專利名稱：鐵電天線及其調(diào)諧方法
相關(guān)申請本申請請求享有特此通過參照方式結(jié)合到本申請中的2001年4月11日提交的美國臨時申請60/283,093的優(yōu)先權(quán)權(quán)益。另外，本申請還涉及到特此通過參照方式結(jié)合到本申請中的下列美國申請Stanley S.Toncich于2001年7月13日提交的名稱為“鐵電可調(diào)諧濾波器(Ferro-ElectricTunable Filter)”的美國申請09/904,631；Stanley S.Toncich于2001年7月24日提交的名稱為“可調(diào)諧鐵電多路復(fù)用器(Tunable Ferro-ElectricMultiplexer)”的美國申請09/912,753；Stanley S.Toncich于2001年8月8日提交的名稱為“低通可調(diào)諧鐵電器件及表征方法(Low Loss TunableFerro-Electric Device and Method of Characterization”的美國申請09/927,732；Stanley S.Toncich于2001年8月10日提交的名稱為“可調(diào)諧匹配電路(Tunable Matching Circuit)”的美國申請09/927,136；Stanley S.Toncich于2002年1月11日提交的名稱為“可調(diào)諧平面電容器(TunablePlanar Capacitor)”的美國申請10/044,522；Stanley S.Toncich于2002年2月14日提交的名稱為“可調(diào)諧絕緣體匹配電路(Tunable IsolatorMatching Circuit)”的美國申請10/077,654；Stanley S.Toncich于2002年2月12日提交的名稱為“天線接口單元(Antenna Interface Unit)”的美國申請10/076,171；Stanley S.Toncich于2002年2月12日提交的名稱為“可調(diào)諧天線匹配電路(Tunable Antenna Matching Circuit)”的美國申請10/075,896；Stanley S.Toncich和Tim Forrester于2002年2月12日提交的名稱為“可調(diào)諧低噪聲放大器(Tunable Low Noise Amplifier)”的美國申請10/075,727；Stanley S.Toncich于2002年2月12日提交的名稱為“可調(diào)諧功率放大器匹配電路(Tunable Power Amplifier Matching Circuit)”的美國申請10/075,507。
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明通常涉及無線通信天線，特別涉及在鐵電電介質(zhì)材料的協(xié)助下對天線進行調(diào)諧的系統(tǒng)與方法。
2.相關(guān)技術(shù)說明許多類型的傳統(tǒng)天線設(shè)計結(jié)構(gòu)都結(jié)合使用了電介質(zhì)材料。一般而言，由天線產(chǎn)生的場的一部分是由輻射體起穿過電介質(zhì)而返回到地網(wǎng)(地)的。天線被調(diào)諧至諧振頻率處，并且輻射體的波長和電介質(zhì)在諧振頻率處具有最佳關(guān)系。最常見的電介質(zhì)是空氣，其介電常數(shù)是1。其它材料的介電常數(shù)都是相對于空氣而給出的。
鐵電材料具有的介電常數(shù)可響應(yīng)外加電壓而變化。由于鐵電材料的介電常數(shù)是可變的，所以它是制作可調(diào)元件的優(yōu)選材料。但是，在現(xiàn)有使用的測量與表征技術(shù)條件下，盡管可以使用處理、摻雜或其它制造技術(shù)來改進可調(diào)鐵電元件的損耗特性，但一向以來實質(zhì)上人們認為可調(diào)鐵電元件是有損耗的元件。因此它們沒有得到廣泛應(yīng)用。工作在射頻或微波區(qū)段的鐵電可調(diào)元件被認為是特別有損耗的。例如，在雷達應(yīng)用中的實踐經(jīng)驗可以證實這一觀察發(fā)現(xiàn)，其中，例如高的射頻(RF)或微波損耗對塊狀(bulk)(厚度大于約1.0mm)FE(鐵電)材料是習(xí)慣性的準(zhǔn)則，尤其當(dāng)需要進行最大調(diào)諧時。通常，多數(shù)鐵電材料是有損耗的，除非采取一些處理步驟來改善它們的損耗特性(減小損耗)。這些處理步驟包括但不限于(1)在沉積處理之前進行退火處理和在沉積處理之后進行退火處理或者在之前之后都進行退火處理，以便彌補O2的空缺，(2)使用過渡層以減小表面應(yīng)力，(3)攙混或緩沖以其它材料以及(4)進行選擇性摻雜。
近年來，在有限范圍內(nèi)對低功率元件進行調(diào)諧這樣一種需要逐漸增大，人們的興趣已經(jīng)轉(zhuǎn)向使用薄膜鐵電材料而不再是塊狀鐵電材料。但是，薄膜鐵電材料的工作仍就面臨著高鐵電損耗的假定前提。傳統(tǒng)的寬帶測量技術(shù)支持了該假定前提，即，無論其是塊狀的還是薄膜形式的，可調(diào)諧鐵電元件實質(zhì)上都具有損耗。例如，在無線通信中，在約2GHz的頻率處需要Q大于80，優(yōu)選地大于180，且更優(yōu)選地大于350。相同的這些設(shè)定要求也牽涉到了天線的設(shè)計。
可調(diào)鐵電元件，尤其是那些采用薄膜形式的元件，可以應(yīng)用在許多種頻率捷變電路中。因為可調(diào)諧元件具有元件尺寸與高度較小、插入損耗低或在相同插入損耗的情形下抑止特性較好、費用較低、以及能夠在一個以上頻帶范圍進行調(diào)諧等特性，所以它們是人們所期望的?？烧{(diào)諧元件能夠覆蓋多個頻帶的能力使得減少所需元件的數(shù)目成為可能，例如使用多路復(fù)用固定頻率元件作為在離散的頻帶之間選頻所需的開關(guān)元件。這些優(yōu)點在無線手機設(shè)計方面尤為重要，因為在無線手機設(shè)計中既需要增強功能又需要降低造價和尺寸，而從表面上看起來兩者是相互矛盾的需求。例如，在碼分多址(CDMA)手機中，獨立元件的性能被高度強調(diào)。
已知鐵電材料可以用于制造頻率調(diào)諧天線。但是，使用FE電介質(zhì)材料并不總是有效的，尤其在當(dāng)鐵電材料不是位于最大電磁場密度區(qū)域之中的情況下。對于傳統(tǒng)的接線天線(patch antenna)，最大電磁場區(qū)域位于輻射體與地網(wǎng)(地)之間。因為FE電介質(zhì)配置效率低下，所以介電常數(shù)的改變對天線諧振頻率的改變影響很小。為了有效地改變諧振頻率，這些傳統(tǒng)的FE電介質(zhì)天線不得不依賴多個輻射體。
如果在使用過程中天線的諧振頻率是可選的，則會帶來很多益處。
如果可以利用鐵電材料來控制天線的諧振頻率，則會帶來很多益處。
如果使鐵電材料天線的諧振頻率能夠響應(yīng)加載給鐵電材料的電壓而改變，則會帶來很多益處。
如果能夠?qū)㈣F電材料天線用于有效地改變帶有單輻射體的傳統(tǒng)設(shè)計天線的諧振頻率，則會帶來很多益處。
發(fā)明簡介本發(fā)明闡述說明的是用鐵電材料作為電介質(zhì)而制造出的天線。鐵電材料的介電常數(shù)可通過外加電壓得到控制。因為在介電常數(shù)和諧振頻率之間存在著固定的關(guān)系，所以可以利用外加電壓來控制天線的諧振頻率。
因此，本發(fā)明提供了一種用于對單頻帶無線通信天線進行頻率調(diào)諧的方法。該方法包括形成輻射體；在所述輻射體附近形成含有鐵電材料的電介質(zhì)；對所述鐵電材料施加電壓；響應(yīng)所述施加的電壓以產(chǎn)生一個介電常數(shù)；以及響應(yīng)所述介電常數(shù)在諧振頻率處傳播電磁場。該方法的一些方面進一步包括改變所述施加的電壓；以及響應(yīng)所述施加電壓的變化而改變所述諧振頻率。
改變所述諧振頻率包括形成具有可響應(yīng)施加的電壓而改變的工作頻率的天線。換而言之，形成具有可變工作頻率的天線包括形成具有預(yù)定的與諧振頻率無關(guān)的固定特性阻抗的天線。
在形成輻射體的方法的某些方面中包括形成單輻射體。
在形成含有鐵電材料的電介質(zhì)的方法的某些方面中包括由具有固定介電常數(shù)的第一材料形成含有電介質(zhì)材料的電介質(zhì)；以及形成含有具有可變介電常數(shù)的鐵電材料的電介質(zhì)。進而，改變諧振頻率包括響應(yīng)對鐵電材料介電常數(shù)的改變而改變諧振頻率。
在其它方面中，形成含有鐵電材料的電介質(zhì)包括形成含有多種電介質(zhì)材料的電介質(zhì)，所述每種電介質(zhì)材料都由具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)材料得到?？闪磉x地或者附加地，形成含有鐵電材料的電介質(zhì)包括形成含有多種鐵電材料的電介質(zhì)，所述每種鐵電材料都具有可變的介電常數(shù)。
以下將說明上述方法的其它詳細內(nèi)容以及一系列由鐵電材料電介質(zhì)構(gòu)成的天線。
附圖的簡要說明

圖1a至1c是本發(fā)明所述具有可選工作頻率的接線天線的視圖。
圖2是圖1a所示接線天線的另一種形式的剖面圖。
圖3是圖1a所示接線天線的另一種形式的剖面圖，其中接線天線具有多個固定介電常數(shù)層。
圖4是圖1a所示接線天線的另一種形式的剖面圖，其中接線天線具有一個鐵電材料的內(nèi)層。
圖5a至9e示出了一系列本發(fā)明所述的縫隙天線。
圖10a至10d示出了本發(fā)明所述的末端開口的波導(dǎo)天線。
圖11a至11e是本發(fā)明所述具有可選工作頻率的喇叭天線的視圖。
圖12a至12f描繪的是本發(fā)明所述具有可選工作頻率的單極天線。
圖13a至13f描繪的是本發(fā)明所述具有可選工作頻率的雙極天線。
圖14是說明用于對單頻帶無線通信天線進行頻率調(diào)諧的本發(fā)明方法的流程圖。
圖15是說明圖14所述方法的另一替換方式的流程圖。
優(yōu)選實施例的詳細說明本發(fā)明說明了一系列具有可選工作頻率的天線。通常，各個天線都包括輻射體以及位于該輻射體附近的、含有介電常數(shù)可變的鐵電材料的電介質(zhì)。輻射體在相應(yīng)于鐵電材料的介電常數(shù)的頻率處產(chǎn)生諧振。某些天線包括與地網(wǎng)連接的輻射體。另外一些天線設(shè)計包括任意指定的地網(wǎng)和輻射體。還有一些天線設(shè)計所包含的地網(wǎng)和輻射體彼此無法清楚區(qū)分。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，下文描述的這一系列天線都包含有鐵電電介質(zhì)層，用以對單輻射體天線的諧振頻率進行調(diào)諧，這一點與現(xiàn)有技術(shù)的天線不同，現(xiàn)有技術(shù)天線依靠多個輻射體以實現(xiàn)任意的帶寬或諧振頻率的明顯改變。這里所述的本發(fā)明的單輻射體天線是單頻帶的，它們各自都具有一個相應(yīng)于該單輻射體的諧振基頻(不考慮基頻波的諧波)。根據(jù)本發(fā)明的系列天線的另一個方面，鐵電介質(zhì)位于輻射體與地網(wǎng)(或虛擬地網(wǎng))之間電磁場最密的區(qū)域。因此，鐵電材料介電常數(shù)的變化將會導(dǎo)致天線的諧振頻率產(chǎn)生顯著變化。
圖1a至1c是本發(fā)明所述具有可選工作頻率的接線天線的視圖。圖1a是可具有半波長輻射體尺寸的單頻帶接線天線的立體圖。接線天線100包括地網(wǎng)102和覆蓋在地網(wǎng)上的含有鐵電材料的電介質(zhì)104。該電介質(zhì)的介電常數(shù)可根據(jù)施加到鐵電材料上的電壓的變化而改變。至少一個輻射體106覆蓋了其諧振頻率與介電常數(shù)對應(yīng)的電介質(zhì)104。在接線天線100的一些實施例中，電介質(zhì)104是整個由鐵電材料構(gòu)成的層。接線天線的原理與設(shè)計是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的，為簡明起見這里不再贅述。盡管使用鐵電材料可為接線天線提供一個更廣的可選工作頻率范圍，但是設(shè)計的通用原理并不因本發(fā)明使用鐵電材料而發(fā)生改變。同軸饋線108具有與輻射體106連接的中心導(dǎo)體110以及與地網(wǎng)102相接的地。
