电致变色反射阵列天线的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请与2018年3月1日提交的题为“electrochromicswitch”的美国序列号15/959,564和2018年4月23日提交的题为“electrochromiccell”的美国序列号15/978,370有关，其通过引用并入本文。

各种示例实施例总体上涉及天线，并且更具体地涉及使用电致变色材料的可调谐反射阵列天线。

背景技术：

反射阵列天线与传统天线阵列相似，不同之处在于它们不使用馈电网络。取而代之的是，用外部天线向元件阵列馈电(照射)，该外部天线通常为喇叭天线的形式，尽管并非总是如此。从喇叭发出的辐射撞击在反射阵列上并被重新辐射。该重新辐射的确切方向取决于在个体天线元件之间引起的相移。类似于金属抛物面形天线，反射阵列通常会产生高增益定向波束，但是优点是这种类型的天线非常轻巧、紧凑并且制造便宜得多，因此更适合于需要大规模生产的应用。印刷阵列天线可以被设计为产生类似的辐射图，但是对于大量天线元件而言，馈电网络中的损耗是令人望而却步的。

参照图1可以理解反射阵列的工作原理，图1示出了孔径耦合天线的单个元件10。在图1所示的配置中，入射的em波12在天线贴片14上产生电流，这又在窄导线16上感应出电流。由于后者是开路传输线，因此波从开路边界被反射并沿相反方向流回微带贴片14，随后能量在该微带贴片上被辐射。在包括多个天线元件的反射阵列配置中，可以通过改变在线16上引起的相移来更改发射信号的确切方向，从而导致“波束形成”。可以做到这一点的一种方法是使用液晶(lc)体可调材料，其中可以通过施加偏置电压来控制线16的介电常数并因此控制其电学长度。

lc材料的介电常数可达到的范围非常小，因此对于大多数应用而言还不够。此外，lc非常依赖于温度，并且由于它们仅以液体形式存在，因此存在泄漏问题，因此增加了制造成本。

技术实现要素：

示例实施例包含天线元件和使用电致变色材料来调谐天线元件的元件反射阵列。电致变色材料的介电常数可以在天线的制造过程中和操作期间被控制，以向天线元件提供相移。

一个示例实施例包含一种天线元件，该天线元件包括：衬底；隔离层，其进一步包括微带线，该微带线垂直地连接至偏置线；隔离层上的电致变色(ec)层；接地平面层，其进一步包括垂直于微带线的槽；贴片衬底层；以及在贴片衬底层上的贴片天线；其中向偏置线施加电压会改变电致变色层的介电常数并产生天线的相移。

另一个实施例包括一种具有多个天线元件的反射阵列天线，每个天线元件包括：衬底；隔离层，其进一步包括微带线，该微带线垂直地连接至偏置线；隔离层上的电致变色(ec)层；接地平面层，其进一步包括垂直于微带线的槽；贴片衬底层；以及在贴片衬底层上的贴片天线；其中向偏置线施加电压改变了电致变色层的介电常数并产生了多个天线元件的相移。

在以上任一实施例中，贴片衬底包括电介质，该电介质可以包括二氧化硅(sio2)。

在以上任一实施例中，ec层包括多个子层。

在以上任一实施例中，ec层可以包括以下的变色(chromic)子层：氧化钨(wo3)、氧化钛(tio2)、三氧化钼(moo3)、氧化钽(ta2o5)、五氧化二铌(nb2o5)或其他过渡金属氧化物。

在以上任一实施例中，ec层还可以包括以下的变色子层：氧化镍(nio)、氧化铬(cr2o3)、氧化锰(mno2)、氧化铁(feo2)、氧化钴(coo2)、氧化铑(rho2)、氧化铱(iro2)或其他过渡金属氧化物。

在以上任一实施例中，ec层可以包括铌酸锂(linbo3)的一个或多个电解质子层或显示不同离子和电子电导率的任何电解质。

在以上任一实施例中，隔离层进一步包括二氧化硅(sio2)。

在以上任一实施例中，每个天线元件的偏置线可操作地耦合到相同电压。

在以上任一实施例中，每个天线元件的偏置线可操作地耦合到不同的电压。

在以上任一实施例中，向偏置线施加电压会改变从反射阵列天线辐射的波束的形状、从反射阵列天线辐射的波束的方向或从反射阵列天线辐射的圆极化波束的极性。

另一实施例包含一种制造进一步包括贴片天线、电介质衬底、开槽的接地平面、电致变色层和微带线的天线元件的方法，该方法包括：选择操作频率；确定电介质衬底的厚度，hdiel＞λg/40，其中，λg是与操作频率相关联的引导波长(guidedwavelength)；确定贴片天线的长度ypatch；确定天线元件的长度py；确定贴片天线的宽度(xpatch)和微带线的宽度(xline)；确定天线元件的宽度px；确定开槽的接地平面中的槽的长度(xslot)和宽度(yslot)；确定微带线的长度(yline)。

