CN117642933A - 全息天线及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种全息天线及电子设备，属于通信技术领域。本公开的全息天线，其包括谐振结构；其中，所述谐振结构，包括相对第一介质基板和第二介质基板，设置在所述第一介质基板靠近所述第二介质基板一侧的第一电极层，设置在所述第二介质基板靠近所述第一介质基板一侧的第二电极层，以及设置在所述第一电极层和所述第二电极层之间的可调电介质层；所述第一电极层具有多个狭缝开口，所述第二电极层包括多个贴片电极，一个所述贴片电极与一个所述狭缝开口在所述第一介质基板上的正投影至少部分重叠；且所述狭缝开口在所述第一介质基板上的正投影至少包括弧线段。
Description
本公开属于通信技术领域，具体涉及一种全息天线及电子设备。
液晶全息电控扫描阵列天线是一种将全息控制理论应用于液晶电控扫描天线而实现的一种具有低剖面，低成本的可波束赋形天线。而全息技术是一种利用波的干涉和衍射相关原理，记录物体的幅值和相位信息，并重现物体三维图像的技术。全息天线则是全息技术在微波工程领域的一种应用，这种类型的天线可以通过记录并恢复参考电磁波与预期辐射电磁波的干涉场，从而获得预期的辐射电磁波。全息天线通常具有两个部分：馈源结构和全息结构。其中，馈源结构的作用是传输与预期辐射电磁波可以相互干涉的参考波，而全息结构的作用是用于记录干涉场的分布情况。在全息天线工作的时候，首先需要参考电磁波与预期辐射电磁波在某一平面上形成干涉场，再利用全息结构记住干涉场的分布情况，最后再利用参考电磁波激励记录有干涉场分布的全息结构，从而恢复出与其辐射电磁波。在天线单元具有可调控辐射电磁波特性的前提下，液晶全息电控扫描天线就可以动态地记录各种各样的干涉场分布情况，从而恢复与其辐射电磁波，从而实现可波束赋形的特性。
现有技术通过加载PIN二极管、变容二极管、铁氧体、电磁媒质如液晶，用来调节天线辐射单元的幅度，从而在某一频率上的实现波束赋形相较于PIN二极管，液晶材料具有连续可调节的特性；相较于变容二极管，液晶的可以工作的频率更高，并且在Ku以及以上的频段具备更加良好的性能；相较于铁氧体材料，液晶材料具备更低的损耗特性，同时可以进行电控，有效地避免了磁控设备的笨重。因此液晶材料的优异性能使得液晶电控扫描天线在现代通信系统的应用中前景广阔。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种全息天线及电子设备。
第一方面，本公开实施例提供一种全息天线，其包括谐振结构；其中，
所述谐振结构，包括相对第一介质基板和第二介质基板，设置在所述第一介质基板靠近所述第二介质基板一侧的第一电极层，设置在所述第二介质基板靠近所述第一介质基板一侧的第二电极层，以及设置在所述第一电极层和所述第二电极层之间的可调电介质层；
所述第一电极层具有多个狭缝开口，所述第二电极层包括多个贴片电极，一个所述贴片电极与一个所述狭缝开口在所述第一介质基板上的正投影至少部分重叠；且所述狭缝开口在所述第一介质基板上的正投影至少包括弧线段。
其中，所述狭缝开口包括相互连接的第一部分和第二部分，所述第一部分和第二部分呈中心对称，且二者的连接位置的中点为对称中心。
其中，所述狭缝开口在所述第一介质基板上的正投影的轮廓包括相对设置的第一边和第二边，且所述第一边和所述第二边均与所述贴片电极在所述第一介质基板上的正投影相交；所述第一边和所述第二边呈S形。
其中，对于正投影存在交叠所述狭缝开口和所述贴片电极，二者的中心在第一介质基板上的正投影重合。
