本发明涉及通信技术领域，特别是指一种天线结构及其驱动方法和通信装置。
背景技术：
液晶超材料天线可应用的范围极广，无论是交通工具与卫星间的通讯、无人驾驶用数组雷达或主动式安全防护数组雷达，均可利用液晶的各向异性来达成扫描功能。而液晶超材料天线是由谐振单元所构成，谐振单元中的液晶排列发生变化时谐振频率就会发生变化，藉由控制该处的液晶就能实现最终天线扫描的功能。一般来说，控制液晶所需的配向方向来配向液晶，而上下基板的电极给予垂直方向电场，使液晶的取向发生改变。此过程改变了谐振频率，最终可达成波束扫描的效果。
由于微波器件的金属膜厚远大于显示器所用的金属膜厚，摩擦取向(rubbing)工艺在液晶天线的制作上会遭遇许多困难，而光配向的配向膜价格较高、锚定能较低，且信赖性较差。液晶天线的应用场景会出现摄氏八十度和零下五十度的高低温范围，经过光配向的配向膜远较一般的配向膜脆弱，因此无法适应这么剧烈的温度范围。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种天线结构及其驱动方法和通信装置，以省去光配向或光聚合配向工艺，从而简化工艺流程。
根据本发明第一方面，其提供了一种天线结构，包括第一基板、液晶层、设置于所述第一基板一侧的多个第一电极和多个第二电极，所述第一电极与第二电极相互绝缘且交替设置，所述液晶层设置于所述第一电极和第二电极上，所述第一电极和第二电极用于控制所述液晶层的液晶分子的取向。
在本发明的一些实施例中，所述第一电极和第二电极位于同一平面上，相邻的所述第一电极与第二电极之间形成具有平行于所述第一基板所在面的方向的电场。
在本发明的一些实施例中，所述多个第一电极形成第一梳状电极，所述多个第二电极形成第二梳状电极，所述第一梳状电极与第二梳状电极的开口相对设置，且梳齿的数量相同。
在本发明的一些实施例中，相邻的所述第一电极与所述第二电极的相对边缘的间距为4～16微米；
和/或，
所述第一电极与第二电极等间距设置。
在本发明的一些实施例中，所述天线结构还包括微波电极走线，微波电极走线的断开处形成有电容间隙，在所述电容间隙处设置有所述液晶层、第一电极和第二电极。
在本发明的一些实施例中，所述天线结构为偶极振子天线结构，沿着所述电容间隙处的偶极振子间距的方向，所述第一电极的宽度为2～8微米，和/或，所述第二电极的宽度为2～8微米。
在本发明的一些实施例中，沿着垂直于所述偶极振子间距且平行于所述第一基板的方向，所述第一梳状电极和/或第二梳状电极的梳齿长度l与微波电极走线的宽度w的关系满足l＞w+0.6g，其中，g为偶极振子间距。
在本发明的一些实施例中，在1千赫兹电压的驱动下，所述液晶层的介电常数为3～25。
根据本发明第二方面，其提供了一种通信装置，所述显示装置包括上述任意一个实施例中所述的天线结构。
根据本发明第三方面，其提供了一种天线结构的驱动方法，所述天线结构包括第一基板、液晶层、设置于所述第一基板一侧的多个第一电极和多个第二电极，所述第一电极与第二电极相互绝缘且交替设置，所述液晶层设置于所述第一电极和第二电极上，
所述驱动方法包括以下步骤：
向所述第一电极和第二电极施加电压以形成具有平行于所述第一基板所在面的方向的电场，以控制所述液晶层的液晶分子的取向。
本发明实施例提供的天线结构及其驱动方法和通信装置可以克服经过光配向或光聚合配向工艺的配向层的缺点，本发明实施例提供的天线结构免去了对配向层(尤其是厚度较大的金属膜层，例如3微米)的摩擦配向工艺的困扰，而且不需要对配向层进行任何光配向或光聚合配向工艺，简化工艺流程，大幅降低工艺难度，也降低了加工成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的天线结构的截面图；
图2为图1中沿A-A方向的局部截面图；
图3为本发明实施例的未加电压时液晶层的取向示意图；
图4为本发明实施例的加电压时液晶层的取向示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要指出的是，除非另有定义，本发明实施例中所使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
