CN112904927A - 超材料阵列天线单元的电压保持方式与保持电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超材料阵列天线单元的电压保持方式与保持电路，通过不同结构的电压保持电路和不同的信号加载方式，实现对超材料阵列天线单元的电压驱动和以及状态保持与切换，所述电压驱动的方式包括对阵列天线单元的充放电，以及对阵列单元驱动电压大小和极性的控制，通过在每一个天线阵列单元中设计电压保持电路，搭配相应的电压信号加载方式，实现对天线面板阵列单元驱动电压的加载和保持，对阵列天线波束指向的控制，对天线面板驱动功耗的降低，涵盖了多种可行的技术方案，形成了具有不同结构的超材料天线阵列，天线装置及相应的驱动方法。
Description
技术领域
本发明涉及涉及天线及微电子与固体电子学领域，具体为材料阵列天线单元的电压保持方式与保持电路。
背景技术
超材料阵列天线的合成波束，是通过把每一个阵列单元（阵元），在特定状态下的辐射场干涉叠加实现的。阵元状态的变化，对应合成波束的扫描。每个阵元的辐射状态的变化与保持，与阵元上加载的电压信号密切相关。当天线的波束要实现扫描时，需要对天线阵元上的电压大小进行调节。当天线的波束一直指向某个特定方向的时候，每个阵元上的电压大小需要被保持。
在传统的液晶显示领域，液晶电容的保持时通过一个与液晶电容并联的，更大的保持电容来实现的。然而，对于包括液晶天线在内的超材料天线，天线阵元的电容非常大。如果单纯地靠一个保持电容来实现阵元电压的保持存在一些问题。首先，较大的保持电容会在天线阵列中占据较大的布线空间，使得天线阵元的面密度减小。其次，较大的保持电容的电极，会对邻近天线阵元的辐射场产生影响。第三，较大的保持电容与阵元电容并联，会使得阵元电容的充放电时间增加，从而增大驱动电压信号的延迟，降低天线波束切换的速度。所以阵元电容上电压信号的加载与保持，需要通过特定的方法和电路来实现。
此外，为了和液晶显示面板的制造工艺相兼容，以及薄膜晶体管（TFT）制造工艺技术的不断进步，天线阵元的电压加载和保持电路可以通过TFT电路来实现。TFT电路直接通过薄膜工艺制造在天线基板上。这可以在一定程度上降低天线的制造成本。
发明内容
本发明提供一种材料阵列天线单元的电压保持方式与保持电路，以解决上述技术问题中提到的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：超材料阵列天线单元的电压保持方式与保持电路，通过不同结构的电压保持电路和不同的信号加载方式，实现对超材料阵列天线单元的电压驱动和以及状态保持与切换，所述电压驱动的方式包括对阵列天线单元的充放电，以及对阵列单元驱动电压大小和极性的控制，通过在每一个天线阵列单元中设计电压保持电路，搭配相应的电压信号加载方式，实现对天线面板阵列单元驱动电压的加载和保持，对阵列天线波束指向的控制，对天线面板驱动功耗的降低。
优选的，对于超材料阵列天线正，阵元电容上，驱动电压的加载与保持方式，可以通过如下三种方式，或包含有如下三种方式中的一种或多种方式实现:
（1）通过在B点加载固定大小的电压，使开关器件保持在某一状态，A点的驱动电压信号通过开关器件持续加载到阵元电容上，阵列天线波束扫描时，对应的阵元电容上驱动电压大小的变化，通过调节A点加载的电压信号的大小实现；
（2）通过在A点加载固定大小的电压，同时调节B点电压的大下，使开关器件工作在不同的状态，阵元的驱动电压信号通过开关器件持续加载到阵元电容上，阵列天线波束扫描时，对应的阵元电容上驱动电压大小的变化，通过调节B点加载的电压信号的大小并保持实现；
（3）通过在C点，或D点，或C点和D点之间加载并保持特定大小的电压。阵元的驱动电压信号通过开关器件持续加载到阵元电容上以后，在C点，或D点，或C点和D点之间加载着的对应大小的电压实现了对阵元驱动电压的保持。阵列天线波束扫描时，对应的阵元电容上驱动电压大小的变化，在C点，或D点，或C点和D点之间的电压也要发生相应的变化。
优选的，包括一种对超材料阵列天线单元的电压进行直接充电保持的电路结构包含两个晶体管。
优选的，还包括一种含有栅极保持电容的超材料阵列天线单元的电压保持电路包含三个晶体管和一个保持电容。
优选的，还包括一种含有栅极保持电容的超材料阵列天线单元的电压保持电路或电路功能模块，包含两个晶体管，一个阵元电容以及一个栅极保持电容。
