TWI779757B - 天線結構 - Google Patents

Abstract

一種天線結構包括第一基板、第二基板、第一液晶層、第一電極層、第二電極層以及反射層。第一基板與第二基板相對設置。第一液晶層設置在第一基板與第二基板之間。第一電極層設置在第一基板上，且位於第一液晶層與第一基板之間。第二電極層設置在第二基板上，且位於第一液晶層與第二基板之間。反射層設置在第二基板背離第二電極層的一側。第一電極層、第二電極層和反射層相互重疊，且第一電極層具有至少一環狀電極或至少一環狀開口。

Description

天線結構

本發明是有關於一種行動通訊技術，且特別是有關於一種天線結構。

隨著第五代行動通訊技術（5G）的商業化，遠距醫療、VR直播、4K畫質直播、智慧家庭等等應用都有了新的發展契機。由於5G具有高資料速率、減少延遲、節省能源、降低成本、提高系統容量和大規模裝置連接等效能，不同領域的業者還可進行跨界結盟，共同打造新一代的5G生態鏈。為了增加5G毫米波的覆蓋率，一種反射式天線被廣泛應用。

常見的反射式天線又可區分為被動式陣列天線和主動式陣列天線。被動式陣列天線因具有固定的天線尺寸而具有固定的電磁波接收角度和出射角度。相反地，由於主動式陣列天線具有電磁波的相位調變能力，因此能調整電磁波的接收角度和出射角度。然而，這類主動式陣列天線一般是搭配移相器的使用來調變電磁波的相位。對於尺寸越大的陣列天線來說，其移相器的使用成本會越高。

本發明提供一種天線結構，可用於調變電磁波的反射頻率和相位，並且具有較低的生產成本。

本發明的天線結構，包括第一基板、第二基板、第一液晶層、第一電極層、第二電極層以及反射層。第一基板與第二基板相對設置。第一液晶層設置在第一基板與第二基板之間。第一電極層設置在第一基板上，且位於第一液晶層與第一基板之間。第二電極層設置在第二基板上，且位於第一液晶層與第二基板之間。反射層設置在第二基板背離第二電極層的一側。第一電極層、第二電極層和反射層相互重疊，且第一電極層具有至少一環狀電極或至少一環狀開口。

基於上述，在本發明的一實施例的天線結構中，第一電極層與第二電極層的部分重疊關係所產生的電容耦合效應可經由夾設在這兩電極層間的液晶層來改變。亦即，這些電極層所形成的感應電路（或感應迴路）的共振頻率和相位是可調變的。由於本發明的天線結構無須搭配移相器即可具有相位調變的功能，因此更具有成本優勢。另外，本發明的天線結構的尺寸較小，更適於密集排列並構成能有效抑制旁波瓣（sidelobe）形成的天線陣列。

本文使用的「約」、「近似」、「本質上」、或「實質上」包括所述值和在本領域普通技術人員確定的特定值的可接受的偏差範圍內的平均值，考慮到所討論的測量和與測量相關的誤差的特定數量（即，測量系統的限制）。例如，「約」可以表示在所述值的一個或多個標準偏差內，或例如±30%、±20%、±15%、±10%、±5%內。再者，本文使用的「約」、「近似」、「本質上」、或「實質上」可依量測性質、切割性質或其它性質，來選擇較可接受的偏差範圍或標準偏差，而可不用一個標準偏差適用全部性質。

在附圖中，為了清楚起見，放大了層、膜、面板、區域等的厚度。應當理解，當諸如層、膜、區域或基板的元件被稱為在另一元件「上」或「連接到」另一元件時，其可以直接在另一元件上或與另一元件連接，或者中間元件可以也存在。相反，當元件被稱為「直接在另一元件上」或「直接連接到」另一元件時，不存在中間元件。如本文所使用的，「連接」可以指物理及/或電性連接。再者，「電性連接」可為二元件間存在其它元件。

現將詳細地參考本發明的示範性實施方式，示範性實施方式的實例說明於所附圖式中。只要有可能，相同元件符號在圖式和描述中用來表示相同或相似部分。

圖1A及圖1B是依照本發明的第一實施例的天線結構在不同方向上的俯視示意圖。圖2是圖1A的天線結構的剖視示意圖。圖2對應圖1A的剖線A-A’。圖3是圖1A的天線結構在不同操作模式下的反射係數S11和相位對頻率的曲線圖。圖4是依照本發明的一實施例的天線陣列的示意圖。圖5A及圖5B是依照本發明的第二實施例的天線結構在不同方向上的俯視示意圖。為清楚呈現起見，圖1A及圖1B僅繪示出圖2的第一電極層110和第二電極層120。

