CN114498053A - 毫米波超材料混合透明天线及使用其的显示单元 - Google Patents

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CN114498053A CN202210127627.8A CN202210127627A CN114498053A CN 114498053 A CN114498053 A CN 114498053A CN 202210127627 A CN202210127627 A CN 202210127627A CN 114498053 A CN114498053 A CN 114498053A
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Abstract

本公开涉及一种集成有毫米波超材料混合透明天线的显示单元。所述显示单元包括：显示面板、透明触控板、透明盖板以及超材料混合透明天线，其中所述透明触控板包含多个由触控传感器包围的空白区域，所述多个空白区域中的一个、两个或多个空白区域之内或之上不与触控传感器接触地布置有所述超材料混合透明天线中的超材料天线单元。

Description

毫米波超材料混合透明天线及使用其的显示单元
技术领域
本公开涉及显示单元，尤其涉及一种集成有毫米波超材料混合透明天线的显示单元及该毫米波超材料混合透明天线。
背景技术
随着信息与通讯技术的进步，电子装置逐渐朝向轻薄及高密集度的趋势发展。天线是具有无线通信功能的电子装置例如移动电话、平板计算机、便携计算机的无线通信系统中最重要的部件之一。随着5G无线通信技术的快速发展，对天线性能的要求越来越多样化，因此当今的无线系统(例如平板电脑，可穿戴设备)正在努力实现边缘到无边框显示解决方案。同时，需要支持的无线电(WiFi，3G/4G/LTE，5G,FM)的数量以及相关天线的数量正在增加。通常情况下天线隐藏在显示器周围的边框中，对于无边框产品的需求，需要将天线布置在显示屏或透明器件中，以便在满足显示屏或透明器件的功能的同时，也满足对天线规模的需求，这就需要天线具有光透明特性还不会影响显示器的触摸灵敏度。
透光率和电导率是衡量一种材料是否适合用于制备透明天线的关键指标。当前透明导体制作的天线虽然有很高的透光率和电导率，但是薄层电阻RSH很大，而采用微线结构制作的天线虽然具有优异的导电特性，但透光性很差。现有技术中没有任何已知的触摸面板集成天线设计解决方案能够在不会牺牲设备的任何透明度的情况下没有任何视觉伪影。
因此，人们需要一种具有不影响视觉效果又能够不降低天线性能的小尺寸显示单元以及用于该显示单元的混合透明天线。
发明内容
本发明旨在解决上述技术问题之一。本公开的透明金属导体的天线设计，通过将天线直接集成在触摸传感器和显示器周边的触摸传感器布线区域中的馈电/辐射结构上，以提高总天线性能。为此，根据本公开的一个方面，提供了一种用于穿戴设备的集成有毫米波混合透明天线的显示单元，包括：显示面板、透明触控板、透明盖板以及超材料混合透明天线，其中所述透明触控板包含多个由触控传感器包围的空白区域，所述多个空白区域中的一个、两个或多个空白区域之内或之上不与触控传感器接触地布置有所述超材料混合透明天线中的超材料天线单元。
根据本公开的用于穿戴设备的集成有毫米波混合透明天线的显示单元，其还包括：通过柔性导线与每个超材料天线单元相连的控制器，所述控制器控制激活与其连接的超材料天线单元中的一个或多个。
根据本公开的用于穿戴设备的集成有毫米波混合透明天线的显示单元，其中所述超材料天线单元布置在所述透明盖板的上表面和下表面。
根据本公开的用于穿戴设备的集成有毫米波混合透明天线的显示单元，其中所述超材料天线单元被埋植在所述透明盖板之内。
根据本公开的用于穿戴设备的集成有毫米波混合透明天线的显示单元，其中所述超材料天线单元布置在所述透明触控板和透明盖板之间的交界面处。
根据本公开的用于穿戴设备的集成有毫米波混合透明天线的显示单元，其中所述超材料天线单元布置在所述显示面板和透明触控板之间的交界面处。
根据本公开的用于穿戴设备的集成有毫米波混合透明天线的显示单元，其中所述超材料混合透明天线的部分天线单元布置在显示面板、透明触控板和透明盖板之一的外周。
根据本公开的用于穿戴设备的集成有毫米波混合透明天线的显示单元，其中所述超材料天线单元包括超材料单元和布置在超材料单元上的天线贴片，每个天线贴片通过匹配网络经由柔性导线连接到所述控制器。