优选的，还包括一种含有阵元电压保持电容和重置开关器件的超材料阵列天线单元的电压保持电路包含有三个晶体管和两个电容。
优选的，还包括一种含有阵元电压保持电容的超材料阵列天线单元的电压保持电路包含有两个晶体管和两个电容。
优选的，还包括一种含有阵元电压保持电容和二极管连接开关的超材料阵列天线单元的电压保持电路包含有三个晶体管和两个电容。
优选的，还包括一种超材料阵列天线单元的驱动电压加载与保持电路包含八个晶体管和三个电容。
与现有技术相比，本发明通过不同结构的电压保持电路和不同的信号加载方式，实现对超材料阵列天线单元的电压驱动和以及状态保持与切换。电压驱动的方式包括对阵列天线单元的充放电，以及对阵列单元驱动电压大小和极性的控制。本发明通过在每一个天线阵列单元中设计电压保持电路，搭配相应的电压信号加载方式，实现对天线面板阵列单元驱动电压的加载和保持，对阵列天线波束指向的控制，对天线面板驱动功耗的降低。涵盖了多种可行的技术方案。形成了具有不同结构的超材料天线阵列，天线装置及相应的驱动方法。
附图说明
图1为本发明超材料阵列天线单元的基本结构及保持信号加载点示意图；
图2本发明一种通过开关器件对超材料阵列天线单元的电压进行直接充电保持的电路结构；
图3本发明一种通过饱和开关器件对超材料阵列天线单元的电压进行直接充电保持的电路结构；
图4本发明一种含有栅极保持电容的超材料阵列天线单元的电压保持电路；
图5本发明一种含有栅极保持电容与选择开关的超材料阵列天线单元的电压保持电路；
图6本发明一种含有栅极保持电容的超材料阵列天线单元的电压保持电路；
图7本发明一种含有阵元电压保持电容和重置开关器件的超材料阵列天线单元的电压保持电路；
图8本发明一种含有阵元电压保持电容和重置开关器件的超材料阵列天线单元的电压保持电路；
图9本发明一种含有阵元电压保持电容和感应电容的超材料阵列天线单元的电压保持电路；
图10本发明一种含有阵元电压保持电容和感应电容的超材料阵列天线单元的电压保持电路；
图11本发明一种含有阵元电压保持电容的超材料阵列天线单元的电压保持电路；
图12本发明一种含有阵元电压保持电容的超材料阵列天线单元的电压保持电路；
图13本发明一种含有阵元电压保持电容和二极管连接开关的超材料阵列天线单元的电压保持电路；
图14本发明一种含有阵元电压保持电容的超材料阵列天线单元的电压保持电路；
图15本发明一种超材料阵列天线单元的驱动电压加载与保持电路。
具体实施方案
参照附图1-15，本发明提供超材料阵列天线单元的电压保持电路或电路功能模块，以及由此形成的天线阵列和天线装置。具体的实施内容包括：
如图2所示，一种对超材料阵列天线单元的电压进行直接充电保持的电路结构包含两个晶体管。其中，M1的栅极连接行扫描信号，M1的漏极连接列数据信号。通过在晶体管M2的select端加载固定大小的电压，使开关器件保持在某一状态。Vref端的电压信号通过开关器件持续加载到阵元电容上。阵列天线波束扫描时，对应的阵元电容上驱动电压大小的变化，通过调节Vref端加载的电压信号的大小实现。或者通过在Vref端加载固定大小的电压，同时调节Select端电压的大下，使开关器件工作在不同的状态，阵元的驱动电压信号通过开关器件持续加载到阵元电容上。阵列天线波束扫描时，对应的阵元电容上驱动电压大小的变化，通过调节Select加载的电压信号的大小并保持实现。如图3所示，通过把晶体管M2的栅极和Vref端连接，Vref端的电压信号通过开关器件持续加载到阵元电容上。阵列天线波束扫描时，对应的阵元电容上驱动电压大小的变化，通过调节Vref端加载的电压信号的大小实现。
如图4所示，一种含有栅极保持电容的超材料阵列天线单元的电压保持电路包含三个晶体管和一个保持电容。阵元电容连接在M1的源端。M1的栅极连接行扫描信号，M1的漏极连接列数据信号。具有N型沟道的M2和具有P型沟道的M3同时作为开关器件。保持电容同时与两个开关器件的山及相连。当阵元电容的贴片上是高电压的时候，M2打开，M3关闭。Vref信号通过M2加载到阵元电容上，实现阵元电压的保持。当阵元电容的贴片上是低电压的时候，M2关闭，M3打开。Vref信号通过M3加载到阵元电容上，实现阵元电压的保持。如图5所示，在图4中，把Vref信号端与数据信号端Data相连，并通过晶体管M2控制。这样可以在阵列中减少Vref的布线，利用Data线提供阵元电容上的保持电压信号。