請參照圖1A、圖1B及圖2，天線結構10包括第一基板101、第二基板102、第一液晶層LC1、第一電極層110以及第二電極層120。第一基板101與第二基板102相對設置。第一液晶層LC1設置在第一基板101與第二基板102之間。第一電極層110設置在第一基板101上，且位於第一液晶層LC1與第一基板101之間。第二電極層120設置在第二基板102上，且位於第一液晶層LC1與第二基板102之間。在本實施例中，第一基板101和第二基板102的材料例如是玻璃。

在本實施例中，第一電極層110可包括彼此分離的三個環狀電極，分別為第一環狀電極112、第二環狀電極114和第三環狀電極116。第二環狀電極114圍繞第一環狀電極112設置。第三環狀電極116圍繞第一環狀電極112和第二環狀電極114設置。也就是說，第一環狀電極112、第二環狀電極114和第三環狀電極116可分別視為第一電極層110的內圈電極、中圈電極和外圈電極（如圖1A所示）。特別注意的是，這些環狀電極在第一基板101上的正投影輪廓都為矩形。更具體地說，在本實施例中，第一環狀電極112在第一基板101上的正投影外輪廓為長條狀矩形，而第二環狀電極114和第三環狀電極116在第一基板101上的正投影外輪廓都為正方形，但不以此為限。

另一方面，第一環狀電極112和第二環狀電極114在不同的方向上的間距不同。舉例來說，第一環狀電極112與第二環狀電極114在方向Y上的間距（即間隙G的寬度W）小於第一環狀電極112與第二環狀電極114在方向X上的間距S，其中方向X與方向Y相交。更具體地說，方向X實質上可垂直於方向Y，但不以此為限。在本實施例中，第二環狀電極114在方向Y和方向X上分別具有第一寬度W1和第二寬度W2，且第一寬度W1大於第二寬度W2。然而，本發明不限於此。在其他實施例中，第一寬度W1也可小於或實質上等於第二寬度W2。

另一方面，第二電極層120可包括兩個條狀電極，分別為第一條狀電極122和第二條狀電極124。這兩個條狀電極分別設置在第一環狀電極112沿著方向Y的相對兩側，且各自重疊於第一環狀電極112、第二環狀電極114以及第一環狀電極112與第二環狀電極114之間的間隙G。更具體地說，第二電極層120的這兩個條狀電極各自具有相連接的主部120m和延伸部120e，其中主部120m重疊於第一環狀電極112、第二環狀電極114以及第一環狀電極112與第二環狀電極114之間的間隙G，且延伸部120e延伸於主部120m沿著方向X的相對兩側。

在本實施例中，這些條狀電極各自的延伸部120e可選擇性地部分重疊於第一電極層110的第二環狀電極114，但不以此為限。在其他實施例中，天線結構10A的第二電極層120A的條狀電極（例如第一條狀電極122A和第二條狀電極124A）的延伸部120e也可完全重疊（如圖5A及圖5B所示）於或不重疊於（未繪示）第一電極層110的第二環狀電極114。需說明的是，此處的重疊關係是指兩構件沿著方向Z的投影相重疊。以下段落中若非特別提及，則兩構件的重疊關係也是以方向Z來界定，便不再贅述。

透過第二電極層120的條狀電極的主部120m與第一電極層110的第一環狀電極112和第二環狀電極114的上述重疊關係所形成的電容耦合效應，可在第一環狀電極112沿著方向X的相對兩側形成兩個感應迴路。由於第一液晶層LC1能受電場的驅動而改變其在第一電極層110與第二電極層120間的有效介電常數，因此第一電極層110、第二電極層120與第一液晶層LC1間所形成的等效電容與等效電感的共振電路，其共振頻率和相位是可調變的。