例如，本发明专利申请说明书以及权利要求书中所使用的术语“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，仅是用来区分不同的组成部分。“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/上方”、“下/下方”、“一侧”以及“另一侧”等指示的方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于说明本发明的技术方案的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
天线利用液晶来改变天线的工作频率，液晶分子具有各向异性的特点，即液晶中的各液晶分子在自然状态下的取向不同，需要设置配向层以对液晶分子进行预取向。但是，在天线中，液晶层的厚度通常较大，随着液晶层的厚度增加，配向层对液晶分子的锚定作用会减弱，使得天线设备的频率可重构的范围变小，响应时间变慢。而光配向的配向膜价格较高、锚定能较低，且信赖性较差。液晶天线的应用场景会出现摄氏八十度和零下五十度的高低温范围，光配向的配向膜远较一般配向膜脆弱，因此无法适应这么剧烈的温度范围。
本发明实施例提供了一种天线结构及其驱动方法和通信装置来解决上述技术问题。该天线结构包括：包括第一基板、液晶层、设置于所述第一基板一侧的多个第一电极和多个第二电极，所述第一电极与第二电极相互绝缘且交替设置，所述液晶层设置于所述第一电极和第二电极上，所述第一电极和第二电极用于控制所述液晶层的液晶分子的取向。在本发明的实施例中，向第一电极和第二电极施加电压之后，可以产生水平电场(具有平行于第一基板所在面的方向的电场)，处于该电场中的液晶层中的液晶分子会趋向于该电场的方向，如此，可以控制液晶分子的取向。因此，液晶层中的液晶分子可以通过第一电极和第二电极之间的电场而改变取向，而可以不需要经过光配向或者光聚合配向工艺的配向层对液晶分子进行锚定，从而可以免去对配向层进行光配向或者光聚合配向工艺，简化天线结构的加工工艺，减少加工成本。
可选地，所述天线结构还包括微波电极走线，微波电极走线的断开处形成有电容间隙，在所述电容间隙处设置有所述液晶层、第一电极和第二电极，液晶层中的液晶分子可以通过第一电极和第二电极之间的电场而改变取向，进而控制液晶层的介电常数，调整天线的频率。如此，通过控制第一电极与第二电极之间的电压差，可以高效地控制天线结构在不同工作频率之间切换。
需要指出的是，所述液晶层、第一电极、第二电极可以设置在天线结构的电容间隙处，通过调整电容间隙处的液晶取向，可以最有效地调整电容间隙处的电容大小，从而调整天线结构的频率。可选地，所述液晶层、第一电极、第二电极还可以设置在除电容间隙处以外的其他地方，也可以达到类似的技术效果。
参见图1，其为本发明实施例的天线结构的截面图。参见图2，其为图1中沿A-A方向的局部截面图。作为本发明的一个实施例，所述天线结构包括第一基板1、液晶层2、设置于所述第一基板1一侧的多个第一电极3和多个第二电极4，还包括微波电极走线6，所述微波电极走线6的断开处形成有电容间隙(图1中虚线圆圈所示的位置处即为电容间隙处)，其中，所述第一电极3与第二电极4相互绝缘且交替设置，所述液晶层2设置于所述第一电极3和第二电极4上，所述第一电极3和第二电极4用于控制所述液晶层2的液晶分子的取向。当第一电极3和第二电极4之间具有电压差时，该第一电极3和第二电极4之间可以形成水平电场，如此可以使得液晶层2中的液晶分子的取向趋向于该水平电场的方向，也使得液晶分子具有特定的取向，如此，不需要对配向层进行光配向或者光聚合配向工艺。需要指出的是，图1所示的结构即为一个谐振单元。
作为本发明的又一个实施例，所述第一电极3和第二电极4位于同一平面上，相邻的所述第一电极3与第二电极4之间形成具有平行于所述第一基板1所在面的方向的电场。可选地，所述第一电极3和第二电极4设置在平行于第一基板1所在面的方向上。可选地，所述第一电极3和第二电极4可以均设置在第一基板1的同一个平面上，从而可以形成平行于所述第一基板1所在面的方向的电场。
