天线单元以及天线装置的制作方法

本发明涉及一种天线装置，且特别涉及一种具有阵列的天线单元的天线装置。

背景技术：

现代生活中随处可以见到使用无线通信技术的产品，举例来说，目前的智能手机通常会附加有广域无线网络系统(wirelesswideareanetwork，wwan)、数字电视广播系统(digitaltelevisionbroadcastingsystem，dtv)、卫星定位导航系统(globalpositioningsystem，gps)、无线通信区域网络系统(wirelesslocalareanetwork，wlan)、近场通信传输系统(nearfieldcommunication，nfc)、长期演进系统(longtermevolution，lte)以及无线个人网络系统(wirelesspersonalnetwork，wlpn)等使用无线通信技术的系统。此外，在许多重要城市或公共空间中，无线区域网络环境已经是必备的要件之一。甚至，许多人会在自家建立无线区域网络。

无线通信设备通过位于其中的天线装置来发送或接收无线信号，为了使天线装置能产生足够的辐射强度，目前有一种将多个天线单元集结成天线阵列的技术。通过多个天线单元产生的电磁波互相叠加来改变辐射场的大小和方向性。

技术实现要素：

本发明提供一种天线单元，具有较小的尺寸以及较佳的辐射强度开关对比。

本发明提供一种天线装置，具有较小的尺寸以及较佳的辐射信号品质。

本发明的至少一实施例提供一种天线单元。天线单元包括第一基板、信号线、第一电极、第二电极以及辅助电极。第一基板具有第一面以及相对于第一面的第二面。信号线位于第一基板的第一面上。第一电极位于第一基板的第二面上。第一电极与信号线重叠。第一电极为环形。第二电极具有一通孔。通孔的容置空间重叠于第一电极。辅助电极重叠于通孔的容置空间以及第一电极。

本发明的至少一实施例中，高频电磁信号通过主要分布于第一基板的第一面上的信号线与第二电极之间的电场与磁场，传输天线单元的信号。

本发明的至少一实施例提供一种天线装置。天线装置包括基板以及多个天线单元。多个天线单元阵列于基板上。各天线单元中包括多个磁偶极。

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，并配合说明书附图作详细说明如下。

附图说明

图1a是依照本发明的一实施例的一种天线单元的俯视图。

图1b是图1a线aa’的剖面示意图。

图2是本发明一实施例的一种天线单元在不同操作频率下的电磁波强度的曲线示意图。

图3a是本发明一实施例的一种天线单元在馈入信号的频率约为15.5ghz时的表面电流的模拟俯视图。

图3b是本发明一实施例的一种天线单元在馈入信号的频率约为15.5ghz时的磁场的模拟剖面示意图。

图4a是本发明一实施例的一种天线单元在馈入信号的频率约为18ghz时的表面电流的模拟俯视图。

图4b是本发明一实施例的一种天线单元在馈入信号的频率约为18ghz时的磁场的模拟剖面示意图。

图5a是本发明一实施例的一种天线单元在馈入信号的频率约为19.5ghz时的表面电流的模拟俯视图。

图5b是本发明一实施例的一种天线单元在馈入信号的频率约为19.5ghz时的磁场的模拟剖面示意图。

图6是本发明一实施例的一种天线单元在馈入信号的频率约为18ghz时的表面电流的模拟俯视图。

图7a是依照本发明的一实施例的一种天线单元的俯视图。

图7b是图7a线bb’的剖面示意图。

图8a是依照本发明的一实施例的一种天线单元的俯视图。

图8b是图8a线cc’的剖面示意图。

图9是依照本发明的一实施例的一种天线装置的俯视图。

附图标记说明：

1：天线装置

10、10a、10b、10c：天线单元

ae：辅助电极

cs：连接结构

e1：第一电极

e2：第二电极

e3：第三电极

m：介质层

o1、o2、o3、o4：开口

s1：第一面

s2：第二面

s3：第三面

s4：第四面

s5：第五面

s6：第六面

sb1：第一基板

sb2：第二基板

sb3：第三基板

sl：信号线

th1、th2：通孔

具体实施方式

图1a是依照本发明的一实施例的一种天线单元的俯视图。图1b是图1a线aa’的剖面示意图。

天线单元10a包括第一基板sb1、信号线sl、第一电极e1、第二电极e2以及辅助电极ae。在本实施例中，天线单元10a还包括第三电极e3、第二基板sb2、介质层m、第三基板sb3以及连接结构cs。

