TWI879145B

TWI879145B - 多波束液晶天線及多波束成形方法

Info

Publication number: TWI879145B
Application number: TW112139240A
Authority: TW
Inventors: 吳駿逸; 賴奕翔; 謝易辰; 林壯岳; 林敬桓
Original assignee: 友達光電股份有限公司
Priority date: 2023-10-13
Filing date: 2023-10-13
Publication date: 2025-04-01
Also published as: TW202516790A; US20250125845A1; CN118367340A

Abstract

提出一種多波束液晶天線及多波束成形方法。方法包括：提供液晶調變結構；利用饋入結構接收饋入訊號，且產生實質為等相位的饋入電磁波至液晶調變結構的多個貼片天線單元；利用貼片天線單元分別接收多個交流電壓時，此些貼片天線單元分別產生多個第一輻射強度模式及多個第二輻射強度模式，使得液晶調變結構形成振幅干涉圖案；利用饋入電磁波與振幅干涉圖案干涉形成多個電磁波束，其中振幅干涉圖案對應的此些第一輻射強度模式、此些第二輻射強度模式的排列位置改變此些電磁波束每一者的方位角及傾斜角。

Description

多波束液晶天線及多波束成形方法

本發明是有關於一種液晶天線及波束成形方法，且特別是有關於一種可輻射多波束的多波束液晶天線及多波束成形方法。

現今監測人體生理資訊的方式，大致上可分成接觸式的方法或非接觸式的方法。接觸式的方法通常需要入侵人體以取得人體生理資訊。非接觸式的方法有的會使用光學感測，例如使用紅光或綠光的攝影機，來取得人體生理資訊。由於接觸式裝置需碰觸或入侵人體，可能使得受測者感到不適。而使用光源感測時，有時上述攝影機會擷取到受測者之臉部資訊，導致衍生隱私個資問題。

除上述方法，目前已發展出使用單波束電磁波掃描的雷達系統以偵測人體生理資訊，但使用單波束電磁波掃描時，偵測時間較長，在掃描空間較大時常無法即時偵測出異常。

本發明至少一實施例提供一種多波束液晶天線，此多波束液晶天線可輻射多個電磁波波束，此些電磁波束可縮短掃描及偵測的時間。

此多波束液晶天線包括液晶調變結構及饋入結構。液晶調變結構包括接地片、多個貼片天線單元以及液晶層。接地片與此些貼片天線單元間隔，且液晶層設置在接地片與此些貼片天線單元之間。至少兩個貼片天線單元每一個產生第一輻射強度模式，而其他至少兩個貼片天線單元每一個產生第二輻射強度模式。液晶調變結構在每一第一輻射強度模式的電場輻射與每一第二輻射強度模式的電場輻射之間的相位差在160度至200度之間。饋入結構配置為接收饋入訊號且產生實質為等相位的饋入電磁波至此些貼片天線單元。此些貼片天線單元分別產生此些第一輻射強度模式及此些第二輻射強度模式時，液晶調變結構形成振幅干涉圖案。饋入電磁波與振幅干涉圖案干涉形成多個電磁波束，其中兩個電磁波束的二方位角之間的角度差在160度至200度之間。振幅干涉圖案對應的此些第一輻射強度模式、此些第二輻射強度模式的排列位置改變此些電磁波束每一者的方位角及傾斜角。

在本發明至少一實施例中，振幅干涉圖案呈現至少一第一區域及至少一第二區域，其中相鄰的此些第一輻射強度模式分布於其中一第一區域，而相鄰的此些第二輻射強度模式分布於其中一第二區域，至少一第一區域及至少一第二區域沿著至少一排列方向排列。

在本發明至少一實施例中，此些電磁波束的每一者具有波束軸。此些波束軸在液晶調變結構與至少一排列方向垂直。

在本發明至少一實施例中，當振幅干涉圖案呈現多個第一區域時，鄰近的兩個第一區域之間的距離為區域間距。此些電磁波束每一者的傾斜角與區域間距成反比。

在本發明至少一實施例中，當振幅干涉圖案呈現多個第二區域時，鄰近的兩個第二區域之間的距離為區域間距。

在本發明至少一實施例中，此些貼片天線單元之每一者產生第一輻射強度模式、第二輻射強度模式及第三輻射強度模式中其中一者。第三輻射強度模式的電場輻射的振幅實質為零。此些貼片天線單元分別產生此些第一輻射強度模式、此些第二輻射強度模式及至少一第三輻射強度模式。至少一第三輻射強度模式所分布的一區域與此些第一輻射強度模式所分布的一區域及此些第二輻射強度模式所分布的一區域中至少一者相鄰。

