相位调制单元以及辐射系统的制作方法

1.本发明涉及一种相位调制单元以及辐射系统。


背景技术：

2.天线是一种用来发射或接收电波的设备，通过搭配相位调制装置来调制电波的相位，使辐射波前产生偏折，达到控制电波的指向性的目的。
3.传统的相位调制装置运用例如可变电容等元件来构成相位调制装置中的每一个相位调制单元，当多个相位调制单元所组成的相位调制阵列越大，所需使用的元件就越多。除此之外，还需要其他元件，例如数字模拟转换器，来进行调制控制。举例而言，对于5g频段的8
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2主动式相位阵列天线系统，至少需要使用16个相位调制单元、16个功率放大器以及4个数字模拟转换器。加上使用较高阶的运算与控制系统，使得整个系统成本极高，且耗电量大，一般只能用在高阶的军事或商业用途。


技术实现要素：

4.本发明提供一种相位调制单元以及辐射系统，制造成本低。
5.根据本发明一实施例，提供一种相位调制单元，包括第一基板、第二基板、图案化金属层、第一电极、第二电极、驱动元件以及液晶层。图案化金属层设置于第一基板面对第二基板的第一表面上，并包括槽孔、围绕槽孔的环形槽以及位于槽孔中央区域的金属环，其中槽孔以及环形槽暴露第一表面的一部分。第一电极以及第二电极设置于第二基板面对第一基板的第二表面上。驱动元件连接第一电极以及第二电极。液晶层设置于第一基板以及第二基板之间。
6.根据本发明另一实施例，提供一种辐射系统，包括辐射源、相位调制装置以及控制器。辐射源被设置以发出电波。相位调制装置设置于电波的路径上，并包括至少一相位调制阵列，其中至少一相位调制阵列包括以二维方式分布的多个相位调制单元。控制器连接每一相位调制单元的驱动元件。
7.基于上述，本发明实施例提供的相位调制单元利用液晶调制电波相位，达到控制电波指向性的目的。相位调制阵列可以液晶显示器制作工艺来制作，并利用液晶达到快速调制的功能。并且，可以提供大面积、平面化以及低成本的相位调制阵列，大幅降低辐射系统的建置成本。
8.为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。
附图说明
9.图1a及图1b分别是本发明实施例的相位调制单元的平面视图及透视图；
10.图1c是相位调制单元的横截面图；
11.图2a为现有技术的相位调制单元的图案化金属层的共振电波示意图
12.图2b为本发明实施例的相位调制单元的图案化金属层的共振电波示意图；
13.图3a为本发明实施例的相位调制单元以及根据现有技术的相位调制单元的频宽的模拟结果的示意图；
14.图3b为本发明实施例的相位调制单元以及根据现有技术的相位调制单元的辐射功率的模拟结果的示意图；
15.图4a是本发明实施例的辐射系统的示意图；
16.图4b是辐射系统的相位调制装置的示意图。
17.符号说明
18.10:相位调制阵列
19.100、100a:相位调制单元
20.101:第一基板
21.101s、102s:表面
22.102:第二基板
23.103、103a:图案化金属层
24.103w:槽孔
25.103c:环形槽
26.103m1:金属环
27.103m2、103m3:金属层
28.103l1、103l2:导线
29.1041:第一电极
30.1042:第二电极
31.1043:导线
32.1044:导线
33.105:驱动元件
34.106:液晶层
35.301、302、303、304:曲线
36.400:辐射系统
37.401:辐射源
38.4011:信号源
39.4012:天线
40.402:相位调制装置
41.403:控制器
42.e1:电波
具体实施方式
43.图1a及图1b分别是根据本发明实施例的相位调制单元的平面视图及透视图，图1c是相位调制单元沿着图1a及图1b中的线i-i’的横截面图。
