TWI754559B - 相位調制單元以及輻射系統 - Google Patents

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    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means

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Abstract

一種相位調制單元，包括第一基板、第二基板、圖案化金屬層、第一電極、第二電極、驅動元件以及液晶層。圖案化金屬層設置於第一基板面對第二基板的第一表面上，並包括槽孔、圍繞槽孔的環形槽以及位於槽孔中央區域的金屬環，其中槽孔以及環形槽暴露第一表面的一部分。第一電極以及第二電極設置於第二基板面對第一基板的第二表面上。驅動元件連接第一電極以及第二電極。液晶層設置於第一基板以及第二基板之間。一種輻射系統亦被提出。

Description

相位調制單元以及輻射系統
本發明是有關於一種相位調制單元以及輻射系統。
天線是一種用來發射或接收電波的設備，藉由搭配相位調制裝置來調制電波的相位，使輻射波前產生偏折，達到控制電波的指向性的目的。
傳統的相位調制裝置運用例如可變電容等元件來構成相位調制裝置中的每一個相位調制單元，當多個相位調制單元所組成的相位調制陣列越大，所需使用的元件就越多。除此之外，還需要其他元件，例如數位類比轉換器，來進行調制控制。舉例而言，對於5G頻段的8*2主動式相位陣列天線系統，至少需要使用16個相位調制單元、16個功率放大器以及4個數位類比轉換器。加上使用較高階的運算與控制系統，使得整個系統成本極高，且耗電量大，一般只能用在高階的軍事或商業用途。
本發明提供一種相位調制單元以及輻射系統，製造成本低。
根據本發明一實施例，提供一種相位調制單元，包括第一基板、第二基板、圖案化金屬層、第一電極、第二電極、驅動元件以及液晶層。圖案化金屬層設置於第一基板面對第二基板的第一表面上，並包括槽孔、圍繞槽孔的環形槽以及位於槽孔中央區域的金屬環，其中槽孔以及環形槽暴露第一表面的一部分。第一電極以及第二電極設置於第二基板面對第一基板的第二表面上。驅動元件連接第一電極以及第二電極。液晶層設置於第一基板以及第二基板之間。
根據本發明另一實施例，提供一種輻射系統，包括輻射源、相位調制裝置以及控制器。輻射源被設置以發出電波。相位調制裝置設置於電波的路徑上，並包括至少一相位調制陣列，其中至少一相位調制陣列包括以二維方式分布的多個相位調制單元。控制器連接每一相位調制單元的驅動元件。
基於上述，本發明實施例提供的相位調制單元利用液晶調制電波相位，達到控制電波指向性的目的。相位調制陣列可以液晶顯示器製程來製作，並利用液晶達到快速調制的功能。並且，可以提供大面積、平面化以及低成本的相位調制陣列，大幅降低輻射系統的建置成本。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A及圖1B分別是根據本發明實施例的相位調制單元的平面視圖及透視圖，圖1C是相位調制單元沿著圖1A及圖1B中的線I-I’的橫截面圖。
在本實施例中，相位調制單元100包括第一基板101、第二基板102、圖案化金屬層103、第一電極1041、第二電極1042、驅動元件105以及液晶層106。圖案化金屬層103設置於第一基板101面對第二基板102的表面101S上，並包括槽孔103W、圍繞槽孔103W的環形槽103C以及位於槽孔103W中央區域的金屬環103M1。如圖1A及圖1C所示，槽孔103W以及環形槽103C暴露表面101S的一部分。第一電極1041以及第二電極1042設置於第二基板102面對第一基板101的表面102S上，如圖1B的透視圖以及圖1C的橫截面圖所示。
驅動元件105可以是薄膜電晶體，分別透過導線1043及導線1044連接第一電極1041以及第二電極1042，其中，驅動元件105、導線1043及導線1044設置於表面102S上。液晶層106設置於第一基板101以及第二基板102之間。驅動元件105透過第一電極1041以及第二電極1042施加電壓，改變液晶層106中的液晶分子的排列方向。