根据本公开的用于穿戴设备的集成有毫米波混合透明天线的显示单元，其中相邻超材料单元之间的距离大于触控板上的触控传感器的宽度。
根据本公开的另一个方面，还提供了一种用于触摸显示单元的毫米波超材料混合透明天线，其包括：多个超材料天线单元，每个超材料天线单元都布置在触摸显示单元中的一个空白区域范围内，并且不与触摸显示单元中的任何一个触摸传感器接触，其中所述超材料天线单元包括超材料单元和布置在超材料单元上的天线贴片，每个天线贴片通过匹配网络经由柔性导线连接到控制器。
通过采用本公开的用于穿戴设备的集成有毫米波混合透明天线的显示单元及其毫米波超材料混合透明天线，将可集成混合透明天线的可穿戴设备上的显示器部分的空白区域利用起来，用于布置整个天线辐射结构的主要部分或某一部分，这样，在天线结构处于透光区时，天线结构会保持相同的透光率，而不会影响透光率。并且仿真结果显示，采用超材料天线单元周期性布置在触控板的空白区域内除了会对辐射效率造成一点负面影响之外，其他性能都得到提升或保持。因此，由于将整个天线辐射结构的一部分与整个3D可穿戴设备(包括显示屏、盖板玻璃、触摸传感器和可穿戴设备主体)集成在一起，而不会影响显示屏的触摸灵敏度或光学质量，并且通过在显示器中集成了透明的超材料基层，并在不影响光学性能的情况下重复使用不同层中的虚拟区域的情况下将其轮廓或嵌入到触摸传感器层或TFT层中，来提高天线的性能，尤其是基于超材料的结构将显著提高透明天线的性能。此外，为了提高性能，将超材料单元层放置在天线结构的内部/之上或周围，带有柔性电缆控制器，可以激活相应的部分或全部单元结构，具有自适应性能设计，称为自适应设计层。性能层可以是盖板玻璃、触控面板或显示面板TFT层。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1所示的是根据本公开的用于穿戴设备的集成有毫米波混合透明天线的显示单元的剖面示意图。
图2A所示的是用于本公开的透明触控板的传感器层布置的截面示意图。
图2B所示的是用于本公开的透明触控板的传感器层布置的俯视示意图。
图3所示的是采用本发明的显示单元的一个实例的空白区域示意图。
图4A-4C所示的是根据本公开的超材料天线单元原理示意图。
图5所示的是不含超材料的天线的回波损耗与根据本公开的超材料天线的回波损耗的仿真对比示意图。
图6所示的是不含超材料的天线的电压驻波比与根据本公开的超材料天线的电压驻波比仿真对比示意图。
图7所示的是不含超材料的天线的轴比与根据本公开的超材料天线的轴比的仿真对比示意图。
图8所示的是不含超材料的天线的辐射效率与根据本公开的超材料天线的辐射效率的仿真对比示意图。
图9所示的是不含超材料的天线的E面的现实增益(RealizedGain)与根据本公开的超材料天线的现实增益的仿真对比示意图。
图10所示的是不含超材料的天线的H面的现实增益(RealizedGain)与根据本公开的超材料天线的现实增益的仿真对比示意图。
图11所示的是不含超材料的天线与根据本公开的超材料天线进行仿真结果对比结果表。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本开。除非另有定义，本文使用的所有其他科学和技术术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一也可以被称为第二，反之亦然。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在…时”或“当…时”或“响应于确定”。
为了使本领域技术人员更好地理解本公开，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细说明。
图1所示的是根据本公开的用于穿戴设备的集成有毫米波混合透明天线的显示单元的剖面示意图。如图1中所示，显示单元100包括：显示面板110、透明触控板120、透明盖板130以及超材料混合透明天线140。所述透明触控板120包含多个由触控传感器包围的空白区域，所述多个空白区域中的一个、两个或多个空白区域之内或之上不与触控传感器接触地布置有所述超材料混合透明天线140中的超材料天线单元。
