专利名称：具有可控制的辐射的发射的天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有改进的锁定信号能力的天线。这种天线尤其适合用作移动电话或任何无线设备的部分。
背景技术：
近几年来，市场上不与通信陆线物理连接的手持通信设备的增长一直稳定并且巨大。特别是目前移动电话不仅能允许语音通信，而且事实上可以实时传输移动图像。
因为在设备和陆线之间没有物理连接，所以通信和信息是通过电磁辐射信号传输的。传输所述信息的工具通常是附在设备上的天线。设备要传输信息，就会通过天线从设备发射一个低功率信号。该信号被转发信号的塔接收。所述塔能增强信号的功率并且使其能被传输通过很长的距离。第二个设备接收信号的过程本质上与上述过程相反，因为从塔传输的信号被移动设备的天线接收，并且电磁辐射携带的信息被转换为如声音、文本、图像等输出形式。
无论正被传达的信息类型是什么，余下的问题是使设备能连续与传输/接收塔联系。一个关键方面是确保移动设备传输信号的方向是能被塔接收的。如果移动设备传输的信号不在塔的方向上，那么不管被传输信号的功率如何，该信号将不会被塔接收。
为克服这个局限性，设备在被生产时带了大量天线和一个用于天线间转换的处理器以确保连接不被丢失。这个方法的缺点是包含大量天线增加了设备的复杂性和制造成本。
本发明的一个目的就是提供单独的天线来克服上述缺点，并且提供改良的设备。
发明内容
按照本发明的第一个方面，其提供了用于通信设备的天线；具有传输/接收元件的天线，该元件适应于传输和接收辐射图。
该元件由一电介质材料层支撑。
其中，通过元件传输或能接收的辐射图的方向由电子控制。
该天线比传统天线制造更简单而且更便宜。从而避免了在多元件天线系统的情况下包含用以激活和失活天线元件的复杂电子电路(如移相器及其相关控制)的需要。
传输/接收元件更适宜地包括至少一个环。特别首选的是具有螺旋配置尤其是长方形螺旋的元件。可选择地，该螺旋可以有圆形、三角形、梯形配置。
方便地，形成电介质材料层的电介质材料的介电常数为2-10。代表性的值是3.4-3.9。适宜的电介质材料层的厚度是小于20mm，特别适宜的是10-14mm。电介质材料层任意地包括两层介电常数不同的电介质材料。
方便地，电介质材料层自身在传导层之上被支撑，传导层本身任意地由绝缘介质支持。
至少一低损耗射频(RF)开关的使用(如微机电开关(MEM)或PIN二极管)将会通过短路或开路元件在传输元件上传播的信号时引入相位移。这具有改变天线辐射图的效果。因此使用多路开关能使发射图有适应性。
有利的是一层或两层电介质材料层的介电常数是可变的。介电常数的变化能通过施加引起电介质材料的介电常数变化的d-c电压获得。由于沿着螺旋臂的导向波长依赖于介电常数的值，所以改变介电常数会引起发射电波束的角度改变。特别优选的施加电压为5-50V，5-20V是尤其优选的。任意地，液晶被嵌入到电介质材料中。因此施加的电压量的变化会引起辐射的发射电波束角度的变化，并且允许不使用电路的移动部分或连续的中断和形成的快速转换。通信设备因此能够在要求与接收者保持联系的方向稳定地传输。
按照本发明的第二个方面是提供一种通信设备，该设备包括包含有至少一个环的传输元件的天线，该设备进一步包括一个或多个在传输元件中造成中断的开关。优选地，该传输元件具有螺旋配置。
现在将结合参考通信设备的天线元件的两个实施例表示的附图对本发明进行说明。在附图中图1所示为从移动电话发射的电磁辐射；图2A和2B所示为天线的两个视图；
图3A和3B分别表示了图2的天线发射或接收的电波束和标准天线；图4表示了开路开关天线臂；具有四个开路开关；图5是图4中天线臂的开关配置表；图6是图5中开关配置的和的x-y坐标图；图7和图8分别表示了图5的开关配置的增益和VSWR；图9表示了图5所示的开关配置4和13的最大电波束方向辐射模式；图10示出了具有四个短路开关的天线；图11是图5的短路开关配置的和的x-y坐标图；图12和13分别表示了图5的短路开关配置的增益和VSWR；图14表示了图5所示的短路开关配置4和13的最大电波束方向的辐射图；图15表示了具有变化的介电常数的电介质层的天线；以及图16是与介电常数相反的和的x-y坐标图。
具体实施例方式
下面的例子是本发明的一个实施例。当然可以理解的是在不背离发明思想的情况下有很多方式实现本发明。