在另一个实施例中，确定贴片天线的长度ypatch的步骤进一步包括在大约λg和λg/2之间选择长度。

在另一实施例中，确定开槽的接地平面中的槽的长度(xslot)和宽度(yslot)并确定微带线的长度(yline)的步骤进一步包括以下步骤：为yline选择提供具有低损耗的最佳相移的值；并改变xslot，直到找到最佳耦合等级。

附图说明

现在将参考附图描述一些示例实施例，其中：

图1示出了反射阵列天线元件的分解图。

图2a和图2b示出了电致变色(ec)单元的透视图。

图3a-图3d示出了非谐振反射阵列天线单位单元。

图4是描述确定图3a-图3d的单位单元的参数的方法的流程图。

图5a示出了图3a-图3d的单位单元的反射损耗的曲线图。

图5b示出了图3a-图3d的单位单元的相位的曲线图。

图5c示出了图3a-图3d的单位单元的反射相移的曲线图。

图6a-图6d示出了使用图3a-图3d的单位单元的反射阵列。

具体实施方式

电致变色(ec)材料是允许通过施加电压来控制其光学和/或电学性能的材料。ec材料通常用作称为电致变色(ec)单元的多层结构中的一层。可以设计ec单元的各种特性，以在不更改其材料组分的情况下为各种应用定制ec单元。

ec单元100的实施例在图2a中示出。玻璃(未示出)可以用作衬底，在该衬底上形成数个层。这些层包括：两个导电层102和104；至少一个ec层106(例如过渡金属氧化物)，其与导电层102相邻；以及离子导电或电解质层108，其位于ec层106和另一导电层104或第二ec层110之间。在一个实施例中，层108是铌酸锂(linbo3)，但是可以使用显示出不同的离子和电子电导率的任何电解质，通常对于离子而言为σi＞10^-7s/cm(西门子每厘米)，并且对于电子而言为σe＞10^-10s/cm。

在一个实施例中，层102和104是导体，例如，金、氧化铟锡(ito)、氧化锌(zno)、导电聚合物或是良好电导体的任何材料。层106是变色膜(例如三氧化钨(wo3))，但是，可以使用各种其他过渡金属氧化物，诸如氧化钛(tio2)、三氧化钼(moo3)、氧化钽(ta2o5)或五氧化二铌(nb2o5)。层110是另一种变色膜(还被理解为离子存储膜)，其被选择为具有与变色膜层106互补的电致变色特性。层110可以是例如氧化镍(nio)，但是还可以是各种其他过渡金属氧化物，诸如氧化铬(cr2o3)、氧化锰(mno2)、氧化铁(feo2)、氧化钴(coo2)、氧化铑(rho2)或氧化铱(iro2)。

通过向导电层102和104施加电压来致动ec单元100。该电压由例如电压源112提供。在非致动状态下，ec层106和110是非导电的并且表现为绝缘体。电解质层108在致动和非致动状态下都不导电。在导电层102和104之间施加dc偏置电压时，来自电解质层108的离子被排出并且随后通过嵌入过程(intercalation)被注入到一个或多个ec层106和110中，这改变了ec层的基本特性。

图2b在114处图示了电致变色(ec)单元的另一实施例。顶层116和底层118是导体，例如金、氧化铟锡(ito)、氧化锌(zno)、导电聚合物或作为良好电导体的任何材料。层120是变色膜(例如三氧化钨(wo3))，但是，可以使用各种其他过渡金属氧化物，诸如氧化钛(tio2)、三氧化钼(moo3)、氧化钽(ta2o5)或五氧化二铌(nb2o5)。层122是另一种变色膜(还被理解为离子存储膜)，其被选择为具有与变色膜层120互补的电致变色特性。层122可以是例如氧化镍(nio)，但是还可以是各种其他过渡金属氧化物，诸如氧化铬(cr2o3)、氧化锰(mno2)、氧化铁(feo2)、氧化钴(coo2)、氧化铑(rho2)或氧化铱(iro2)。在ec单元114的备选实施例中，不存在层122。