其中，所述谐振结构包括多个谐振单元，每个所述谐振单元包括正投影在所述第一介质基板上存在交叠的一个所述狭缝开口和一个所述贴片电极；多个所述谐振单元排布形成嵌套设置的多组，每组中的所述谐振单元顺次排布，且每组所述谐振单元中的贴片电极的中心连线形成第一图形，所形成的各第一图形的中心相同。
其中，相邻设置的第一图形之间的距离均相等。
其中，所述第一图形的中心作为所述全息天线的馈电点，由所述馈电点指向所述第一介质基板边缘的方向上的第一组所述谐振单元中，相邻设置的所述贴片电极的中心之间的距离，均与相邻设置的第一图形之间的距离均相等。
其中，由所述馈电点指向所述第一介质基板边缘的方向上的第二组至最 后一组所述谐振单元中，离所述馈电点越近的一组所述谐振单元中相邻设置的所述贴片电极中心之间的距离越大。
其中，还包括波导馈电结构，被配置为向所述谐振结构传输电磁波。
其中，所述波导馈电结构包括反射组件，以及依次靠近所述谐振结构设置的第一参考电极层、第一支撑层、第二参考电极层和第二支撑层；所述反射组件具有容纳空间，至少所述第一支撑层、所述第二参考电极层和所述第二支撑层设置在所述容纳空间内，且经由所述第一支撑层传输的电磁波照射至所述反射组件的侧壁上能够将反射至所述第二支撑层，以传输至所述谐振结构。
其中，所述反射组件的侧壁呈弧形。
其中，所述反射组件与所述第一参考电极层为一体结构。
其中，所述波导馈电结构包括还包括设置在所述第二支撑层中的吸收负载。
其中，所述波导馈电结构包括同轴连接器，被配置为将电磁波馈入所述第一支撑层中。
第二方面，本公开实施例提供一种电子设备，其包括上述任一所述的全息天线。
图1为本公开实施例的全息天线中的谐振结构的俯视图。
图2为本公开实施例的全息天线中的一个谐振单元的示意图。
图3为图2的A-A＇的截面图。
图4为本公开实施例的全息天线中的一个谐振单元包括第一部分和第二部分的示意图。
图5为本公开实施例的全息天线的示意图。
图6为本公开实施例的全息天线的在theta＝0deg、±45deg的方向图。
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
第一方面，图1为本公开实施例的全息天线中的谐振结构100的俯视图；图2为本公开实施例的全息天线中的一个谐振单元10的示意图；图3为图2的A-A＇的截面图；如图1-3所示，本公开实施例提供一种全息天线，其具有谐振结构100。该谐振结构100包括相对设置的第一介质基板1和第二介质基板2，设置在第一介质基板1靠近第二介质基板2一侧的第一电极层10，设置在第二介质基板2靠近第一介质基板1一侧的第二电极层20，以及设置在第一电极层10和第二电极层20之间的可调电介质层。其中，可调电介质层包括但不限于液晶层，在本公开实施例中以可调电介质层为液晶层为例进行描述。第一电极层10上具有多个狭缝开口11，第二电极上设置有多个贴片电极21，一个狭缝开口11和一个贴片电极21在第一介质基板1上的正投影至少部分重叠。例如：狭缝开口11和贴片电极21一一对应设置。特别的是，在本公开实施例中，第一电极层10上的狭缝开口11在第一介质基板1上的正投影至少包括弧线段。
需要说明的是，在本公开实施例中，以一个狭缝开口11和一个贴片电极21对应设置为例。其中，对应设置的狭缝开口11和贴片电极21构成一谐振单元10(或者称之为贴片狭缝对)。
