CN101615714A - 可重构电磁天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可重构电磁天线，其包括：由导电的流体物质组成的辐射元件，该流体物质的体是可变的，并且其还包括：电极矩阵，在所述电极矩阵上通过电润湿来移动该流体物质。频率、极化乃至辐射图上的天线属性动态演进。频率上、极化上或辐射图上的天线重构是连续的和可逆的。
Description
技术领域
本发明处于可重构(reconfigurable)电磁天线领域。
背景技术
在受到多干扰和信号衰减现象制约的射频信号传播环境中，无线和移动应用的增殖(proliferation)需要在尤其对这些终端的复杂性、大小、重量、自治性(autonomy)乃至成本具有最小影响的情况下的、终端的大量适应。
用于这些终端的可重构电磁天线的发展希望克服这些制约。
存在几种类型的可重构天线。例如，存在可以在频率上重构的天线、可以在极化上重构的天线、乃至可以在辐射图(radiation pattern)上重构的天线。
可以在频率上重构的天线可以对其辐射频率进行适应，并且扫描(sweep)宽的频谱。这种天线使得尤其可能在同一个终端上接收每个都满足不同标准的几个信号。
可以在极化上重构的天线可以修改其极化状态(水平、垂直、圆、乃至椭圆)，以使得所接收或所传送的信号功率最大化。
可以在辐射图上重构的天线可以修改其辐射图，以使其方向性适应于传播环境，例如以便限制干扰现象。
在本领域的当前状态中，具体地假定终端的大小制约，则无法通过天线或其组成元件的机械或物理变形来获得天线的重构。
当前，可以通过对组成天线的某些导电元件(辐射元件、电介质、接地层(ground plane))进行开关来获得该天线的重构。
还可以通过使得连接到天线某些点的阻抗变化来获得天线的重构。
这两种重构模式存在缺点。
在其中开关天线的元件的情况下，获得了将要使其演进的属性(频率、极化、辐射图)的不连续变化。
在其中使得连接到天线某些点的阻抗变化的情况下，虽然获得了频率或辐射图的连续变化，但是其受限于所使用的阻抗的变化范围。
此外，用于重构的装置(开关和阻抗)存在影响天线有效性的固有损耗。
专利申请美国2004/0252069提出了一种具有可以变化特性的动态可重构天线。
该天线的辐射元件包括在空腔(cavity)中包含的导电流体(fluid)。该天线还包括使得可能选择性地向该空腔添加或从其移除流体的流体控制系统，这使得辐射元件的大小变化。
因此，存在对于一种不存在已知重构技术的上述缺点的、重构电磁天线的技术的真实需求。
发明内容
因而，根据第一方面，本发明涉及一种可重构电磁天线，其包括：由导电的流体物质组成的辐射元件，该流体物质的体(volume)是可变的，并且其还包括：电极矩阵，在所述电极矩阵上该流体物质通过电润湿(electro-wetting)来移动。
本发明使得可能利用体可变化的辐射元件来生产天线。
这些变化使得可能引起天线属性动态演进、并且获得频率上、极化上、乃至辐射图上的所期望的天线属性。频率上、极化上或辐射图上的天线重构是连续的和可逆的。
在电极矩阵的各电极之间施加电压使得可能以连续的方式来驱动与电极矩阵接触的流体物质的移动和形变。
电润湿现象还允许所有维度中的流体物质的形变。
根据一优选特性，该流体物质采用至少一个液滴的形式。
由于该流体物质由液滴构成，所以易于使得构成天线的辐射元件的流体物质的体和形式变化。
根据一优选特性，根据本发明的天线包括：包含流体物质并且能够释放或收回(recover)流体物质的一部分的贮存器。
由于贮存器的存在，所以非常易于引起存在于电极矩阵上的流体物质的体变化，并结果引起天线的辐射元件的体、大小和形式变化。