也就是說，第一液晶層LC1的有效介電常數的可調變性能讓天線結構10調變其反射的主要電磁波（例如毫米波）的頻率和相位。請同時參照圖3，當第一液晶層LC1不驅動（即第一電極層110與第二電極層120不被致能）時，天線結構10的反射係數S11對頻率的曲線C1a以及電磁波相位對頻率的曲線C2a明顯不同於第一液晶層LC1被驅動時，天線結構10的反射係數S11對頻率的曲線C1b以及電磁波相位對頻率的曲線C2b。舉例來說，對於相位落在-100度附近的電磁波來說，第一液晶層LC1的驅動與否，可改變電磁波的反射主頻率，例如在頻率26.2GHz與頻率26.8GHz之間切換。從另一觀點來說，對於頻率落在26.5GHz附近的電磁波來說，第一液晶層LC1的驅動與否，能產生的最大相位調變量∆P1約為200度。

由於本實施例的天線結構10無需搭配移相器即可具有相位調變的能力，因此，相較於傳統天線結構更具成本優勢，有助於天線結構的大尺寸化。另一方面，本實施例的天線結構10的尺寸也較小，例如：天線結構10沿著方向X或方向Y的長度約為欲反射電磁波波長的0.3倍。因此，更適於密集排列在驅動電路板50上以構成能有效抑制旁波瓣形成的天線陣列1（如圖4所示）。

進一步而言，為了增加天線結構10對目標電磁波（例如毫米波）的反射率，天線結構10更包括反射層150，設置在第二基板102背離第二電極層120的一側。在本實施例中，反射層150例如是具有接地電位的金屬導電層，並且整面性地覆蓋第二基板102遠離第二電極層120的表面102s，但不以此為限。

以下將列舉另一些實施例以詳細說明本揭露，其中相同的構件將標示相同的符號，並且省略相同技術內容的說明，省略部分請參考前述實施例，以下不再贅述。

圖6是依照本發明的第三實施例的天線結構的剖視示意圖。圖7是圖6的天線結構在不同操作模式下的反射係數S11和相位對頻率的曲線圖。請參照圖6，本實施例的天線結構20與圖2的天線結構10的差異在於：電極層和液晶層的數量不同。

具體而言，天線結構20更包括第三基板103、第四基板104、第二液晶層LC2、第三電極層130和第四電極層140。第三基板103設置在第一基板101背離第二基板102的一側。第四基板104設置在第三基板103與第一基板101之間。第二液晶層LC2設置在第三基板103與第四基板104之間。第三電極層130設置在第三基板103上，且位於第二液晶層LC2與第三基板103之間。第四電極層140設置在第四基板104上，且位於第二液晶層LC2與第四基板104之間。在本實施例中，第三基板103和第四基板104的材料例如是玻璃。

相似於第一電極層110，第三電極層130也包括彼此分離的三個環狀電極，分別為第一環狀電極132、第二環狀電極134和第三環狀電極136。第二環狀電極134圍繞第一環狀電極132設置。第三環狀電極136圍繞第一環狀電極132和第二環狀電極134設置。也就是說，第一環狀電極132、第二環狀電極134和第三環狀電極136可分別視為第三電極層130的內圈電極、中圈電極和外圈電極。

另一方面，相似於第二電極層120，第四電極層140也包括兩個條狀電極，分別為第一條狀電極142和第二條狀電極144。這兩個條狀電極分別設置在第一環狀電極132沿著方向Y的相對兩側，且各自重疊於第一環狀電極132、第二環狀電極134以及第一環狀電極132與第二環狀電極134之間的間隙G”。

由於第三電極層130、第四電極層140和第二液晶層LC2的配置關係以及所產生的技術效果相似於第一電極層110、第二電極層120和第一液晶層LC1的組合，因此，詳細的說明請參見前述實施例的相關段落，於此便不再贅述。

特別注意的是，第三電極層130和第四電極層140都重疊於第一電極層110、第二電極層120和反射層150。在本實施例中，第三電極層130和第四電極層140沿著方向Z可分別對齊第一電極層110和第二電極層120設置。從另一觀點來說，本發明的天線結構也可以是多個天線單元的堆疊結構。例如：本實施例的天線結構20可由天線單元AU1和天線單元AU2疊置而成。其中，天線單元AU1即為圖2的天線結構10，而另一個天線單元AU2則是圖2的天線結構10移除反射層150而成。