在图1中，天线10以电磁辐射电波束形式发射信号。该电波束能携带用于解码设备再现声音、文本或可视图像的足够的信息。电波束11A、B、C以彼此相对的不同的角度倾斜。电波束的角度是可变的，因此电波束11A、B、C只是示例。该特征使元件传输到塔或从塔接收信息的可能性最大化。
在确定被使用的电波束角度时，处理和信号强度监测器12用于监控强度。如果监测器12确定需要使用不同的电波束11传输，监测器12发送信号至控制电波束11方向的电路13。
如所要求的那样，电路13转换电波束11的角度以便将其定位朝向最强信号的方向。这种方式与传输塔的联系是可维护和能保持坚固的。
图2A表示了适合于发射图1的电波束模式的天线的实施例。在图2A中，天线20具有铜传输元件21，该元件有单臂、矩形螺旋的形状。传输元件21大约1.4mm宽，并且总长大约290mm。传输元件21的支撑25由电介质材料-介电常数约为3.7的Roger R0-4350B制成。为了产生好的信号，天线的厚度大约为12mm。为了方便，电介质材料制成边长约为51.3mm的方形。
电介质材料本身由导电平面支撑，该导电平面有利于，例如，改进天线结合到设备的容易程度。导电平面本身能由电绝缘物质形成的更深的一层支撑。
传输元件21的一个功能是发射一束电流激发的携带信息的电磁辐射。点22是天线10的接入点。短路RF开关23和开路开关24被用来当信号在天线臂上传送时引进相位移。该相位移导致天线放射的电波束角度的移动。使用多路开关可以获得发射电波束的角度的任意想要的变化。因此，使得整个天线辐射图具有适应性。
制成支撑物25的电介质材料的介电常数典型的值是2-10。人们发现介电常数范围为3.4-3.9使天线有效。本领域公知的大量材料显示它们本身是适合使用的。
生产的天线20的厚度依赖大量因素，如操作频率、使用的电介质材料、接入点的抗阻以及天线结合的单元的尺寸。例如，具有较高介电常数使得较细天线能被使用的用于支撑的材料的使用。本发明预期的天线厚度小于20mm。更典型的天线厚度能在10-14mm。
当保持在配置中至少一个充分地360°旋转时，传输元件可以有不同的形状。虽然方形螺旋的使用使得信号的数值分析更容易，但是圆形螺旋、梯形或三角形传输元件也可以被使用。
为了提供转换功能，需要既快速又坚固的开关。在实际中，这样的开关由微机电开关(MEMS)、PIN二极管或任何射频(RF)开关提供。在使用中，选择特别的开关类型以适合特别的天线尺寸。
能执行发射电波束角度的小的改变被发现是有用的。在图2A所示的一个实施例中，通过在传输元件螺旋臂中引入大量电路中断来实现。该类中断通过开关提供。可见，通过在一系列有限的步骤中激活或失活开关，能使电路能较短或较长。通过控制哪个开关打开或关闭，从而在需要时改变发射电波束的角度。可以理解增加与天线臂结合的开关的数量，将会减少天线不同有效长度间的步幅的长度。因此更多的开关导致发射的辐射角度的更平滑的改变。
图3A、3B给出传输电波束中引起改变的例子，其中的箭头指示最大发射的辐射的方向。在图3B中，发射的辐射主要是轴向的，即沿着螺旋的轴向量。在开关的应用中，向量被旋转，因此其方向不再沿着所述轴向量。
在使用上述开关天线中，我们发现电压驻波比(VSWR)，即对转发功率与反射功率比的测量、通常保持在2以下，表明传输信号所需要的功率受转换影响不大。VSWR值高于2的有限数量的开关配置中，额外的功率被供给信号以确保信号的稳定性。各种配置的增益相对稳定在7.5dB+/-1.5dB。
图4表示了具有一系列在1、2、3和4处指示的开路开关的天线40。这些开关大约1mm宽，而且它们的操作用来缩短或加长天线臂41的有效长度。
图5-9表示了激活开关的效果。在例证的公开中，有4个开关，每个开关都可以在开启或关闭的位置，实质上有16种不同的组合或转换配置，因此有16种可能的天线有效长度。图5的表中表示了16种转换配置。图6表示了图5给出的各种开关配置中获得的和的值。最大的变化在中，同时有相对小的变化。第二行显示了从理论预测的和组得到的结果，可以看出理论和实验有相对较好的相关性。
图7表示了各种开关配置的增益(单位为dB)。图8给出了VSWR并且显示了对大多数开关配置，VSWR低于2。最后，图9分别表示了在开关配置4和13的最大电波束方向上的辐射图。