圖1b是圖1a所示接線天線100的平面圖。含有鐵電材料的電介質(zhì)通常只被設(shè)置于輻射體106的附近。區(qū)域112可以是具有固定常數(shù)的電介質(zhì)。在未示出的其它可選實施例中，可均勻地環(huán)繞輻射體106周側(cè)設(shè)置鐵電電介質(zhì)104，或者可以繞著輻射體106對稱地設(shè)置形成電介質(zhì)區(qū)域104和112。
圖1c是倒F形平面天線的剖視圖，倒F形平面天線可適用于四分之一波長的輻射體尺寸。所示的鐵電電介質(zhì)104位于單輻射體106和地網(wǎng)102之間，但是，其它的鐵電電介質(zhì)圖案與分布也是可行的。
天線100具有預(yù)定的、與諧振頻率無關(guān)的固定特性阻抗。也就是說，不管所選的工作頻率為多大，輸入阻抗例如總是保持為50歐姆。另外，也可以這樣講，天線100具有一個預(yù)定的近似為常量的、與諧振頻率無關(guān)的增益。
圖2是圖1a所示接線天線的另一實施例的剖面圖。如圖2所示，電介質(zhì)104包括至少一個電介質(zhì)層200，其由具有固定介電常數(shù)的第一材料構(gòu)成；以及電介質(zhì)202，其由具有可變介電常數(shù)的鐵電材料構(gòu)成，并且與具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)200相鄰。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)202覆蓋在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)200上。電壓通常被加載到鐵電電介質(zhì)層202附近的導(dǎo)體上以產(chǎn)生所期望的介電常數(shù)。電壓發(fā)生器203可提供由“+”、“-”符號表示的電壓。在某些實施例中，在層202和導(dǎo)電輻射體106之間可插入電絕緣體(未示出)以便將偏壓和交流信號電壓隔離開。但是，通常需要用一片導(dǎo)體將偏壓均勻地分布施加到鐵電電介質(zhì)202上，而這將對天線調(diào)諧造成干擾。因此，通常地在輻射體所傳送的交流信號上疊加直流電壓，并且為地網(wǎng)102提供參考地。另外可選的但沒有示出的是，具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)200覆蓋在含有鐵電材料的電介質(zhì)202上。然后，可以在鐵電電介質(zhì)層202和導(dǎo)電地網(wǎng)之間插入絕緣體，并且提供電位不同于地網(wǎng)的參考地。但是如圖所示，鐵電電介質(zhì)層通常被供給地網(wǎng)的參考地偏壓設(shè)置。注意，在天線的一些實施例中，偏壓的極性與圖示的極性相反。
圖3是圖1a所示接線天線的另一實施例的剖面圖，該實施例含有多個固定介電常數(shù)層。含有固定電介質(zhì)的介電層形成了第一層200a，其位于具有固定的介電常數(shù)的電介質(zhì)202的下面；以及第二層200b，其覆蓋在含有鐵電材料的電介質(zhì)202的上面。這兩個固定的電介質(zhì)層不必具有相同的介電常數(shù)。另外，也可以使用三層或更多層的固定的電介質(zhì)層。沒有圖示的另一種可選方式是，可以在固定的電介質(zhì)層周圍形成多個鐵電層，或者可以使用多層的固定的電介質(zhì)和鐵電層。多個鐵電電介質(zhì)層可以具有不同的厚度，由不同的鐵電材料制成，或者可以相應(yīng)于相同的電壓而具有不同的介電常數(shù)。
圖4是說明圖1a所示接線天線另一個實施例的剖面圖，該實施例包含有鐵電材料制成的內(nèi)層。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)202形成在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)200的內(nèi)部。沒有圖示的另一種可選方式是，具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)200形成在鐵電電介質(zhì)202的內(nèi)部。另外，也可以使用多個內(nèi)部鐵電電介質(zhì)區(qū)域。
在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)202是由鈦酸鋇鍶BaxSr1-xTiO3(BSTO)制造而成的。但是，也可以選用所起作用相同的許多其它公知的鐵電材料。例如返過來參看圖2，含有鐵電材料的電介質(zhì)202可以被形成在具有一定厚度的薄膜層206中，薄膜層206的厚度范圍為0.15至2微米。另外，含有鐵電材料的電介質(zhì)202也可被形成在具有一定厚度的厚膜層206中，厚膜層206的厚度范圍為1.5-1000微米。在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)所具有的介電常數(shù)在零伏特處的范圍在100-5000之間。在另一些實施例中，由具有固定介電常數(shù)的第一材料形成的電介質(zhì)200和由鐵電材料形成的電介質(zhì)202所具有的復(fù)合介電常數(shù)在零伏特處的范圍在2至100之間。
通過摻雜并控制居里溫度(Tc)可以操控鐵電材料的介電常數(shù)。一些常用的摻雜材料是鎢(W)、錳(Mn)和鎂(Mg)，它們被作為氧化物摻入。但是，也可以使用位于元素周期表中同一列的其它同族元素。鐵電材料在Tc下其介電常數(shù)達到最大值，隨著溫度沿正負兩個方向的變化其介電常數(shù)迅速下降。但是，通常高于Tc的一側(cè)溫度變化所引致的介電常數(shù)的改變幅度較小。因此，作為電介質(zhì)材料人們通常選擇其Tc小于工作溫度的鐵電材料。
利用介電常數(shù)為1(空氣)的材料構(gòu)成的天線的損耗小于利用較高介電常數(shù)材料構(gòu)成的天線的損耗。但是，人們經(jīng)常使用較高的介電常數(shù)材料以便減小天線的尺寸大小(有效波長)。通常，天線的設(shè)計者尋求介電常數(shù)小于100的電介質(zhì)材料。通過加入摻雜劑可以減小鐵電材料的介電常數(shù)，但其代價是減小了介電常數(shù)的變化性(即在每伏特偏壓作用下的介電常數(shù)的變化量變小了)。在Tc和摻雜之間尋求適當(dāng)折中，從而可以相應(yīng)于不足一伏特的偏壓變化而在鐵電材料電介質(zhì)中實現(xiàn)大于2∶1的變化。
圖5a至9e說明了一系列本發(fā)明所述的縫隙天線。通常，各個單頻帶縫隙天線都包含地網(wǎng)和覆蓋在地網(wǎng)上的含有鐵電材料的電介質(zhì)。但是，一些縫隙天線可以理解為僅具有輻射體，或具有虛擬輻射體和虛擬地網(wǎng)。形成在地網(wǎng)或輻射體中的縫隙，其電長度相應(yīng)于介電常數(shù)，并且電介質(zhì)具有可相應(yīng)于施加到鐵電材料上的電壓而變化的介電常數(shù)。輻射體覆蓋并靠近電介質(zhì)。
通常這樣，每個縫隙設(shè)計中的輻射體都具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的固定特性阻抗。即，縫隙的電長度相對于諧振頻率為常量。另外，輻射體具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的近似常量的增益。另外通常這樣，縫隙(或多個縫隙)的電長度響應(yīng)介電常數(shù)(或多個介電常數(shù))而改變，以改變?yōu)殡娊橘|(zhì)諧振頻率的約二分之一波長或者電介質(zhì)諧振頻率的約四分之一波長?？p隙天線的原理與設(shè)計是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的，因此為簡明起見這里不再贅述。盡管使用鐵電材料會給縫隙天線帶來更廣范圍的可選工作頻率，但是設(shè)計的通用原理并不因本發(fā)明使用鐵電材料而有所不同。
圖5a是本發(fā)明微帶縫隙天線500的立體圖。地網(wǎng)502、輻射體504與含有鐵電材料的電介質(zhì)506構(gòu)成了所述微帶。含有鐵電材料的電介質(zhì)506通常位于縫隙附近，如圖所示。遠離縫隙處可以使用具有固定的介電常數(shù)的不同電介質(zhì)507。縫隙508形成在地網(wǎng)502中。如圖所示，縫隙508相對于輻射體504橫向設(shè)置，但不是必須如此設(shè)置。在微帶天線500的其它實施例中使用了多個縫隙(未示出)。
圖5b是說明圖5a所示微帶縫隙天線的另一實施例的剖面圖。如圖所示，電介質(zhì)506包括至少一個電介質(zhì)層510，其由具有固定介電常數(shù)的第一材料制成；以及電介質(zhì)512，其由具有可變介電常數(shù)的鐵電材料制成，并且與具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)層510相鄰。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)512覆蓋在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)510上。電壓通常被施加到鐵電電介質(zhì)層512附近的導(dǎo)體上以便產(chǎn)生所期望的介電常數(shù)?？梢蕴峁┮浴?”、“-”符號表示的電壓。在一些實施例中，可以在層512和導(dǎo)電輻射體504之間插入電絕緣體(未示出)，以將偏壓與交流信號電壓分隔開。但是，通常需要通過一片導(dǎo)體將偏壓均勻分布到鐵電電介質(zhì)512上，而這將對天線調(diào)諧產(chǎn)生干擾。因此，通常在輻射體傳送的交流信號上疊加以直流電壓，并且為地網(wǎng)502提供參考地。沒有圖示的另一種可選方式是，具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)510覆蓋在含有鐵電材料的電介質(zhì)512上。此外，可以在鐵電電介質(zhì)層512和導(dǎo)電地網(wǎng)之間插入絕緣體，并且提供電位與地網(wǎng)不同的參考地。但是如圖所示，鐵電電介質(zhì)層通常被偏置有提供給地網(wǎng)的參考地。注意，在天線的一些實施例中，偏壓的極性與圖示的極性相反。
圖5c是說明圖5a所示微帶縫隙天線的另一實施例的剖面圖，該實施例具有多個固定介電常數(shù)層。具有固定電介質(zhì)的電介質(zhì)層形成了第一層510a，其位于具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)512之下；以及第二層510b，其位于含有鐵電材料的電介質(zhì)512之上。這兩個固定的電介質(zhì)層不必一定要具有相同的介電常數(shù)或厚度。而且，可以使用三層或更多層的固定的電介質(zhì)層。沒有圖示的另一種可選方式是，可以在固定的電介質(zhì)層周圍形成多個鐵電層，或者可以使用多層固定的電介質(zhì)層和鐵電層。多個鐵電電介質(zhì)層可以具有不同的厚度，由不同的鐵電材料制成，或者可以相對于相同的電壓而具有不同的介電常數(shù)。
圖5d是說明圖5a所示微帶縫隙天線的另一實施例的剖面圖，該實施例具有鐵電材料的內(nèi)層。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)512形成在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)510的內(nèi)部。在一些實施例中，可以形成多個鐵電內(nèi)部區(qū)域。沒有圖示的另一種可選方式是，具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)510被形成在鐵電電介質(zhì)512的內(nèi)部。而且，可以使用附加的電絕緣體用以將地網(wǎng)502和輻射體504與鐵電層512隔離開。