如图6所示，一种含有栅极保持电容的超材料阵列天线单元的电压保持电路或电路功能模块，包含两个晶体管，一个阵元电容以及一个栅极保持电容。其中，M1的栅极连接阵列中的行扫描信号，M1的漏极连接列数据信号。M1的源极与开关器件M2的栅极相连，同时与保持电容相连。M2的源漏极当中的一端与保持信号Vref相连，另一端与阵元电容相连。通过M1进来的数据信号，存储在M2的栅极，使得M2打开并处于不同的状态。Vref上的信号通过M2持续加载到阵元电容上，实现阵元电压的加载和保持。
如图7所示，一种含有阵元电压保持电容和重置开关器件的超材料阵列天线单元的电压保持电路包含有三个晶体管和两个电容。M1的栅极连接阵列中的行扫描信号，M1的漏极连接列数据信号。M1的源极与阵元电容相连。保持电容与阵元电容并联，作为阵元电压保持的一个途径。晶体管M2的栅极通过Select信号单独控制。阵元电容上的保持电压信号Vref通过M2开启时进行加载。当阵元电容需要快速放电，或者其上的电压需要重置时，Reset信号时晶体管M3开启。如图8所示，Select信号与Data信号相连接。这样可以减少一路供电信号，并通过晶体管M2进行控制。当M1开启，并为阵元电容充电时，M2关闭。M1关闭后，可以通过开去M2，并通过Data线加载电压信号使M3开启，Vref端的电压加载到阵元电容上，实现阵元电压的保持。晶体管M4开启时，可以对阵元电容上的电压进行重置。如图9所示，晶体管M3和阵元电容之间通过感应电容相连接。Vref信号通过赶一个电容加载到阵元电容上，从而实现阵元电容电压的保持和状态切换。如图10所示，在晶体管M3的栅极和Vref之间增加一个存储电容，可以在阵元电压保持的过程中，使M3处于固定的开启状态。
如图11所示，一种含有阵元电压保持电容的超材料阵列天线单元的电压保持电路包含有两个晶体管和两个电容。M1的栅极连接阵列中的行扫描信号，M1的漏极连接列数据信号。M1的源极与阵元电容相连。保持电容与阵元电容并联，作为阵元电压保持的一个途径。M2的栅极与Vref端相连，从而使不同大小的Vref电压加载到阵元电容和保持电容上，实现不同大小阵元电容的保持。如图12所示，在M3的栅极和Vref端直接增加一个存储电容，使得通过M2传输进来的电压信号，能够存储在M3的栅极。从而实现图11中所示的电压保持原理。
如图13所示，一种含有阵元电压保持电容和二极管连接开关的超材料阵列天线单元的电压保持电路包含有三个晶体管和两个电容。晶体管M2和M3各自形成二极管连接。这样保证二极管的左右两端只要电压不等，就会有一个晶体管开启，对阵元电容进行充放电。而通过M1输入的数据信号，存储在保持电容上。M1的栅极连接阵列中的行扫描信号，M1的漏极连接列数据信号。
如图14所示，一种含有阵元电压保持电容的超材料阵列天线单元的电压保持电路包含有两个晶体管和两个电容。M1的栅极连接阵列中的行扫描信号，M1的漏极连接列数据信号，源极连接阵元电容。通过M1输入的数据信号，直接加载到阵元电容上。开关器件M2的源漏极的一端连接阵元电容，另一端连接保持电容。通过Select信号调节M2的开关状态，从而把保持电容上的电压加载到阵元电容上，实现阵元电压的保持。
如图15所示，一种超材料阵列天线单元的驱动电压加载与保持电路包含八个晶体管和三个电容。M3的栅极连接阵列中的行扫描信号，M3的漏极连接列数据信号，源极连接阵元电容。通过M3输入的数据信号，直接加载到阵元电容上。保持电容与阵元电容并联，作为阵元电压保持的一个途径。当M8的栅极（3端）加载电压使M8开启的时候，VDD就可以向阵元电容和保持电容充电，从而使得阵元电容上的电压的到保持。当M1和M5关闭，M2和M4开启的时候，Data线上输入的信号被存储在存储电容和M7的栅极，使M7打开。此时，若M5开启，阵元电容上的电压将重新分配，从而实现阵元在不同灰阶状态下的电压保持。M1开启，可以通过Data信号的大小直接控制M7的开关状态，从而与M5配合，实现阵元电容上电压的精确控制。