根据一优选特性，沿着电极的沟道，通过电润湿来从贮存器向电极矩阵或反向地移动流体物质的一部分。
通过流体物质的电润湿而进行的该移动是连续的和可逆的，因而导致构成天线的辐射元件的流体物质的连续的和可逆的形变。频率上、极化上或辐射图上的天线重构是连续的和可逆的。
根据一优选特性，根据本发明的天线还包括：使电极矩阵的电极和流体物质电绝缘的电介质。
电介质的存在使得可能使电极矩阵的电极和流体物质电绝缘，并因而在电极和流体物质之间创建了电势差。
根据一优选特性，该天线包括：与该流体物质接触的射频端口。
与构成天线的辐射元件的该流体物质接触的射频端口使得可能致使天线的辐射元件有源。
根据一优选特性，该射频端口是差分端口。
差分射频端口的使用使得可能生产偶极或回路类型的天线结构。
根据一优选特性，根据本发明的天线包括接地层。
该接地层使得可能生产需要该类型元件的天线结构，例如，微带(patch)天线乃至PIFA(代表了平面倒F天线)类型天线。
根据一优选特性，根据本发明的天线还包括：将该接地层链接到该流体物质的至少一个短路元件。
该短路元件使得可能增加天线配置的可能数目。
根据一优选特性，根据本发明的天线包括：封入天线的不同组成元件的封壳(capsule)。
封壳的存在便于将天线集成到任何类型的装置中。
本发明还涉及一种合并如前所述的天线的终端。
本发明还涉及一种用于制造可重构电磁天线的方法，该可重构电磁天线包括由导电的流体物质组成的辐射元件，该流体物质的体是可变的。该方法包括用于插入电极矩阵的步骤，在所述电极矩阵上通过电润湿来移动该流体物质。
附图说明
通过阅读参考附图描述的、根据本发明的天线的所有优选实施例，本发明的其他特征和益处将变得明显，其中：
图1表现了根据本发明第一实施例的天线的透视图，
图2表现了沿着根据图1的实施例的天线的纵轴的剖视图，
图3表现了沿着根据图1的本发明实施例的天线的变形(variant)的纵轴的剖视图，
图4表现了根据本发明第二实施例的天线的透视图，
图5是图4的实施例的示意表现的俯视图，
图6表现了根据本发明的天线的变形的透视图，
图7表现了基于图6的图示的天线的变形，
图8表现了封装后的图6所图示的天线的剖面图。
具体实施方式
图1表现了根据本发明第一实施例的天线的透视图。
根据本发明的可重构电磁天线包括导电的流体物质F。
流体物质F采用一个或多个液滴的形式。
该天线还包括使得可能传送和接收射频信号的射频端口RF。RF端口是与流体物质的至少一个液滴接触的导电元件。
与射频端口RF接触的流体物质F的部分对应于天线的有源辐射元件。与射频端口接触的流体物质F的该部分由流体物质F的至少一个液滴组成。当由许多液滴构成辐射元件时，不需要所有的液滴与射频端口RF接触。使一个液滴与射频端口RF接触并且使其他液滴彼此接触并与同射频端口RF接触的液滴接触就足够了。
可以使流体物质F的一个或多个液滴绝缘，并且所述流体物质F的一个或多个液滴对应于天线的无源元件。
为了说明本发明，以下在说明书中，以许多液滴的形式来提出与天线的辐射元件对应的流体物质F。不应认为该说明是对本发明进行限定。
作为变形，通过引入导电物质或者导电元件的粒子或碎片(fragment)来使流体物质F导电。这些粒子或碎片可以是碳纳米管或其他导电细丝。
该天线还包括：包含电极E的电极矩阵M。
通过使电极E和液滴电绝缘的第一衬底或电介质D1来覆盖电极矩阵M。
电介质D1可以包括一层或多层不同材料。与电极接触的层由呈现了例如PTFE的低表面张力的疏水(hydrophobic)材料构成。
RF端口是穿过电极矩阵M、电介质D1以与流体物质F的至少一个液滴接触的导电元件。
图2表现了沿着根据本发明第一实施例的天线的纵轴的剖视图。