在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)512是由鈦酸鋇鍶BaxSr1-xTiO3(即BSTO)制造而成的。但是，也可以選用所起作用相同的其它許多公知的鐵電材料。例如返過來參看圖5b，含有鐵電材料的電介質(zhì)512可以被形成在具有一定厚度的薄膜層514中，薄膜層的厚度范圍為0.15-2微米?？闪磉x地，含有鐵電材料的電介質(zhì)512被形成在厚度范圍為1.5-1000微米的厚膜層514中。在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)具有的介電常數(shù)在零伏特處的范圍在100-5000之間。在另一些實施例中，由具有固定介電常數(shù)的第一材料形成的電介質(zhì)和由鐵電材料形成的電介質(zhì)具有的復(fù)合介電常數(shù)在零伏特處的范圍在2-100之間。
通過摻雜并控制居里溫度(Tc)可以操控鐵電材料的介電常數(shù)。一些常用的摻雜材料是以氧化物形式引入的鎢(W)、錳(Mn)和鎂(Mg)。但是，也可以使用位于元素周期表中同一列的其它同族元素。鐵電材料在Tc下其介電常數(shù)達到最大值，隨著溫度沿正負兩個方向的變化其介電常數(shù)迅速下降。但是，典型地高于Tc的一側(cè)溫度變化引致的介電常數(shù)的改變幅度較小。因此，作為電介質(zhì)材料人們通常選擇Tc小于工作溫度的鐵電材料。
利用介電常數(shù)為1(空氣)的材料形成的天線的損耗小于利用較高介電常數(shù)材料形成的天線的損耗。但是，人們經(jīng)常使用較高的介電常數(shù)材料以便減小天線的尺寸大小(有效波長)。通常，天線的設(shè)計者尋找介電常數(shù)小于100的電介質(zhì)材料。通過加入摻雜劑可以減小鐵電材料的介電常數(shù)，其代價是減小了介電常數(shù)的變化性(即在每伏特作用下的介電常數(shù)的變化量變小了)。在Tc和摻雜之間尋求適當(dāng)折中，從而可以相應(yīng)于不足一伏特的偏壓變化而在鐵電材料電介質(zhì)中實現(xiàn)大于2∶1的變化。
圖6a是本發(fā)明所述同軸縫隙天線600的立體圖。地網(wǎng)602、輻射體604和含有鐵電材料的電介質(zhì)606構(gòu)成了一條同軸線，在地網(wǎng)602上設(shè)置有縫隙608。鐵電電介質(zhì)606位于縫隙附近。在遠離縫隙處可以使用具有固定介電常數(shù)的不同電介質(zhì)607。如圖所示，縫隙608相對于輻射體604橫向設(shè)置，但不是必須如此設(shè)置。在同軸縫隙天線600的其它實施例中使用了多個縫隙(未示出)。
圖6b是說明圖6a所示同軸縫隙天線的另一實施例的剖面圖。如圖所示，電介質(zhì)606包括至少一個電介質(zhì)層610，其由具有固定介電常數(shù)的第一材料制成；以及電介質(zhì)612，其由具有可變介電常數(shù)的鐵電材料制成，并且與具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)層610相鄰。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)612覆蓋在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)610上。
典型地，電壓被施加到鐵電電介質(zhì)層612附近的導(dǎo)體上以便產(chǎn)生所期望的介電常數(shù)。可以提供以“+”、“-”符號表示的電壓。在一些實施例中，可以在層612和導(dǎo)電輻射體604之間插入電絕緣體(未示出)，以將偏壓和交流信號電壓分隔開。但是，通常需要通過一片導(dǎo)體將偏壓均勻分布到鐵電電介質(zhì)612上，而這將對天線調(diào)諧產(chǎn)生干擾。因此，通常在輻射體傳送的交流信號上疊加以直流電壓，并且為地網(wǎng)602提供參考地。沒有圖示的另一種可選方式是，具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)610覆蓋在含有鐵電材料的電介質(zhì)612上。此外，可以在鐵電電介質(zhì)層612與導(dǎo)電地網(wǎng)之間插入絕緣體，并且提供電位與地網(wǎng)不同的參考地。但是如圖所示，鐵電電介質(zhì)層典型地被偏置以提供給地網(wǎng)的參考地。注意，在天線的一些實施例中，偏壓的極性與圖示的極性相反。
圖6c是說明圖6a所示同軸縫隙天線的另一實施例的剖面圖，該實施例具有多個固定介電常數(shù)層。含有固定電介質(zhì)的電介質(zhì)層形成了第一層610a，其設(shè)置位于具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)612之下；以及第二層610b，其設(shè)置位于鐵電材料612之上。這兩個固定的電介質(zhì)層不必一定要具有相同的介電常數(shù)或厚度。另外，也可以使用三層或多層固定的電介質(zhì)層。沒有圖示的另一種可選方式是，可以在固定的電介質(zhì)層周圍形成多個鐵電層，或者可以使用多層的固定電介質(zhì)和鐵電層。多個鐵電電介質(zhì)層可以具有不同的厚度，由不同的鐵電材料制成，或者可以相應(yīng)于相同電壓而具有不同的介電常數(shù)。
圖6d是說明圖6a所示同軸縫隙天線的另一實施例的剖面圖，該實施例具有鐵電材料的內(nèi)層。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)612形成在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)610的內(nèi)部。注意，盡管圖示顯示的是一個，但可以設(shè)置形成多個內(nèi)部區(qū)域。沒有圖示的另一種可選方式是，具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)610被形成在鐵電電介質(zhì)612的內(nèi)部。而且，可以使用附加的電絕緣體以將地網(wǎng)602和輻射體604與鐵電層612隔離開。
在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)612是由鈦酸鋇鍶BaxSr1-xTiO3(即BSTO)制造而成的。但是，也可以選用所起作用相同的其它許多公知的鐵電材料。例如返過來參看圖6b，含有鐵電材料的電介質(zhì)612可以被形成在具有一定厚度的薄膜層614中，薄膜層的厚度范圍為0.15-2微米?？闪磉x地，含有鐵電材料的電介質(zhì)612被形成在厚度范圍為1.5-1000微米的厚膜層614中。在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)具有的介電常數(shù)在零伏特處的范圍在100-5000之間。在另一些實施例中，由具有固定介電常數(shù)的第一材料形成的電介質(zhì)和由鐵電材料形成的電介質(zhì)具有的復(fù)合介電常數(shù)在零伏特處的范圍在2-100之間。
通過摻雜并控制居里溫度(Tc)可以操控鐵電材料的介電常數(shù)。一些常用的摻雜材料是以氧化物形式引入的鎢(W)、錳(Mn)和鎂(Mg)。但是，也可以使用位于元素周期表中同一列的其它同族元素。鐵電材料在Tc下其介電常數(shù)達到最大值，隨著溫度沿正負兩個方向的變化其介電常數(shù)迅速下降。但是，典型地高于Tc的一側(cè)溫度變化引致的介電常數(shù)的改變幅度較小。因此，作為電介質(zhì)材料人們通常選擇Tc小于工作溫度的鐵電材料。
利用介電常數(shù)為1(空氣)的材料形成的天線的損耗小于利用較高介電常數(shù)材料形成的天線的損耗。但是，人們經(jīng)常使用較高的介電常數(shù)材料以便減小天線的尺寸大小(有效波長)。通常，天線的設(shè)計者尋找介電常數(shù)小于100的電介質(zhì)材料。通過加入摻雜劑可以減小鐵電材料的介電常數(shù)，其代價是減小了介電常數(shù)的變化性(即在每伏特作用下的介電常數(shù)的變化量變小了)。在Tc和摻雜之間尋求適當(dāng)折中，從而可以相應(yīng)于不足一伏特的偏壓變化而在鐵電材料電介質(zhì)中實現(xiàn)大于2∶1的變化。
圖7a-7f是表示本發(fā)明所述圓形波導(dǎo)縫隙天線的視圖。眾所周知，在圖7a中地網(wǎng)和輻射體是無法清楚區(qū)分的，因此，我們說圓形波導(dǎo)天線包括輻射體704和電介質(zhì)706。如圖所示，縫隙708相對于輻射體704橫向設(shè)置，但不是必須如此設(shè)置。鐵電電介質(zhì)706設(shè)置位于縫隙708附近。另外，可以在遠離縫隙708處使用具有固定介電常數(shù)的材料707。在圓形波導(dǎo)縫隙天線700的其它實施例中使用了多個縫隙(未示出)。
圖7b是說明圖7a所示圓形波導(dǎo)縫隙天線的另一實施例的剖面圖。如圖所示，電介質(zhì)706包括至少一個電介質(zhì)層710，其由具有固定介電常數(shù)的第一材料制成；以及電介質(zhì)712，其由具有可變介電常數(shù)的鐵電材料制成，并且與具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)層710相鄰。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)712覆蓋在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)710上。通常電壓被施加到鐵電電介質(zhì)層712附近的導(dǎo)體上以產(chǎn)生所期望的介電常數(shù)。可以提供以“+”、“-”符號表示的電壓。在一些實施例中，可以在層712于導(dǎo)電輻射體704之間設(shè)置電絕緣體(未示出)，以便將偏壓和交流信號電壓分隔開。但是，通常需要通過一片導(dǎo)體將偏壓均勻分布到鐵電電介質(zhì)712上，而這將對天線調(diào)諧產(chǎn)生干擾。因此，可以在輻射體704上形成縫隙709以分隔這兩個偏壓的極性。通常在輻射體傳送的交流信號上疊加以直流電壓。沒有圖示的另一種可選方式是，具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)710覆蓋在含有鐵電材料的電介質(zhì)712上。注意，在天線的一些實施例中，偏壓的極性與圖示的極性相反。
圖7c是說明圖7a所示圓形波導(dǎo)縫隙天線的另一實施例的剖面圖，該實施例具有多個固定的介電常數(shù)層。具有固定電介質(zhì)的電介質(zhì)層形成了第一層710a，其位于具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)712之下；以及第二層710b，其設(shè)置在含有鐵電材料的電介質(zhì)712之上。這兩個固定的電介質(zhì)層不必一定要具有相同的介電常數(shù)或厚度。另外，也可以使用三層或多層固定的電介質(zhì)層。沒有圖示的另一種可選方式是，可以在固定的電介質(zhì)層周圍形成多個鐵電層，或者可以使用多層的固定電介質(zhì)和鐵電層。多個鐵電電介質(zhì)層可以具有不同的厚度，由不同的鐵電材料制成，或者可以相應(yīng)于相同的電壓而具有不同的介電常數(shù)。
圖7d是說明圖7a所示圓形波導(dǎo)縫隙天線的另一實施例的剖面圖，該實施例具有鐵電材料的內(nèi)層。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)712形成在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)710的內(nèi)部。注意，盡管圖示顯示的是一個，但可以設(shè)置形成多個內(nèi)部區(qū)域。沒有圖示的另一種可選方式是，具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)710形成在鐵電電介質(zhì)712的內(nèi)部。還應(yīng)當(dāng)注意，雖然內(nèi)部區(qū)域在圖中顯示為矩形，但是其它的形狀也是等同可行的，如圓環(huán)形、圓柱形、橢圓形等。
圖7e和7f是圓形波導(dǎo)縫隙天線700的另外的實施例。狹縫不是必需的，因為輻射體704不需要承受偏壓。相反，偏壓是由面板714和716提供的。偏壓面板714/716可以以各種位置形式設(shè)置在鐵電電介質(zhì)任意一側(cè)。一個面板甚至可以設(shè)置位于縫隙中。