44.在本实施例中，相位调制单元100包括第一基板101、第二基板102、图案化金属层103、第一电极1041、第二电极1042、驱动元件105以及液晶层106。图案化金属层103设置于
第一基板101面对第二基板102的表面101s上，并包括槽孔103w、围绕槽孔103w的环形槽103c以及位于槽孔103w中央区域的金属环103m1。如图1a及图1c所示，槽孔103w以及环形槽103c暴露表面101s的一部分。第一电极1041以及第二电极1042设置于第二基板102面对第一基板101的表面102s上，如图1b的透视图以及图1c的横截面图所示。
45.驱动元件105可以是薄膜晶体管，分别通过导线1043及导线1044连接第一电极1041以及第二电极1042，其中，驱动元件105、导线1043及导线1044设置于表面102s上。液晶层106设置于第一基板101以及第二基板102之间。驱动元件105通过第一电极1041以及第二电极1042施加电压，改变液晶层106中的液晶分子的排列方向。
46.如图1a及图1c所示，图案化金属层103还包括设置于槽孔103w以及环形槽103c之间的金属层103m2、围绕环形槽103c的金属层103m3、连接金属环103m1以及金属层103m2的导线103l1、以及连接金属层103m2以及金属层103m3的导线103l2。其中导线103l1以及导线103l2设置于表面101s上，且导线103l1设置于金属环103m1以及导线103l2之间。通过导线103l1连接金属环103m1以及金属层103m2，且导线103l2连接金属层103m2以及金属层103m3，使得图案化金属层103整体等电位(地电位)。
47.应当注意的是，根据图1a的平面视图以及图1b的透视图，可以看到导线103l1、导线103l2、导线1043以及导线1044在第一基板101的垂直投影彼此不相重叠。从另一方面来看，金属环103m1在第一基板101的垂直投影位于导线103l1在第一基板101的垂直投影以及导线1043与导线1044在第一基板101的垂直投影之间。具体而言，由于将导线103l1以及导线103l2设置在相对于金属环103m1的一侧，并将导线1043以及导线1044设置在相对于金属环103m1的另一侧，可以避免因导线103l1及导线103l2太靠近导线1043及导线1044而造成的相互干扰。
48.还应当注意的是，驱动元件105在第一基板101的垂直投影在环形槽103c在第一基板101的垂直投影外，且驱动元件105的垂直投影不重叠环形槽103c的垂直投影。
49.图2a绘示了根据现有技术的相位调制单元的图案化金属层的共振电波示意图。图2b绘示了根据本发明实施例的相位调制单元的图案化金属层的共振电波示意图。
50.参照图2a，根据现有技术的相位调制单元100a具备图案化金属层103a，其共振电波以图2a中的箭号表示。再参照图2b，根据本发明实施例的相位调制单元100具备图案化金属层103，其共振电波以图2b中的箭号表示。
51.可以看到，根据现有技术的相位调制单元100a不具备环形槽，共振电波向外延伸。当多个相位调制单元100a以阵列形式组成相位调制阵列，每一个相位调制单元100a的共振电波可能会受到邻近的相位调制单元100a的共振电波的干扰(耦合)。相对的，由于根据本发明实施例的相位调制单元100的图案化金属层103具备环形槽103c，其共振电波被限制于环形槽103c所围绕的范围内。当多个相位调制单元100以阵列形式组成相位调制阵列，每一个相位调制单元100的共振电波不会受到邻近的相位调制单元100的共振电波的干扰，因此，具有降低耦合的功效。
52.再者，请同时参照图1a、图1b及图2b，由于根据本发明实施例的相位调制单元100的图案化金属层103具备环形槽103c，并且，如同前述，驱动元件105在第一基板101的垂直投影在环形槽103c在第一基板101的垂直投影外，可以避免驱动元件105与受限于环形槽103c所围绕范围内的电波相互干扰。