在本公开实施例中，由于第一电极层10上设置有狭缝开口11，且第二电极层20包括与狭缝开口11对应设置的贴片电极21，因此在给第一电极层10和第二电极层20的贴片电极21施加电压后，可以通过贴片电极21和第一电极层10之间所形成的电场，控制液晶层的液晶分子的偏转，以改变液晶层的介电常数，调整各个谐振单元10的谐振频率，进而控制馈入至第一电极层10的电磁波通过狭缝开口11后的出射角度，从而实现波束的赋形。同时，由于本公开实施例的第一电极层10中的狭缝开口11在第一介质基板1上的正投影至少包括弧线段，在该种情况下可以有效的避免相邻的谐振单元10之间发生耦合，从而使得目标波的指向更加精准。
在一些示例中，图4为本公开实施例的全息天线中的一个谐振单元10包括第一部分和第二部分的示意图；如图4所示，狭缝开口11包括相互连接的第一部分和第二部分，且第一部分和第二部分为连接为一体的结构。第一部分和第二部分呈中心对称，且二者的连接位置的中点为对称中心。进一步的，对于一个谐振单元10，其中贴片电极21在第一介质基板1上的正投影的中心，作为狭缝开口11的第一部分和第二部分在第一介质基板1上的正投影的对称中心。通过这种方式，可以有效的避免相邻设置的谐振单元10之间发生耦合。
在一些示例中，继续参照图4，狭缝开口11在第一介质基板1上的正投影的轮廓包括相对设置的第一边S1和第二边S2，且第一边S1和第二边S2均与贴片电极21在第一介质基板1上的正投影相交。第一边S1和第二边S2均呈S形，例如：第一边S1和第二边S2均为正弦曲线或者余弦曲线。当然，第一边S1和第二边S2也不局限于S形，还可以是半圆形，尖角形等。由于第一边S1和第二边S2均为非直线型，故可以理解的是，狭缝开口11的形状为异形，并非为矩形等规整的图形。通过在第一电极层10上设计异形开口，同样可以有效的避免相邻设置的谐振单元10之间发生耦合。
进一步的，参照图4，当狭缝开口11在第一介质基板1上的正投影的轮廓的第一边S1和第二边S2均为S形时，狭缝开口11还包括与第一边S1和第二边S2连接，且相对设置的第三边S3和第四边S4。第一边S1和第二 边S2平行，第三边S3和第四边S4平行，此时狭缝开口11在第一介质基板1上的中心为第一边S1的中点和第二边S2的中点的连线的中点。对于任一谐振单元10，狭缝电极在第一介质基板1上的正投影的中心与贴片电极21在第一介质基板1上的正投影的中心重合。
进一步的，参照图4，当狭缝开口11在第一介质基板1上的正投影的轮廓的第一边S1和第二边S2均为S形时，狭缝开口11以贯穿其中心，且平行于第三边S3和第四边S4的直线为分界线划分为第一部分和第二部分，且第一部分和第二部分以狭缝开口11的中心O为对称中心，二者互为中心对称图形。之所以如此设置可以减小狭缝开口11的长度，有效的缩小天线的尺寸，在天线尺寸有限的基础上，可以增加天线的谐振单元10的数量，提高天线的采样精度，改善天线指向精度等性能指标。
在一些示例中，谐振结构100中的多个谐振单元10排布形成嵌套设置的多组，且每组中的谐振单元10顺次排布。每组谐振单元10中的贴片电极21的中心连线形成第一图形，此时所形成的各第一图形的中心相同。例如：所形成的第一图形为圆形，此时各个第一图形构成同心圆。当然，所形成的第一图形也可以为矩形、正方向、正六边形等。在本公开实施例中仅以所形成的第一图形为圆形为例。
进一步的，第一图形的中心作为全息天线的馈电点。相邻设置的一组谐振单元10的贴片电极21的中心连线形成第一图形之间的间距均相等，且为1/5-1/10空间波波长(亚波长)。由馈电点指向第一介质基板1边缘的方向上的第一组谐振单元10中(以下称之为第一组谐振单元10)，相邻设置的贴片电极21的中心之间距离，均与相邻设置的第一图形之间的距离相等，也即为1/5-1/10空间波波长。与此同时，由馈电点指向第一介质基板1边缘的方向上的第二组至最后一组所述谐振单元10中，离馈电点越近的一组谐振单元10中相邻设置的贴片电极21中心之间的距离越大。在本公开实施例中，保证谐振单元10与径向矢量垂直，可以有效的增加天线的辐射效率，从而提高了天线的主瓣增益和辐射效率。