在本發明至少一實施例中，此些貼片天線單元的每一者包括二貼片天線，其中此些貼片天線單元的每一者的電場方向與此些貼片天線之間的中心連線平行。饋入電磁波至這些貼片天線的相位實質相同。在施予交流電壓於此些貼片天線之一者或另一者時，此些貼片天線單元的每一者產生第一輻射強度模式或第二輻射強度模式。在此些貼片天線與接地片實質為等電位時，此些貼片天線單元的每一者產生第三輻射強度模式。

在本發明至少一實施例中，此些電磁波束具有波長。相鄰兩個貼片天線單元的中心之間具有單元中心間距。單元中心間距介於波長的0.2倍至1倍的範圍。

本發明至少一實施例提供一種多波束成形方法，形成的多個電磁波波束可達到快速地在空間完成掃描。

本發明至少一實施例所提供的多波束成形方法包括：提供液晶調變結構，其中液晶調變結構包括接地片、多個貼片天線單元以及液晶層，其中接地片與此些貼片天線單元間隔，且液晶層設置在接地片與此些貼片天線單元之間；利用饋入結構接收饋入訊號，且產生實質為等相位的饋入電磁波至液晶調變結構的此些貼片天線單元；利用此些貼片天線單元分別接收多個交流電壓時，此些貼片天線單元分別產生多個第一輻射強度模式及多個第二輻射強度模式，使得液晶調變結構形成振幅干涉圖案，其中液晶調變結構在每一第一輻射強度模式的電場輻射與每一第二輻射強度模式的電場輻射之間的相位差在160度至200度之間；以及利用饋入電磁波與振幅干涉圖案干涉形成多個電磁波束，其中兩個電磁波束的二方位角之間的角度差在160度至200度之間，振幅干涉圖案對應的此些第一輻射強度模式、此些第二輻射強度模式的排列位置改變此些電磁波束每一者的方位角及傾斜角。

基於上述，以上實施例所揭示的多波束液晶天線可輻射多個電磁波波束，以縮短掃描時間，從而達到即時監測人體生理資訊的功效。

在以下的內文中，為了清楚呈現本案的技術特徵，圖式中的元件（例如層、膜、基板以及區域等）的尺寸（例如長度、寬度、厚度與深度）會以不等比例的方式放大，而且有的元件數量會減少。因此，下文實施例的說明與解釋不受限於圖式中的元件數量以及元件所呈現的尺寸與形狀，而應涵蓋如實際製程及/或公差所導致的尺寸、形狀以及兩者的偏差。例如，圖式所示的平坦表面可以具有粗糙及/或非線性的特徵，而圖式所示的銳角可以是圓的。所以，本案圖式所呈示的元件主要是用於示意，並非旨在精準地描繪出元件的實際形狀，也非用於限制本案的申請專利範圍。

其次，本案內容中所出現的「約」、「近似」或「實質上」等這類用字不僅涵蓋明確記載的數值與數值範圍，而且也涵蓋發明所屬技術領域中具有通常知識者所能理解的可允許偏差範圍，其中此偏差範圍可由測量時所產生的誤差來決定，而此誤差例如是起因於測量系統或製程條件兩者的限制。舉例而言，兩物件（例如基板的平面或走線）「實質上平行」或「實質上垂直」，其中「實質上平行」與「實質上垂直」分別代表這兩物件之間的平行與垂直可包含允許偏差範圍所導致的不平行與不垂直。

此外，「約」可表示在上述數值的一個或多個標準偏差內，例如±30％、±20％、±10％或±5％內。本案文中所出現的「約」、「近似」或「實質」等這類用字可依光學性質、蝕刻性質、機械性質或其他性質來選擇可以接受的偏差範圍或標準偏差，並非單以一個標準偏差來套用以上光學性質、蝕刻性質、機械性質以及其他性質等所有性質。

本發明所使用的空間相對用語，例如「下方」、「之下」、「上方」、「之上」等，這是為了便於敘述一元件或特徵與另一元件或特徵之間的相對關係，如圖中所繪示。這些空間上的相對用語的真實意義包含其他的方位。例如，當圖示上下翻轉180度時，一元件與另一元件之間的關係，可能從「下方」、「之下」變成「上方」、「之上」。此外，本發明所使用的空間上的相對敘述也應作同樣的解釋。

此外，本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本發明的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種實施例的組合、修改與變更。

圖1A是本發明至少一實施例的多波束液晶天線1輻射多個電磁波束的示意圖，且圖1B是圖1A的多波束液晶天線1的立體分解圖。請參閱圖1A及圖1B，多波束液晶天線1包含饋入結構100、液晶調變結構200以及黏著層300。饋入結構100在接收饋入訊號時形成饋入電磁波，且饋入訊號的能量耦合至液晶調變結構200，使得多波束液晶天線1輻射多個電磁波束，其中兩個電磁波束的二方位角之間的一角度差在160度至200度之間。在本例中，多波束液晶天線1輻射兩個電磁波束，且此些電磁波束的方位角之間的角度差為180度。此多波束液晶天線1輻射的此些電磁波束可快速地在空間完成掃描。