53.除此之外，由于相位调制单元100的共振电波的频宽会因为金属层103m2的尺寸而改变。一般来说，金属层103m2越大，频宽会越窄，金属层103m2越小，频宽会越宽。因此，环形槽103c的配置可以使金属层103m2的尺寸较小，提高频宽。
54.再者，环形槽103c的配置还可以提高图案化金属层103的图案配置(pattern configuration)的自由度。具体而言，环形槽103c的位置和/或尺寸可以对应金属环103m1的尺寸而调整，优化图案化金属层103的图案配置。在本发明的一实施例中，由于环形槽103c本身也会形成一个天线结构，所以其结构尺寸必须特别设计，使其本身的共振频率不会落在整体相位调制单元100的共振频率之间与共振频率附近。
55.图3a绘示了图2a及图3a的相位调制单元的频宽的模拟结果。图3b绘示了图2a及图3a的相位调制单元的辐射功率的模拟结果。在图3a中，以曲线301表示图2a的相位调制单元100a的模拟结果，并以曲线302表示图2b的相位调制单元100的模拟结果。在图3b中，以曲线303表示图2a的相位调制单元100a的模拟结果，并以曲线304表示图2b的相位调制单元100的模拟结果。
56.先参照图3a，图2a的相位调制单元100a在-10db的频宽为1.1ghz，图2b的相位调制单元100在-10db的频宽为3.3ghz。换句话说，由于相位调制单元100相较于相位调制单元100a设置了环形槽103c，共振电波的频宽提高为3倍。
57.参照图3b，在本实施例中，输入功率为0.5w，图2a的相位调制单元100a的峰值辐射功率为0.21w，峰值辐射效率为两者的比值，即为42％，图2b的相位调制单元100的峰值辐射功率为0.34w，即峰值辐射效率为68％。从另一个角度而言，由于相位调制单元100相较于相位调制单元100a设置了环形槽103c，峰值辐射功率由0.21w增加为0.34w，增加了0.13w，相当于0.21w的62％(峰值辐射效率增加了62％)。
58.参照图1b、图4a及图4b，图4a是根据本发明实施例的辐射系统的示意图，图4b是辐射系统的相位调制装置的示意图。辐射系统400包括辐射源401、相位调制装置402以及控制器403。辐射源401以置于符合远场条件的距离向相位调制装置402发出电波e1，并包括信号源4011以及天线4012，其中天线4012可以是号角天线、贴片天线、槽孔天线或波导天线。相位调制装置402设置于电波e1的路径上，并包括至少一个相位调制阵列10。在本实施例中，相位调制装置402包括三个相位调制阵列10，但本发明不以此为限。每一个相位调制阵列10包括以二维方式分布的相位调制单元100。控制器403连接每一个相位调制阵列10中的每一个相位调制单元100的驱动元件105。
59.具体而言，控制器403通过每一个相位调制单元100的驱动元件105来决定施加于第一电极1041以及第二电极1042的电压，以控制每一个相位调制单元100中的液晶层106中的液晶分子的排列方向。当电波e1穿透每一个相位调制阵列10时，电波e1的相位受到液晶分子的调制，使电波e1的辐射波前产生偏折，达到控制电波e1的指向性的目的。
60.在本实施例中，三个相位调制阵列10彼此平行设置，两两相邻的相位调制阵列10之间的间距彼此相同且介于相位调制装置402的工作波长的0.25倍至0.75倍。并且，在本实施例中，为了简化控制，在不同的相位调制阵列10中对应到同一电波波前的相位调制单元100产生相同的相位差，并且只做二阶式相位调制，使三个相位调制阵列10中，对应到同一电波波前的三个相位调制单元100总体产生0度或180度的相位差。但是本发明不以此为限，在本发明的其他实施例中，对应到同一电波波前的相位调制单元100可以产生不同的相位
差。
61.综上所述，本发明实施例提供的相位调制单元利用液晶调制电波相位，达到控制电波指向性的目的。相位调制阵列可以液晶显示器制作工艺来制作，并利用液晶达到快速调制的功能。并且，可以提供大面积、平面化以及低成本的相位调制阵列，大幅降低辐射系统的建置成本。