CN1897349A - 结合极性液体的天线 - Google Patents

Abstract

一种新颖的天线结构，包括：极性液体；容器，由绝缘材料制成并且容纳极性液体；以及馈电线，连接至容纳在容器中的极性液体。于是，极性液体起到辐射器的作用。宽带天线包括由具有对应于唯一共振频率的电气共振长度的导体构成的辐射器。辐射器在一端具有连接至外电路的馈电线。由绝缘材料制成的容器在其中容纳辐射器的至少一部分，或者被设置为接近辐射器的一部分，并且容纳在容器内部的极性液体影响辐射器的电磁流，以改变辐射器的唯一共振频率。

Description

结合极性液体的天线

优先权声明

本申请要求于2005年7月11日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第2005-62352号以及于2005年8月2日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第2005-70730号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种天线，更具体地，涉及一种结合了诸如水的极性液体以容易地实现宽带中的共振频率的新颖的天线概念。

背景技术

通常，天线由电介质体或磁体以及在该电介质体或磁体上布图的导体构成。这种天线具有由导体结构和电介质体的介电常数确定的唯一(unique)共振频率。众所周知，对于确定了特殊性质的导体或电介质材料，除非改变导体的几何形状，否则不能调节共振频率。

新近的移动通信终端需要一种紧凑的天线，其中共振频率可以在宽带中调节和/或调节到低带。作为一种方法，试图通过使用具有最小化的阻抗的磁性材料来制造低带宽的紧凑型天线。然而，当安装在仅为天线提供有限空间的移动通信终端中时，仍然难以达到用于天线的足够的共振长度。

图1示出具有微带结构的传统片状天线10。

参照图1，具有微带结构的片状天线10包括电介质块11和曲折线形式的导体布图(conductor pattern)15。这种片状天线10具有由导体布图15的共振长度确定的唯一共振频率。

为了调节共振频率，必须改变导体布图15的几何形状和长度。由于必须增加导体布图15的尺寸来降低共振频率的带宽，因此有限的空间使之困难。

尽管典型的天线通常仅覆盖较窄带宽，但是在一些情况下即使增益较少，宽带宽也是更优选的。理想地，如果天线可以覆盖所有带宽同时保持高增益，可能是最有利的。然而，这样的优点在采用导电辐射器(radiator，辐射体)的传统天线中几乎无法实现。

如上所述，由于诸如片状天线的传统天线采用用作辐射器的导体，因此既不能容易地调节共振频率，也不能将天线应用于宽带和/或低带用途。

发明内容

做出了本发明来解决现有技术的上述问题，因此本发明的特定实施例的目的在于提供一种新颖的天线，其采用极性液体作为新颖的辐射器来代替传统导体，以容易地调节宽带中的共振频率。

本发明的另一目的在于提供一种新颖的天线，其具有与导电辐射器结合的极性液体以调节共振频率，而不用扩展或改变导体结构。

根据为了实现该目的的本发明的一个方面，提供了一种天线，包括：极性液体；容器，由绝缘材料制成，容器容纳极性液体；以及馈电线，连接至容纳在容器中的极性液体，由此，极性液体起到辐射器的作用。

优选地，可在本发明中采用的极性液体可以包括选自包括水、甲醇、乙醇、丁醇、乙腈、丙酮、SAR溶液、及其混合物的组中的一种。

为了引入附加电磁影响(electromagnetic influence)，极性液体可以包括其中溶解了具有至少一种电解质的电解质溶液，并且分别地或者共同地可以包含可被磁力吸引的导体粉末，其中，导体粉末可以包括Fe。

根据为了实现该目的的本发明的另一方面，提供了一种宽带天线，包括：辐射器，由具有对应于唯一共振频率的电气共振长度(electrical resonant length)的导体构成，辐射器在一端具有连接至外电路的馈电线；容器，由绝缘材料制成，容器在其中容纳辐射器的至少一部分，或者被设置为接近辐射器的一部分；以及容纳在容器内部的极性液体，极性液体影响辐射器的电磁流(electromagneticflow)，以改变辐射器的唯一共振频率。