在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)712是由鈦酸鋇鍶BaxSr1-xTiO3(即BSTO)形成的。但是，也可以選用所起作用相同的其它許多公知的鐵電材料。例如返過來參看圖7b，含有鐵電材料的電介質(zhì)712可以被形成在具有一定厚度的薄膜層714中，薄膜層的厚度范圍為0.15-2微米?？闪磉x地，含有鐵電材料的電介質(zhì)712被形成在厚度范圍為1.5-1000微米的厚膜層714中。在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)具有的介電常數(shù)在零伏特處的范圍在100-5000之間。在另一些實施例中，由具有固定介電常數(shù)的第一材料形成的電介質(zhì)和由鐵電材料形成的電介質(zhì)具有的復(fù)合介電常數(shù)在零伏特處的范圍在2-100之間。
通過摻雜并控制居里溫度(Tc)可以操控鐵電材料的介電常數(shù)。一些常用的摻雜材料是以氧化物形式引入的鎢(W)、錳(Mn)和鎂(Mg)。但是，也可以使用位于元素周期表中同一列的其它同族元素。鐵電材料在Tc下其介電常數(shù)達到最大值，隨著溫度沿正負兩個方向的變化其介電常數(shù)迅速下降。但是，典型地高于Tc的一側(cè)溫度變化引致的介電常數(shù)的改變幅度較小。因此，作為電介質(zhì)材料人們通常選擇Tc小于工作溫度的鐵電材料。
利用介電常數(shù)為1(空氣)的材料形成的天線的損耗小于利用較高介電常數(shù)材料形成的天線的損耗。但是，人們經(jīng)常使用較高的介電常數(shù)材料以便減小天線的尺寸大小(有效波長)。通常，天線的設(shè)計者尋找介電常數(shù)小于100的電介質(zhì)材料。通過加入摻雜劑可以減小鐵電材料的介電常數(shù)，其代價是減小了介電常數(shù)的變化性(即在每伏特作用下的介電常數(shù)的變化量變小了)。在Tc和摻雜之間尋求適當(dāng)折中，從而可以相應(yīng)于不足一伏特的偏壓變化而在鐵電材料電介質(zhì)中實現(xiàn)大于2∶1的變化。
圖8a是本發(fā)明所述矩形波導(dǎo)縫隙天線800的立體圖。圖中所示的矩形波導(dǎo)天線包括輻射體804與電介質(zhì)806。但是，輻射體和地網(wǎng)是任意指定的。如圖所示，縫隙808相對于輻射體804橫向設(shè)置，但不是必須如此設(shè)置。鐵電電介質(zhì)806設(shè)置位于縫隙808附近?？梢栽谶h離縫隙808處使用具有固定介電常數(shù)的材料807。在矩形波導(dǎo)縫隙天線800的其它實施例中使用了多個縫隙(未示出)。
圖8b是說明圖8a所示矩形波導(dǎo)縫隙天線的另一實施例的剖面圖。如圖所示，電介質(zhì)806包括至少一個電介質(zhì)層810，其由具有固定介電常數(shù)的第一材料制成；以及電介質(zhì)812，其由具有可變介電常數(shù)的鐵電材料制成，并且與具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)層810相鄰。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)812覆蓋在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)810上。通常電壓被施加到鐵電電介質(zhì)層812附近的導(dǎo)體上以便產(chǎn)生所期望的介電常數(shù)?？梢蕴峁┮浴?”、“-”符號表示的電壓。在一些實施例中，可以在層812與導(dǎo)電輻射體804之間插入電絕緣體(未示出)，以將偏壓和交流信號電壓分隔開。但是，通常需要通過一片導(dǎo)體將偏壓均勻分布到鐵電電介質(zhì)812上，而這將對天線調(diào)諧產(chǎn)生干擾。因此，可以在輻射體804中形成(起電隔離作用的)狹縫809以分隔這兩個偏壓的極性。通常在輻射體傳送的交流信號上疊加以直流電壓。沒有圖示的另一種可選方式是，具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)810覆蓋在含有鐵電材料的電介質(zhì)812上。注意，在天線的一些實施例中，偏壓的極性與圖示的極性相反。
圖8c是說明圖8a所示矩形波導(dǎo)縫隙天線的另一實施例的剖面圖，該實施例具有多個固定的介電常數(shù)層。具有固定電介質(zhì)的電介質(zhì)層形成了第一層810a，其位于具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)812之下；以及第二層810b，其設(shè)置在含有鐵電材料的電介質(zhì)812之上。這兩個固定的電介質(zhì)層不必一定要具有相同的介電常數(shù)或厚度。另外，也可以使用三層或多層固定的電介質(zhì)層。沒有圖示的另一種可選方式是，可以在固定的電介質(zhì)層周圍形成多個鐵電層，或者可以使用多層的固定電介質(zhì)和鐵電層。多個鐵電電介質(zhì)層可以具有不同的厚度，由不同的鐵電材料制成，或者可以相應(yīng)于相同的電壓而具有不同的介電常數(shù)。
圖8d是說明圖8a所示矩形波導(dǎo)縫隙天線的另一實施例的剖面圖，該實施例具有鐵電材料的內(nèi)層。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)812形成在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)810的內(nèi)部。注意，盡管圖示顯示的是一個，但可以設(shè)置形成多個內(nèi)部區(qū)域。沒有圖示的另一種可選方式是，具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)810形成在鐵電電介質(zhì)812的內(nèi)部。還應(yīng)當(dāng)注意，雖然內(nèi)部區(qū)域在圖中顯示為矩形，但是其它的形狀也是等同可行的，如圓環(huán)形、圓柱形、橢圓形等。在沒有圖示說明的其他變型實施例中，與圖7e和7f相等同地，直流偏壓是由輻射體804內(nèi)部的面板提供的，因此不需要形成縫隙809。
在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)812是由鈦酸鋇鍶BaxSr1-xTiO3(即BSTO)形成的。但是，也可以選用所起作用相同的其它許多公知的鐵電材料。例如返過來參看圖8b，含有鐵電材料的電介質(zhì)812可以被形成在具有一定厚度的薄膜層814中，薄膜層的厚度范圍為0.15-2微米?？闪磉x地，含有鐵電材料的電介質(zhì)812被形成在厚度范圍為1.5-1000微米的厚膜層814中。在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)具有的介電常數(shù)在零伏特處的范圍在100-5000之間。在另一些實施例中，由具有固定介電常數(shù)的第一材料形成的電介質(zhì)和由鐵電材料形成的電介質(zhì)具有的復(fù)合介電常數(shù)在零伏特處的范圍在2-100之間。
通過摻雜并控制居里溫度(Tc)可以操控鐵電材料的介電常數(shù)。一些常用的摻雜材料是以氧化物形式引入的鎢(W)、錳(Mn)和鎂(Mg)。但是，也可以使用位于元素周期表中同一列的其它同族元素。鐵電材料在Tc下其介電常數(shù)達到最大值，隨著溫度沿正負兩個方向的變化其介電常數(shù)迅速下降。但是，典型地高于Tc的一側(cè)溫度變化引致的介電常數(shù)的改變幅度較小。因此，作為電介質(zhì)材料人們通常選擇Tc小于工作溫度的鐵電材料。
利用介電常數(shù)為1(空氣)的材料形成的天線的損耗小于利用較高介電常數(shù)材料形成的天線的損耗。但是，人們經(jīng)常使用較高的介電常數(shù)材料以便減小天線的尺寸大小(有效波長)。通常，天線的設(shè)計者尋找介電常數(shù)小于100的電介質(zhì)材料。通過加入摻雜劑可以減小鐵電材料的介電常數(shù)，其代價是減小了介電常數(shù)的變化性(即在每伏特作用下的介電常數(shù)的變化量變小了)。在Tc和摻雜之間尋求適當(dāng)折中，從而可以相應(yīng)于不足一伏特的偏壓變化而在鐵電材料電介質(zhì)中實現(xiàn)大于2∶1的變化。
圖9a和圖9b分別是本發(fā)明所述喇叭形切口天線(flare-notch antenna)的局部剖面圖和平面圖。喇叭形切口天線900包括地網(wǎng)902、輻射體904以及電介質(zhì)906a和906a，電介質(zhì)906a和906a中至少一個包含有鐵電材料。地網(wǎng)和輻射體的是任意指定的。縫隙或切口907如圖所示。鐵電電介質(zhì)906a和906b設(shè)置位于切口907附近。圖中還示出了含有中心導(dǎo)體908和地909的饋送裝置(feed)。
圖9c是說明圖9b所示喇叭形切口天線的另一實施例的視圖。如圖所示，鐵電電介質(zhì)906a和906b包括至少一個由具有固定介電常數(shù)的第一材料構(gòu)成的電介質(zhì)層910；以及由具有可變介電常數(shù)的鐵電材料構(gòu)成的電介質(zhì)912，其與具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)層910相鄰。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)912覆蓋在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)910上。通常電壓被施加到鐵電電介質(zhì)層912附近的導(dǎo)體上以便產(chǎn)生所期望的介電常數(shù)?？梢蕴峁┮浴?”、“-”符號表示的電壓。在一些實施例中，可以在層912和輻射體/地網(wǎng)904/902之間插入電絕緣體(未示出)，以便將偏壓和交流信號電壓分隔開。但是，通常需要通過一片導(dǎo)體將偏壓均勻分布到鐵電電介質(zhì)912上，而這將對天線調(diào)諧產(chǎn)生干擾。因此，通常在輻射體/地網(wǎng)904/902傳送的交流信號上疊加以直流電壓。沒有圖示的另一種可選方式是，具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)910覆蓋在含有鐵電材料的電介質(zhì)912上。注意，在天線的一些實施例中，偏壓的極性與圖示的極性相反。
圖9d是說明圖9b喇叭形切口天線的另一實施例的平面圖，該實施例具有多個固定的介電常數(shù)層。具有固定電介質(zhì)的電介質(zhì)層形成了第一層910a，其位于具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)912之下；以及第二層910b，其設(shè)置在含有鐵電材料的電介質(zhì)912之上。這兩個固定的電介質(zhì)層不必一定要具有相同的介電常數(shù)或厚度。另外，也可以使用三層或多層固定的電介質(zhì)層。沒有圖示的另一種可選方式是，可以在固定的電介質(zhì)層周圍形成多個鐵電層，或者可以使用多層的固定電介質(zhì)和鐵電層。多個鐵電電介質(zhì)層可以具有不同的厚度，由不同的鐵電材料制成，或者可以相應(yīng)于相同的電壓而具有不同的介電常數(shù)。
圖9e是說明圖9b所示喇叭形切口天線的另一實施例的平面圖，該實施例具有鐵電材料的內(nèi)層。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)912形成在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)910的內(nèi)部。注意，盡管圖示顯示的是一個，但可以設(shè)置形成多個內(nèi)部區(qū)域。沒有圖示的另一種可選方式是，具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)910形成在鐵電電介質(zhì)912的內(nèi)部。還應(yīng)當(dāng)注意，雖然內(nèi)部區(qū)域在圖中顯示為矩形，但是其它的形狀也是等同可行的，如圓環(huán)形、圓柱形、橢圓形等。在沒有圖示說明的其他變型實施例中，鐵電材料只在輻射體的一側(cè)上形成內(nèi)部區(qū)域，例如是電介質(zhì)906a。
