段350以及第六辐射段360。第一辐射段310、第三辐射段330、第四辐射段340以及第六辐射段360彼此平行，且沿着第二方向D2延伸。

第二辐射段320的两端分别耦接于第一辐射段310与第三辐射段330，以形成一U字形结构。第五辐射段350的两端分别耦接于第四辐射段340与第六辐射段360，以形成另一U字形结构。前述两个U字形结构以开口相对的方式互相耦接，亦即第一辐射段310耦接于第四辐射段340，且第三辐射段330耦接于第六辐射段360。另外，第一辐射段310和第三辐射段330于第二方向D2上间隔预设距离L1，且第四辐射段340和第六辐射360段亦于第二方向D2上间隔预设距离L1。

换言之，第一辐射部110的形状为具有中空区域的环形。实作上，第一辐射部110于第一方向D1上具有0.5mm～0.8mm的宽度，于第二方向D2上具有2mm～4mm的长度。第二辐射部120于第一方向D1上具有0.2mm～0.6mm的宽度，于第二方向D2上具有0.4mm～0.7mm的长度。

如图3所示，第一辐射部110会位于槽孔132于第一平面SF1上的投影M1之内。因此，第一辐射部110可藉由槽孔132完全暴露而不会被第一接地部130遮挡。另外，第二辐射部120于第一平面SF1上的投影M2至少部分重叠于第一辐射段310、第三辐射段330、第四辐射段340以及第六辐射段360，且第二辐射部120于第二平面SF2上的投影M3至少部分重叠于馈入线140。此外，第一辐射部110于第二平面SF2上的投影M4至少部分重叠于馈入线140。

在上述的实施例中，第二辐射部120只是示例性的示出，第二辐射部120的尺寸、位置及形状可以依不同的设计考量而调整。例如，第二辐射部120的形状可以是矩形、圆形或是其他满足设计需求的形状。

第一接地部130、第二接地部160与馈入线140共同组成射频信号传输结构，射频信号传输结构用于提供射频信号至第一辐射部110与第二辐射部120。图4A为依据本发明一实施例的天线装置100的等效电流路径示意图。当射频信号传输结构提供射频信号时，第一辐射部110上会形成第一等效电流路径410与第二等效电流路径420，第二辐射部120上则会形成第三等效电流路径430与第四等效电流路径440。第一等效电流路径410自第一辐射段310经由第二辐射段320而延伸至第三辐射段330。第二等效电流路径420自第四辐射段340经由第五辐射段350而延伸至第六辐射段360。

在某一实施例中，当射频信号是由天线装置100的下方往上方传递，射频信号具有特定信号相位时，第一等效电流路径410与第三等效电流路径430会具有逆时针的电流方向，而第二等效电流路径420与第四等效电流路径440会具有顺时针的电流方向。当射频信号具有另外的信号相位时，第一等效电流路径410与第三等效电流路径430会具有顺时针的电流方向，而第二等效电流路径420与第四等效电流路径440会具有逆时针的电流方向。

另外，当馈入线140提供射频信号时，天线装置100会等效于图4B所示的等效电路。在图4B的等效电路中，电容C1的电容值会正相关于第一辐射部110的总面积。更精确来说，电容C1的电容值会正相关于图3中第二辐射部120的投影M2与第一辐射部110的重叠面积以及边缘场(fringing field)所衍生的区域，且还正相关于第一辐射部110和第二辐射部120之间及周围的液晶的介电系数。电感L1的电感值则会正相关于第一辐射段310、第二辐射段320、第三辐射段330、第四辐射段340、第五辐射段350、第六辐射段360之长度总和以及第二辐射部120在D1方向上的等效长度。

天线装置100的共振频率可以由以下的《公式1》计算：

其中f表示天线装置100的共振频率，C表示电容C1的等效电容值，L则表示电感L1的等效电感值。因此，天线装置100的共振频率会负相关于第一辐射段310、第二辐射段320、第三辐射段330、第四辐射段340、第五辐射段350以及第六辐射段360之长度总和，以及第二辐射部120在D1方向上的等效长度。天线装置100的共振频率还负相关于第二辐射部120与第一辐射部110重叠的面积，与边缘场所衍生的面积总合。