可选地，可以将辐射器的全部设置在容器内部。

根据本发明的实施例，辐射器可以是螺旋状的，其中，极性液体使得天线能够具有高于辐射器的唯一共振频率的共振频率。

根据本发明的另一实施例，辐射器可以具有单极(monopole)构造，其中，极性液体使得天线能够具有高于辐射器的唯一共振频率的共振频率。

根据本发明的另一实施例，宽带天线可以为片状天线，其中，容器形成为围绕片状天线的至少一部分。此外，片状天线的辐射器可以形成为容器表面上的导体布图。

附图说明

本发明的上述和其他目的、特征和其他优点将通过后面结合附图的详细描述而变得更加易于理解，在附图中：

图1是示出传统片状天线的示意性透视图；

图2是示出根据本发明的结合了液体辐射器的天线的示意性透视图；

图3a至图3c是示出根据图2所示的天线的填充条件的反射系数特性的仿真曲线图；

图4a和图4b是示出根据本发明的耦合了液体的单极和螺旋状天线的示意性透视图；

图5是示出根据本发明实施例的单极天线和螺旋状天线的组合的示意性透视图；

图6是示出根据本发明实施例的四分之一波长微带天线的示意性透视图；

图7a至图7c是示出根据本发明制造的每个天线的反射系数特性的曲线图，用于测量其共振频率特性；

图8a至图8c是示出根据本发明制造的每个天线的辐射图(radiation pattern)的曲线图，用于测量其共振频率特性；

图9a和图9b是示出根据本发明的使用碳酸水作为极性液体的天线的反射系数特性和辐射图的曲线图；

图10a和图10b是示出构造为与图4a所示的单极天线类似的单极天线的反射系数特性的曲线图；

图11a和图11b是示出构造为与图4b所示的螺旋状天线类似的螺旋状天线的反射系数特性的曲线图；以及

图12a至图12c是示出与图6所示的天线类似的根据本发明的天线的反射系数特性的曲线图。

具体实施方式

下面将参考示出本发明的优选实施例的附图来更全面地描述本发明。

图2是示出根据本发明的结合了液体辐射器的天线20的示意性透视图。

参照图2，天线20包括：极性液体29；绝缘容器27，用于容纳极性液体29；以及馈电线22，连接至容纳在容器27内部的极性液体29。

在本发明中用作新颖的辐射器的极性液体29具有较大介电常数和较小库仑力，因此比诸如己烷、戊烷、和苯的非极性溶液更容易被电离。极性液体29还具有与溶质相互作用的强倾向以及大的溶解能，因此可以容易地溶解溶质。本发明的极性液体29的实例可以包括但不限于水、甲醇、乙醇、丁醇、乙腈、丙酮、SAR溶液、及其混合物。

极性液体29具有低的但是均匀的电导率以及高的介电常数，因此具有不同的电流分布。结果，极性液体29可以通过经由馈电线22提供的电流起到特殊共振频率的辐射器的作用。

例如，已知水具有约80的介电常数以及约3S/m的电导率，它们是不同于典型电介质材料和金属导体的独特电磁特性。本发明已经注意到，诸如水的极性液体实现了不可能由传统天线实现的宽带和/或低带用途。

此外，极性液体29能够溶解特殊类型的电解质，以增加离解的离子，从而提高电导率。于是，可以通过这种溶解电解质的简单处理来容易地调节频率。可选地，类似的效果可以通过往液体中混合可被磁力吸引的导体粉末代替电解质来获得。这种导体的示意性实例可以包括诸如Fe的金属。

图3a至图3c是用于解释本发明的操作和效果的仿真结果。

图3a示出通过计算如图2所示的与馈电线连接的圆柱形容器的反射系数而获得的结果。这里，圆柱形容器仅充满空气。如果如图3a所示填充物仅由空气(ε_r＝1)组成，则共振频率约为4.1GHz，并且不超过-10dB的反射系数范围为3.4至4.4GHz，具有约1GHz的带宽。