在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)912是由鈦酸鋇鍶BaxSr1-xTiO3(即BSTO)形成的。但是，也可以選用所起作用相同的其它許多公知的鐵電材料。例如返過來參看圖9c，含有鐵電材料的電介質(zhì)912可以被形成在具有一定厚度的薄膜層914中，薄膜層的厚度范圍為0.15-2微米。可另選地，含有鐵電材料的電介質(zhì)912被形成在厚度范圍為1.5-1000微米的厚膜層914中。在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)具有的介電常數(shù)在零伏特處的范圍在100-5000之間。在另一些實施例中，由具有固定介電常數(shù)的第一材料形成的電介質(zhì)和由鐵電材料形成的電介質(zhì)具有的復(fù)合介電常數(shù)在零伏特處的范圍在2-100之間。
通過摻雜并控制居里溫度(Tc)可以操控鐵電材料的介電常數(shù)。一些常用的摻雜材料是以氧化物形式引入的鎢(W)、錳(Mn)和鎂(Mg)。但是，也可以使用位于元素周期表中同一列的其它同族元素。鐵電材料在Tc下其介電常數(shù)達到最大值，隨著溫度沿正負兩個方向的變化其介電常數(shù)迅速下降。但是，典型地高于Tc的一側(cè)溫度變化引致的介電常數(shù)的改變幅度較小。因此，作為電介質(zhì)材料人們通常選擇Tc小于工作溫度的鐵電材料。
利用介電常數(shù)為1(空氣)的材料形成的天線的損耗小于利用較高介電常數(shù)材料形成的天線的損耗。但是，人們經(jīng)常使用較高的介電常數(shù)材料以便減小天線的尺寸大小(有效波長)。通常，天線的設(shè)計者尋找介電常數(shù)小于100的電介質(zhì)材料。通過加入摻雜劑可以減小鐵電材料的介電常數(shù)，其代價是減小了介電常數(shù)的變化性(即在每伏特作用下的介電常數(shù)的變化量變小了)。在Tc和摻雜之間尋求適當(dāng)折中，從而可以相應(yīng)于不足一伏特的偏壓變化而在鐵電材料電介質(zhì)中實現(xiàn)大于2∶1的變化。
圖10a-10d顯示了本發(fā)明所述的末端開口的波導(dǎo)天線1000。圖10a是本發(fā)明所述具有可選工作頻率的末端開口的波導(dǎo)天線的局部剖面圖。末端開口的波導(dǎo)天線1000包括輻射體1002和鐵電材料電介質(zhì)1006，電介質(zhì)1006含有鐵電材料并且與輻射體1002相鄰。電介質(zhì)1006具有可變介電常數(shù)，其介電常數(shù)可根據(jù)施加到鐵電材料上的電壓的改變而改變。地網(wǎng)和輻射體的是任意指定的。開口端1007通常接地。在遠離開口端107處可以使用介電常數(shù)為常量的電介質(zhì)材料1005。末端開口的天線的原理與設(shè)計是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員眾所周知的，因此為簡明起見這里不再贅述。盡管使用鐵電材料會給末端開口的天線帶來更廣范圍的可選工作頻率，但是設(shè)計的通用原理并不因本發(fā)明使用鐵電材料而有所不同。
天線1000具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的固定特性阻抗。另選地，天線1000具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的近似常量的增益。
圖10b是說明圖10a所示末端開口的波導(dǎo)天線的另一實施例的剖面圖。如圖所示，電介質(zhì)1006包括至少一個由具有固定介電常數(shù)的第一材料構(gòu)成的電介質(zhì)層1010；以及由具有可變介電常數(shù)的鐵電材料構(gòu)成的電介質(zhì)1012，其與具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)層1010相鄰。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)1012覆蓋在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)1010上。通常電壓被施加到鐵電電介質(zhì)層1012附近的導(dǎo)體上以便產(chǎn)生所期望的介電常數(shù)?？梢蕴峁┮浴?”、“-”符號表示的電壓。在一些實施例中，可以在層1012和輻射體1002之間插入電絕緣體(未示出)，以便將偏壓和交流信號電壓分隔開。但是，通常需要通過一片導(dǎo)體將偏壓均勻分布到鐵電電介質(zhì)1012上，而這將對天線調(diào)諧產(chǎn)生干擾。因此，可以在輻射體1002中形成電絕緣的狹縫1009以隔離兩個偏置電壓的極性。直流電壓通常被疊加在由輻射體的一半(halves)傳導(dǎo)的交流信號上。沒有圖示的另一種可選方式是，具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)1010覆蓋在含有鐵電材料的電介質(zhì)1012上。注意，在天線的一些實施例中，偏壓的極性與圖示的極性相反。
圖10c是說明圖10a所示末端開口的波導(dǎo)天線的另一實施例的剖面圖，該實施例具有多個固定的介電常數(shù)層。具有固定電介質(zhì)的電介質(zhì)層形成了第一層1010a，其位于具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)1012之下；以及第二層1010b，其設(shè)置在含有鐵電材料的電介質(zhì)1012之上。這兩個固定的電介質(zhì)層不必一定要具有相同的介電常數(shù)或厚度。另外，也可以使用三層或多層固定的電介質(zhì)層。沒有圖示的另一種可選方式是，可以在固定的電介質(zhì)層周圍形成多個鐵電層，或者可以使用多層的固定電介質(zhì)和鐵電層。多個鐵電電介質(zhì)層可以具有不同的厚度，由不同的鐵電材料制成，或者可以相應(yīng)于相同的電壓而具有不同的介電常數(shù)。
圖10d是說明圖10a所示末端開口的波導(dǎo)天線的另一實施例的剖面圖，該實施例具有鐵電材料的內(nèi)層。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)1012形成在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)1010的內(nèi)部。注意，盡管圖示顯示的是一個，但可以設(shè)置形成多個內(nèi)部區(qū)域。沒有圖示的另一種可選方式是，具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)1010形成在鐵電電介質(zhì)1012的內(nèi)部。還應(yīng)當(dāng)注意，雖然內(nèi)部區(qū)域在圖中顯示為矩形，但是其它的形狀也是等同可行的，如圓環(huán)形、圓柱形、橢圓形等。在沒有圖示說明的其他變型實施例中，與圖7e和7f相等同地，直流偏壓是由輻射體1002內(nèi)部的面板提供的，因此不需要形成縫隙1009。
在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)1012是由鈦酸鋇鍶BaxSr1-xTiO3(即BSTO)形成的。但是，也可以選用所起作用相同的其它許多公知的鐵電材料。例如返過來參看圖10b，含有鐵電材料的電介質(zhì)1012可以被形成在具有一定厚度的薄膜層1014中，薄膜層的厚度范圍為0.15-2微米?？闪磉x地，含有鐵電材料的電介質(zhì)1012被形成在厚度范圍為1.5-1000微米的厚膜層1014中。在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)具有的介電常數(shù)在零伏特處的范圍在100-5000之間。在另一些實施例中，由具有固定介電常數(shù)的第一材料形成的電介質(zhì)和由鐵電材料形成的電介質(zhì)具有的復(fù)合介電常數(shù)在零伏特處的范圍在2-100之間。
通過摻雜并控制居里溫度(Tc)可以操控鐵電材料的介電常數(shù)。一些常用的摻雜材料是以氧化物形式引入的鎢(W)、錳(Mn)和鎂(Mg)。但是，也可以使用位于元素周期表中同一列的其它同族元素。鐵電材料在Tc下其介電常數(shù)達到最大值，隨著溫度沿正負兩個方向的變化其介電常數(shù)迅速下降。但是，典型地高于Tc的一側(cè)溫度變化引致的介電常數(shù)的改變幅度較小。因此，作為電介質(zhì)材料人們通常選擇Tc小于工作溫度的鐵電材料。
利用介電常數(shù)為1(空氣)的材料形成的天線的損耗小于利用較高介電常數(shù)材料形成的天線的損耗。但是，人們經(jīng)常使用較高的介電常數(shù)材料以便減小天線的尺寸大小(有效波長)。通常，天線的設(shè)計者尋找介電常數(shù)小于100的電介質(zhì)材料。通過加入摻雜劑可以減小鐵電材料的介電常數(shù)，其代價是減小了介電常數(shù)的變化性(即在每伏特作用下的介電常數(shù)的變化量變小了)。在Tc和摻雜之間尋求適當(dāng)折中，從而可以相應(yīng)于不足一伏特的偏壓變化而在鐵電材料電介質(zhì)中實現(xiàn)大于2∶1的變化。
返回去參看圖10a和10b，盡管圖中描繪出的是末端開口的矩形波導(dǎo)，但是上述分析與描述說明也適用于末端開口的圓形波導(dǎo)以及末端開口的平行板天線。另外，末端開口的波導(dǎo)天線1000的信號饋送裝置可以選擇自同軸電纜、平行板、或任意種類的波導(dǎo)。
圖11a至11e是本發(fā)明具有可選工作頻率的喇叭天線(horn antenna)的視圖。如圖11a所示，喇叭天線1100包括輻射體喇叭1102電介質(zhì)1106，電介質(zhì)1106含有鐵電材料并且與輻射體喇叭1102相鄰。電介質(zhì)1006具有可變介電常數(shù)，其介電常數(shù)根據(jù)施加到鐵電材料上的電壓的改變而改變。圖中示出了具有中心導(dǎo)體1005的同軸饋送線1004。喇叭1102的電長度1109響應(yīng)于所述介電常數(shù)。該電長度相對于諧振頻率恒定。喇叭可以接地也可以開路。而且地網(wǎng)和輻射體是任意指定的。喇叭天線的原理與設(shè)計是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員眾所周知的，因此為簡明起見這里不再贅述。盡管使用鐵電材料會給喇叭天線帶來更廣范圍的可選工作頻率，但是設(shè)計的通用原理并不因本發(fā)明使用鐵電材料而有所不同。
喇叭天線1100具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的固定特性阻抗。另選地，天線1100具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的近似常量的增益。
圖11b是說明圖11a所示喇叭天線的另一實施例的剖面圖。如圖所示，電介質(zhì)1106包括至少一個由具有固定介電常數(shù)的第一材料構(gòu)成的電介質(zhì)層1110；以及由具有可變介電常數(shù)的鐵電材料構(gòu)成的電介質(zhì)1112，其與具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)層1110相鄰。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)1112覆蓋在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)1110上。通常電壓被施加到鐵電電介質(zhì)層1112附近的導(dǎo)體上以便產(chǎn)生所期望的介電常數(shù)。可以提供以“+”、“-”符號表示的電壓。在一些實施例中，可以在層1112和輻射體喇叭1102之間插入電絕緣體(未示出)，以便將偏壓和交流信號電壓分隔開。但是，通常需要通過一片導(dǎo)體將偏壓均勻分布到鐵電電介質(zhì)1112上，而這將對天線調(diào)諧產(chǎn)生干擾。因此，可以在輻射體1102中形成電絕緣的狹縫1108以隔離兩個偏置電壓的極性。直流電壓通常被疊加在由輻射體的一半(halves)傳導(dǎo)的交流信號上。沒有圖示的另一種可選方式是，具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)1110覆蓋在含有鐵電材料的電介質(zhì)1112上。注意，在天線的一些實施例中，偏壓的極性與圖示的極性相反。