该图示出了流体物质F的三个液滴。通过电介质D1来分离流体物质F与电极矩阵M。RF端口穿过电极矩阵M、电介质D1，并且与流体物质F的液滴接触。
图3表现了沿着根据本发明第一实施例的天线的变形的纵轴的剖视图。
在该变形中，射频端口是差分端口。差分射频端口由穿过电极矩阵M、电介质D1并且各自与流体物质F的至少一个液滴接触的两个导电元件RF1和RF2组成。
然后，向天线差分地传送射频信号。该变形使得可能生产例如偶极或回路类型的天线。
根据上文中描述的本发明第一实施例构成的天线如下运行。
通过“电润湿”，即通过在电极E之间施加电势差(图1中未表现的装置)，来在电极矩阵M上移动流体物质F的液滴。也可以在液滴和电极E之间创建电势差。
取决于所做出的移动，流体物质F的可变体可与射频端口RF接触。使导电流体物质F的一部分或全部与RF端口接触使得天线可能接收射频信号。
与射频端口RF接触的、由至少一个液滴形成的流体物质F的部分对应于天线的辐射有源元件。
因而，有利地，利用可以在体上和形式上变化的辐射有源元件来生产天线。
与电介质D1接触的导电流体物质F的体的表面可以变化。与电介质D1接触的该表面的形式也可以变化。导电流体物质F的体的表面的每个点与电介质D1之间的接触角也可以变化。
这些变化使得可能引起天线属性动态演进、并且获得频率上、极化上、乃至辐射图上的所期望的天线属性。频率上、极化上或辐射图上的天线重构是连续的和可逆的。
因而，在适当地修改用于形成辐射有源元件的液滴数目的情况下，通过流体物质F的液滴的重组来获得天线属性的演进。
流体物质F的没有与端口RF接触的部分充当无源元件，并且使得可能修改天线属性(具体地，频率上和辐射图上的天线属性)。
图4表现了根据本发明第二实施例的天线的透视图。
在该第二实施例中，天线包括：包含了流体物质F′的贮存器R。
贮存器R能够释放意图在于由电极E′组成的电极矩阵M′的一部分(特别地，采用液滴形式的)流体物质F′。通过电介质D′1来分离流体物质F′与电极矩阵M′。
贮存器R还可以收回源自电极矩阵M′的流体物质F′的(具体地，采用液滴形式的)一部分。
沿着电极的沟道C，通过电润湿来从贮存器R向电极矩阵M′或者相反地从电极矩阵M响贮存器R移动流体物质F′的液滴。电极的沟道C将贮存器R链接到电极矩阵M′。
端口R′F′穿过电极矩阵M′、电介质D′1，并且与流体物质F′的至少一个液滴接触。
贮存器R使得可能根据需要(且更具体地，根据天线属性的所期望的改变)来释放或收回流体物质F′的液滴。
由于贮存器的存在，所以非常容易来引起存在于电极矩阵M′上的导电流体物质F′的体变化，并因此引起天线的辐射有源元件的体和形式变化。
由于可能收回不用于形成天线的辐射有源元件的液滴，所以天线的辐射有源元件可能不包括任何无源元件。
图5是根据以上所描述的第二实施例的本发明的示意表现的俯视图。
观察通过电极的沟道C而链接到电极矩阵M′的贮存器R，电极矩阵M′和电极的沟道C包括一组电极E′。射频端口R′F′出现在电极矩阵M′的表面。
图6表现了根据本发明的天线的变形的透视图。
图示该变形用于于本发明第二实施例，而且该变形还应用于本发明的第一实施例。
根据该变形，天线还包括接地层P。
接地层P是位于电极矩阵M′下面的导电层。
通过第二衬底或电介质D′2来将电极矩阵M′与接地层P电绝缘。通过电介质D′1来分开流体物质F′与电极矩阵M′。
端口R′F′在与流体物质F′的液滴接触之前，穿过接地层P、电介质D′2、电极矩阵M′、电介质D′1。
图6还示出了根据用于图示本发明该变形的所选方法的贮存器R和电极的沟道C。
接地层使得可能例如获得微带天线或PIFA(代表了平面倒F天线)类型天线。