显示面板110位于底部，其上布置有透明触控板120，触控板120的上方布置有发射传感器层121和布置在下方的接收传感器层122。可选择地，两者可以互换布置位置。发射传感器层121和接收传感器层122彼此垂直正交。在发射传感器层121的每行之间，存在空白区。同样，在接收传感器层122的每行之间也存在空白区。因此彼此正交的发射传感器层121和接收传感器层122之间的空白区存在重叠的空白区。
图2A所示的是用于本公开的透明触控板的传感器层布置的截面示意图。图2B所示的是用于本公开的透明触控板的传感器层布置的俯视示意图。如图2A和2B所示，其中清楚显示了空白区形成的状态。触控板120上下的传感器层121和122分别沿着X方向和Y方向分别按照RX传感器节距和TX传感器节距布置，相邻的两列或两行传感器之间所属传感器层的空白区域，例如RX空白区域和TX空白区域。每列和每行的传感器由电极构成。每行电极与电极迹线相连，从而输入触控产生的电容信号，确定接触点，从而触发与接触点对应的显示面板110中对应位置的图像，以便产生对应的触控操作。
如图2A和2B所示，在RX空白区域和TX空白区域的交叉部位，属于层叠结构的触控显示面板的完全空白区域。图3所示的是采用本发明的显示单元的一个实例的空白区域示意图。如图3所示。在圆形的表盘状的显示器的如本公开的空白区域，成阵列状布置了多个超材料天线单元，每个超材料天线单元通过天线迹线与控制器相连。如图3所示，超材料天线单元布置在所述透明触控板的由触控传感器包围的空白区域内。尽管图3所示的超材料天线单元都显示出来，但是本公开是以显示为目的呈现出来，其在实际布置在透明触控板或透明盖板之内或两者之间的交界处时，由于其透光率很高，因此人们在使用该显示单元并不能感觉到由这些阵列布置的超材料天线单元构成的超材料天线140的存在。为了在诸如手表这样狭小的通讯设备中增加天线的性能，本公开的发明人在这些交叉的空白区域中布置了透明天线。为了增加透明天线的性能，本公开将透明材料的天线布置在超材料基片上。如图3所示，所述多个空白区域中的一个、两个或多个空白区域之内或之上不与触控传感器接触地布置有所述超材料混合透明天线中的超材料天线单元。显示单元100具有通过柔性导线与每个超材料天线单元140相连的控制器，所述控制器控制激活与其连接的超材料天线单元中的一个或多个。
这些超材料天线单元可以设计成不同的形状。所述超材料天线单元布置在所述透明盖板130的上表面，也可以位于盖板130中，以减少来自底部TX走线的设计影响。可在触控面板或显示面板上嵌入TFT以提高天线性能。为了减少光学不连续性，在不影响透明度的情况下可以整层布置超材料天线单元层结构。为了获得不同组合性能，通过控制器可以激活/停用不同的超材料天线单元以满足具体产品需求。可选择地，所述超材料天线单元140布置在所述透明触控板120和透明盖板130之间的交界面处。可选择地，所述超材料天线单元140布置在所述显示面板110和透明触控板120之间的交界面处。
为了增加天线性能，可以将部分天线单元布置在显示面板、透明触控板和透明盖板之一的外周。如图1所示的外周部分天线150和160。所有外周部分天线150以及160和显示面板110部分的空白区域内布置的透明天线140都通过匹配网络经由柔性导线连接到所述控制器。可选择地，相邻超材料天线单元140的超材料单元之间的距离大于触控板上的触控传感器的宽度，由此使得超材料单元不会与触控传感器接触。
图4A-4C所示的是根据本公开的超材料天线单元原理示意图。图4A所示的是根据本公开的超材料天线的原理示意图。如图4A所示，超材料天线140由超材料天线单元阵列构成，每个超材料天线单元包括基板、布置在基板中的超材料单元、布置在超材料单元上的天线贴片以及布置在基板表面的接地端。基板的材料通常为PET，也可以采用其它同类材料，基板的厚度通常在0.2毫米左右，可以0.3毫米，也可以在0.1毫米。图4B是所示的用于本公开的超材料天线的超材料单元的一个实例的示意图。如图4B所示，超材料单元的面积通常为1.8*1.8mm2，也可以更大一些，例如2.0*2.0mm2些，或更小一点，例如，1.5*1.5mm2。返回参考图4A所示，通常一个天线贴片布置在两个或四个超材料单元上。相邻的两个超材料之间的距离一般在0.2毫米。也可以0.1毫米或0.3毫米。天线贴片的范围不会超出其所布置的一组超材料单元组成的范围之外。每个天线贴片通过电线迹线形成天线迹线连接到控制器，从而形成天线贴片构成的阵列天线。图4C所示的是根据本公开的超材料天线的局部剖面视图。如图4C所示，超材料单元布置在基板中，天线贴片布置在超材料单元的上表面，接地线通过基板的下表面。因此，用于触摸显示单元100的毫米波超材料混合透明天线包括：多个超材料天线单元，每个超材料天线单元都布置在触摸显示单元中的一个空白区域范围内，并且不与触摸显示单元中的任何一个触摸传感器接触，其中所述超材料天线单元包括超材料单元和布置在超材料单元上的天线贴片，每个天线贴片通过匹配网络经由柔性导线连接到控制器。