饋入結構100在本例中為微帶線（microstrip）饋入電路板，但不以此為限。饋入結構100還可以是號角天線（horn antenna）、波導（waveguide）、帶線（stripline）饋入電路板或類似者。饋入結構100包括介電層110及多個走線120，其中這些走線120設置在介電層110上。液晶調變結構200包括對向設置的二基板210和220、接地片230、多個貼片天線單元240以及液晶層250。接地片230設置在基板220上，而此些貼片天線單元240設置在另一基板210上。每一貼片天線單元240包括二貼片天線241，其中此些貼片天線241間隔。液晶層250設置於接地片230與這些貼片天線單元240之間。

黏著層300設置在饋入結構100的介電層110和液晶調變結構200的基板220之間，且配置為黏接饋入結構100和液晶調變結構200。須說明的是，走線120可設置在介電層110相同於黏著層300的一側或相反於黏著層300的一側。本示例的走線120設置在介電層110相反於黏著層300的一側，即走線120位於圖1B中的介電層110的底面，且貼片天線單元240設置在基板210鄰近液晶層250的一側。所以，在實際情況中，圖1B中的走線120會被介電層110遮蓋，而圖1B中的貼片天線單元240會被基板210遮蓋。然而，為清楚顯示，走線120及貼片天線單元240以實線呈現。

圖2是圖1B的饋入結構100且加粗其中一饋入傳輸路徑的示意圖。請參閱圖1B及圖2，饋入結構100配置為接收饋入訊號且產生等相位的饋入電磁波至此些貼片天線單元240的此些貼片天線241。饋入結構100的這些走線120形成多個饋入傳輸路徑，此些饋入傳輸路徑的長度實質相同。每一饋入傳輸路徑對應一貼片天線單元240的一貼片天線241。也就是說，饋入訊號經由這些饋入傳輸路徑分成多個分支訊號。這些分支訊號分別形成多個電磁波，且這些電磁波的振幅及相位實質相同，也就是這些電磁波之間的振幅及相位的差異小於10%。亦即饋入電磁波平分成多個電磁波而分別耦合至此些貼片天線單元240的此些貼片天線241。

圖3是圖1B的液晶調變結構200的俯視圖，其中貼片天線單元240為清楚顯示而以實線呈現。圖4是本發明至少一實施例的多波束液晶天線1沿著圖1B的ⅣⅣ’線的剖視圖，其中圖4只對應一貼片天線241。請參閱圖1B、圖3及圖4，液晶調變結構200中的接地片230鄰近饋入結構100。接地片230包括多個槽孔231。這些槽孔231以沿著方向X及方向Y排列。每一槽孔231的形狀為矩形。在本示例中，每一槽孔231的形狀為圓角矩形。

這些貼片天線單元240也以沿著方向X及方向Y地設置於接地片230上。在本例中，液晶調變結構200以8x8矩陣的貼片天線單元240作說明，但不以此為限。需說明的是，液晶調變結構200的貼片天線單元240的數量可影響調變此些電磁波束的球座標角度的方位角與球座標角度的傾斜角的精確度，以及此些電磁波束的波束寬度。當貼片天線單元240的數量愈多，所調變的方位角及傾斜角的精確度愈高，且此些電磁波束的波束寬度愈窄（愈集中）。此外，當貼片天線單元240的數量愈多，液晶調變結構200愈可顯示完整的振幅干涉圖案400（圖6A）。

液晶調變結構200中相鄰兩貼片天線單元240的中心之間具有單元中心間距L。單元中心間距L的大小與此些電磁波束的波長有關聯。進一步地，單元中心間距L介於波長的0.2倍至1倍的範圍。每一貼片天線單元240概呈正方形，且其邊長也介於波長的0.2倍至1倍的範圍。在本例中，單元中心間距L為0.5倍波長，且每一貼片天線單元240的邊長也為0.5倍波長。再要說明的是，單元中心間距L可影響調變此些電磁波束的方位角與傾斜角的解析度，亦即影響方位角與傾斜角的可調變範圍。當單元中心間距L愈小，所調變的方位角與傾斜角的解析度愈高（可調變範圍愈大）。