图3b示出通过将具有类似于水的介电常数(ε_r＝80)的固体电介质材料填充到相同圆柱形容器中，然后通过以相同方法计算反射系数而获得的结果。在图3b中，共振频率约为2.1GHz，并且不超过-10dB的反射系数范围为2.07至2.11GHz，具有约0.04GHz的带宽。

接着，假设将诸如具有介电常数(ε_r＝80)和电导率(0.8s/m)的SAR溶液的材料填充到相同圆柱形容器中，计算反射系数。根据图3c中的结果，共振频率约为0.87GHz，并且不超过-10dB的反射系数范围为0.831至0.894GHz，具有约0.056GHz的带宽。

注意到，用作辐射器的诸如具有高介电常数和低电导率的SAR溶液的极性液体能够实现低带中和/或宽带中的共振频率。

图4a是示出根据本发明实施例的单极天线30的示意性透视图。

参照图4a，示出的单极天线30包括L形辐射器35。辐射器35的一端形成连接至外电路的馈电线35a。

在该实施例中，单极天线30的辐射器35设置在绝缘容器37内部。极性液体39填充在绝缘容器37内部。

如前所述，在本发明中可采用的极性液体39由于上述的离子结合(ion bonding)或分子结合(molecular bonding)而具有均匀电导率和高介电常数。本发明的极性液体39的实例可以包括但不限于水、甲醇、乙醇、丁醇、乙腈、丙酮、SAR溶液、及其混合物。极性液体39可以另外地提供影响天线30的特性的各种电流分布，从而改变辐射器35的共振频率。

如前所述，与典型电介质材料或诸如金属的导电材料相比，极性液体39具有较高介电常数但具有较低电导率，因此影响共振频率在宽带中的可调节性(见以下实例)，而不同于电介质材料或金属。

在传统单极天线中，导电辐射器已在长度上扩展或在几何形状上改变，以改变共振频率。然而，本发明可以确保用于宽带中，并且通过采用极性液体39确保期望的共振频率改变。

在根据本发明通过使用极性液体来调节天线的共振频率的情况下，可能根据天线结构来选择性地实现低带中和/或宽带中的天线的共振频率。例如，对于图4a所示的L形单极导线天线(wireantenna)，可能期望可在低带中实现共振频率。另一方面，图4b所示的螺旋状天线可适用于宽带用途。

参照图4b，示出的螺旋状天线40包括螺旋状辐射器45，其一端形成为连接至外电路的馈电线45a。

类似于图4a，螺旋状天线40的辐射器45设置在绝缘容器47内部。极性液体49填充在绝缘容器47内部。同样在该实施例中，极性液体49可以基于其自身的电磁特性提供新的电流分布，从而改变辐射器45的唯一共振频率。

如前所述，可以根据螺旋状辐射器45的环(loop)之间的间隔来调节螺旋状天线40的共振频率。由于这种结构特征，极性液体49施加环之间的电磁影响，从而实现宽带中和到高带中的共振频率。

在图4a和图4b中，示出了辐射器的整个部分被容纳在绝缘容器中，使得极性液体对整个辐射区域都有电磁影响。容纳在绝缘容器中的极性液体可以被改变成对辐射器的至少一部分有电磁影响的结构。即，仅辐射器的一部分可以设置在液体容器内部，或者液体容器可以设置为接近辐射器。

图5是示出根据本发明的耦合了液体的片状天线50的示意性透视图。

如图5所示，具有微带结构的片状天线50包括：电介质块51；曲折线形式的导体布图55；绝缘容器57，容纳电介质块51的一部分；以及极性液体59，填充在绝缘容器57中。

尽管片状天线50具有根据导体布图55的共振长度确定的唯一共振频率，但是根据容纳在容器57内部的极性液体来改变共振频率。即，极性液体59对起到辐射器作用的导体布图55有电磁影响，从而实现低带中和/或宽带中的共振频率。