返回参见图1-3所示，触控板120上下的传感器层121和122还可包括在图2或3中外围路由迹线。触控板120可部分地或完全地包围触摸面板，并且它们的形状可基于可穿戴设备的形状(例如，如图3所示的圆形，也可是其他形状)。触控板120上下的传感器层121和122氧化铟锡(ITO)、微金属网片或其他技术来实施。
如上所述，通过在触控板120的周界设置附加的天线150和160，使得整个天线结构包括一个或多个天线辐射元件以及用于改善天线性能的一个或多个主耦合馈电元件。
图1所示的层叠结构的显示单元100中的布置在空白区域的超材料天线单元可耦合至馈电单元，其可为以交变电流(AC)的方式耦合(电感耦合和/或电容耦合)至该馈电结构。馈电结构可经由馈电线耦接到射频处理模块(或另一收发器电路模块)。超材料天线单元处于显示区域内。超材料天线单元可以生成RF信号，也可以接收RF信号。超材料天线单元的天线贴片结构可被实现为盘、贴片、不规则形状环、正方形、其他矩形或六边形形状(具有圆化拐角，以减少不连续性并防止产生附加辐射)或者作为互补结构的隙缝形状。
图5所示的是不含超材料的天线的回波损耗与根据本公开的超材料天线的回波损耗的仿真对比示意图。如图5所示，在10dB时，两者在同样的回波损失下，采用超材料天线的带宽更大。
图6所示的是不含超材料的天线的电压驻波比与根据本公开的超材料天线的电压驻波比仿真对比示意图。如图6所示，两者在所应用的毫米波28GHz左右的电压驻波比，采用超材料天线的电压驻波比相对更低，并且与不采用超材料的同样的天线相比，降低达到9％。
图7所示的是不含超材料的天线的轴比与根据本公开的超材料天线的轴比的仿真对比示意图。如图7所示，两者在所应用的毫米波28GHz左右的轴比，采用超材料天线的轴比高于65％，而不采用超材料的同样的天线的轴比大约在57％，采用超材料天线的轴比相对更高，与不采用超材料的同样的天线相比，增高量达到14％。
图8所示的是不含超材料的天线的辐射效率与根据本公开的超材料天线的辐射效率的仿真对比示意图。如图8所示，由于超材料单元的存在，在一定程度上对天线贴片的辐射起到了一定的遮挡作用，但是这种辐射遮挡并没有从根本上对天线的辐射效率造成影响。这种辐射效率相对于不含超材料的天线的辐射效率下降了11-21％之间，这是采用超材料结合天线贴片布置在空白区域消除伪影、降低响应损失以及提高轴比和电压驻波比付出的对应代价。
图9所示的是不含超材料的天线的E面的现实增益(RealizedGain)与根据本公开的超材料天线的现实增益的仿真对比示意图。图10所示的是不含超材料的天线的H面的现实增益(RealizedGain)与根据本公开的超材料天线的现实增益的仿真对比示意图。图9和图10显示，天线采用超材料并布置在显示单元的空白区域后，其增益相对于未采用超材料的天线的增益基本没有变换。
图11所示的是不含超材料的天线与根据本公开的超材料天线进行仿真结果对比结果表。如图11所示，仿真结果显示，天线阵列的部分性能由于向原始结构的天线阵列增加了周期性的超材料而得到显著盖章，例如在10dB处的带宽、阻抗匹配以及极化纯度。不可否认地，在增加超材料之后，也出现了一些负面影响，例如天线的辐射效率从82％降低到75％。但是超材料的使用并没有对天线的方向图造成任何影响。
尽管图1中针对超材料天线140示出了多种布置情况作为示例，但本公开在这方面不受限制，并且超材料天线140的超材料天线单元的数量和材料的其他变型也是可能的。例如，在一些方面中，可使用多个辐射天线结构和多个天线馈电结构。在一些方面中，可将单个天线馈电结构与多个辐射结构结合使用。另外，馈电结构和辐射结构中的每者可通过控制器使用层叠结构的不同部分。
通过根据本公开的混合超材料透明天线辐射/馈电结构被结合到围绕小边框或无边框显示设备(例如，智能手表)的触摸面板的触摸传感器路由区域内的空白区域，增大的而天线的发射和接受面积。此外，触摸传感器路由所需的未使用边框空间也可结合天线结构，使之以所设计的取向和位置配合到该区域内。