圖5是圖2的饋入結構100的區域Z與圖3的液晶調變結構200的區域Z’重疊的示意圖。請參閱圖2、圖3及圖5，在液晶調變結構200中，每一貼片天線單元240的電場方向與這些貼片天線241之間的中心連線平行，且與對應的饋入傳輸路徑的方向平行（即方向Y）。這些貼片天線241在接地片230的垂直投影方向上分別與這些槽孔231重疊，並分別對應至這些饋入傳輸路徑。每一貼片天線241的形狀為矩形，且重疊於對應的槽孔231的中心。在每一貼片天線單元240中，兩個貼片天線241對應的兩饋入傳輸路徑，以相反方向延伸至各自末端，且兩饋入傳輸路徑的長度實質相同。

請參考圖1B、圖4及圖5，液晶層250設置於接地片230與這些貼片天線單元240之間以及這些槽孔231內。液晶層250具有液晶介電質。設置在每一貼片天線單元240與接地片230之間的液晶層250之介電常數隨著每一貼片天線單元240及接地片230之間的電壓差而變化。液晶層250之介電常數的變化進而影響貼片天線單元240輻射的共振頻率以及輻射功率。

每一貼片天線單元240可產生第一輻射強度模式或第二輻射強度模式。液晶調變結構200在第一輻射強度模式所產生的電場輻射和第二輻射強度模式所產生的電場輻射之間具有160度至200度之間的相位差，例如180度。在相位差為180度時，第一輻射強度模式及第二輻射強度模式的電場輻射的極性相反且振幅實質相同。需說明的是，第一輻射強度模式和第二輻射強度模式未限制為正極性的輻射強度模式或負極性的輻射強度模式。但本例以第一輻射強度模式及第二輻射強度模式分別為正極性輻射強度模式及負極性輻射強度模式作說明。

在每一貼片天線單元240中，施予交流電壓於其中一貼片天線241，可調控電場輻射的正極性或負極性振幅，而施予交流電壓於另一貼片天線241，可調控與其中一貼片天線241的電場輻射極性相反的振幅。

舉例來說，在施予交流電壓於貼片天線241A，可調控正極性的振幅，例如此貼片天線單元240產生第一輻射強度模式；在施予交流電壓於貼片天線241B，可調控負極性的振幅，例如此貼片天線單元240產生第二輻射強度模式。在施予交流電壓於貼片天線241B，可調控正極性的振幅，例如此貼片天線單元240產生第一輻射強度模式；在施予交流電壓於貼片天線241A，可調控負極性的振幅，例如此貼片天線單元240產生第二輻射強度模式。在本示例中，設定位於上方的貼片天線241A可調控電場輻射正極性的振幅（即第一輻射強度模式），而位於下方的貼片天線241B可調控電場輻射負極性的振幅（即第二輻射強度模式）。

在一些實施例中，每一貼片天線單元240可產生第一輻射強度模式、第二輻射強度模式或第三輻射強度模式，其中第三輻射強度模式的電場輻射的振幅實質為零，亦即第三輻射強度模式的電場輻射的振幅小於第一輻射強度模式或第二輻射強度模式的電場輻射的振幅之10%。控制貼片天線單元240產生第三輻射強度模式的方式為未施予交流電壓於此貼片天線單元240的二貼片天線241，使得這些貼片天線241與接地片230實質為等電位。在一些其他的實施例中，施予0伏特電壓於此貼片天線單元240的二貼片天線241時，此貼片天線單元240產生第三輻射強度模式。在另一些其他的實施例中，施於與接地片230實質為相同電壓於此貼片天線單元240的二貼片天線241時，此貼片天線單元240產生第三輻射強度模式。

圖6A是本發明至少一實施例的多波束液晶天線1的液晶調變結構200調變θ角30度以及ϕ角0度、180度的電磁波束所形成的振幅干涉圖案400的示意圖，且圖6B是圖6A的多波束液晶天線1輻射的電磁波束的水平投影示意圖。請參閱圖1B、圖6A及圖6B，多波束液晶天線1可經由輸入饋入訊號及控制液晶調變結構200中的每一貼片天線單元240的輻射強度模式，形成多個電磁波波束。具體而言，利用饋入結構100接收饋入訊號，且產生等相位的饋入電磁波至液晶調變結構200的此些貼片天線單元240。接著，利用液晶調變結構200的這些貼片天線單元240分別接收多個交流電壓時形成振幅干涉圖案400。

接著，利用饋入電磁波與振幅干涉圖案400干涉形成此些電磁波束，其中此些電磁波束分別指向特定角度，特定角度例如為傾斜角θ（以下簡稱θ角）在0至90度的範圍，以及方位角ϕ（以下簡稱ϕ角）在0至360度的範圍。在本例中，其中一電磁波束指向θ角30度以及ϕ角0度，另一電磁波束指向θ角30度以及ϕ角180度。這些電磁波束的方位角ϕ之間的角度差為180度。