图5为依据本发明一实施例的天线装置500简化后的俯视示意图。天线装置500相似于图1的天线装置100，差异在于天线装置500的第一辐射部110的形状为中空矩形。前述天线装置100的其余连接方式、元件、实施方式以及优点，皆适用于天线装置500，为简洁起见，在此不重复赘述。

图6为依据本发明一实施例的天线装置600简化后的俯视示意图。图7为图6的天线装置600沿着参考点A与A’之间的连线简化后的剖面示意图。天线装置600相似于天线装置100，差异在于天线装置600另包含通孔610。如图7所示，通孔610贯穿第一基板P1以暴露部分的第二辐射部120，且通孔610位于第二辐射部120和第四平面SF4之间。

在本实施例中，控制电路102耦接于第一辐射部110，并通过通孔610耦接于第二辐射部120。因此，控制电路102可以直接对第二辐射部120施加电压，而无需通过第一接地部130来间接对第二辐射部120施加电压。如此一来，可以更精确地控制第一辐射部110与第二辐射部120之间的液晶的旋转角度。

前述天线装置100的其余连接方式、元件、实施方式以及优点，皆适用于天线装置600，为简洁起见，在此不重复赘述。

在某些实施例中，天线装置100和600的第二接地部160可以省略，以减少制程步骤以及降低制作成本。在省略第二接地部160的情况下，可以避免天线装置100和600产生的辐射场被第一接地部130和第二接地部160之间可能出现的电压差异所干扰。在第二接地部160被省略的情况下，射频信号传输结构由第一接地部130与馈入线140组成。

图8为依据本发明一实施例的天线装置800简化后的俯视示意图。图9为图8的天线装置800沿着参考点B与B’之间的连线简化后的剖面示意图。天线装置800相似于天线装置100，差异在于天线装置800另包含多个通孔810。如图7所示，部分的通孔810沿着第一方向D1排列，且接近于馈入线140。另一部分的通孔810沿着第二方向D2方向排列，且接近于槽缝132。请注意，通孔810亦可以用其他满足设计需求的方式进行排列，而不以本实施例的排列方式为限。

请参照图9，通孔810贯穿液晶层LC、第一基板P1以及第三基板P3，且第一接地部130通过通孔810耦接于第二接地部160。如此一来，第一接地部130和第二接地部160会具有相同的电压准位，所以可以避免第一接地部130和第二接地部160之间可能出现的电压差异干扰天线装置800产生的辐射场。

前述天线装置100的其余连接方式、元件、实施方式以及优点，皆适用于天线装置800，为简洁起见，在此不重复赘述。

图10为图1的天线装置100调整第一辐射部110和第二辐射部120之间的电压差时的天线特性比较示意图。曲线Q1代表当第一辐射部110和第二辐射部120之间的电压差为0V，使得液晶具有第一介电系数(例如，4.0)时，天线装置100于不同工作频段中的辐射功率。由曲线Q1可知，当液晶具有第一介电系数时，天线装置100的共振频率约为16.75GHz。亦即，当天线装置100工作于16.75GHz附近的频段时会产生能量较高的辐射场，而当天线装置100工作于其他频段时则会产生能量较低的辐射场。

曲线Q2则代表当第一辐射部110和第二辐射部120之间的电压差为5V，使得液晶具有第二介电系数(例如，2.4)时，天线装置100于不同工作频段中的辐射功率，其中第一介电系数大于第二介电系数。由曲线Q2可知，当液晶具有第二介电系数时，天线装置100的共振频率约为15.25GHz。亦即，当天线装置100工作于15.25GHz附近的频段时会产生能量较高的辐射场，而当天线装置100工作于其他频段时则会产生能量较低的辐射场。

当天线装置100固定工作于16.75GHz附近的频段时，曲线Q1对应的辐射功率大于曲线Q2对应的辐射功率，且两者相差几乎一个数量级，使得天线装置100可以实现切换工作状态的功能。

例如，当天线装置100工作于16.75GHz的频段，当第一辐射部110和第二辐射部120之间的电压差为0V使液晶的介电系数为4.0时，天线装置100工作于致能状态。而当天线装置100保持工作于16.75GHz的频段，且第一辐射部110和第二辐射部120之间的电压差为5V使液晶的介电系数为2.4时，天线装置100工作于禁能状态。