图7表现了基于先前所描述的变形的根据本发明的天线的另一变形。
根据该另一变形，天线包括短路元件CC。
这些短路元件CC是导电元件，其连接到接地层P并且穿过电介质D′1和D′2，以便接触流体物质F′。
在优选实施例中，短路元件CC不与电极矩阵M′的电极E′接触。
图7还示出了根据用于图示本发明该变形的所选方法的贮存器R和电极的沟道C。
在其中导电流体物质F′与端口R′F′和短路元件CC之一两者接触时，可能获得例如其属性不同于微带类型天线的PIFA类型天线。
短路元件CC的数目和定位可以是可变的。根据变形，这些短路元件CC的至少一个链接到电偶极(阻抗、开关、可变电压电容器等)，使得可能修改天线属性。
图8表现了根据在前的封装后的变形之一的天线的剖面图。
该变形图示用于本发明的第一实施例，而且该变形还应用于本发明的第二实施例。
为了能够将根据本发明的天线合并到装置中，将其封入到封壳S中。
将天线的不同组成元件(例如，接地层P、射频端口RF、电极矩阵M、电介质D1和D2以及流体物质F)封入到由刚性或半刚性材料组成的封壳P中。封壳P的层面L之一平行于电极矩阵M的表面，并且与流体物质F的液滴接触。
没有被流体物质F占用的空间G可以由空气、气体、乃至另一不导电流体物质构成。
本发明还涉及无线电通信终端或能够接收根据本发明的天线的任何通信对象。
本发明还涉及一种用于制造可重构电磁天线的方法，该可重构电磁天线包括由导电的流体物质(F、F′)组成的辐射元件，该流体物质(F、F′)的体是可变的。该方法包括用于插入电极矩阵(M、M′)的步骤，在所述电极矩阵(M、M′)上通过电润湿来移动该流体物质(F、F′)。
Claims (12)
1.一种可重构电磁天线，包括：由导电的流体物质(F、F′)组成的辐射元件，该流体物质(F、F′)的体是可变的，其特征在于，其还包括：电极矩阵(M、M′)，在所述电极矩阵(M、M′)上通过电润湿来移动该流体物质(F、F′)。
2.根据权利要求1的天线，其特征在于，所述流体物质(F、F′)采用至少一个液滴的形式。
3.根据权利要求1或2的天线，其特征在于，其包括贮存器(R)，该贮存器(R)包含流体物质(F′)并且能够释放或收回流体物质(F′)的一部分。
4.根据权利要求1至3中任一项的天线，其特征在于，沿着电极的沟道(C)，通过电润湿来从贮存器(R)向电极矩阵(M′)或反向地移动流体物质(F′)的一部分。
5.根据权利要求1至4中任一项的天线，其特征在于，它还包括：使电极矩阵(M、M′)的电极(E、E′)和流体物质(F、F′)电绝缘的电介质(D1、D′1)。
6.根据权利要求1至5中任一项的天线，其特征在于，它包括：与所述流体物质(F、F′)接触的射频端口(RF、R′F′)。
7.根据权利要求6中的天线，其特征在于，所述射频端口(RF、R′F′)是差分端口。
8.根据权利要求1至7中任一项的天线，其特征在于，它还包括：接地层(P)。
9.根据权利要求8的天线，其特征在于，它还包括将接地层(P)链接到流体物质(F、F′)的至少一个短路元件(CC)。
10.根据权利要求1至9中任一项的天线，其特征在于，它还包括封入天线的不同组成元件的封壳(S)。
11.一种无线电通信终端，包括根据权利要求1至10中任一项的天线。
12.一种用于制造可重构电磁天线的方法，所述可重构电磁天线包括由导电的流体物质(F、F′)组成的辐射元件，所述流体物质(F、F′)的体是可变的，其特征在于，所述方法包括用于插入电极矩阵(M、M′)的步骤，在所述电极矩阵(M、M′)上通过电润湿来移动所述流体物质(F、F′)。
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