在振幅干涉圖案400中，至少兩個貼片天線單元240產生第一輻射強度模式（圖6A顯示1的區塊），而其他至少兩個貼片天線單元240產生第二輻射強度模式（圖6A顯示-1的區塊）。在一些實施例中，除了第一輻射強度模式及第二輻射強度模式，至少一貼片天線單元240產生至少一第三輻射強度模式（圖6A顯示0的區塊），且此至少一第三輻射強度模式所分布的區域與第一輻射強度模式所分布的區域及第二輻射強度模式所分布的區域中至少一者相鄰。

進一步地，振幅干涉圖案400呈現至少一第一區域410及至少一第二區域420，其中相鄰的第一輻射強度模式分布於其中一第一區域410，而相鄰的第二輻射強度模式分布於其中一第二區域420。振幅干涉圖案400的至少一第一區域410及至少一第二區域420沿著至少一排列方向A排列。詳細而言，至少一第一區域410、至少一第二區域420具有一定的寬度，因此，至少一第一區域410的中心線及至少一第二區域420的中心線沿著至少一排列方向A排列。

在一些實施例中，振幅干涉圖案400中的至少一第三輻射強度模式所分布的至少一第三區域430與至少一第一區域410相鄰。在一些實施例中，至少一第三區域430與至少一第二區域420相鄰。在一些實施例中，至少一第三區域430與至少一第一區域410及至少一第二區域420相鄰而位於至少一第一區域410及至少一第二區域420之間。

進一步地，每一電磁波束具有波束軸。此些波束軸在液晶調變結構200與至少一排列方向A垂直。舉例來說，當至少一第一區域410及至少一第二區域420沿著一排列方向A排列時，多波束液晶天線1產生二電磁波束，且此些電磁波束的波束軸在液晶調變結構200的垂直投影方向上與此排列方向A垂直。當至少一第一區域410及至少一第二區域420沿著二排列方向A排列時，多波束液晶天線產生四電磁波束。其中二電磁波束的波束軸在液晶調變結構200的垂直投影方向上與其中一排列方向A垂直，而另外二電磁波束的波束軸在液晶調變結構200的垂直投影方向上與另一排列方向A垂直。

需說明的是，饋入電磁波與振幅干涉圖案400干涉而形成電磁波束的過程可應用透射式繞射光柵的理論分析。例如，將饋入電磁波作為入射光，而振幅干涉圖案400作為光柵，以使發射出來的電磁波束作為繞射光，其中振幅干涉圖案400中的第一區域410、第二區域420作為光柵中的狹縫。此外，代表振幅干涉圖案400的函數為餘弦函數。在振幅干涉圖案400中，從第一區域410經過第三區域430、第二區域420、第三區域430又回到第一區域410為餘弦函數的一週期。

當振幅干涉圖案400呈現多個第一區域410時，鄰近的兩個第一區域410之間的距離為區域間距d。當振幅干涉圖案400呈現多個第二區域420時，鄰近的兩個第二區域420之間的距離也為區域間距d。此區域間距d可作為光柵中二狹縫之間的柵線間距，且須滿足相長干涉條件： dsinθ=nλ 其中，d表示區域間距（柵線間距），θ表示射出的電磁波束與法線的夾角，亦即電磁波束的傾斜角(入射光偏離入射線的角度)，n表示繞射級數，λ表示電磁波束的波長（入射光波長）。在本例中，n為1（一階級數）。因此，從相長干涉條件可得到，此些電磁波束的傾斜角θ與區域間距d成反比。

如圖6A與圖6B所示，在此振幅干涉圖案400中，此些第一區域410及此些第二區域420為條紋狀，且其排列方向A與方向X垂直，而此些電磁波束的波束軸的水平投影與此排列方向A垂直而與方向X平行，使得此些電磁波束的ϕ角分別約為0度及180度。

圖7A是本發明至少一實施例的多波束液晶天線1的液晶調變結構200調變θ角30度以及ϕ角30度、210度的電磁波束所形成的振幅干涉圖案400的示意圖，且圖7B是圖7A的多波束液晶天線1輻射的電磁波束的水平投影示意圖。請參閱圖7A及圖7B，在此振幅干涉圖案400中，此些第一區域410及此些第二區域420的排列方向A與方向X的夾角約為120度，而此些電磁波束的波束軸的水平投影與此排列方向A垂直，使得此些電磁波束的ϕ角分別約為30度及210度。