需要指出的是，本发明实施例对第一电极3和第二电极4在第一基板1上的排布方式及设置数量不做限制，只要第一电极3和第二电极4之间可以形成平行于第一基板1所在面的电场即可，进而可驱动液晶分子水平取向。例如，在本发明的一个实施例中，如图2所示，第一电极3和第二电极4沿着平行于第一基板1所在面的方向排布。例如，在本发明的一个实施例中，如图2所示，多个第一电极3和多个第二电极4交替设置在第一基板1上。
还需要指出的是，对多个第一电极3施加的电压可以各不相同，也可以相同，对多个第二电极4施加的电压可以各不相同，也可以相同。因此，第一电极3与第二电极4之间的电压差既可以相同也可以不同。
作为本发明的又一个实施例，如图2所示，所述天线结构还可以包括第二基板5，所述第一基板1与第二基板5相对设置，并且所述液晶层2设置在第一基板1与第二基板5之间。第一基板1和第二基板5可以为天线结构提供力学支撑，也可以起到封装的作用。进一步地，所述第一基板1与液晶层2之间，所述第二基板5与液晶层2之间还设置有配向层，所述配向层用于对液晶层2进行垂直配向，即初始配向，使得液晶分子的初始取向垂直于所述第一基板1。因此未对第一电极3和第二电极4施加电压时或者第一电极3和第二电极4之间的电压差为零时，液晶层中的液晶分子的取向垂直于第一基板1排列。
在本发明的实施例中，天线结构可以为刚性天线结构，也可以为柔性天线结构，天线结构中的第一基板1和/或第二基板5也同样可以为刚性材料或者柔性材料组成。例如，第一基板1和/或第二基板5的制备材料可以为聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚萘二甲酸乙二醇酯等中的一种或多种。需要说明的是，在配向层具有足够强度的情况下，可以不需要设置第二基板5。
作为本发明的再一个实施例，所述天线结构还可以包括与第一电极3和第二电极4相对设置的第三电极，并且所述第三电极可以设置在第二基板5的一侧面上，所述第三电极与第一电极3和第二电极4之间的电压差使其形成垂直于第一基板1的电场，以对液晶分子在垂直于第一基板1的方向上的取向进行调整，使得液晶分子的取向垂直于第一基板1。
下面，如图3和图4所示，以第一电极3和第二电极4沿着平行于第一基板1所在面的方向设置并且都设置为多个为例，对本发明下述实施例中的技术方案进行说明。
液晶分子的介电常数和天线结构的工作频率相关，而液晶分子的介电常数具有各向异性的特性，即液晶分子的介电常数与液晶分子的取向有关。在本发明的实施例中，天线结构中设置的配向层为垂直配向，液晶层2中的液晶分子的取向在初始状态下垂直于第一基板1，如图3所示。向第一电极3和第二电极4施加电压之后，通过控制第一电极3和第二电极4之间的电压差，形成平行于第一基板1所在面的电场，进而可驱动液晶分子水平取向，如图4所示，液晶分子越靠近第一基板1，其取向越接近于水平，液晶分子越远离第一基板1，其取向越接近于垂直，从而控制液晶层2中的液晶分子的取向处于有序状态。如此，可以控制液晶层2中的液晶分子的介电常数，通过调节液晶分子的介电常数以对天线结构的工作频率进行控制，以使得天线结构可以适用于不同频带(电磁波的频率范围)，如此可以实现天线结构的频率可重构，本发明的实施例提供的天线结构可以对收发电磁波的频率及能量大小进行控制。
在本发明的实施例的天线结构中，对液晶层2中的液晶分子的具体取向和天线结构的工作频率之间的具体变化关系不做限定。例如，液晶层2中的液晶分子的取向趋向于平行于第一基板1所在面的方向，液晶分子的介电常数较小，天线结构的工作频率可以处于高频带；或者液晶层2中的液晶分子的取向趋向于垂直于第一基板1所在面的方向，液晶分子的介电常数较大，天线结构的工作频率可以处于低频带。
本发明实施例对第一电极3和第二电极4的制备材料不做限制，只要第一电极3和第二电极4的制备材料为导电率良好的材料即可。例如，第一电极3和第二电极4的制备材料可以为金属导电材料或者金属合金，金属材料可以包括ITO、钛(Ti)、铝(Al)、镍(Ni)、铂(Pt)和金(Au)等材料中的一种或组合。
本发明的实施例对第一电极3和第二电极4的延伸形状和延伸方向不做限定，第一电极3和第二电极4的延伸方向只要与第一基板1所在面平行即可，第一电极3和第二电极4的延伸形状可以为图1所示的直线段，也可以为曲线段例如波浪形等其它形状，或者也可以上述形状的组合。第一电极3和第二电极4的延伸形状和延伸方向可以按照实际需求来进行设计，本发明的实施例在此不做赘述。为便于解释本发明中的技术方案，以第一电极3和第二电极4的延伸形状为直线形为例进行说明。