层124和126是离子导电层，例如电解质。在一个实施例中，层124和126是铌酸锂(linbo3)，但是还可以使用显示不同离子和电子电导率的任何电解质。层124和126用作储槽(tank)，以用于在底层116和顶层118之间施加dc偏置电压时提供注入到变色层120和122中的可用离子。该电压由例如电压源128提供。层124和126都可以由相同或不同的电解质材料形成。

取决于应用，图2b的ec单元114还可以包括一个或多个衬底，为简洁起见未示出。这些衬底可以是例如玻璃，但是还可以使用任何结构稳定的衬底。

ec单元中的每一层都表现出电容，而ec单元的总等效电容与组成层的电容之和有关。每层的电容与介电常数成正比。通过调制介电常数，可以改变ec单元的工作特性。因此，上述ec单元在mm波和光学领域均具有许多应用，例如在具有定制的光学响应和波束形成功能的显示器以及可调谐的光学和微波设备(诸如移相器、开关、衰减器和天线)中。

在一个实施例中，ec材料可以用于在反射阵列天线中提供波束形成功能。图3a-图3d示出了非谐振反射阵列天线单位单元200。图3a-图3c示出了单位单元200的部分的正视图，而图3d示出了单位单元200的侧视图。在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。整个单元的尺寸为px和py。衬底202为电池提供了基底，并且例如由硅制成，但是还可以使用其他衬底，诸如玻璃。隔离层204可以是任何合适的电介质，诸如二氧化硅(sio2)、氮化硅(sin)或苯并环丁烷(benzocyclobutane，bcb)。在隔离层204中刻蚀微带延迟线206，并该微带延迟线206用金属(例如1μm的金(au))进行填充。但是，还可以使用其他导体。微带延迟线的尺寸为xline和yline，厚度为tmetal。电致变色(ec)电介质层208以hec的厚度在隔离层204上形成。

ec层208可以是如上面参考图2a和图2b所示和讨论的ec单元。这样，ec层208包括子层的堆叠。一个子层是三氧化钨(wo3)的变色膜，但是，可以使用各种其他过渡金属氧化物，诸如氧化钛(tio2)、三氧化钼(moo3)、氧化钽(ta2o5)或五氧化二铌(nb2o5)。ec层208进一步包括离子存储子层，其可以是例如氧化镍(nio)，但是还可以是各种其他过渡金属氧化物，诸如氧化铬(cr2o3)、氧化锰(mno2)、氧化铁(feo2)、氧化钴(coo2)、氧化铑(rho2)或氧化铱(iro2)。ec层208进一步包括一个或多个电解质子层(诸如铌酸锂(linbo3))，但是可以使用显示出不同的离子和电子电导率的任何电解质，通常对于离子而言为σi＞10^-7s/cm(西门子每厘米)，对于电子而言为σe＞10^-10s/cm。

在ec层208上形成开槽的接地平面层210。槽212的尺寸为xslot和yslot，厚度约为1μm。接地平面层210可以由1μm的au形成。但是，还可以使用其他导体。贴片衬底214具有厚度hdiel，并且可以由例如二氧化硅(sio2)或苯并环丁烷(bcb)制成，但是可以使用任何合适的电介质。最后，尺寸为xpatch和ypatch且厚度为tmetal的贴片天线216位于电介质衬底214上。贴片天线216可以由1μm的au形成。但是，还可以使用其他导体。

ec层208用作微带延迟线206的底部衬底，并且被看作可调谐ec材料，其介电常数为εr＝34.2(未偏置)和εr＝36.9(偏置)，并且在两种状态下，tanδ＝0.02。金属层的厚度为tmetal＝1μm，而ec层208的厚度为大约hec＝1μm。但是，这里使用的值仅是示例，可以根据ec材料的介电特性进行调整。

在一个实施例中，用于辐射贴片的电介质衬底214是具有εr＝2.65且tanδ＝0.0008的bcb，以便易于沉积和减小损耗。贴片衬底的厚度决定了辐射元件的阻抗带宽。较厚的衬底导致较宽的带宽，但与延迟线的耦合较少，从而导致可调相移范围的减小。结合图4的流程图讨论和确定了确定图3a和图3b中指示的尺寸的方法。