在一些示例中，本公开实施例中的全息天线不仅包括上述结构，而且还 包括波导馈电结构，该波导馈电结构被配置谐振结构100传输电磁波。
在一个示例中，图5为本公开实施例的全息天线的示意图；如图5所示，波导馈电结构包括反射组件201，以及依次靠近所述谐振结构100设置的第一参考电极层202、第一支撑层203、第二参考电极层204和第二支撑层205；反射组件201具有容纳空间，至少第一支撑层203、第二参考电极层204和第二支撑层205设置在所述容纳空间内，且经由第一支撑层203传输的电磁波照射至反射组件201的侧壁上能够将反射至第二支撑层205，以传输至谐振结构100。其中，第一参考电极层202和第二参考电极层204均包括但不限于接地电极层。在本公开实施例中以第一参考电极层202和第二参考电极层204为接地电极为例。
具体的，如图5所示的电磁波的行进方向，第一参考电极层202的中心位置可以为馈电点，此时电磁波信号由第一参考电极层202的中心位置进入第一支撑层203后照射至反射组件201，经由反射组件201反射至第二支撑层205，由第二支撑层205进入谐振结构100。其中，为避免引入高次模要求第一支撑层203的厚度小于工作频率的二分之一波长。反射层将电磁波信号由第二参考电极层204的下方引入第二参考电极层204的上方。第二支撑层205使波导内部较自由空间减慢30％左右，为了消除高次模要求第二支撑层205的厚度小于工作频率的二分之一波长。第一支撑层203和第二支撑层205作为支撑结构，二者的材料均包括但不限于泡沫、塑料、树脂等材料。优选的，第一支撑层203和第二支撑层205材料介电常数与空气的电常数相同或者相近的材料，以减少微波的传输损耗。
继续参照图5，反射组件201的侧壁呈弧形，在该种情况下，第一支撑层203中所传输的电磁波照射至反射组件201上，电磁波的传输方向发生两次改变，首先由水平方向照射至反射组件201的侧壁发生第一次改变变为垂直方向，之后再照射至反射组件201的侧壁，发生第二次改变变为水平方向，之后进入第二支撑层205。
需要说明的是，在本公开实施例中仅以反射组件201的侧壁呈弧形为例，在一些示例中，反射组件201的侧壁所形成的二面角，且该二面角同样 能够照射至电磁波传输方向改变，将电磁波传输至第二支撑层205。
在一些示例中，反射组件201和第一参考电极层202为一体成型结构，在该种情况下，反射组价和第一参考电极层202可以在一次工艺中形成，该种结构简单，且已于制备。当然，反射组件201也可以第一参考电极层202采用分体结构，在制备天线时，将反射组件201和第一参考电极层202组装在一起。
在一些示例中，在第二支撑层205中还设置有吸收负载206。其中，吸收负载206的中心与馈电点相对设置，用以吸收剩余的导波，防止电磁波反射回波导馈电结构中干扰天线的正常辐射。进一步的，吸收负载206在第一介质基板1上正投影，与第一组谐振单元10中的贴片电极21在第一介质基板1上的正投影之间的距离至少为工作频率的二分之一波长。
在一些示例中，本公开实施例中的波导馈电结构不仅包括上述结构，而且还包括同轴连接器207。该同轴连接器207可以贯穿第一参考电极层202的中心，而插入第一支撑层203，将电磁波馈入第一支撑层203。其中，同轴连接器207的接入点也即天线的馈电点。同轴连接器207可以为探针。