本发明的实施例对第一电极3和/或第二电极4的厚度不做限制，例如，在本发明的一个实施例中，如图2所示，在垂直于第一基板1的方向上，第一电极3和/或第二电极4的厚度约为0.1～3微米，例如进一步约为0.2～1微米。
作为本发明的再一个实施例，如图1所示，所述多个第一电极3形成第一梳状电极，所述多个第二电极4形成第二梳状电极，所述第一梳状电极3与第二梳状电极4的开口相对设置。可选地，所述第一梳状电极3与第二梳状电极4的梳齿的数量相同。对第一梳状电极3和第二梳状电极4施加不同的电压，以使每个第一电极3与每个第二电极4之间形成相同的电压差，从而控制液晶层2中的液晶分子的取向处于有序状态。
本发明的实施例对相邻的第一电极3和第二电极4之间的间隔距离不做限定。作为本发明的另一个实施例，相邻的所述第一电极3与所述第二电极4的相对边缘的间距为4～16微米。如果相邻的所述第一电极3与所述第二电极4的相对边缘的间距小于4微米，即第一电极3与第二电极4的设置过于紧密，则会导致液晶分子的排列效率差，难以控制液晶层2中的液晶分子的取向处于有序状态。如果相邻的所述第一电极3与所述第二电极4的相对边缘的间距大于16微米，即第一电极3与第二电极4的设置过于稀疏，则会导致电场太弱，难以控制液晶层2中的液晶分子的取向发生改变。虽然可以通过增加电压来克服，但是会导致耗电大幅增加。需要指出的是，所述第一电极3与第二电极4在走线布局上需要保持电气独立。
可选地，所述第一电极3与第二电极4等间距设置，以使每个第一电极3与每个第二电极4之间形成相同的电压差，从而控制液晶层2中的液晶分子的取向处于对称的有序状态。
本发明的实施例对第一电极3和第二电极4的宽度不做限定。例如，在本发明至少一个实施例中，如图1和2所示，所述天线结构为偶极振子天线结构，沿着所述电容间隙处的偶极振子间距g的方向，所述第一电极3的宽度s为2～8微米，和/或，所述第二电极4的宽度s为2～8微米。如果电极的宽度小于2微米，则会导致功率过低，无法实现对液晶分子取向的改变。如果电极的宽度大于8微米，则导致控制液晶分子的效率较低。
如图1和2所示，沿着垂直于所述天线结构的偶极振子间距且平行于所述第一基板1的方向，所述第一梳状电极3和/或第二梳状电极4的梳齿长度l与微波电极走线6的宽度w的关系满足l＞w+0.6g，其中，g为偶极振子间距，以实现对液晶分子的取向的有效控制。需要指出的是，所述微波电极走线6的宽度w是指靠近第一电极3和/或第二电极4处的微波电极走线的宽度。
微波电极走线6与液晶层2接触并且和第一电极3、第二电极4彼此绝缘，微波电极走线6例如可以与外部电路中的馈线连通，可以将外部的电磁信号导入天线结构中，或者将天线结构中的电磁信号导出。本发明的实施例对微波电极走线6的具体设置位置及具体形状不做限制，只要微波电极走线6可以与液晶层2接触并且与第一电极3和第二电极4之间彼此绝缘即可。例如，在本发明至少一个实施例中，微波电极走线6与第一电极3、第二电极4同层设置，并且微波电极走线6设置在第一电极3和第二电极4的外围并且与第一电极3、第二电极4彼此绝缘。微波电极走线6位于第一电极3和第二电极4的外围，即微波电极走线6在第一基板1上的正投影位于第一电极3和第二电极4的外围轮廓在第一基板1上的正投影之外。
例如，在本发明的又一个实施例中，微波电极走线6可以配置为与第一电极3和/或第二电极4同层且同材料形成。例如，微波电极走线6与第一电极3和/或第二电极4可以由同一个材料层制备得到，即可以由同一工艺同时形成微波电极走线6和第一电极3和/或第二电极4，可以简化天线结构的制备工艺流程，降低制备成本。本发明的实施例对微波电极走线6的制备材料不做限定，只要微波电极走线6为导电材料即可。例如，微波电极走线6的制备材料可以包括：铜(Cu)、银(Ag)、钛(Ti)、铝(Al)、镍(Ni)、铂(Pt)和金(Au)等材料中的一种或组合。
可选地，所述天线结构还可以包括设置在第二基板5与微波电极走线6之间的封框胶7，以将液晶层限制在第一基板1和第二基板5之间。