透過多個天線單元的重疊設置，可進一步達到更大的相位調變量或頻率調變量。請同時參照圖7，當第一液晶層LC1和第二液晶層LC2不驅動（即第一電極層110、第二電極層120、第三電極層130和第四電極層140不被致能）時，天線結構20的反射係數S11對頻率的曲線C3a以及電磁波相位對頻率的曲線C4a明顯不同於第一液晶層LC1和第二液晶層LC2被驅動時，天線結構20的反射係數S11對頻率的曲線C3b以及電磁波相位對頻率的曲線C4b。

舉例來說，對於相位落在-110度附近的電磁波來說，第一液晶層LC1和第二液晶層LC2的驅動與否，可明顯改變電磁波的反射主頻率，例如在頻率24.8GHz與頻率25.9GHz之間切換。從另一觀點來說，對於頻率落在25.3GHz附近的電磁波來說，第一液晶層LC1和第二液晶層LC2的驅動與否，能產生的最大相位調變量∆P2約為310度。由於本實施例的天線結構20無需搭配移相器即可具有相位調變的能力，因此，相較於傳統天線結構更具成本優勢，有助於天線結構的大尺寸化。

圖8是依照本發明的第四實施例的天線結構的剖視示意圖。圖9是圖8的天線結構在不同操作模式下的反射係數S11和相位對頻率的曲線圖。請參照圖8及圖9，本實施例的天線結構10B與圖2的天線結構10的差異在於：天線結構10B的反射層150與第二基板102間設有空氣層AG。透過此空氣層AG的設置，能降低天線結構10B對於特定頻率附近的電磁波所能產生的最大相位調變量∆P3對頻率的相依性。

當第一液晶層LC1不驅動（即第一電極層110和第二電極層120不被致能）時，天線結構10B的反射係數S11對頻率的曲線C5a以及電磁波相位對頻率的曲線C6a明顯不同於第一液晶層LC1被驅動時，天線結構10B的反射係數S11對頻率的曲線C5b以及電磁波相位對頻率的曲線C6b。舉例來說，對於頻率落在16.9GHz附近的電磁波來說，第一液晶層LC1的驅動與否，能產生的最大相位調變量∆P3約為200度，且此最大相位調變量∆P3對於頻率範圍介於16.7GHz至17.1GHz的電磁波來說，其頻率的相依性較不明顯。也就是說，本實施例的天線結構10B對於頻率範圍介於16.7GHz至17.1GHz的電磁波都能產生相當程度的最大相位調變量∆P3，有助於增加天線結構10B的操作彈性。

圖10A及圖10B是依照本發明的第五實施例的天線結構在不同方向上的俯視示意圖。圖11是圖10A的天線結構的剖視示意圖。圖11對應圖10A的剖線B-B’。圖12是圖10A的天線結構在不同操作模式下的反射係數S11和相位對頻率的曲線圖。為清楚呈現起見，圖10A及圖10B僅繪示出圖2的第一電極層110和第二電極層120。

請參照圖10A、圖10B及圖11，本實施例的天線結構30與圖1A的天線結構10的差異在於：電極層的電極圖案的配置方式不同。具體而言，天線結構30的第一電極層110A具有第一環狀開口112O和第二環狀開口114O。第二環狀開口114O圍繞第一環狀開口112O設置。在本實施例中，第二環狀開口114O在方向Y和方向X上分別具有第一開口寬度OW1和第二開口寬度OW2，且第一開口寬度OW1大於第二開口寬度OW2。然而，本發明不限於此。在其他實施例中，第一開口寬度OW1也可小於或實質上等於第二開口寬度OW2。。

另一方面，第二電極層120B具有第一條狀開口122O和第二條狀開口124O。特別注意的是，第一條狀開口122O和第二條狀開口124O分別設置在第一環狀開口112O沿著方向Y的相對兩側，且各自部分重疊於第一環狀開口112O和第二環狀開口114O。舉例來說，第二電極層120B的第一條狀開口122O和第二條狀開口124O各自具有相連通的開口主部120om和開口延伸部120oe。開口主部120om重疊於第一環狀開口112O和第二環狀開口114O。開口延伸部120oe延伸於開口主部120om沿著方向X的相對兩側。