图10-14表示了工作于短路开关模式的结果。开关配置如图5所示。
在天线的进一步的实施例中，发射电波束的方向通过向从传输元件到导电平面的支撑施加d-c电压被改变。一个典型的施加电压是5-50V，5-20V的范围是优选的。电压的施加改变了用于改变发射电波束角度的支撑材料的介电常数。在本实施例的一个方面中，液晶被嵌入底层材料本身中。贯穿液晶的电压变化引起介电常数改变。
这样的设备的例子如图15所示。天线150有一个如前述的矩形的单臂螺旋状的传输元件151。元件151所在的电介质底层包括两个分别具有不同介电常数和的层152A、152B。典型地，层152A由合成的/铁电材料形成。施加电压V于天线导致层152A的材料的介电常数的变化。组合的电介质层的净介电常量是和的函数。因此改变将会改变，并且导致元件151内的有效导向波长被改变并因此改变从天线发射的辐射的角度。
图16表示了介电常数变化对传输角度的影响。在图16中，被传输的辐射的轴向和径向(对应于螺旋传输元件)元素被分离并且分别由和表示。可以看出随着被改变，和的角度也被改变。通过图示的值，显示了19°的变化，显示了237°的变化。这可以与前面说明的转换方法的39°和174°的范围进行比较。因此转换方法能够包括的更大变化，并且改变介电常数引起更大的变化。可设想转换方法和介电方法的组合能带来在单一的设备中的和的最大变化。
当然可以理解本发明不限于此处说明的仅通过举例给出的特殊细节，在附带的权利要求的范围内的各种修改和替换是可能的。
权利要求
1.一种通信设备中使用的天线(10)；天线(10)具有传输元件(21)，该传输元件(21)适用于发送和接收辐射图；该传输元件(21)由电介质材料的电介质层(25)支撑；其中被传送或能被接收的辐射图的方向是电子控制的。
2.如权利要求1的天线，其中传输元件包括至少一个环。
3.如权利要求1或2的天线，其中传输元件具有螺旋配置。
4.如权利要求3的天线，其中传输元件具有矩形螺旋配置。
5.如权利要求3的天线，其中螺旋是圆形、三角形、梯形配置。
6.如前述任一项权利要求的天线，其中电介质层(25)的介电常数为2-10。
7.如权利要求6的天线，其中介电常数值为3.4-3.9。
8.如前述任一项权利要求的天线，其中电解质层(25)的厚度小于20mm。
9.如权利要求8的天线，其中电介质层(25)的厚度为10-14mm。
10.如前述任一项权利要求的天线(10)，该天线包括一个或多个短路或开路元件(21)的低损耗射频开关(23)，从而改变天线辐射图的方向。
11.如权利要求10的天线，其中该开关或每个开关为微机电开关或PIN二极管。
12.如前述任一项权利要求的天线，其中电介质层包括两层或多层具有不同介电常数的电介质材料。
13.如前述任一项权利要求的天线，其中该电介质材料或每个电介质材料本身在传导层之上被支撑。
14.如权利13的天线，其中该传导层或每个传导层本身由绝缘介质支撑。
15.如前述任一项权利要求的天线，其中电介质材料的介电常数是可变的。
16.如前述任一项权利要求的天线，其中d-c电压被施加于电介质材料，从而改变该材料的介电常数。
17.如权利要求16的天线，其中施加电压为5-50V。
18.如权利要求17的天线，其中施加电压为5-20V。
19.如前述任一项权利要求的天线，其中一个液晶被嵌入到电介质材料中。
20.一种通信设备，包括具有至少一个环的传输元件的天线，该设备进一步包括一个或多个在传输元件中造成中断的开关。
21.如权利要求20的设备，其中传输元件具有螺旋配置。
22.此处的天线被参照附图充分说明。
全文摘要
本发明公开了适用于移动电话或其它这样的具有发送或接收电磁辐射图的传输元件(21)的通信设备的天线(10)。传输元件(21)由一层或多层(25)电介质材料支撑，控制被发送或接收的电子维持的辐射图的方向。传输元件(21)包括至少一个环，并且通常是螺旋配置。微机电开关或PIN二极管形式的开关(23，24)能短路或开启元件(21)，并且允许辐射图方向的改变。电介质材料(25)的介电常数是可变的，也会影响辐射图的方向。
文档编号H01Q9/04GK1898835SQ200480039035
公开日2007年1月17日 申请日期2004年12月24日 优先权日2003年12月24日
发明者阿米特·梅赫塔, 达留什·米尔斯卡 申请人:威文和科技有限公司