在某一实施例中，天线装置100是使用第一介电系数小于第二介电系数的液晶。在天线装置100固定工作于16.75GHz附近的频段的情况下，当第一辐射部110和第二辐射部120之间的电压差为0V时，天线装置100工作于禁能状态。当第一辐射部110和第二辐射部120之间的电压差为5V时，天线装置100工作于致能状态。

由上述可知，天线装置100、600与800相容于传统的平面显示器的成熟制程，所以具有制作容易以及体积轻薄的优势。另外，天线装置100、600与800切换工作状态所需的电压差很低，因此具有节省功率的优点。

此外，天线装置100、600与800的共振频率可以通过第一辐射部110之长度、第二辐射部120之面积以及液晶的介电系数等等多项参数进行调整，因此天线装置100、600与800还具有设计自由度高的优势。

图11为依据本发明一实施例的天线系统1100简化后的功能方块图。天线系统1100包含控制电路1110、多个天线装置1120以及射频信号产生电路1130，其中天线装置1120是前述的天线装置100、600或是800，且天线装置1120以矩阵方式排列。在本实施例中，多个天线装置1120的馈入线140互相耦接，以共同由射频信号产生电路1130接收射频信号。另外，控制电路1120用于独立控制每个天线装置1120的第一辐射部110和第二辐射部120之间的电压差。

换言之，控制电路1120可以控制个别的天线装置1120工作于致能状态或是禁能状态。如此一来，天线系统1100便能够实现全像波束控制(holographic beam steering)之功能，以产生辐射角度可灵活控制的指向性的波束。

由上述可知，天线系统1100具有轻薄化且低功耗的优点，且可制作成如中小尺寸的平面显示器般易于携带的大小。因此，天线系统1100可应用于行车雷达、无人飞行载具之雷达、远距无线充电以及非接触式生医感测系统等等需要将天线之波束对准目标领域。

在说明书及申请专利范围中使用了某些词汇来指称特定的元件。然而，所属技术领域中具有通常知识者应可理解，同样的元件可能会用不同的名词来称呼。说明书及申请专利范围并不以名称的差异做为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来做为区分的基准。在说明书及申请专利范围所提及的「包含」为开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。

在此所使用的「和/或」的描述方式，包含所列举的其中之一或多个项目的任意组合。另外，除非说明书中特别指明，否则任何单数格的用语都同时包含复数格的涵义。

在说明书及申请专利范围中，若描述第一元件位于第二元件上、在第二元件上方、连接、接合、耦接于第二元件或与第二元件相接，则表示第一元件可直接位在第二元件上、直接连接、直接接合、直接耦接于第二元件，亦可表示第一元件与第二元件间存在其他元件。相对之下，若描述第一元件直接位在第二元件上、直接连接、直接接合、直接耦接、或直接相接于第二元件，则代表第一元件与第二元件间不存在其他元件。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (19)