圖11c和11d是說明圖11a所示喇叭天線1100的另一實施例的剖面圖，該實施例具有多個固定的介電常數(shù)層。具有固定電介質(zhì)的電介質(zhì)層形成了第一層1110a，其位于具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)1112之下；以及第二層1110b，其設(shè)置在含有鐵電材料的電介質(zhì)1112之上。這兩個固定的電介質(zhì)層不必一定要具有相同的介電常數(shù)或厚度。另外，也可以使用三層或多層固定的電介質(zhì)層。沒有圖示的另一種可選方式是，可以在固定的電介質(zhì)層周圍形成多個鐵電層，或者可以使用多層的固定電介質(zhì)和鐵電層。多個鐵電電介質(zhì)層可以具有不同的厚度，由不同的鐵電材料制成，或者可以相應(yīng)于相同的電壓而具有不同的介電常數(shù)。
圖11e是說明圖10a所示喇叭天線的另一實施例的剖面圖，該實施例具有鐵電材料的內(nèi)層。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)1112形成在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)1110的內(nèi)部。注意，盡管圖示顯示的是一個，但可以設(shè)置形成多個內(nèi)部區(qū)域。沒有圖示的另一種可選方式是，具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)1110形成在鐵電電介質(zhì)1112的內(nèi)部。還應(yīng)當(dāng)注意，雖然內(nèi)部區(qū)域在圖中顯示為矩形，但是其它的形狀也是等同可行的，如圓環(huán)形、圓柱形、橢圓形等。在沒有圖示說明的其他變型實施例中，與圖7e和7f相等同地，直流偏壓是由輻射體1002內(nèi)部的面板提供的，因此不需要形成縫隙1108。
在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)1112是由鈦酸鋇鍶BaxSr1-xTiO3(即BSTO)形成的。但是，也可以選用所起作用相同的其它許多公知的鐵電材料。例如返過來參看圖11d，含有鐵電材料的電介質(zhì)1112可以被形成在具有一定厚度的薄膜層1114中，薄膜層的厚度范圍為0.15-2微米?？闪磉x地，含有鐵電材料的電介質(zhì)1112被形成在厚度范圍為1.5-1000微米的厚膜層1114中。在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)具有的介電常數(shù)在零伏特處的范圍在100-5000之間。在另一些實施例中，由具有固定介電常數(shù)的第一材料形成的電介質(zhì)和由鐵電材料形成的電介質(zhì)具有的復(fù)合介電常數(shù)在零伏特處的范圍在2-100之間。
通過摻雜并控制居里溫度(Tc)可以操控鐵電材料的介電常數(shù)。一些常用的摻雜材料是以氧化物形式引入的鎢(W)、錳(Mn)和鎂(Mg)。但是，也可以使用位于元素周期表中同一列的其它同族元素。鐵電材料在Tc下其介電常數(shù)達到最大值，隨著溫度沿正負兩個方向的變化其介電常數(shù)迅速下降。但是，典型地高于Tc的一側(cè)溫度變化引致的介電常數(shù)的改變幅度較小。因此，作為電介質(zhì)材料人們通常選擇Tc小于工作溫度的鐵電材料。
利用介電常數(shù)為1(空氣)的材料形成的天線的損耗小于利用較高介電常數(shù)材料形成的天線的損耗。但是，人們經(jīng)常使用較高的介電常數(shù)材料以便減小天線的尺寸大小(有效波長)。通常，天線的設(shè)計者尋找介電常數(shù)小于100的電介質(zhì)材料。通過加入摻雜劑可以減小鐵電材料的介電常數(shù)，其代價是減小了介電常數(shù)的變化性(即在每伏特作用下的介電常數(shù)的變化量變小了)。在Tc和摻雜之間尋求適當(dāng)折中，從而可以相應(yīng)于不足一伏特的偏壓變化而在鐵電材料電介質(zhì)中實現(xiàn)大于2∶1的變化。
返回去看圖11a，上述關(guān)于喇叭天線的論述同樣適合于矩形波導(dǎo)、圓形波導(dǎo)、以及平行板的喇叭天線，其使用的信號可以來自同軸電纜、圓形波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)、或平行板信號饋送裝置。
圖12a至12f描繪的是本發(fā)明所述具有可選工作頻率的單極天線。在圖12a中，單極天線1200包括輻射體1202、地網(wǎng)1204、以及至少部分地環(huán)繞輻射體1202的電介質(zhì)1206。電介質(zhì)包含具有可變介電常數(shù)的鐵電材料，其介電常數(shù)可根據(jù)施加到鐵電材料上的電壓的改變而改變。輻射體1202的電長度1208根據(jù)該介電常數(shù)的改變而改變。沒有圖示的另一種可選方式是，輻射體1202可以形成為螺線形。單極天線的原理與設(shè)計是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員眾所周知的，因此為簡明起見這里不再贅述。盡管使用鐵電材料會給單極天線帶來更廣范圍的可選工作頻率，但是設(shè)計的通用原理并不因本發(fā)明使用鐵電材料而有所不同。
天線1200具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的固定特性阻抗。即，輻射體的電長度相對于諧振頻率是恒量。另選地，天線1200具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的近似常量的增益。
圖12b是說明圖12a所示單極天線的另一實施例的視圖。如圖所示，電介質(zhì)1206包括至少一個電介質(zhì)層1210，其由具有固定介電常數(shù)的第一材料制成；以及電介質(zhì)1212，其由具有可變介電常數(shù)的鐵電材料制成，并且與具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)層1210相鄰。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)1212覆蓋在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)1210上。通常電壓被施加到鐵電電介質(zhì)層1212附近的導(dǎo)體上以便產(chǎn)生所期望的介電常數(shù)?？梢蕴峁┮浴?”、“-”符號表示的電壓。在一些實施例中，可以在層1212與輻射體1202之間插入電絕緣體(未示出)，以便將偏壓和交流信號電壓分隔開。但是，通常需要通過一片導(dǎo)體將偏壓均勻分布到鐵電電介質(zhì)1212上，而這將對天線調(diào)諧產(chǎn)生干擾。因此，通常在輻射體1202傳送的交流信號上疊加以直流電壓，并且為導(dǎo)電面板1214提供參考地。注意，在天線的一些實施例中，偏壓的極性與圖示的極性相反。在其它一些實施例中，輻射體1202不再承載直流偏壓，兩個偏壓的極性改由面板1214承受。
圖12c是說明圖12a單極天線1200的另一實施例的視圖，該實施例具有多個固定的介電常數(shù)層。具有固定電介質(zhì)的電介質(zhì)層形成了第一層1210a，其位于具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)1212之下；以及第二層1210b，其設(shè)置在含有鐵電材料的電介質(zhì)1212之上。這兩個固定的電介質(zhì)層不必一定要具有相同的介電常數(shù)或厚度。另外，也可以使用三層或多層固定的電介質(zhì)層。沒有圖示的另一種可選方式是，可以在固定的電介質(zhì)層周圍形成多個鐵電層，或者可以使用多層的固定電介質(zhì)和鐵電層。多個鐵電電介質(zhì)層可以具有不同的厚度，由不同的鐵電材料制成，或者可以相應(yīng)于相同的電壓而具有不同的介電常數(shù)。
圖12d是說明圖12a所示單極天線的另一實施例的剖面圖，該實施例具有鐵電材料的內(nèi)層。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)1212形成在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)1210的內(nèi)部。注意，盡管圖示顯示的是一個，但可以設(shè)置形成多個內(nèi)部區(qū)域。沒有圖示的另一種可選方式是，具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)1210形成在鐵電電介質(zhì)1212的內(nèi)部。還應(yīng)當(dāng)注意，雖然內(nèi)部區(qū)域在圖中顯示為矩形，但是其它的形狀也是等同可行的，如圓環(huán)形、圓柱形、橢圓形等。
圖12e和12f示出了本發(fā)明所述單極天線的其它一些實施例。
在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)1212是由鈦酸鋇鍶BaxSr1-xTiO3(即BSTO)形成的。但是，也可以選用所起作用相同的其它許多公知的鐵電材料。例如返過來參看圖12b，含有鐵電材料的電介質(zhì)1212可以被形成在具有一定厚度的薄膜層1214中，薄膜層的厚度范圍為0.15-2微米?？闪磉x地，含有鐵電材料的電介質(zhì)1212被形成在厚度范圍為1.5-1000微米的厚膜層1214中。在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)具有的介電常數(shù)在零伏特處的范圍在100-5000之間。在另一些實施例中，由具有固定介電常數(shù)的第一材料形成的電介質(zhì)和由鐵電材料形成的電介質(zhì)具有的復(fù)合介電常數(shù)在零伏特處的范圍在2-100之間。
通過摻雜并控制居里溫度(Tc)可以操控鐵電材料的介電常數(shù)。一些常用的摻雜材料是以氧化物形式引入的鎢(W)、錳(Mn)和鎂(Mg)。但是，也可以使用位于元素周期表中同一列的其它同族元素。鐵電材料在Tc下其介電常數(shù)達到最大值，隨著溫度沿正負兩個方向的變化其介電常數(shù)迅速下降。但是，典型地高于Tc的一側(cè)溫度變化引致的介電常數(shù)的改變幅度較小。因此，作為電介質(zhì)材料人們通常選擇Tc小于工作溫度的鐵電材料。
利用介電常數(shù)為1(空氣)的材料形成的天線的損耗小于利用較高介電常數(shù)材料形成的天線的損耗。但是，人們經(jīng)常使用較高的介電常數(shù)材料以便減小天線的尺寸大小(有效波長)。通常，天線的設(shè)計者尋找介電常數(shù)小于100的電介質(zhì)材料。通過加入摻雜劑可以減小鐵電材料的介電常數(shù)，其代價是減小了介電常數(shù)的變化性(即在每伏特作用下的介電常數(shù)的變化量變小了)。在Tc和摻雜之間尋求適當(dāng)折中，從而可以相應(yīng)于不足一伏特的偏壓變化而在鐵電材料電介質(zhì)中實現(xiàn)大于2∶1的變化。
圖13a至13f描繪的是本發(fā)明所述具有可選工作頻率的雙極天線。在圖13a中，雙極天線1300包括輻射體1302、地網(wǎng)1304、以及至少部分地環(huán)繞輻射體1302的電介質(zhì)1306。電介質(zhì)1306包含具有可變介電常數(shù)的鐵電材料，其介電常數(shù)根據(jù)施加到鐵電材料上的電壓的改變而改變。輻射體和地網(wǎng)具有的電長度1308根據(jù)該介電常數(shù)的改變而改變。沒有圖示的另一種可選方式是，輻射體1302、地網(wǎng)1304、或者它們兩者同時可以形成為螺線形。雙極天線的原理與設(shè)計是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員眾所周知的，因此為簡明起見這里不再贅述。盡管使用鐵電材料會給雙極天線帶來更廣范圍的可選工作頻率，但是設(shè)計的通用原理并不因本發(fā)明使用鐵電材料而有所不同。