即使极性液体59部分地接触辐射器或导体布图55，极性液体59也对其辐射区域有电磁影响，从而改变当前共振频率。特别地，极性液体59通常具有高介电常数和低电导率，从而潜在地实现低带中和/或宽带中的共振频率。

结果这使得可能通过使用极性液体59容易地和有效地改变片状天线的共振频率，而不像在传统片状天线中，为了改变共振频率而延长或几何改造导体布图。

在该实施例中，可能将电解质或导体粉末添加到用作改变共振频率的手段的极性液体中，从而改变其电磁特性。因此，可以根据导体粉末或电解质的类型或数量来不同地调节极性液体的共振频率。这种电解质可以采用各种实例，包括诸如NaCl的二元电解质、诸如K₂SO₄的三元电解质、酸或碱电解质、以及聚合电解质。导体粉末的实例可以包括可被磁力吸引的金属(诸如Fe和Ni)的粉末。

在采用本发明的共振频率调节方法的天线中，可以改变片状天线的结构。例如，可以用极性液体来代替电介质块。在这种情况下，如图6所示，在容纳极性液体的绝缘容器的表面上形成辐射器。

图6示出在接地板64上形成的平面倒转F天线(PlanarInverted-F Antenna，PIFA)结构片状天线60，作为使用应用了本发明的共振频率调节方法的片状天线的实例。

参照图6，片状天线60包括连接至馈电线62的辐射电极65。辐射电极65具有PIFA结构，其中短路部分63连接至接地板64。

在该实施例中，填充有极性液体69的绝缘容器67被用作代替传统电介质块的结构。即，包括辐射电极65的导体布图形成在绝缘容器67的表面上。

极性液体69基于离子或分子结合具有高介电常数和一定的电导率，从而改变辐射电极65的电流分布。结果这可调节辐射电极65的唯一共振频率。

参照后面的实例，将详细描述本发明的天线的操作和效果。

实例1

首先，通过在相同条件下准备圆柱形容器并安装将被连接到容器中的馈电线，制造出三(3)种天线结构，其中，每个圆柱形容器具有约4.5ml的容积，并且馈电线是约1.8cm长的铜线。

然后，第一天线结构的圆柱形容器仅填充空气而没有任何其他物质，第二天线结构的圆柱形容器填充满水，以及第三天线结构的圆柱形容器填充满SAR溶液(介电常数为80，电导率为0.8s/m)。

通过将一定值的电流提供到如上制造的第一至第三天线结构的馈电线，测量反射系数和辐射图。

图7a至图7c是示出根据上述实例1制造的天线的反射系数特性的曲线图，图8a至图8c是示出根据上述实例1制造的天线的辐射图的曲线图。

对比图7a分析图7b和图7c，注意到，采用水或SAR溶液作为辐射器的第二和第三天线具有各种共振频率。这些结果显示当极性液体用作辐射器时，可以高水平地实现宽带用途。还确认第二和第三天线在1GHz或更少的低带中也具有共振频率。

同样，根据填充在容器中的材料，即使在相同的天线结构中也可以不同地改变共振频率。特别地，证实了可能通过使用诸如水和SAR溶液的极性液体作为辐射器来获得低带中和/或宽带中的共振频率。

此外，还对如上制造的天线结构进行辐射图和增益的测量，以确定作为天线的适用性，并且其结果公布在图8a至图8c中。证实了从第二和第三天线结构(参见图8b和8c)中比从仅填充空气的第一天线结构(参见图8a)中观察到更多种辐射特性。特别地，分析增益，填充水的第二天线和填充SAR溶液的第三天线在图7b和图7c所示共振频率中显示约-4至8.6dBi的较高增益。

如上所述，证实了采用极性液体作为辐射器的天线适于作为低带和/或宽带天线。

本发明的结合了极性液体的天线具有如下优点，诸如NaCl的电解质或导体粉末可以混合到用作辐射器的极性液体中，以容易地改变天线特性。此外，可以根据极性液体的特征获得不同共振频率特性。