如圖1A及圖1C所示，圖案化金屬層103還包括設置於槽孔103W以及環形槽103C之間的金屬層103M2、圍繞環形槽103C的金屬層103M3、連接金屬環103M1以及金屬層103M2的導線103L1、以及連接金屬層103M2以及金屬層103M3的導線103L2。其中導線103L1以及導線103L2設置於表面101S上，且導線103L1設置於金屬環103M1以及導線103L2之間。藉由導線103L1連接金屬環103M1以及金屬層103M2，且導線103L2連接金屬層103M2以及金屬層103M3，使得圖案化金屬層103整體等電位（地電位）。
應當注意的是，根據圖1A的平面視圖以及圖1B的透視圖，可以看到導線103L1、導線103L2、導線1043以及導線1044在第一基板101的垂直投影彼此不相重疊。從另一方面來看，金屬環103M1在第一基板101的垂直投影位於導線103L1在第一基板101的垂直投影以及導線1043與導線1044在第一基板101的垂直投影之間。具體而言，由於將導線103L1以及導線103L2設置在相對於金屬環103M1的一側，並將導線1043以及導線1044設置在相對於金屬環103M1的另一側，可以避免因導線103L1及導線103L2太靠近導線1043及導線1044而造成的相互干擾。
還應當注意的是，驅動元件105在第一基板101的垂直投影在環形槽103C在第一基板101的垂直投影外，且驅動元件105的垂直投影不重疊環形槽103C的垂直投影。
圖2A繪示了根據習知技藝的相位調制單元的圖案化金屬層的共振電波示意圖。圖2B繪示了根據本發明實施例的相位調制單元的圖案化金屬層的共振電波示意圖。
參照圖2A，根據習知技藝的相位調制單元100A具備圖案化金屬層103A，其共振電波以圖2A中的箭號表示。再參照圖2B，根據本發明實施例的相位調制單元100具備圖案化金屬層103，其共振電波以圖2B中的箭號表示。
可以看到，根據習知技藝的相位調制單元100A不具備環形槽，共振電波向外延伸。當多個相位調制單元100A以陣列形式組成相位調制陣列，每一個相位調制單元100A的共振電波可能會受到鄰近的相位調制單元100A的共振電波的干擾（耦合）。相對的，由於根據本發明實施例的相位調制單元100的圖案化金屬層103具備環形槽103C，其共振電波被限制於環形槽103C所圍繞的範圍內。當多個相位調制單元100以陣列形式組成相位調制陣列，每一個相位調制單元100的共振電波不會受到鄰近的相位調制單元100的共振電波的干擾，因此，具有降低耦合的功效。
再者，請同時參照圖1A、圖1B及圖2B，由於根據本發明實施例的相位調制單元100的圖案化金屬層103具備環形槽103C，並且，如同前述，驅動元件105在第一基板101的垂直投影在環形槽103C在第一基板101的垂直投影外，可以避免驅動元件105與受限於環形槽103C所圍繞範圍內的電波相互干擾。
除此之外，由於相位調制單元100的共振電波的頻寬會因為金屬層103M2的尺寸而改變。一般來說，金屬層103M2越大，頻寬會越窄，金屬層103M2越小，頻寬會越寬。因此，環形槽103C的配置可以使金屬層103M2的尺寸較小，提高頻寬。
再者，環形槽103C的配置還可以提高圖案化金屬層103的圖案配置（pattern configuration）的自由度。具體而言，環形槽103C的位置和/或尺寸可以對應金屬環103M1的尺寸而調整，優化圖案化金屬層103的圖案配置。在本發明的一實施例中，由於環形槽103C本身也會形成一個天線結構，所以其結構尺寸必須特別設計，使其本身的共振頻率不會落在整體相位調制單元100的共振頻率之間與共振頻率附近。
圖3A繪示了圖2A及圖3A的相位調制單元的頻寬的模擬結果。圖3B繪示了圖2A及圖3A的相位調制單元的輻射功率的模擬結果。在圖3A中，以曲線301表示圖2A的相位調制單元100A的模擬結果，並以曲線302表示圖2B的相位調制單元100的模擬結果。在圖3B中，以曲線303表示圖2A的相位調制單元100A的模擬結果，並以曲線304表示圖2B的相位調制單元100的模擬結果。