天線1300具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的固定特性阻抗。即，輻射體的電長度相對于諧振頻率是恒量。通常輻射體1302和地網(wǎng)1304的電長度相對于電介質(zhì)為二分之一或者四分之一的諧振頻率波長。另選地，該天線具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的近似常量的增益。
圖13b是說明圖13a所示單極天線的另一實施例的視圖。如圖所示，電介質(zhì)1306包括至少一個電介質(zhì)層1310，其由具有固定介電常數(shù)的第一材料制成；以及電介質(zhì)1312，其由具有可變介電常數(shù)的鐵電材料制成，并且與具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)層1310相鄰。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)1312覆蓋在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)1310上。通常電壓被施加到鐵電電介質(zhì)層1312附近的導(dǎo)體上以便產(chǎn)生所期望的介電常數(shù)?？梢蕴峁┮浴?”、“-”符號表示的電壓。在一些實施例中，可以在層1312與輻射體1302之間插入電絕緣體(未示出)，以便將偏壓和交流信號電壓分隔開。但是，通常需要通過一片導(dǎo)體將偏壓均勻分布到鐵電電介質(zhì)1312上，而這將對天線調(diào)諧產(chǎn)生干擾。因此，通常在輻射體1302傳送的交流信號上疊加以直流電壓，并且為導(dǎo)電面板1314提供參考地。注意，在天線的一些實施例中，偏壓的極性與圖示的極性相反。在其它一些實施例中，輻射體1302不再承載直流偏壓，兩個偏壓的極性改由面板1314承受。
圖13c是說明圖13a所示單極天線1300的另一實施例的視圖，該實施例具有多個固定的介電常數(shù)層。具有固定電介質(zhì)的電介質(zhì)層形成了第一層1310a，其位于具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)1312之下；以及第二層1310b，其設(shè)置在含有鐵電材料的電介質(zhì)1312之上。這兩個固定的電介質(zhì)層不必一定要具有相同的介電常數(shù)或厚度。另外，也可以使用三層或多層固定的電介質(zhì)層。沒有圖示的另一種可選方式是，可以在固定的電介質(zhì)層周圍形成多個鐵電層，或者可以使用多層的固定電介質(zhì)和鐵電層。多個鐵電電介質(zhì)層可以具有不同的厚度，由不同的鐵電材料制成，或者可以相應(yīng)于相同的電壓而具有不同的介電常數(shù)。
圖13d是說明圖13a雙極天線的另一實施例的視圖，該實施例具有鐵電材料的內(nèi)層。如圖所示，含有鐵電材料的電介質(zhì)1312形成在具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)1310的內(nèi)部。注意，盡管圖示顯示的是一個，但可以設(shè)置形成多個內(nèi)部區(qū)域。沒有圖示的另一種可選方式是，具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)1310形成在鐵電電介質(zhì)1312的內(nèi)部。還應(yīng)當(dāng)注意，雖然內(nèi)部區(qū)域在圖中顯示為矩形，但是其它的形狀也是等同可行的，如圓環(huán)形、圓柱形、橢圓形等。
圖13e和13f示出了本發(fā)明所述單極天線的其它一些實施例。
含有鐵電材料的電介質(zhì)1212是由鈦酸鋇鍶BaxSr1-xTiO3(即BSTO)形成的。但是，也可以選用所起作用相同的其它許多公知的鐵電材料。例如返過來參看圖12b，含有鐵電材料的電介質(zhì)1212可以被形成在具有一定厚度的薄膜層1214中，薄膜層的厚度范圍為0.15-2微米。可另選地，含有鐵電材料的電介質(zhì)1212被形成在厚度范圍為1.5-1000微米的厚膜層1214中。在一些實施例中，含有鐵電材料的電介質(zhì)具有的介電常數(shù)在零伏特處的范圍在100-5000之間。在另一些實施例中，由具有固定介電常數(shù)的第一材料形成的電介質(zhì)和由鐵電材料形成的電介質(zhì)具有的復(fù)合介電常數(shù)在零伏特處的范圍在2-100之間。
通過摻雜并控制居里溫度(Tc)可以操控鐵電材料的介電常數(shù)。一些常用的摻雜材料是以氧化物形式引入的鎢(W)、錳(Mn)和鎂(Mg)。但是，也可以使用位于元素周期表中同一列的其它同族元素。鐵電材料在Tc下其介電常數(shù)達到最大值，隨著溫度沿正負兩個方向的變化其介電常數(shù)迅速下降。但是，典型地高于Tc的一側(cè)溫度變化引致的介電常數(shù)的改變幅度較小。因此，作為電介質(zhì)材料人們通常選擇Tc小于工作溫度的鐵電材料。
利用介電常數(shù)為1(空氣)的材料形成的天線的損耗小于利用較高介電常數(shù)材料形成的天線的損耗。但是，人們經(jīng)常使用較高的介電常數(shù)材料以便減小天線的尺寸大小(有效波長)。通常，天線的設(shè)計者尋找介電常數(shù)小于100的電介質(zhì)材料。通過加入摻雜劑可以減小鐵電材料的介電常數(shù)，其代價是減小了介電常數(shù)的變化性(即在每伏特作用下的介電常數(shù)的變化量變小了)。在Tc和摻雜之間尋求適當(dāng)折中，從而可以相應(yīng)于不足一伏特的偏壓變化而在鐵電材料電介質(zhì)中實現(xiàn)大于2∶1的變化。
圖14是說明用于對單頻帶無線通信天線進行頻率調(diào)諧的本發(fā)明方法的流程圖。盡管為了清楚起見用一系列編號步驟表述該方法，但是除了有明確說明之外不應(yīng)以步驟的數(shù)字編號來推斷步驟的執(zhí)行次序。應(yīng)能理解，這些步驟的一些是可以跳過去不予執(zhí)行的，一些是可以并行執(zhí)行的，還有一些是可以不必依嚴格順序而執(zhí)行的。該方法起始于步驟1400。步驟1402形成了單輻射體。在一些實施例中，步驟1404形成到輻射體的地網(wǎng)。步驟1406形成了鄰近輻射體的含有鐵電材料的電介質(zhì)。步驟1408施加電壓到鐵電材料。在步驟1410中，根據(jù)所施加的電壓而產(chǎn)生介電常數(shù)。在步驟1412中，根據(jù)所產(chǎn)生的介電常數(shù)而在諧振頻率上進行電磁場傳播。
在該方法的一些實施例中還包括以下步驟，即，改變施加電壓的步驟1414。然后，在步驟1416中根據(jù)施加電壓的改變而改變諧振頻率。在一些實施例中，改變諧振頻率包括形成具有可根據(jù)施加電壓而變化的工作頻率的天線。
形成具有可變工作頻率的天線包括形成具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的固定特性阻抗的天線。在其它實施例中，形成具有可變工作頻率的天線包括形成具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的近似恒定增益的天線。
在一些實施例中，形成含有鐵電材料的電介質(zhì)的步驟1406包含以下子步驟。步驟1406a形成了由具有固定介電常數(shù)的第一材料制成的電介質(zhì)。步驟1406b形成了由具有可變介電常數(shù)的鐵電材料制成的電介質(zhì)。然后，根據(jù)可變介電常數(shù)改變諧振頻率的步驟1416包括根據(jù)鐵電材料的介電常數(shù)的改變而改變諧振頻率。
在其它實施例中，形成含有鐵電材料電介質(zhì)的步驟1406包括形成含有多種介電材料的電介質(zhì)，所述每種介電材料都由具有固定介電常數(shù)的材料制成。另選地，步驟1406包括形成具有多種鐵電材料的電介質(zhì)，所述每種鐵電材料都具有可變的介電常數(shù)。
在一個實施例中，步驟1406包括形成與含有鐵電材料的電介質(zhì)相鄰的具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)。在該方法的一個實施例中，步驟1406a包括形成與輻射體相鄰的具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)。另選地，步驟1406b包括形成與輻射體相鄰的含有鐵電材料的電介質(zhì)。
在另一個實施例中，形成具有固定介電常數(shù)電介質(zhì)的步驟1406a包括從下列材料構(gòu)成的組中選擇材料用于制造形成電介質(zhì)，該組包括泡沫材料、空氣、FR4、氧化鋁(Aluminina)、和TMM。步驟1406b包括由鈦酸鋇鍶BaxSr1-xTiO3(BSTO)制造形成含有鐵電材料的電介質(zhì)。
在一些實施例中，步驟1406中形成含有鐵電材料的電介質(zhì)包括在厚度范圍為0.15-2微米的薄膜中形成鐵電材料。另選地，也可形成厚度范圍為1.5-1000微米的厚膜。在一些實施例中，步驟1406包括形成介電常數(shù)范圍在零伏特處為100-5000的電介質(zhì)。在另一些實施例中，形成含有鐵電材料的電介質(zhì)包括形成鐵電電介質(zhì)層(步驟1406b)和固定介電常數(shù)電介質(zhì)層(步驟1406a)，其復(fù)合介電常數(shù)范圍在零伏特處為2-100。
在一些實施例中，步驟1412在諧振頻率上進行電磁場傳播包括在諸如824和894MHz以及1850和1990MHz的諧振頻率上進行電磁場傳播。
在一些實施例中，步驟1410施加電壓給鐵電材料包括施加范圍為0-3.3伏特的相對直流電壓。
圖15是說明圖14所示方法的另一替代方式的流程圖。該方法起始于步驟1500。步驟1502在鄰近含有鐵電材料的電介質(zhì)附近提供了單輻射體。步驟1504施加電壓到鐵電材料。在步驟1506中根據(jù)施加的電壓來改變鐵電材料的介電常數(shù)。在步驟1508中響應(yīng)鐵電材料的介電常數(shù)的改變而改變輻射體的諧振頻率。
上文已經(jīng)提供了一系列制造含有鐵電電介質(zhì)材料的天線。并且也已經(jīng)闡述了一些天線型式的基本概念。但是，本發(fā)明并不僅僅局限于這些天線設(shè)計。實際上，本發(fā)明的鐵電電介質(zhì)材料能夠被應(yīng)用到所有使用電介質(zhì)的天線上。類似地，上文已經(jīng)給出了一些鐵電材料電介質(zhì)布設(shè)方式的實施例，但是本發(fā)明仍然并不僅僅局限于這些實施例。本發(fā)明的其它變型與實施例對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種對單頻帶無線通信天線進行頻率調(diào)諧的方法，所述方法包括形成單輻射體；在所述輻射體附近形成含有鐵電材料的電介質(zhì)；施加電壓給所述鐵電材料；根據(jù)所施加的電壓，產(chǎn)生介電常數(shù)；以及，根據(jù)所述介電常數(shù)，在諧振頻率處進行電磁場傳播。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其還包括改變所述施加的電壓；以及根據(jù)所述施加的電壓的改變而改變所述諧振頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，改變所述諧振頻率包括形成具有可根據(jù)所述施加電壓的改變而改變的可變工作頻率的天線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，形成具有可變工作頻率的天線包括形成具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的固定特性阻抗的天線。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，形成具有可變工作頻率的天線包括形成具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的近似恒定增益的天線。