在本實施例中，這些條狀開口各自的開口延伸部120oe可選擇性地部分重疊於第一電極層110A的第二環狀開口114O，但不以此為限。在另一些未繪示的實施例中，天線結構的第二電極層的條狀開口的開口延伸部120oe也可完全重疊於或不重疊於第一電極層110A的第二環狀開口114O。

透過第二電極層120B的條狀開口的開口主部120om與第一電極層110A的第一環狀開口112O和第二環狀開口114O的上述重疊關係所形成的電容耦合效應，可在第一環狀開口112O沿著方向X的相對兩側形成兩個感應迴路。由於第一液晶層LC1能受電場的驅動而改變其在第一電極層110A與第二電極層120B間的有效介電常數，因此第一電極層110A、第二電極層120B與第一液晶層LC1間所形成的等效電容與等效電感的共振電路，其共振頻率和相位是可調變的。

也就是說，第一液晶層LC1的有效介電常數的可調變性能讓天線結構30調變其反射的主要電磁波（例如毫米波）的頻率和相位。請同時參照圖12，當第一液晶層LC1不驅動（即第一電極層110A與第二電極層120B不被致能）時，天線結構30的反射係數S11對頻率的曲線C7a以及電磁波相位對頻率的曲線C8a明顯不同於第一液晶層LC1被驅動時，天線結構30的反射係數S11對頻率的曲線C7b以及電磁波相位對頻率的曲線C8b。舉例來說，對於相位落在-100度附近的電磁波來說，第一液晶層LC1的驅動與否，可改變電磁波的反射主頻率，例如在頻率18.1GHz與頻率18.9GHz之間切換。從另一觀點來說，對於頻率落在18.5GHz附近的電磁波來說，第一液晶層LC1的驅動與否，能產生的最大相位調變量∆P4約為170度。也就是說，本實施例的天線結構30無需搭配移相器即可具有相位調變的能力，相較於傳統天線結構更具成本優勢，有助於天線結構的大尺寸化。

綜上所述，在本發明的一實施例的天線結構中，第一電極層與第二電極層的部分重疊關係所產生的電容耦合效應可經由夾設在這兩電極層間的液晶層來改變。亦即，這些電極層所形成的感應電路（或感應迴路）的共振頻率和相位是可調變的。由於本發明的天線結構無須搭配移相器即可具有相位調變的功能，因此更具有成本優勢。另外，本發明的天線結構的尺寸較小，更適於密集排列並構成能有效抑制旁波瓣（sidelobe）形成的天線陣列。

1:天線陣列 10、10A、10B、20、30:天線結構 50:驅動電路板 101:第一基板 102:第二基板 102s:表面 103:第三基板 104:第四基板 110、110A:第一電極層 112、132:第一環狀電極 112O:第一環狀開口 114、134:第二環狀電極 114O:第二環狀開口 116、136:第三環狀電極 120、120A、120B:第二電極層 120e:延伸部 120oe:開口延伸部 120m:主部 120om:開口主部 122、122A、142:第一條狀電極 122O:第一條狀開口 124、124A、144:第二條狀電極 124O:第二條狀開口 130:第三電極層 140:第四電極層 150:反射層 AG:空氣層 AU1、AU2:天線單元 G、G”:間隙 LC1:第一液晶層 LC2:第二液晶層 OW1:第一開口寬度 OW2:第二開口寬度 S:間距 W:寬度 W1:第一寬度 W2:第二寬度 X、Y、Z:方向 A-A’、B-B’:剖線

圖1A及圖1B是依照本發明的第一實施例的天線結構在不同方向上的俯視示意圖。 圖2是圖1A的天線結構的剖視示意圖。 圖3是圖1A的天線結構在不同操作模式下的反射係數S11和相位對頻率的曲線圖。 圖4是依照本發明的一實施例的天線陣列的示意圖。 圖5A及圖5B是依照本發明的第二實施例的天線結構在不同方向上的俯視示意圖。 圖6是依照本發明的第三實施例的天線結構的剖視示意圖。 圖7是圖6的天線結構在不同操作模式下的反射係數S11和相位對頻率的曲線圖。 圖8是依照本發明的第四實施例的天線結構的剖視示意圖。 圖9是圖8的天線結構在不同操作模式下的反射係數S11和相位對頻率的曲線圖。 圖10A及圖10B是依照本發明的第五實施例的天線結構在不同方向上的俯視示意圖。 圖11是圖10A的天線結構的剖視示意圖。 圖12是圖10A的天線結構在不同操作模式下的反射係數S11和相位對頻率的曲線圖。