在一些示例中，本公开实施例中的全息天线呈圆柱形，也即第一参考电极、第一支撑层203、第一参考电极层202、第二支撑层205、第一介质基板1、和第二介质基板2均呈圆柱形。第一参考电极、第一支撑层203、第一参考电极层202、第二支撑层205、第一介质基板1、和第二介质基板2均可以平行设置，从而减小天线的体积。
为了更清楚本公开实施例的全息天线的效果，对图5所示的全息天线进行仿真。其中，图5所示的全息天线中谐振结构100可以为图1所示的谐振结构100，谐振单元10具体可以为图4所示的谐振单元10。图6为本公开实施例的全息天线的在theta＝0deg、±45deg的方向图；如图6所示，通过控制谐振结构100上的各谐振单元10的贴片电极21上加载的电压，可以实现波束的扫描。
在一些示例中，第二电极层20中的贴片电极21可以为矩形，在本公开 实施例的各附图中仅以贴片电极21为矩形为例。在实际产品中贴片电极21也可以选择圆形、圆环形、三角形等其他形状。
在一些示例中，第一介质基板1和第二介质基板2的材料可以为石英、玻璃等具有较低微波损耗的硬性材质。
在一些示例中，可调电介质层可以为上述的液晶层，也可采用其他介电常数可调的介质，如石墨烯。液晶层的厚度对波束的扫描时间具有影响，考虑到波束切换时间需要ms级，液晶层的厚度不易过大，本公开实施例的采用液晶层的厚度大约为35um。不同类型的液晶的可调介电常数是不同的，需要根据所需的天线波束扫描角度采用合适的液晶。
在一些示例中，对于第一电极层10和第二电极层20的材料均可以采用铜、金、银等低电阻、低损耗金属，均可采用磁控溅射、热蒸镀、电镀等方式制备。
第二方面，本公开实施例提供一种电子设备，电子设备包括上述的全息天线。该天线还包括收发单元、射频收发机、信号放大器、功率放大器、滤波单元。该天线可以作为发送天线，也可以作为接收天线。其中，收发单元可以包括基带和接收端，基带提供至少一个频段的信号，例如提供2G信号、3G信号、4G信号、5G信号等，并将至少一个频段的信号发送给射频收发机。而通信系统中的透明天线接收到信号后，可以经过滤波单元、功率放大器、信号放大器、射频收发机(图中未示)的处理后传输给收发单元中的接收端，接收端例如可以为智慧网关等。
进一步地，射频收发机与收发单元相连，用于调制收发单元发送的信号，或用于解调透明天线接收的信号后传输给收发单元。具体地，射频收发机可以包括发射电路、接收电路、调制电路、解调电路，发射电路接收基底提供的多种类型的信号后，调制电路可以对基带提供的多种类型的信号进行调制，再发送给天线。而透明天线接收信号传输给射频收发机的接收电路，接收电路将信号传输给解调电路，解调电路对信号进行解调后传输给接收端。
进一步地，射频收发机连接信号放大器和功率放大器，信号放大器和功 率放大器再连接滤波单元，滤波单元连接至少一个天线。在通信系统进行发送信号的过程中，信号放大器用于提高射频收发机输出的信号的信噪比后传输给滤波单元；功率放大器用于放大射频收发机输出的信号的功率后传输给滤波单元；滤波单元具体可以包括双工器和滤波电路，滤波单元将信号放大器和功率放大器输出的信号进行合路且滤除杂波后传输给透明天线，天线将信号辐射出去。在通信系统进行接收信号的过程中，天线接收到信号后传输给滤波单元，滤波单元将天线接收的信号滤除杂波后传输给信号放大器和功率放大器，信号放大器将天线接收的信号进行增益，增加信号的信噪比；功率放大器将天线接收的信号的功率放大。天线接收的信号经过功率放大器、信号放大器处理后传输给射频收发机，射频收发机再传输给收发单元。
在一些示例中，信号放大器可以包括多种类型的信号放大器，例如低噪声放大器，在此不做限制。