实例2

执行实例2来证实各种类型的极性液体各自具有唯一共振频率。

通过在与实例1相同的条件下准备圆柱形容器、安装将被连接到圆柱形容器中的馈电线、以及在圆柱形容器中填充碳酸水来制造出天线结构。然后，测量其反射系数和辐射特性。

图9a和图9b是示出其中将碳酸水用作辐射器的实例2的天线的反射系数特性和辐射图的曲线图。

如图9a所示，共振频率非常低，即，约950MHz，并且观察到不超过特定反射系数的频率范围处于宽范围中。此外，如图9b所示，观察到各种辐射特性具有约1.42dBi的最大增益和约-2.82dBi的平均增益。同样，证实了实例2的天线适于作为具有良好增益的低带和/或宽带天线。

实例3

执行实例3来观察当将使用极性液体的共振频率调节方法与单极天线结合时共振频率的改变。

制造设计为具有约4.27GHz的共振频率的L形导线单极天线，其具有类似于图4a所示的构造。单极天线被10.5ml的液体容器包围，以提供期望的天线装置。

首先，对处于绝缘容器为空(即，仅填充空气)的状态下的天线进行反射系数特性的测量。测量结果用虚线示出在图10a和图10b的曲线图中。

在绝缘容器中填充水作为极性液体，然后对天线进行反射系数的测量。结果在图10a中示出。接着，将约5g的Fe粉末添加到绝缘容器中，然后对天线进行反射系数的测量，结果显示在图10b中。

参照图10a，观察到共振频率范围处于较宽频带中。此外，如前所述，可以看出在相当低的频带中实现了共振频率。

同样，参照图10b，可以看出宽带中和低带中实现的共振频率比图10a(仅使用水)的结果更显著。可以理解，Fe粉末在用作极性液体的水中施加了附加电磁影响。

实例4

执行实例4来观察采用极性液体作为共振频率调节手段的螺旋状天线的共振频率的任何改变。

制造设计为具有约1.25GHz和3.73GHz的共振频率的螺旋状天线，其具有类似于图4b所示的螺旋状辐射器。如同上述的实例3，螺旋状天线被10.5ml的液体容器包围。

首先，对处于绝缘容器为空(即，仅填充空气)的状态下的天线进行反射系数特性的测量。测量结果用虚线示出在图11a和图11b的曲线图中。

在绝缘容器中填充水作为极性液体，然后对天线进行反射系数的测量，结果在图11a中示出。接着，从绝缘容器中移除水，然后在绝缘容器中填充过氧化氢与5g Ni的混合溶液。然后，对天线进行反射系数的测量，结果显示在图11b中。

参照图11a，一般在宽带中获得共振频率，并且特别地，1.67GHz和4.31GHz。即，不同于实例1中测量的结果，与在没有任何共振频率调节方法的情况下测量的那些共振频率相比，在更高的频带中实现了共振频率。因此，发现本发明的共振频率调节方法根据天线结构具有不同的倾向。

同样，参照图11b，观察到宽带中和低带中实现的共振频率比图11a(仅使用水)的结果更显著。特别地，在使用过氧化氢和Ni电解质作为极性液体的情况下，宽带的效果更显著。同样，根据公开的本发明，天线的共振频率的改变程度可以根据极性液体和添加物的类型来调节。

实例5

执行实例5来观察根据本发明使用极性液体的共振频率调节效果。在实例5中，制造配置成与图6的片状天线类似的片状天线，并且通过仿真来测量其发射系数特性。

首先，对配置成与图6的片状天线类似但没有极性液体或绝缘容器的片状天线中的一个进行反射系数的测量，即，在辐射电极下仅存在空气的条件下。结果在图12a中示出，其中，共振频率约为434MHz，不超过-10dB的反射系数范围约为420至450MHz，具有约30MHz的带宽。

然后，引入诸如典型电介质块的固体电介质材料。为了与极性液体比较效果，电介质块与将被使用的极性液体(SAR溶液)具有相同的介电常数。当对采用电介质块的天线进行测量时，如图12b所示，观察到共振频率约为68MHz，并且具有不超过-10dB的反射系数的带宽约为3MHz，其显著地变窄。这些结果可以被理解为，使用典型电介质块导致片状天线具有窄带。