第一基板sb1具有第一面s1以及相对于第一面s1的第二面s2。第二基板sb2具有第三面s3以及相对于第三面s3的第四面s4，其中第二基板sb2的第三面s3面对第一基板sb1的第二面s2。第三基板sb3具有第五面s5以及相对于第五面s5的第六面s6，其中第三基板sb3的第六面s6面对第一基板sb1的第一面s1。在本实施例中，第一基板sb1位于第二基板sb2与第三基板sb3之间。

信号线sl位于第一基板sb1与第三基板sb3之间。信号线sl位于第一基板sb1的第一面s1上。信号线sl位于第三基板sb3的第六面s6上。信号线sl可以是在第一基板sb1或第三基板sb3上形成。信号线sl例如为天线单元10a的馈入信号线。

第一电极e1为环形，且具有通孔th1。第一电极e1位于第一基板sb1与第二基板sb2之间。第一电极e1位于第一基板sb1的第二面s2上。第一电极e1与信号线sl重叠。第一电极e1的形状并不局限于环形。在其他实施例中，第一电极e1的形状亦可为其他形状，例如：矩形。

第二电极e2具有通孔th2。通孔th2的容置空间重叠于第一电极e1。通孔th2的尺寸大于第一电极e1的尺寸。在本实施例中，第二电极e2位于第二基板sb2的第三面s3上，但本发明不以此为限。在其他实施例中，第二电极e2位于第一基板sb1的第二面s2上。第二电极e2具有的通孔th2并不局限于图1a的矩形，亦可为其他形状。在其他实施例中，通孔th2的形状亦可为其他形状，例如：两侧具圆弧状的椭圆形。

辅助电极ae重叠于第二电极e2的通孔th2的容置空间以及第一电极e1的通孔th1的容置空间。在本实施例中，辅助电极ae位于第二基板sb2的第三面s3上，且辅助电极ae与第二电极e2属于同一导电膜层，但本发明不以此为限。于垂直第一基板sb1的方向上，辅助电极ae(及信号线sl)将第一电极e1的通孔th1分成开口o1与开口o2。在本实施例中，开口o1的尺寸等于开口o2的尺寸。于垂直第一基板sb1的方向上，第一电极e1(及信号线sl)的外侧与第二电极e2的通孔th2的内侧构成开口o3以及开口o4。在本实施例中，开口o3的尺寸等于开口o4的尺寸。

在本实施例中，连接结构cs电性连接辅助电极ae与第二电极e2。连接结构cs的宽度小于辅助电极ae的宽度。在本实施例中，辅助电极ae、连接结构cs以及第二电极e2皆位于第二基板sb2的第三面s3上，且辅助电极ae、连接结构cs以及第二电极e2一体成形。辅助电极ae、连接结构cs以及第二电极e2例如连接至接地电压或共用电压。

介质层m位于第一电极e1与辅助电极ae之间。在本实施例中，介质层m包括液晶。介质层m的介电常数会因为液晶导轴的指向改变而变化。换句话说，通过电场使介质层m中的液晶转向，可以改变介质层m的介电系数。由于天线单元10a的共振频率会被介质层m的介电系数直接影响，进而改变天线单元10a的辐射强度。因此，可以通过介质层m来做为天线单元10a的开关。在本实施中，第一电极e1实际上会与其他导线(未绘出)及/或主动元件(未绘出)电性连接，因此，可以在第一电极e1与辅助电极ae之间形成电场，以控制介质层m中的液晶的转向。在本实施例中，介质层m的厚度例如小于6微米。在本实施例中，可以用形成液晶显示面板中的液晶层的工艺来形成天线单元10a的介质层m，但本发明不以此为限。