先參照圖3A，圖2A的相位調制單元100A在-10dB的頻寬為1.1 GHz，圖2B的相位調制單元100在-10dB的頻寬為3.3 GHz。換句話說，由於相位調制單元100相較於相位調制單元100A設置了環形槽103C，共振電波的頻寬提高為3倍。
參照圖3B，在本實施例中，輸入功率為0.5W，圖2A的相位調制單元100A的峰值輻射功率為0.21W，峰值輻射效率為兩者的比值，即為42%，圖2B的相位調制單元100的峰值輻射功率為0.34W，即峰值輻射效率為68%。從另一個角度而言，由於相位調制單元100相較於相位調制單元100A設置了環形槽103C，峰值輻射功率由0.21W增加為0.34W，增加了0.13W，相當於0.21W的62%（峰值輻射效率增加了62%）。
參照圖1B、圖4A及圖4B，圖4A是根據本發明實施例的輻射系統的示意圖，圖4B是輻射系統的相位調制裝置的示意圖。輻射系統400包括輻射源401、相位調制裝置402以及控制器403。輻射源401以置於符合遠場條件的距離向相位調制裝置402發出電波E1，並包括訊號源4011以及天線4012，其中天線4012可以是號角天線、貼片天線、槽孔天線或波導天線。相位調制裝置402設置於電波E1的路徑上，並包括至少一個相位調制陣列10。在本實施例中，相位調制裝置402包括三個相位調制陣列10，但本發明不以此為限。每一個相位調制陣列10包括以二維方式分布的相位調制單元100。控制器403連接每一個相位調制陣列10中的每一個相位調制單元100的驅動元件105。
具體而言，控制器403藉由每一個相位調制單元100的驅動元件105來決定施加於第一電極1041以及第二電極1042的電壓，以控制每一個相位調制單元100中的液晶層106中的液晶分子的排列方向。當電波E1穿透每一個相位調制陣列10時，電波E1的相位受到液晶分子的調制，使電波E1的輻射波前產生偏折，達到控制電波E1的指向性的目的。
在本實施例中，三個相位調制陣列10彼此平行設置，兩兩相鄰的相位調制陣列10之間的間距彼此相同且介於相位調制裝置402的工作波長的0.25倍至0.75倍。並且，在本實施例中，為了簡化控制，在不同的相位調制陣列10中對應到同一電波波前的相位調制單元100產生相同的相位差，並且只做二階式相位調制，使三個相位調制陣列10中，對應到同一電波波前的三個相位調製單元100總體產生0度或180度的相位差。但是本發明不以此為限，在本發明的其他實施例中，對應到同一電波波前的相位調制單元100可以產生不同的相位差。
綜上所述，本發明實施例提供的相位調制單元利用液晶調制電波相位，達到控制電波指向性的目的。相位調制陣列可以液晶顯示器製程來製作，並利用液晶達到快速調制的功能。並且，可以提供大面積、平面化以及低成本的相位調制陣列，大幅降低輻射系統的建置成本。
10:相位調制陣列 100、100A:相位調制單元 101:第一基板 101S、102S:表面 102:第二基板 103、103A:圖案化金屬層 103W:槽孔 103C:環形槽 103M1:金屬環 103M2、103M3:金屬層 103L1、103L2:導線 1041:第一電極 1042:第二電極 1043:導線 1044:導線 105:驅動元件 106:液晶層 301、302、303、304:曲線 400:輻射系統 401:輻射源 4011:訊號源 4012:天線 402:相位調制裝置 403:控制器 E1:電波
圖1A及圖1B分別是根據本發明實施例的相位調制單元的平面視圖及透視圖，圖1C是相位調制單元的橫截面圖。 圖2A繪示了根據習知技藝的相位調制單元的圖案化金屬層的共振電波示意圖。圖2B繪示了根據本發明實施例的相位調制單元的圖案化金屬層的共振電波示意圖。 圖3A繪示了根據本發明實施例的相位調制單元以及根據習知技藝的相位調制單元的頻寬的模擬結果。圖3B繪示了根據本發明實施例的相位調制單元以及根據習知技藝的相位調制單元的輻射功率的模擬結果。 圖4A是根據本發明實施例的輻射系統的示意圖，圖4B是輻射系統的相位調制裝置的示意圖。
100:相位調制單元
101:第一基板
102:第二基板
103:圖案化金屬層
103W:槽孔
103C:環形槽
103M1:金屬環
103M2、103M3:金屬層
103L1、103L2:導線
106:液晶層