10:天線結構

110:第一電極層

112:第一環狀電極

114:第二環狀電極

116:第三環狀電極

120:第二電極層

120e:延伸部

120m:主部

122:第一條狀電極

124:第二條狀電極

S:間距

W:寬度

W1:第一寬度

W2:第二寬度

X、Y、Z:方向

A-A’:剖線

Claims (11)

1. 一種天線結構，包括：一第一基板；一第二基板，與該第一基板相對設置；一第一液晶層，設置在該第一基板與該第二基板之間；一第一電極層，設置在該第一基板上，且位於該第一液晶層與該第一基板之間；一第二電極層，設置在該第二基板上，且位於該第一液晶層與該第二基板之間；以及一反射層，設置在該第二基板背離該第二電極層的一側，其中該第一電極層、該第二電極層和該反射層相互重疊，且該第一電極層具有一第一環狀電極、一第二環狀電極以及一第三環狀電極，該第二環狀電極圍繞該第一環狀電極設置，該第三環狀電極圍繞該第一環狀電極和該第二環狀電極設置。
2. 如請求項1所述的天線結構，其中該第一環狀電極與該第二環狀電極在一第一方向上具有一間隙，且該第二電極層重疊於該間隙。
3. 如請求項2所述的天線結構，其中該間隙在該第一方向的寬度小於該第一環狀電極與該第二環狀電極在一第二方向上的間距，且該第一方向與該第二方向相交。
4. 如請求項2所述的天線結構，其中該第二電極層具有相連接的一主部與一延伸部，該主部重疊於該第一環狀電極與該 第二環狀電極的該間隙、該第一環狀電極以及該第二環狀電極，該延伸部延伸於該主部沿著一第二方向的相對兩側，且該第二方向與該第一方向相交。
5. 如請求項1所述的天線結構，其中該第二環狀電極在一第一方向與一第二方向上分別具有一第一寬度與一第二寬度，該第一方向與該第二方向相交，且該第一寬度不同於該第二寬度。
6. 如請求項1所述的天線結構，其中該至少一環狀電極於該第一基板上的正投影外輪廓為矩形。
7. 如請求項1所述的天線結構，更包括：一第三基板，設置在該第一基板背離該第二基板的一側；一第四基板，設置在該第三基板與該第一基板之間；一第二液晶層，設置在該第三基板與該第四基板之間；一第三電極層，設置在該第三基板上，且位於該第二液晶層與該第三基板之間；以及一第四電極層，設置在該第四基板上，且位於該第二液晶層與該第四基板之間，其中該第三電極層和該第四電極層重疊於該第一電極層、該第二電極層和該反射層，且該第一電極層和該第三電極層各自具有至少一環狀電極或至少一環狀開口。
8. 如請求項1所述的天線結構，其中該反射層與該第二基板間設有一空氣層。
9. 一種天線結構，包括：一第一基板； 一第二基板，與該第一基板相對設置；一第一液晶層，設置在該第一基板與該第二基板之間；一第一電極層，設置在該第一基板上，且位於該第一液晶層與該第一基板之間；一第二電極層，設置在該第二基板上，且位於該第一液晶層與該第二基板之間；以及一反射層，設置在該第二基板背離該第二電極層的一側，其中該第一電極層、該第二電極層和該反射層相互重疊，其中該第一電極層具有一第一環狀開口和一第二環狀開口，該第二環狀開口圍繞該第一環狀開口，該第二電極層具有一條狀開口，且該條狀開口部分重疊於該第一環狀開口和該第二環狀開口。
10. 如請求項9所述的天線結構，其中該第二環狀開口在一第一方向與一第二方向上分別具有一第一開口寬度與一第二開口寬度，該第一方向與該第二方向相交，且該第一開口寬度不同於該第二開口寬度。
11. 如請求項10所述的天線結構，其中該條狀開口具有相連通的一開口主部和一開口延伸部，該開口主部重疊於該第一環狀開口和該第二環狀開口，該開口延伸部延伸於該開口主部沿著該第二方向的相對兩側，且部分重疊於該第一電極層的該第二環狀開口。

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