第三电极e3位于第三基板sb3的第五面s5上。第三电极e3重叠于第一电极e1、第二电极e2以及辅助电极ae。在本实施例中，第三电极e3、第二电极e2以及辅助电极ae例如连接至相同的接地电压或共用电压，但本发明不以此为限。高频电磁信号会于信号线sl与第二电极e2跟第三电极e3之间的介电层(例如第一基板sb1与第三基板sb3)形成电场与磁场。通过类似三明治结构的带线(stripline)传输线，将信号传输到天线单元，通过电磁感应发射出电磁波。

在一些实施例中，施加于第一电极e1上以用来控制液晶转向的信号的频率小于施加信号线sl上以用来使天线单元10a产生电磁波的信号的频率。换句话说，施加于第一电极e1与包含第二电极e2、第三电极e3跟辅助电极ae的接地或共电位部分之间用来控制液晶转向的信号频率小于施加于信号线sl与包含第二电极e2、第三电极e3跟辅助电极ae的接地或共电位部分之间用来使天线单元10a产生电磁波的信号频率，但本发明不以此为限。

在本实施例中，天线单元10a为带线馈入(stripline-fed)的天线，但本发明不以此为限。在其他实施例中，天线单元是微带线馈入(microstrip-fed)的天线。

图2是本发明一实施例的一种天线单元在不同操作频率下的电磁波强度的曲线示意图。在此必须说明的是，图2的实施例沿用图1a和图1b的实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同或近似的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，在此不赘述。

图2的横轴是施加于信号线sl上的信号(馈入信号)的频率(ghz)，纵轴是天线单元发出的辐射(电磁波)强度(w)。

在图2中，实线与虚线分别代表的是介质层m开启状态的天线单元与介质层m关闭状态的天线单元。

在介质层m关闭状态的天线单元所对应的虚线中，信号的频率15.5ghz、18ghz以及19ghz分别实质上对应了虚线的波锋、波谷以及波锋。当信号的频率约为18ghz时，介质层m开启状态的天线单元所发出的电磁波与介质层m关闭状态的天线单元所发出的电磁波具有较大的强度差异。

图3a是本发明一实施例的一种天线单元在馈入信号的频率约为15.5ghz时的表面电流的模拟俯视图。图3b是本发明一实施例的一种天线单元在馈入信号的频率约为15.5ghz时的磁场的模拟剖面示意图。

图3a与图3b分别是模拟天线单元在介质层m为关闭状态时的表面电流与磁场的示意图。在此必须说明的是，图3a和图3b沿用图1a和图1b的实施例的元件标号与部分内容。

请参考图3a与图3b，天线单元中开口o1～o4会形成等效的电流环路，开口o1、开口o3的电流方向会与开口o2、开口o4呈现左右对称关系。依据安培环路模型(amperianloopmodel)，天线单元在朝外的一侧(图3a中远离纸面的一侧，图3b中电极的上方)分别形成s极、n极、s极以及n极于对应开口o3、开口o1、开口o2以及开口o4的位置。

在本实施例中，天线单元在朝外的一侧，开口o3与开口o4所分别对应的s极以及n极组成一个磁偶极，开口o2与开口o1所分别对应的s极以及n极组成另一个共轴的磁偶极。换句话说，天线单元包括一对共轴磁偶极，即位于同一轴线上的一对磁偶极。此一对磁偶极中的内磁偶极(开口o1及开口o2所对应的磁偶极)与外磁偶极(开口o3及开口o4所对应的磁偶极)的磁偶方向相反。在本实施例中，前述一对磁偶极所对应的电流的流向相反。

虽然在图3b的模拟图中，根据安培环路模型，天线单元在朝内的一侧也会产生另外两对磁偶极，然而，在实际的天线单元中，天线单元在朝内的一侧可能会有很厚的基板或整面的电极(例如第三电极)，对于往外辐射的电磁波较无直接影响。因此，天线单元在朝内的一侧的磁偶极可以忽略。

在本实施例中，辅助电极ae主要扮演在天线单元中左右开口如开口o1和开口o2周围的电流的联通桥梁，让左右边的开口形成等效封闭电流回路，达到磁偶极的效果。辅助电极ae具有一个小型电偶极的效果。

需注意的是，由于馈入信号是交流电信号，因此，磁偶极的s极与n极会不断的对调。然而在任一时刻的开口o1与开口o3周围的电流环路方向均是反向，开口o2与开口o4周围的电流环路亦是反向。因此任一时刻的内磁偶极(开口o3、开口o4所对应的磁偶极)与外磁偶极(开口o1、开口o2所对应的磁偶极)的方向都是相反的。