Claims (14)

  1. 一種相位調制單元，包括： 一第一基板； 一第二基板； 一圖案化金屬層，設置於該第一基板面對該第二基板的一第一表面上，並包括一槽孔、圍繞該槽孔的一環形槽以及位於該槽孔中央區域的一金屬環，其中該槽孔以及該環形槽暴露該第一表面的一部分； 一第一電極； 一第二電極，其中該第一電極以及該第二電極設置於該第二基板面對該第一基板的一第二表面上； 一驅動元件，連接該第一電極以及該第二電極；以及 一液晶層，設置於該第一基板以及該第二基板之間。
  2. 如請求項1所述的相位調制單元，其中該圖案化金屬層還包括設置於該槽孔以及該環形槽之間的一第一金屬層，以及圍繞該環形槽的一第二金屬層。
  3. 如請求項2所述的相位調制單元，其中該圖案化金屬層還包括連接該金屬環以及該第一金屬層的一第一導線，以及連接該第一金屬層以及該第二金屬層的一第二導線。
  4. 如請求項3所述的相位調制單元，其中該第一導線以及該第二導線設置於該第一表面上，且該第一導線設置於該金屬環以及該第二導線之間。
  5. 如請求項4所述的相位調制單元，其中該驅動元件設置於該第二表面上，該第一電極藉由一第三導線連接該驅動元件，且該第二電極藉由一第四導線連接該驅動元件。
  6. 如請求項5所述的相位調制單元，其中該第一導線、該第二導線、該第三導線以及該第四導線在該第一基板的垂直投影彼此不相重疊。
  7. 如請求項5所述的相位調制單元，其中該金屬環在該第一基板的垂直投影位於該第一導線在該第一基板的垂直投影以及該第三導線與該第四導線在該第一基板的垂直投影之間。
  8. 如請求項1所述的相位調制單元，其中該驅動元件在該第一基板的垂直投影在該環形槽在該第一基板的垂直投影外，且該驅動元件的垂直投影不重疊該環形槽的垂直投影。
  9. 一種輻射系統，包括： 一輻射源，設置以發出一電波； 一相位調制裝置，設置於該電波的路徑上，並包括至少一相位調制陣列，其中該至少一相位調制陣列包括以二維方式分布的多個如請求項1至8中的任一項所述的相位調制單元；以及 一控制器，連接每一相位調制單元的該驅動元件。
  10. 如請求項9所述的輻射系統，其中該至少一相位調制陣列包括三個相位調制陣列，且該三個相位調制陣列彼此平行設置。
  11. 如請求項10所述的輻射系統，其中兩兩相鄰的該相位調制陣列之間的間距介於該相位調制裝置的工作波長的0.25倍至0.75倍。
  12. 如請求項10所述的輻射系統，其中兩兩相鄰的該相位調制陣列之間的間距彼此相同。
  13. 如請求項9所述的輻射系統，其中該輻射源包括一號角天線、一貼片天線、一槽孔天線或一波導天線。
  14. 如請求項9所述的輻射系統，其中該相位調制裝置為二階式相位調制裝置。
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