在一些示例中，本公开实施例提供的天线还包括电源管理单元，电源管理单元连接功率放大器，为功率放大器提供用于放大信号的电压。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (15)
- 一种全息天线，其包括谐振结构；其中，所述谐振结构，包括相对第一介质基板和第二介质基板，设置在所述第一介质基板靠近所述第二介质基板一侧的第一电极层，设置在所述第二介质基板靠近所述第一介质基板一侧的第二电极层，以及设置在所述第一电极层和所述第二电极层之间的可调电介质层；所述第一电极层具有多个狭缝开口，所述第二电极层包括多个贴片电极，一个所述贴片电极与一个所述狭缝开口在所述第一介质基板上的正投影至少部分重叠；且所述狭缝开口在所述第一介质基板上的正投影至少包括弧线段。
- 根据权利要求1所述的全息天线，其中，所述狭缝开口包括相互连接的第一部分和第二部分，所述第一部分和第二部分呈中心对称，且二者的连接位置的中点为对称中心。
- 根据权利要求1所述的全息天线，其中，所述狭缝开口在所述第一介质基板上的正投影的轮廓包括相对设置的第一边和第二边，且所述第一边和所述第二边均与所述贴片电极在所述第一介质基板上的正投影相交；所述第一边和所述第二边呈S形。
- 根据权利要求1所述的全息天线，其中，对于正投影存在交叠所述狭缝开口和所述贴片电极，二者的中心在第一介质基板上的正投影重合。
- 根据权利要求1所述的全息天线，其中，所述谐振结构包括多个谐振单元，每个所述谐振单元包括正投影在所述第一介质基板上存在交叠的一个所述狭缝开口和一个所述贴片电极；多个所述谐振单元排布形成嵌套设置的多组，每组中的所述谐振单元顺次排布，且每组所述谐振单元中的贴片电极的中心连线形成第一图形，所形成的各第一图形的中心相同。
- 根据权利要求5所述的全息天线，其中，相邻设置的第一图形之间的距离均相等。
- 根据权利要求5所述的全息天线，其中，所述第一图形的中心作为 所述全息天线的馈电点，由所述馈电点指向所述第一介质基板边缘的方向上的第一组所述谐振单元中，相邻设置的所述贴片电极的中心之间的距离，均与相邻设置的第一图形之间的距离均相等。
- 根据权利要求7所述的全息天线，其中，由所述馈电点指向所述第一介质基板边缘的方向上的第二组至最后一组所述谐振单元中，离所述馈电点越近的一组所述谐振单元中相邻设置的所述贴片电极中心之间的距离越大。
- 根据权利要求1-8中任一项所述的全息天线，其中，还包括波导馈电结构，被配置为向所述谐振结构传输电磁波。
- 根据权利要求9所述的全息天线，其中，所述波导馈电结构包括反射组件，以及依次靠近所述谐振结构设置的第一参考电极层、第一支撑层、第二参考电极层和第二支撑层；所述反射组件具有容纳空间，至少所述第一支撑层、所述第二参考电极层和所述第二支撑层设置在所述容纳空间内，且经由所述第一支撑层传输的电磁波照射至所述反射组件的侧壁上能够将反射至所述第二支撑层，以传输至所述谐振结构。
- 根据权利要求10所述的全息天线，其中，所述反射组件的侧壁呈弧形。
- 根据权利要求10所述的全息天线，其中，所述反射组件与所述第一参考电极层为一体结构。
- 根据权利要求10所述的全息天线，其中，所述波导馈电结构包括还包括设置在所述第二支撑层中的吸收负载。
- 根据权利要求9所述的全息天线，其中，所述波导馈电结构包括同轴连接器，被配置为将电磁波馈入所述第一支撑层中。
- 一种电子设备，其包括权利要求1-14中任一项所述的全息天线。
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