图4a是本发明一实施例的一种天线单元在馈入信号的频率约为18ghz时的表面电流的模拟俯视图。图4b是本发明一实施例的一种天线单元在馈入信号的频率约为18ghz时的磁场的模拟剖面示意图。

图4a与图4b分别是模拟天线单元在介质层m为关闭状态时的表面电流与磁场的示意图。在此必须说明的是，图4a和图4b的实施例沿用图3a和图3b的实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同或近似的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，在此不赘述。

请参考图4a与图4b，在本实施例中，天线单元在朝外的一侧，开口o3与开口o4所分别对应的s极以及n极组成一个磁偶极，开口o2与开口o1所分别对应的s极以及n极组成另一个共轴的磁偶极。换句话说，天线单元包括一对共轴磁偶极。

图5a是本发明一实施例的一种天线单元在馈入信号的频率约为19.5ghz时的表面电流的模拟俯视图。图5b是本发明一实施例的一种天线单元在馈入信号的频率约为19.5ghz时的磁场的模拟剖面示意图。

图5a与图5b分别是模拟天线单元在介质层m为关闭状态时的表面电流与磁场的示意图。在此必须说明的是，图5a和图5b的实施例沿用图3a和图3b的实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同或近似的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，在此不赘述。

请参考图5a与图5b，依据安培环路模型，天线单元在朝外的一侧(图5a中远离纸面的一侧，图5b中电极的上方)分别形成s极、s极、n极以及n极于对应开口o3、开口o1、开口o2以及开口o4的位置。

在本实施例中，天线单元在朝外的一侧，开口o3与开口o4所分别对应的s极以及n极组成一个磁偶极，开口o1与开口o2所分别对应的s极以及n极组成另一个共轴的磁偶极。换句话说，天线单元包括一对共轴磁偶极。在本实施例中，前述一对磁偶极所对应的电流的流向相同。

图6是本发明一实施例的一种天线单元在馈入信号的频率约为18ghz时的表面电流的模拟俯视图。

图6是模拟天线单元在介质层m为关闭状态时的表面电流的示意图。在此必须说明的是，图6的实施例沿用图4a和图4b的实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同或近似的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，在此不赘述。

请参考图6，在本实施例中，天线单元在朝外的一侧，开口o3与开口o1所分别对应的n极以及s极组成一个磁偶极，开口o2与开口o4所分别对应的n极以及s极组成另一个共轴的磁偶极。换句话说，天线单元包括一对共轴磁偶极。

在本实施例中，开口o1的周长约为1.57mm，开口o1的面积约为0.169mm²，开口o1附近的平均电流密度约为1321a/m。开口o1所对应的磁偶极矩约为-3.51x10^-7am²。

在本实施例中，开口o3的周长约为4.07mm，开口o3的面积约为0.947mm²，开口o3附近的平均电流密度约为80.5a/m。开口o3所对应的磁偶极矩约为3.1x10^-7am²。

基于上述，开口o1所对应的磁偶极矩与开口o3所对应的磁偶极矩两者几乎互相抵销。此外，由于开口o2与开口o1有类似的尺寸及形状，且开口o4与开口o3有类似的尺寸及形状，而且电流方向也呈现左右对称关系。因此，开口o2对应的磁偶极矩与开口o4对应的磁偶极矩也几乎可以互相抵销。换句话说，天线单元在介质层m为关闭状态时，净磁偶极矩接近0。

虽然在本实施例提供了开口o1、开口o2、开口o3以及开口o4的尺寸与周长，但本发明不以此为限。开口o1、开口o2、开口o3以及开口o4的尺寸与周长也可以调整成其他合适的大小，使天线单元在介质层m为关闭状态时，净磁偶极矩接近0。

需注意的是，由于馈入信号是交流电信号，s极与n极会不断的对掉。因此，虽然皆是使用18ghz的馈入信号，图6的电流流向与图4a的电流流向相反。而开口o3跟开口o4不限于矩形的形状，因此图6与图4a的开口o3开口o4形状不同并不影响上述行为表现。