阵元电容包括但不限于液晶天线单元电容，MEMS天线单元电容，等离子体天线单元电容，铁电和压电材料构成的阵列天线单元电容，以及其它采用电压驱动的超材料天线单元的电容。其中的晶体管可以是基于晶体硅材料及工艺的场效应晶体管MOSFET。或基于薄膜工艺的薄膜晶体管TFT。薄膜晶体管的有源层材料包括但不限于非晶硅（a-Si）薄膜,低温多晶硅（LTPS）薄膜，金属氧化物半导体薄膜，金属硫化物半导体薄膜，以及其它具有半导体性质的薄膜材料。
本发明提供超材料阵列天线的，基于上述包含有电压保持功能电路的阵列单元所构成的阵列结构以及天线装置。天线装置包括连接每一行阵列单元的行驱动模块，连接每一列阵列单元的列驱动模块，以及制造在介质基板上的，由上述包含有电压保持功能电路的单元阵列，及其与驱动***间的连接方式。介质基板包括但不限于玻璃基板，液晶聚合物等高分子聚合物基板。连接线包括但不限于铜、铝、钼，银、钛、钨、金等金属及其叠层薄膜制成的金属引线；或由氧化铟锡（ITO）,IGZO，氧化铟，氧化锡等金属氧化物所形成的导体连接线；或者由二硫化钼，石墨烯等半导体材料在特定条件下形成的具有加大电导率的导电连接线。
最后需要说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (9)
1.超材料阵列天线单元的电压保持方式与保持电路，其特征在于：通过不同结构的电压保持电路和不同的信号加载方式，实现对超材料阵列天线单元的电压驱动和以及状态保持与切换，所述电压驱动的方式包括对阵列天线单元的充放电，以及对阵列单元驱动电压大小和极性的控制，通过在每一个天线阵列单元中设计电压保持电路，搭配相应的电压信号加载方式，实现对天线面板阵列单元驱动电压的加载和保持，对阵列天线波束指向的控制，对天线面板驱动功耗的降低。
2.根据权利要求1所述的超材料阵列天线单元的电压保持方式与保持电路，其特征在于：对于超材料阵列天线正，阵元电容上，驱动电压的加载与保持方式，可以通过如下三种方式，或包含有如下三种方式中的一种或多种方式实现:
（1）通过在B点加载固定大小的电压，使开关器件保持在某一状态，A点的驱动电压信号通过开关器件持续加载到阵元电容上，阵列天线波束扫描时，对应的阵元电容上驱动电压大小的变化，通过调节A点加载的电压信号的大小实现；
（2）通过在A点加载固定大小的电压，同时调节B点电压的大下，使开关器件工作在不同的状态，阵元的驱动电压信号通过开关器件持续加载到阵元电容上；阵列天线波束扫描时，对应的阵元电容上驱动电压大小的变化，通过调节B点加载的电压信号的大小并保持实现：
（3）通过在C点，或D点，或C点和D点之间加载并保持特定大小的电压，阵元的驱动电压信号通过开关器件持续加载到阵元电容上以后，在C点，或D点，或C点和D点之间加载着的对应大小的电压实现了对阵元驱动电压的保持，阵列天线波束扫描时，对应的阵元电容上驱动电压大小的变化，在C点，或D点，或C点和D点之间的电压也要发生相应的变化。
3.根据权利要求2所述的超材料阵列天线单元的电压保持方式与保持电路，其特征在于：包括一种对超材料阵列天线单元的电压进行直接充电保持的电路结构包含两个晶体管。
4.根据权利要求2所述的超材料阵列天线单元的电压保持方式与保持电路，其特征在于：还包括一种含有栅极保持电容的超材料阵列天线单元的电压保持电路包含三个晶体管和一个保持电容。
5.根据权利要求2所述的超材料阵列天线单元的电压保持方式与保持电路，其特征在于：还包括一种含有栅极保持电容的超材料阵列天线单元的电压保持电路或电路功能模块，包含两个晶体管，一个阵元电容以及一个栅极保持电容。
6.根据权利要求2所述的超材料阵列天线单元的电压保持方式与保持电路，其特征在于：还包括一种含有阵元电压保持电容和重置开关器件的超材料阵列天线单元的电压保持电路包含有三个晶体管和两个电容。
7.根据权利要求2所述的超材料阵列天线单元的电压保持方式与保持电路，其特征在于：还包括一种含有阵元电压保持电容的超材料阵列天线单元的电压保持电路包含有两个晶体管和两个电容。
8.根据权利要求2所述的超材料阵列天线单元的电压保持方式与保持电路，其特征在于：还包括一种含有阵元电压保持电容和二极管连接开关的超材料阵列天线单元的电压保持电路包含有三个晶体管和两个电容。
9.根据权利要求2所述的超材料阵列天线单元的电压保持方式与保持电路，其特征在于：还包括一种超材料阵列天线单元的驱动电压加载与保持电路包含八个晶体管和三个电容。
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