1.一种天线装置，其特征在于，包含：

一第一基板，包含一第一平面和一第二平面；

一第一辐射部，设置于该第一平面；

一第一接地部，包含一槽孔，其中该第一辐射部位于该槽孔于该第一平面上的投影之内；

一第二辐射部，设置于该槽孔内，通过一导电段耦接于该第一接地部；

一液晶层，位于该第一辐射部与该第二辐射部之间；以及

一馈入线，设置于该第二平面，其中该第一辐射部于该第二平面上的投影至少部分重叠于该馈入线。

2.如权利要求1的天线装置，其特征在于，该第一接地部与该馈入线共同形成一射频信号传输结构，该射频信号传输结构用于传输一射频信号至该第一辐射部与该第二辐射部。

3.如权利要求1的天线装置，其特征在于，另包含：

一第二基板，包含一第三平面，其中该第一接地部与该第二辐射部设置于该第三平面，且该液晶层位于该第一平面与该第三平面之间。

4.如权利要求3的天线装置，其特征在于，该第二基板包含：

一第四平面，相对于该第三平面；以及

一通孔，贯穿该第二基板，且位于该第二辐射部和该第四平面之间。

5.如权利要求3的天线装置，其特征在于，另包含：

一第三基板，包含一第五平面与一第六平面，其中该馈入线设置于该第二平面与该第五平面之间；以及

一第二接地部，设置于该第六平面。

6.如权利要求5的天线装置，其特征在于，另包含多个通孔，其中该多个通孔贯穿该液晶层、该第一基板以及该第三基板，且该第一接地部通过该多个通孔耦接于该第二接地部。

7.如权利要求5的天线装置，其特征在于，该第一接地部、该第二接地部与该馈入线共同形成一射频信号传输结构，该射频信号传输结构用于传输一射频信号至该第一辐射部与该第二辐射部。

8.如权利要求1至7任一项的天线装置，其特征在于，该第一辐射部为环形或中空矩形。

9.如权利要求8的天线装置，其特征在于，该第二辐射部于该第一平面上的投影至少部分重叠于该第一辐射部，且该第二辐射部于该第二平面上的投影至少部分重叠于该馈入线。

10.如权利要求8的天线装置，其特征在于，该第一辐射部包含一第一辐射段、一第二辐射段、一第三辐射段、一第四辐射段、一第五辐射段以及一第六辐射段，

其中该第二辐射段的两端分别耦接于该第一辐射段和该第三辐射段，该第五辐射段的两端分别耦接于该第四辐射段和该第六辐射段，该第一辐射段耦接于该第四辐射段，且该第三辐射段耦接于该第六辐射段，

其中该第一辐射段、该第三辐射段、该第四辐射段以及该第六辐射段沿着一第一方向延伸，该第一辐射段和该第三辐射段于一第二方向上间隔一预设距离，该第四辐射段和该第六辐射段于该第二方向上间隔该预设距离，且该第一方向正交于该第二方向。

11.如权利要求10的天线装置，其特征在于，该天线装置的共振频率负相关于该第一辐射段、该第二辐射段、该第三辐射段、该第四辐射段、该第五辐射段以及该第六辐射段之长度总和，或是负相关于该第二辐射部的总面积。

12.一种天线系统，其特征在于，包含：

一控制电路；

多个天线装置，且每个天线装置包含：

一第一基板，包含一第一平面和一第二平面；

一第一辐射部，设置于该第一平面；

一第一接地部，包含一槽孔，其中该第一辐射部位于该槽孔于该第一平面上的投影之内；

一第二辐射部，设置于该槽孔内，通过一导电段耦接于该第一接地部；

一液晶层，设置于该第一辐射部与该第二辐射部之间；以及

一馈入线，设置于该第二平面，其中该第一辐射部于该第二平面上的投影至少部分重叠于该馈入线；

其中，该多个天线装置各自的该馈入线互相耦接，且该控制电路用于控制每个天线装置的该第一辐射部和该第二辐射部之间的电压差。

13.如权利要求12的天线系统，其特征在于，该第一接地部与该馈入线共同形成一射频信号传输结构，该射频信号传输结构用于传输一射频信号至该第一辐射部与该第二辐射部。

14.如权利要求12的天线系统，其特征在于，另包含：

一第二基板，包含一第三平面，其中该第一接地部与该第二辐射部设置于该第三平面，且该液晶层位于该第一平面与该第三平面之间。

15.如权利要求14的天线系统，其特征在于，该第二基板包含：

一第四平面，相对于该第三平面；以及

一通孔，贯穿该第二基板，且位于该第二辐射部和该第四平面之间。

16.如权利要求14的天线系统，其特征在于，另包含：

一第三基板，包含一第五平面与一第六平面，其中该馈入线设置于该第二平面与该第五平面之间；以及

一第二接地部，设置于该第六平面。

17.如权利要求16的天线系统，其特征在于，另包含多个通孔，其中该多个通孔贯穿该液晶层、该第一基板以及该第三基板，且该第一接地部通过该多个通孔耦接于该第二接地部。

18.如权利要求16的天线系统，其特征在于，该第一接地部、该第二接地部与该馈入线共同形成一射频信号传输结构，该射频信号传输结构用于传输一射频信号至该第一辐射部与该第二辐射部。

19.如权利要求12至18任一项的天线系统，其特征在于，该第一辐射部为环形或中空矩形。