参照图4的流程图，在步骤402中以f0＝299.7ghz的所选操作频率来设计反射阵列单位单元的示例实施例。在步骤404中，将电介质层hdiel214(图3b)的厚度确定为大于λg/40，其中λg是与f0相关联的引导波长。在步骤406中，贴片天线ypatch的长度大约等于λg/2。然后，这在步骤408中确定y方向上的单位单元周期(py)略大于ypatch。px和py的周期性决定了阵列的辐射特性。更具体地说，周期性确定反射阵列天线的旁瓣的角位置和大小。通常，在周期性的值上存在折衷，但是为了获得良好的性能，周期性需要在0.5λg和λg之间。在步骤410中，确定贴片216和延迟线206的x尺寸，使得输入阻抗与微带线的特征阻抗zc匹配。这样做是为了避免反射，因为反射会降低天线效率。在步骤412中，现在可以与上述确定py类似地从xpatch确定x方向上的单位单元周期(px)。在步骤414中，确定槽212的尺寸。在步骤416，确定yline。尽管这些步骤显示为顺序执行，但是xslot和yline的确定同时被设计为以迭代的方式，以实现最佳性能。设计标准是由yline确定的线的特性阻抗以及贴片天线接收的耦合量(由xslot确定)相匹配。在一个实施例中，通过选择yline以获得最佳的相移和低损耗来完成这种匹配，然后xslot被改变直到达到期望的耦合等级。

以上示例中确定的尺寸汇总如表i所示。所示的尺寸是为了说明示例实施例的原理。所公开的反射阵列天线不限于这些特定尺寸。

图5a示出了对于在εr-ec(未偏置)＝34.2(如线502)和εr-ec(偏置)＝36.9(如线504)之间的ec介电常数的几个不同值的示例反射阵列元件的以db为单位的仿真反射损耗相对于以ghz为单位的操作频率的关系。图5b示出了在εr-ec(未偏置)＝34.2(如线506)和εr-ec(偏置)＝36.9(如线508)之间的ec介电常数的几个不同值的示例反射阵列元件的以度为单位的相位相对于频率的关系。

图5c中还示出了对于每个相移所需的偏置电压的最佳估计。对于te(横向电)波，入射角为φ＝0°和θ＝45°。另外，在图5c中，在中心频率f0＝299.7ghz处，描绘了反射相移与相对介电常数的关系，其示出了在偏置线电压约为6v时最大相移大约为δφ＝133°。图5c的插图510中还示出了在(f＝67ghz)的每个偏置电压步长处的ec材料的所提取的相对介电常数。这两条曲线之间的相关性给出了可调反射相移(δφ)与施加的偏置电压(vbias)之间的近似关系，也如图5c所示。在实际的反射阵列天线中，通常会提供这样的δφ-vbias图，以向阵列中的每个特定元件施加适当的偏置电压，以便产生所需的相移。

使用具有表1所示的尺寸的图3a-图3d的单位单元，图6a-图6d示出了反射阵列天线的示例实施例。

图6a示出了反射阵列的透明视图(接地平面由开槽表示)，其中图6b和图6c为俯视图，图6d为透视图。每个图中相同的附图标记表示相同的元件。

如图3a-图3d所示的ec元件的每一层依次沉积在硅晶片和与图3d中的层202和204相对应的隔离层602上。延迟线604(图3a-图3d中的206)通过偏置线606耦合到偏置环608。偏置环608在晶片的任一侧上包括过孔609，该过孔609可以用于在焊接和在测量夹具中设置结构时帮助标识坐标。ec层610对应于图3d的层208，而包括槽613的开槽的接地平面层612对应于图3a-图3d的层210。贴片衬底614支撑贴片天线(以616表示)。

图6a-图6d示出了一种结构，该结构允许在接地平面612和将ec层610夹在中间的延迟线604之间施加偏置电压。这提供了一种机构，其中可调电介质可以在未偏置状态和偏置状态下工作。为了对周期环境中的所有元件进行相同的偏置，每行中的所有延迟线都通过3μm宽的偏置线606互连到共用偏置连接环608。

如上所述的ec反射阵列提供了一种用于电子地控制每个单位单元处的反射信号的相位的机构。在备选实施例中，可以通过使用偏置线控制每个单位单元的相位或者通过控制单位单元的大小和/或尺寸来改变辐射的形状。在另一实施例中，使用偏置线控制相位可以用于使主波束的方向电子倾斜或将圆极化波束的极性从rhcp(右旋圆极化)改变为lhcp(左旋圆极化)，反之亦然。

如上所述的电致变色反射阵列天线仅代表使用ec材料的反射阵列的许多实现中的一种，而决不是表示唯一可能的实现。其他实现也是可能的，但并非穷举的，诸如：

1.为图3d的ec层208选择一组不同的ec材料。

2.选择不同的单位单元大小。

3.选择不同的操作频率f0。

4.使用其他阵列大小或数目的单位单元。

5.对每个单位单元元件使用独立控制的偏置线。