圖8A是本發明至少一實施例的多波束液晶天線1的液晶調變結構200調變θ角30度以及ϕ角45度、225度的電磁波束所形成的振幅干涉圖案的示意圖，且圖8B是圖8A的多波束液晶天線輻射的電磁波束的水平投影示意圖。請參閱圖8A及圖8B，在此振幅干涉圖案中，此些第一區域410及此些第二區域420的排列方向A與方向X的夾角約為135度，而此些電磁波束的波束軸的水平投影與此排列方向A垂直，使得此些電磁波束的ϕ角分別約為45度及225度。

圖9A是本發明至少一實施例的多波束液晶天線的液晶調變結構200調變θ角30度以及ϕ角90度、270度的電磁波束所形成的振幅干涉圖案的示意圖，且圖9B是圖9A的多波束液晶天線輻射的電磁波束的水平投影示意圖。請參閱圖9A及圖9B，在此振幅干涉圖案中，此些第一區域410及此些第二區域420的排列方向A與方向X平行，而此些電磁波束的波束軸的水平投影與此排列方向A垂直而與方向X垂直，使得此些電磁波束的ϕ角分別約為90度及270度。

圖10A是本發明至少一實施例的多波束液晶天線1的液晶調變結構200調變θ角30度以及ϕ角120度、300度的電磁波束所形成的振幅干涉圖案的示意圖，且圖10B是圖10A的多波束液晶天線1輻射的電磁波束的水平投影示意圖。請參閱圖10A及圖10B，在此振幅干涉圖案400中，此些第一區域410及此些第二區域420的排列方向A與方向X的夾角約為30度，而此些電磁波束的波束軸的水平投影與此排列方向A垂直，使得此些電磁波束的ϕ角分別約為120度及300度。

如圖6A至10B所示，第一區域410的中心（或中心線）至鄰近的第一區域410的中心（或中心線）約為4倍的單元中心間距L（區域間距d），其中單元中心間距L為0.5倍波長；第二區域420的中心（或中心線）至鄰近的第二區域420的中心（或中心線）也為4倍的單元中心間距L（區域間距d）。藉由相長干涉條件換算出的θ角為30度，符合實際模擬結果。在同樣的區域間距d，變化這些第一輻射強度模式、這些第二輻射強度模式的排列方向A，可改變這些電磁波束的方位角ϕ。

圖11A、圖12A及圖13A分別是本發明至少一實施例的多波束液晶天線1的液晶調變結構200調變θ角15度、30度及45度與ϕ角45度、225度的電磁波束所形成的振幅干涉圖案400的示意圖，且圖11B、12B及圖13B分別是圖11A、圖12A及圖13A的多波束液晶天線1輻射的電磁波束的三維示意圖。如圖11A至13B所示，此些第一區域410及此些第二區域420的排列方向A相同，但隨著第一區域410的中心至鄰近的第一區域410的中心之間的區域間距d逐漸變小，此些電磁波束的θ角逐漸變大；隨著第二區域420的中心至鄰近的第二區域420的中心之間的區域間距d逐漸變小，此些電磁波束的θ角逐漸變大。亦即此些電磁波束的傾斜角θ與區域間距d成反比。

此外，如圖11A至13B所示，此些第一區域410及此些第二區域420為條紋狀，且隨著區域間距d逐漸變小，條紋的寬度逐漸變細。需再說明的是，振幅干涉圖案400至少呈現二個第一區域410、或二個第二區域420，以得到區域間距d，其中呈現的第一區域410、或第二區域420並未限制需為完整區域。舉例來說，如圖11A所示，右上方的第二區域420並未呈現完整的寬度，但區域間距d仍可從其中呈現完整寬度的第一區域410及第二區域420得到。

因此，經由上述實施例，變化振幅干涉圖案400中這些第一輻射強度模式、這些第二輻射強度模式的排列位置，可改變這些電磁波束的方位角ϕ及傾斜角θ。

圖14是本發明至少一實施例的多波束液晶天線1應用於雷達裝置進行掃描的方法500的一流程圖。請參閱圖1B及圖14，設定多波束液晶天線1為用於偵測人體生理資訊的雷達裝置的發射天線。在步驟510中，使用多波束液晶天線1輻射多個電磁波束。在步驟520中，使用雷達裝置的接收天線接收反射電磁波。在步驟530中，雷達裝置的處理器可依據接收天線所接收的反射電磁波判斷是否偵測到人體生理資訊？若有偵測到生理資訊進行步驟540，若無偵測到生理資訊進行步驟550。

在步驟540中，處理器可計算人體的生理資訊，且不需調變多波束液晶天線1的液晶調變結構200所形成的振幅干涉圖案400（圖6A）。步驟540完成又回到步驟510。在步驟550中，處理器控制施予液晶調變結構200的貼片天線單元240的交流電壓，以調變液晶調變結構200所形成的振幅干涉圖案400，進而調整電磁波束的輻射方向（改變電磁波束的方位角ϕ及傾斜角θ）。步驟550完成又回到步驟510。因此，經由控制每一貼片天線單元240的輻射強度模式，而可調整電磁波束的輻射方向。調變多波束液晶天線1便於雷達裝置掃描電磁波束的使用。