最后，具有与电介质块相同的形状和尺寸的液体容器被设置在电介质块的位置，并且SAR溶液(介电常数为80，电导率为0.8s/m)被填充到容器中，以产生本发明的天线。然后，对该天线进行反射系数的测量。如图12c所示，共振频率约为368MHz，不超过-10dB的反射系数范围为268至430MHz，具有约162MHz的带宽。通过使用如上所述的极性液体，带宽被降低了至少10％。此外，当与示出类似于典型片状天线的结果的图12b进行比较时，发现带宽变大了至少50倍。

尽管参照特定示意性实施例和附图描述了本发明，但是本发明不限于此，而是将由权利要求来限定。应该理解，本领域技术人员能够在不背离本发明的范围和精神的前提下，将实施例替换、改变、或修改成各种形式。

如上所述，本发明的特定实施例提供了结合极性液体作为辐射器的新颖的天线结构。这种天线可以实现低带中和/或宽带中的共振频率，而这不可能从具有导电辐射器的传统天线获得。此外，可以基于极性液体的组成、电解质的浓度和类型、以及导体粉末的含量和类型来不同地设计天线特性。

此外，本发明特定实施例的新颖的天线结构可以与传统天线结构相结合，以实现宽带中以及低带或高带中的共振频率。因此，可以容易地调节天线的共振频率，而不用扩展导体布图的长度或改变其几何形状。

Claims (14)

1.一种天线，包括：

极性液体；

容器，由绝缘材料制成，所述容器容纳所述极性液体；

以及

馈电线，连接至容纳在所述容器中的所述极性液体，

由此，所述极性液体起到辐射器的作用。

2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述极性液体包括选自包括水、甲醇、乙醇、丁醇、乙腈、丙酮、SAR溶液、及其混合物的组中的一种。

3.根据权利要求1所述的天线，其中，所述极性液体包括其中溶解有至少一种类型的电解质的电解质溶液。

4.根据权利要求1所述的天线，其中，所述极性液体包括可被磁力吸引的导体粉末。

5.根据权利要求4所述的天线，其中，所述导体粉末包括Fe。

6.一种宽带天线，包括：

辐射器，由具有对应于唯一共振频率的电气共振长度的导体构成，所述辐射器在一端具有连接至外电路的馈电线；

容器，由绝缘材料制成，所述容器在其中容纳所述辐射器的至少一部分，或者被设置为接近所述辐射器的一部分；以及

容纳在所述容器内部的极性液体，所述极性液体影响所述辐射器的电磁流，以改变所述辐射器的所述唯一共振频率。

7.根据权利要求6所述的宽带天线，其中，所述辐射器的全部被设置在所述容器内部。

8.根据权利要求6所述的宽带天线，其中，所述辐射器是螺旋状的，以及

其中，所述极性液体使得所述天线能够具有高于所述辐射器的唯一共振频率的共振频率。

9.根据权利要求6所述的宽带天线，其中，所述辐射器具有单极构造，以及

其中，所述极性液体使得所述天线能够具有高于所述辐射器的唯一共振频率的共振频率。

10.根据权利要求6所述的宽带天线，其中，所述宽带天线为片状天线，以及其中，所述容器形成为围绕所述片状天线的至少一部分。

11.根据权利要求6所述的宽带天线，其中，所述辐射器的所述导体形成在所述容器的表面上。

12.根据权利要求6所述的宽带天线，其中，所述极性液体包括选自包括水、甲醇、乙醇、丁醇、乙腈、丙酮、SAR溶液、及其混合物的组中的一种。

13.根据权利要求6所述的宽带天线，其中，所述极性液体包括其中溶解有至少一种类型的电解质的电解质溶液。

14.根据权利要求6所述的宽带天线，其中，所述极性液体包括可被磁力吸引的导体粉末。

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