本发明实施例对液晶层2的厚度不做限制，可以根据实际需求进行设置。液晶层2的厚度影响天线结构的工作频率切换的速度以及能耗。例如，液晶层2的厚度越小，天线结构的工作频率的切换速度越快，但是能耗越高；液晶层2的厚度越大，天线结构的工作频率的切换速度越慢，但是能耗越低。例如，在垂直于第一基板1的方向上，所述液晶层2的厚度约为5～200微米，进一步约为10～40微米。可选地，在1千赫兹电压的驱动下，所述液晶层的介电常数为3～25，以提高液晶对电压差的灵敏性，而且低频驱动有助于减少能耗。
本发明的实施例对液晶层2的液晶分子的类型不做限制。例如，液晶层2中的液晶分子可以包括向列相液晶。具体的，液晶分子为正性液晶分子，这样液晶分子在电场作用下沿电场方向取向。示例性地，液晶层2可以为聚合物分散液晶(polymerdispersedliquidcrystal，PDLC)，即向列相液晶以微米尺寸的液滴均匀分散在固态有机聚合物基体内。聚合物分散液晶的液晶层2作为介电材料，具有可有效降低工艺难度、易于集成等方面的优势，并且保证了液晶天线结构受外力作用下液晶腔(第一电极3和第二电极4之间的储存液晶层2的空间)内液晶的均匀度，从而避免外力作用导致的液晶腔内液晶层厚度不均匀而引起辐射方向畸变、影响天线信号传输路径及速度等问题。
本发明实施例对天线结构的形状(主要功能区的形状)不做限定。本发明实施例中的天线结构可以为贴片天线，可以适用于矩形天线结构、椭圆天线结构、三角形天线结构以及多边形天线结构等形状的天线结构，同时也适用于线极化、圆极化、椭圆极化、双极化等类型的天线结构。
本发明还提供了一种天线结构的驱动方法，所述天线结构包括第一基板、液晶层、设置于所述第一基板一侧的多个第一电极和多个第二电极，所述第一电极与第二电极相互绝缘且交替设置，所述液晶层设置于所述第一电极和第二电极上，作为本发明的一个实施例，所述驱动方法包括：向所述第一电极和第二电极施加电压以形成具有平行于所述第一基板所在面的方向的电场，以控制所述液晶层的液晶分子的取向。如此可以使得液晶层中的液晶分子的取向趋向于该水平电场的方向，也使得液晶分子具有特定的取向，如此，不需要对配向层进行光配向或者光聚合配向工艺。
向第一电极和第二电极施加电压之后，在第一电极和第二电极之间形成具有平行于第一基板所在面的方向的电场，该电场可以使得液晶层中的液晶分子的取向趋向于平行于第一基板所在面的方向。如此，通过控制第一电极、第二电极上的电压大小可以调节液晶分子的取向，控制所述液晶层的液晶分子发生偏转，进而控制液晶分子的介电常数，继而调整天线的频率。如此，通过控制第一电极与第二电极之间的电压差，可以控制天线结构在不同工作频率之间切换。
在本发明至少一个实施例提供的天线结构的驱动方法中，天线结构的具体化结构可以参考前述实施例(与天线结构相关的实施例)中的相关内容，本发明的实施例在此不做赘述。
在本发明的实施例中，对天线结构的工作频率的调节的过程不做限制，可以根据实际情况进行操作。
本发明至少一个实施例提供一种通信装置，该通信装置可以包括上述任意一个实施例中的天线结构，在第一基板1上交替地设置第一电极3和第二电极4的结构，可以控制液晶层中的液晶分子的取向，不需要对配向层进行光配向或光聚合配向工艺，在简化了通信装置的制作过程，降低了制作成本的同时使得天线设备具有双向辐射功能。该通信装置包括的天线结构的具体化结构设计可以参考前述实施例中的相关内容，本发明的实施例在此不做赘述。
例如，该通信装置中的天线结构可以为柔性结构，该通信装置可以为柔性电子装置，例如具有体能指数监测、GPS、4G或5G移动网络等强大功能的可穿戴智能产品。
由此可见，本发明实施例提供的天线结构及其驱动方法和通信装置可以克服经过光配向或光聚合配向工艺的配向层的缺点，本发明实施例提供的天线结构免去了对配向层(尤其是厚度较大的金属膜层，例如3微米)的摩擦配向工艺的困扰，而且不需要对配向层进行任何光配向或光聚合配向工艺，简化工艺流程，大幅降低工艺难度，也降低了加工成本。本发明实施例提供的天线结构，通过控制第一电极和第二电极的电压差，有效驱动液晶的取向发生改变，从而改变天线的谐振频率。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。