如上所述，可选择地，混合天线设计原理可以将显示器和手表底盘之间的层叠结构区域重复用于天线辐射结构，或者用于馈电结构或耦合元件。在一些方面中，所有这些元件可与和层叠结构100的一个或多个层相关联的透明导体组合以提高辐射效率。例如，在一些方面中，与触摸面板层120的Tx层121或Rx层122相关联空白区域的超材料天线单元作为天线单元。具体的效率取决于设备的具体结构、馈电结构、耦合元件和天线单元。
天线贴片的天线结构可由不透明导体(例如，诸如铜的金属)或透明导体(例如ITO)构成。如上所述，对于超材料天线140其接地部布置在超材料单元所处的基板的下标表面。可选择地，触摸面板可被重复用作接地部并且耦合在天线辐射结构和触摸传感器迹线之间，以重新获得天线性能，并且与显示器有效视见区域的边缘处的可能的未占用伪迹线耦合。这种混合设计平衡了透明天线性能，并实现了对于较小边框和较小平台而言将大的触摸视见区域内地空白区域被重复用于天线设计。
术语“约”和“大约”可用于意指在一些实施方案中目标尺寸的±20％以内、在一些实施方案中目标尺寸的±10％以内、在一些实施方案中目标尺寸的±5％以内，以及还有在一些实施方案中目标尺寸的±2％以内。术语“约”和“大约”可包括目标尺寸。
本文所述的技术方案可实现为方法，其中已经提供了至少一个实施例。作为所述方法的一部分所执行的动作可以以任意合适的方式排序。因此，可以构建实施方案，其中各动作以与所示的次序所不同的次序执行，其可包括同时执行一些动作，即使这些动作在说明性实施方案中被示为顺序动作。此外，方法在一些实施方案中可包括比示出的那些更多的动作，在其他实施方案中包括比示出的那些更少的动作。
虽然在此描述了本发明的至少一个说明性的实施方案，但是对于本领域的技术人员而言，可容易地进行多种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在在本发明的精神和范围以内。因此，前述说明仅通过举例方式并不旨在作为限制。本发明仅由下列权利要求及其等同物所限定。

Claims (10)

1.一种集成有毫米波超材料混合透明天线的显示单元，包括：显示面板、透明触控板、透明盖板以及超材料混合透明天线，其中
所述透明触控板包含多个由触控传感器包围的空白区域，所述多个空白区域中的一个、两个或多个空白区域之内或之上不与触控传感器接触地布置有所述超材料混合透明天线中的超材料天线单元。
2.根据权利要求1所述的集成有毫米波超材料混合透明天线的显示单元，其还包括：通过柔性导线与每个超材料天线单元相连的控制器，所述控制器控制激活与其连接的超材料天线单元中的一个或多个。
3.根据权利要求1或2所述的集成有毫米波超材料混合透明天线的显示单元，其中所述超材料天线单元布置在所述透明盖板的上表面和下表面。
4.根据权利要求1或2所述的集成有毫米波超材料混合透明天线的显示单元，其中所述超材料天线单元被埋植在所述透明盖板之内。
5.根据权利要求1或2所述的集成有毫米波超材料混合透明天线的显示单元，其中所述超材料天线单元布置在所述透明触控板和透明盖板之间的交界面处。
6.根据权利要求1或2所述的集成有毫米波超材料混合透明天线的显示单元，其中所述超材料天线单元布置在所述显示面板和透明触控板之间的交界面处。
7.根据权利要求1所述的集成有毫米波超材料混合透明天线的显示单元，其中所述超材料混合透明天线的部分天线单元布置在显示面板、透明触控板和透明盖板之一的外周。
8.根据权利要求2所述的集成有毫米波超材料混合透明天线的显示单元，其中所述超材料天线单元包括超材料单元和布置在超材料单元上的天线贴片，每个天线贴片通过匹配网络经由柔性导线连接到所述控制器。
9.根据权利要求8所述的集成有毫米波超材料混合透明天线的显示单元，其中相邻超材料单元之间的距离大于触控板上的触控传感器的宽度。
10.一种毫米波超材料混合透明天线，其包括：多个超材料天线单元，每个超材料天线单元都布置在触摸显示单元中的一个空白区域范围内，并且不与触摸显示单元中的任何一个触摸传感器接触，其中所述超材料天线单元包括超材料单元和布置在超材料单元上的天线贴片，每个天线贴片通过匹配网络经由柔性导线连接到控制器。
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