綜上所述，以上實施例所揭示的多波束液晶天線可輻射多個電磁波束，此些電磁波束不僅能快速地掃描而能縮短偵測出異常的時間，更能往特定角度的方向輻射，增加使用的便利性。藉由等相位饋入電磁波與液晶調變結構所形成的振幅干涉圖案的配合，多波束成形不需使用相位控制元件，而能讓多波束液晶天線的結構及多波束成形方法更為簡單。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明精神和範圍內，當可作些許更動與潤飾，因此本發明保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

1:多波束液晶天線 100:饋入結構 110:介電層 120:走線 200:液晶調變結構 210,220:基板 230:接地片 231:槽孔 240:貼片天線單元 241,241A,241B:貼片天線 250:液晶層 300:黏著層 400:振幅干涉圖案 410:第一區域 420:第二區域 430:第三區域 500:方法 510,520,530,540,550:步驟 A:排列方向 d:區域間距 L:單元中心間距 X,Y:方向 Z,Z’:區域 θ:傾斜角 ϕ:方位角

為了更完整了解實施例及其優點，現參照結合所附圖式所做之下列描述，其中： [圖1A]是本發明至少一實施例的多波束液晶天線輻射多個電磁波束的示意圖； [圖1B]是圖1A的多波束液晶天線的立體分解圖； [圖2]是圖1B的饋入結構且加粗其中一饋入傳輸路徑的示意圖； [圖3]是圖1B的液晶調變結構的俯視圖； [圖4]是本發明至少一實施例的多波束液晶天線沿著圖1B的Ⅳ-Ⅳ’線的剖視圖； [圖5]是圖2的饋入結構的區域Z與圖3的液晶調變結構的區域Z’重疊的示意圖； [圖6A]是本發明至少一實施例的多波束液晶天線的液晶調變結構調變θ角30度以及ϕ角0度、180度的電磁波束所形成的振幅干涉圖案的示意圖； [圖6B]是圖6A的多波束液晶天線輻射的電磁波束的水平投影示意圖； [圖7A]是本發明至少一實施例的多波束液晶天線的液晶調變結構調變θ角30度以及ϕ角30度、210度的電磁波束所形成的振幅干涉圖案的示意圖； [圖7B]是圖7A的多波束液晶天線輻射的電磁波束的水平投影示意圖； [圖8A]是本發明至少一實施例的多波束液晶天線的液晶調變結構調變θ角30度以及ϕ角45度、225度的電磁波束所形成的振幅干涉圖案的示意圖； [圖8B]是圖8A的多波束液晶天線輻射的電磁波束的水平投影示意圖； [圖9A]是本發明至少一實施例的多波束液晶天線的液晶調變結構調變θ角30度以及ϕ角90度、270度的電磁波束所形成的振幅干涉圖案的示意圖； [圖9B]是圖9A的多波束液晶天線輻射的電磁波束的水平投影示意圖； [圖10A]是本發明至少一實施例的多波束液晶天線的液晶調變結構調變θ角30度以及ϕ角120度、300度的電磁波束所形成的振幅干涉圖案的示意圖； [圖10B]是圖10A的多波束液晶天線輻射的電磁波束的水平投影示意圖； [圖11A]是本發明至少一實施例的多波束液晶天線的液晶調變結構調變θ角15度與ϕ角45度、225度的電磁波束所形成的振幅干涉圖案的示意圖； [圖11B]是圖11A的多波束液晶天線輻射的電磁波束的三維示意圖； [圖12A]是本發明至少一實施例的多波束液晶天線的液晶調變結構調變θ角30度與ϕ角45度、225度的電磁波束所形成的振幅干涉圖案的示意圖； [圖12B]是圖12A的多波束液晶天線輻射的電磁波束的三維示意圖； [圖13A]是本發明至少一實施例的多波束液晶天線的液晶調變結構調變θ角45度與ϕ角45度、225度的電磁波束所形成的振幅干涉圖案的示意圖； [圖13B]是圖13A的多波束液晶天線輻射的電磁波束的三維示意圖；以及 [圖14]是本發明至少一實施例的多波束液晶天線應用於雷達裝置進行掃描的方法的一流程圖。