图7a是依照本发明的一实施例的一种天线单元的俯视图。图7b是图7a线bb’的剖面示意图。

在此必须说明的是，图7a和图7b的实施例沿用图1a和图1b的实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同或近似的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，在此不赘述。

图7a和图7b的天线单元10b与图1a和图1b的天线单元10a的主要差异在于：天线单元10b不具有第三电极e3。

请参考图7a与图7b，在本实施例中，天线单元10b不具有第三电极e3，且天线单元10b是微带线馈入(microstrip-fed)的天线。电磁信号是通过主要分布于第二电极e2与信号线sl之间的电场与磁场来形成，亦有部分边缘场分布于信号线sl周围，将信号传递到天线单元。

图8a是依照本发明的一实施例的一种天线单元的俯视图。图8b是图8a线cc’的剖面示意图。

在此必须说明的是，图8a和图8b的实施例沿用图1a和图1b的实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同或近似的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，在此不赘述。

图8a和图8b的天线单元10c与图1a和图1b的天线单元10a的主要差异在于：天线单元10c的第二电极e2为环形。

请参考图8a与图8b，在本实施例中，第二电极e2为环形，且第一电极e1与第二电极e2属于同一导电膜层。第一电极e1与第二电极e2位于第一基板sb1的第二面s2上。

在本实施例中，辅助电极ae与第一电极e1会与其他导线(未绘出)及/或主动元件(未绘出)电性连接，且其他导线(未绘出)及/或主动元件(未绘出)会对辅助电极ae与第一电极e1施加用以控制介质层m中液晶转向的信号，前述用来控制液晶转向的信号的频率小于用来使天线单元10c产生电磁波的信号的频率，但本发明不以此为限。

在本实施例中，天线单元10c是微带线馈入(microstrip-fed)的天线。

图9是依照本发明的一实施例的一种天线装置的俯视图。

在此必须说明的是，图9的实施例沿用图1a和图1b的实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同或近似的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，在此不赘述。

请参考图9，天线装置1包括基板sb以及的多个天线单元10。天线单元10阵列于基板sb上。各天线单元10中包括多个磁偶极。在本实施例中，以各天线单元10包括一对磁偶极为例。天线单元10例如是前述任一实施例中的天线单元。基板sb例如与天线单元中的第一基板、第二基板及/或第三基板实质上连成一体，但本发明不以此为限。

在一些实施例中，多个天线单元10的信号线(例如图1a的信号线sl)彼此电性相连。换句话说，馈入信号可以同时传递给多个天线单元10。

在本实施例中，通过各天线单元10中的介质层作为天线单元10的开关。因此，可以依照需求，开起特定排列图形的天线单元10。

在一些实施例中，通过各天线单元10中多个磁偶极的叠加或相消，以及介质层m的开启与关闭，使得各天线单元10的可达到良好的电磁波强度开关效果，提供天线装置一高增益与清晰的辐射信号。此外，各天线单元10中各电极与介质层m构成的等效电容与电感造成的共振效果，在尺寸不需要很大的情况下就可以使天线装置1发出足够强度的电磁波辐射。举例来说，各天线单元10的长度与宽度皆为数毫米(例如长3毫米～6毫米且宽0.5毫米～2毫米)，但本发明不以此为限。

多个磁偶极在不同馈入信号的频率下能改变强度与方向，达到能量叠加或相消效果，提升天线单元开启与关闭的辐射对比。

综上所述，本发明的天线单元包括与信号线重叠且形状为环形的第一电极、通孔重叠于第一电极的第二电极以及重叠于第一电极的辅助电极，因此，天线单元在施加馈入信号后能产生一对共轴的磁偶极。通过在不同频率下，磁偶极产生不同的方向与强度，借此使能量产生叠加或相消的效果，以实现天线单元在辐射频谱图上产生强烈的辐射强度变化分布，如图2实施例中的两个峰值与一个零点。再加上天线单元在介质层开启与关闭状态时所产生的共振频率偏移，使得天线单元发出的电磁波强度有较大的对比差异，让天线单元具有良好的等效电磁波开关效果。再通过阵列天线单元彼此的干涉原理，让天线装置中阵列可以辐射出清晰的电磁波信号。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的变动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。