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，形成含有鐵電材料的電介質(zhì)包括由具有固定介電常數(shù)的第一材料形成含有電介質(zhì)材料的電介質(zhì)；及，形成含有具有可變介電常數(shù)的鐵電材料的電介質(zhì)；并且，其中，根據(jù)所述介電常數(shù)的改變而改變所述諧振頻率包括根據(jù)所述鐵電材料的介電常數(shù)的改變而改變所述諧振頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，形成含有鐵電材料的電介質(zhì)包括形成含有多個具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)材料的電介質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，形成含有鐵電材料的電介質(zhì)包括形成含有多種鐵電材料的電介質(zhì)，每種所述鐵電材料都具有可變的介電常數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，形成含有鐵電材料的電介質(zhì)包括在含有鐵電材料的電介質(zhì)附近形成具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，形成含有鐵電材料的電介質(zhì)包括在輻射體附近形成具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，形成含有鐵電材料的電介質(zhì)在輻射體附近形成含有鐵電材料的電介質(zhì)。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，形成具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)包括從由泡沫材料、空氣、FR4、氧化鋁(Aluminina)以及TMM構(gòu)成的組中選擇材料以形成電介質(zhì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，形成含有鐵電材料的電介質(zhì)包括由鈦酸鋇鍶BaxSr1-xTiO3(BSTO)形成含有鐵電材料的電介質(zhì)。
14.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，形成含有鐵電材料的電介質(zhì)包括在厚度范圍為0.15至2微米的薄膜中形成鐵電材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，形成含有鐵電材料的電介質(zhì)包括在厚度范圍為1.5至1000微米的厚膜中形成鐵電材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在諧振頻率處進行電磁場傳播包括在從824和894MHz以及1850和1990MHz中選出的諧振頻率處進行電磁場傳播。
17.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其還包括形成到輻射體的地網(wǎng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，施加電壓到所述鐵電材料包括施加在0-3.3伏特范圍內(nèi)的相對直流電壓。
19.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，形成含有鐵電材料的電介質(zhì)包括形成介電常數(shù)在零伏特處在100-5000范圍內(nèi)的鐵電電介質(zhì)層。
20.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，形成含有鐵電材料的電介質(zhì)包括形成復(fù)合介電常數(shù)在零伏特處在2-100范圍內(nèi)的鐵電電介質(zhì)層和具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)層。
21.一種對單頻帶無線通信天線進行頻率調(diào)諧的方法，該方法包括在含有鐵電材料的電介質(zhì)附近提供單輻射體；施加電壓給所述鐵電材料；根據(jù)所施加的電壓，改變所述鐵電材料的介電常數(shù)；以及，響應(yīng)所述鐵電材料的介電常數(shù)的改變，改變所述輻射體的諧振頻率。
22.一種具有可選工作頻率的單頻帶天線，所述天線包括單輻射體；含有鐵電材料的電介質(zhì)，其與所述輻射體鄰近，具有可變的介電常數(shù)；并且，其中所述輻射體在與所述鐵電材料的介電常數(shù)相應(yīng)的頻率處產(chǎn)生諧振。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的天線，其特征在于，所述輻射體具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的固定特性阻抗。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的天線，其特征在于，所述輻射體具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的近似恒定的增益。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的天線，其特征在于所述電介質(zhì)包括由具有固定介電常數(shù)的第一材料形成的電介質(zhì)；及由具有可變介電常數(shù)的鐵電材料形成的電介質(zhì)；并且，其中所述輻射體的諧振頻率響應(yīng)于所述鐵電材料的可變介電常數(shù)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的天線，其還包括用于施加電壓給含有所述鐵電材料的電介質(zhì)的裝置；且，其中含有所述鐵電材料的電介質(zhì)的介電常數(shù)根據(jù)所施加電壓的改變而改變。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的天線，其特征在于，所述含有鐵電材料的電介質(zhì)在零伏特處的介電常數(shù)的范圍是100-5000。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的天線，其特征在于，所述由具有固定介電常數(shù)的第一材料形成的電介質(zhì)和所述由鐵電材料形成的電介質(zhì)在零伏特處的復(fù)合介電常數(shù)的范圍是2-100。
29.根據(jù)權(quán)利要求22所述的天線，其還包括到輻射體的地網(wǎng)。
30.根據(jù)權(quán)利要求22所述的天線，其特征在于，所述含有鐵電材料的電介質(zhì)是由鈦酸鋇鍶BaxSr1-xTiO3(BSTO)形成的。
31.根據(jù)權(quán)利要求22所述的天線，其特征在于，所述含有鐵電材料的電介質(zhì)形成在厚度范圍為0.15-2微米的薄膜中。
32.根據(jù)權(quán)利要求22所述的天線，其特征在于，所述含有鐵電材料的電介質(zhì)形成在厚度范圍為1.5-1000微米的厚膜中。
33.一種具有可選工作頻率的單頻帶接線天線，所述接線天線包括地網(wǎng)；覆蓋在所述地網(wǎng)上的含有鐵電材料的電介質(zhì)，所述電介質(zhì)具有可響應(yīng)施加到鐵電材料上的電壓而變化的介電常數(shù)；以及，覆蓋在所述電介質(zhì)上的至少一個輻射體，其諧振頻率根據(jù)所述介電常數(shù)的改變而改變。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的接線天線，其特征在于，所述天線具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的固定特性阻抗。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的接線天線，其特征在于，所述天線具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的近似恒定的增益。
36.根據(jù)權(quán)利要求33所述的接線天線，其特征在于所述電介質(zhì)包括至少一個由具有固定介電常數(shù)的第一材料形成的電介質(zhì)層；以及，由具有可變介電常數(shù)的鐵電材料形成的電介質(zhì)，其與具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)相鄰。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的接線天線，其特征在于，所述由鐵電材料形成的電介質(zhì)覆蓋在所述具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)上。
38.根據(jù)權(quán)利要求36所述的接線天線，其特征在于，所述具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)覆蓋在所述含有鐵電材料的電介質(zhì)上。
39.根據(jù)權(quán)利要求36所述的接線天線，其特征在于，所述具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)形成了第一層，其位于所述含有鐵電材料的電介質(zhì)之下；以及第二層，其位于所述含有鐵電材料的電介質(zhì)之上。
40.根據(jù)權(quán)利要求36所述的接線天線，其特征在于，所述含有鐵電材料的電介質(zhì)形成在所述具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)的內(nèi)部。
41.根據(jù)權(quán)利要求36所述的接線天線，其特征在于，所述含有鐵電材料的電介質(zhì)形成在所述具有固定介電常數(shù)的電介質(zhì)的外部。
42.根據(jù)權(quán)利要求33所述的接線天線，其特征在于，所述鐵電材料電介質(zhì)由鈦酸鋇鍶BaxSr1-xTiO3(BSTO)形成。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的接線天線，其特征在于，所述BSTO鐵電材料包括從含有鎢、錳、鎂的組中選出的氧化物摻雜劑。
44.根據(jù)權(quán)利要求42所述的接線天線，其特征在于，所述含有鐵電材料的電介質(zhì)的介電常數(shù)兩倍響應(yīng)于1伏特以下的偏壓改變。
45.根據(jù)權(quán)利要求42所述的接線天線，其特征在于，所述含有鐵電材料的電介質(zhì)的介電常數(shù)在零伏特處的范圍是100-5000。
46.根據(jù)權(quán)利要求36所述的接線天線，其特征在于，由具有固定介電常數(shù)的第一材料形成的電介質(zhì)和由鐵電材料形成的電介質(zhì)在零伏特處的復(fù)合介電常數(shù)的范圍是2-100。
47.根據(jù)權(quán)利要求33所述的接線天線，其特征在于，所述含有鐵電材料的電介質(zhì)形成在厚度范圍為0.15-2微米的薄膜層中。
48.根據(jù)權(quán)利要求33所述的接線天線，其特征在于，所述含有鐵電材料的電介質(zhì)形成在厚度范圍為1.5-1000微米的厚膜中。
49.根據(jù)權(quán)利要求33所述的接線天線，其特征在于，所述輻射體的有效波長選自由四分之一波長和二分之一波長組成的組。
全文摘要
本發(fā)明提供了一系列鐵電電介質(zhì)調(diào)諧天線以及對無線通信天線進行頻率調(diào)諧的方法。該方法包括形成輻射體(106)；在輻射體附近形成含有鐵電材料的電介質(zhì)(104)；施加電壓給鐵電材料；根據(jù)所施加的電壓，產(chǎn)生介電常數(shù)；以及根據(jù)該介電常數(shù)，在諧振頻率處進行電磁場傳播。該方法的一些實施例還包括改變所述施加的電壓；以及根據(jù)所述施加電壓的改變而改變所述諧振頻率。改變諧振頻率包括形成具有可響應(yīng)施加電壓而改變的工作頻率的天線。另選地，形成具有可變工作頻率的天線包括形成具有預(yù)先設(shè)定的與諧振頻率無關(guān)的固定特性阻抗的天線。
文檔編號H01Q1/24GK1795584SQ02811623
公開日2006年6月28日 申請日期2002年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月11日
發(fā)明者斯坦利S·通西赫, 艾倫·特蘭 申請人:基奧賽拉無線公司