1:多波束液晶天線

Claims

一種多波束液晶天線，包含：一液晶調變結構，包括一接地片、複數個貼片天線單元以及一液晶層，其中該接地片與該些貼片天線單元間隔，且該液晶層設置在該接地片與該些貼片天線單元之間，至少兩該些貼片天線單元每一個產生一第一輻射強度模式，而其他至少兩該些貼片天線單元每一個產生一第二輻射強度模式，該液晶調變結構在每一第一輻射強度模式的一電場輻射與每一第二輻射強度模式的一電場輻射之間的一相位差在160度至200度之間；以及一饋入結構，配置為接收一饋入訊號且產生實質為等相位的一饋入電磁波至該些貼片天線單元；該些貼片天線單元分別產生該些第一輻射強度模式及該些第二輻射強度模式時，該液晶調變結構形成一振幅干涉圖案，該饋入電磁波與該振幅干涉圖案干涉形成複數個電磁波束，其中兩該些電磁波束的二方位角之間的一角度差在160度至200度之間，該振幅干涉圖案對應的該些第一輻射強度模式、該些第二輻射強度模式的排列位置改變該些電磁波束每一者的該方位角及一傾斜角；其中該振幅干涉圖案呈現至少一第一區域及至少一第二區域，其中相鄰的該些第一輻射強度模式分布於其中一該第一區域，而相鄰的該些第二輻射強度模式分布於其中一該第二區域，該至少一第一區域及該至少一第二區域沿著至少一排列方向排列；其中當該振幅干涉圖案呈現複數個第一區域時，鄰近的兩該些第一區域之間的距離為一區域間距，該些電磁波束每一者的該傾斜角與該區域間距成反比。
如請求項1所述之多波束液晶天線，其中該些電磁波束的每一者具有一波束軸，該些波束軸在該液晶調變結構與該至少一排列方向垂直。
如請求項1所述之多波束液晶天線，其中當該振幅干涉圖案呈現複數個第二區域時，鄰近的兩該些第二區域之間的距離為該區域間距。
如請求項1所述之多波束液晶天線，其中該些貼片天線單元之每一者產生該第一輻射強度模式、該第二輻射強度模式及一第三輻射強度模式中其中一者，該第三輻射強度模式的電場輻射的振幅實質為零，該些貼片天線單元分別產生該些第一輻射強度模式、該些第二輻射強度模式及至少一第三輻射強度模式，其中該至少一第三輻射強度模式所分布的一區域與該些第一輻射強度模式所分布的一區域及該些第二輻射強度模式所分布的一區域中至少一者相鄰。
如請求項4所述之多波束液晶天線，其中該些貼片天線單元的每一者包括二貼片天線，其中該些貼片天線單元的每一者的一電場方向與該些貼片天線之間的一中心連線平行，且該饋入電磁波至該些貼片天線的相位實質相同；在施予一交流電壓於該些貼片天線之一者或另一者時，該些貼片天線單元的每一者產生該第一輻射強度模式或該第二輻射強度模式；在該些貼片天線與該接地片實質為等電位時，該些貼片天線單元的每一者產生該第三輻射強度模式。
如請求項1所述之多波束液晶天線，其中該些電磁波束具有一波長，相鄰兩該些貼片天線單元的中心之間具有一單元中心間距，該單元中心間距介於該波長的0.2倍至1倍的範圍。
一種多波束成形方法，包含：提供一液晶調變結構，其中該液晶調變結構包括一接地片、複數個貼片天線單元以及一液晶層，其中該接地片與該些貼片天線單元間隔，且該液晶層設置在該接地片與該些貼片天線單元之間；利用一饋入結構接收一饋入訊號，且產生實質為等相位的一饋入電磁波至該液晶調變結構的該些貼片天線單元；利用該些貼片天線單元分別接收複數個交流電壓時，該些貼片天線單元分別產生複數個第一輻射強度模式及複數個第二輻射強度模式，使得該液晶調變結構形成一振幅干涉圖案，其中該液晶調變結構在每一第一輻射強度模式的一電場輻射與每一第二輻射強度模式的一電場輻射之間的一相位差在160度至200度之間；以及利用該饋入電磁波與該振幅干涉圖案干涉形成複數個電磁波束，其中兩該些電磁波束的二方位角之間的一角度差在160度至200度之間，該振幅干涉圖案對應的該些第一輻射強度模式、該些第二輻射強度模式的排列位置改變該些電磁波束每一者的該方位角及一傾斜角；其中該振幅干涉圖案呈現至少一第一區域及至少一第二區域，其中相鄰的該些第一輻射強度模式分布於其中一該第一區域，而相鄰的該些第二輻射強度模式分布於其中一該第二區域，該至少一第一區域及該至少一第二區域沿著至少一排列方向排列；其中當該振幅干涉圖案呈現複數個第一區域時，鄰近的兩該些第一區域之間的距離為一區域間距，該些電磁波束每一者的該傾斜角與該區域間距成反比。