天线复合介质结构及其形成方法 本发明一般地涉及天线，尤其涉及用于通信设备的天线。
通信设备，例如便携式无线电台，正在经历一个水平日趋提高的小型化过程。一台典型的通信设备通常包含一副用于接收和发射无线通信信号的天线。对于工作在VHF，UHF，以及亚微波无线电频率范围的通信设备，其射频波长可在300厘米至10厘米之间。通信设备需要一副具有适当长度的天线以实现这些无线电波的接收和发射。例如，简单结构的天线将需要有一个物理长度在5至150厘米之间的导体以适应上述频率范围的波长。对于需要袖珍包装的通信设备，容纳如此长度的天线可能是困难的。因此，有必要拥有能够提供物理上较短的天线之设计。
有许多已有技术方法用以获得物理长度较短的天线。它们包含螺旋绕制天线单元，环形天线单元，以及具有不同复杂性的其它类似设计。出于美观、保护、以及其它目的，通常天线单元被封装。众所周知，如果天线单元被包围在一种具有高介电常数的材料之中，天线谐振于给定频率所需的物理长度将被减小。据知，这种包层引起天线性能的降低，例如，引起频带变窄或导致天线发射效率下降。
技术上需要拥有适用于小型化应用、物理长度短的天线设计。对于某些应用，还需要有定向天线。更可取地，这种天线具有良好的性能特点，并且结构简单以便降低制造成本。需要新型材料以方便具有这些特点之天线的制造。
图1是依据本发明的，具有复合介质结构的天线之投影图
图2是图1中天线剖面图，突出其依据本发明地连续分级介质结构
图3是依据本发明的，采用原位聚合成形技术形成复合介质的过程流程图
图4是依据本发明的，形成天线复合介质结构之设备的方框图
图5是采用依据本发明的一个挤压过程形成天线复合介质结构的过程流程图
图6是体现依据本发明之天线的一台无线电台的方框图
当本说明结束于定义本发明之被认为是新颖的特性之权利要求时，结合采用类似参考号的附图，通过对以下说明的思考，确信本发明将被更好地理解。
一般地，本发明提供用于形成天线的一个连续分级复合介质结构。复合介质结构由第一和第二介质材料制成，其第二介质材料比第一介质材料具有实质性高的介电常数。第二介质材料被扩散入第一介质材料的一个连续的相，沿一个特定方向浓度逐渐增加。这形成一个连续分级复合介质，它具有沿给定方向逐渐增大的介电常数梯度。第一实施例中，采用一种原位聚合技术制成复合介质材料。在第二实施例中，采用一种熔融处理和挤压技术使第二介质材料扩散入第一介质材料。
参考图1示出依据本发明的天线100。图2示出天线100的一个剖面图。参考图1和图2，该天线包括一个至少部分地包裹在一个复合介质结构120中的天线单元112。最佳实施例中，天线单元112由细长导体制成，它起到无线电波辐射器和收集器的作用。天线单元112也可以采取其它设计。例如，该天线单元112可包含各种形状导体——包含螺旋，环或其它设计形状导体——之一，依特定用途而定。通过填充介质结构上预制的空腔或类似物，天线单元112可植入或通过电镀附加于介质结构120。可选择地，介质结构120可形成于天线单元112周围。
依据本发明，包围天线单元112的复合介质结构120是连续分级的，而且具有沿特定方向201逐渐增大的介电常数梯度。最佳实施例中，介电常数梯度从复合介质结构的表面205到直接比邻天线单元112的部分逐渐增大。复合介质结构120至少包含具有高介电常数并被扩散于具有低介电常数之第一种介质材料之中的第二种介质材料。更可取地，第二介质材料的介电常数实质性地高于第一介质材料的介电常数。
最佳实施例中，介质结构120由有机材料，例如聚合物，以及无机材料，如陶瓷制成。在上述聚合物-陶瓷的复合体中，聚合物形成连续相，陶瓷在该结构中不连续。应用聚合物有其共知的优点，包含提供结构的刚性，硬度，耐冲击性等等。更可取地，应用抗潮聚合物，如聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚(四氟乙烯-共-高氟-烷氧基乙烯基醚)/(tetrafluiriethylene-co-perfluoro-alkoxyvinyl ether)]或其它氟聚合物。
图3是过程300的流程图，用于采用原位聚合形成技术形成复合介质120。首先，至少被提供两种介质材料，其中一种具有实质性高于另一种的介电常数之介电常数，步骤310。在最佳实施例中，其高介电常数材料为粉状陶瓷。其低介电常数材料可为一种液态单体或预聚物，即可被固化或聚合的物质，例如通过紫外线照射，热能等等。亦可采用由单个单体组成的单体系，或者单体和低聚体的混合物。单体系还可含有其它聚合物和溶剂，以在聚合过程中形成互穿网络。
氟化丙烯酸树脂类特别适宜作为有机或预聚物相。这些树脂具有极佳的介电特性，即低介电常数和低损耗，并且相应的单体可方便地操作和处理成聚合物。氟化涉及主链部分，侧基，或两者兼有之。使用氟化单-丙烯酸酯以形成直链氟化弹性体。例如，可由多氟化醇或多氟化芳香族丙烯酸酯获得丙烯酸酯。多种传统丙烯酸酯的氟化同型物亦较适合。可使用氟化二丙烯酸酯和三丙烯酸酯的多种比例与普通丙烯酸酯结合以形成刚性交叉链氟化丙烯酸酯。
制成上述两介质材料的混合物，步骤320。在形成上述混合物时，两种介质材料的混合比例逐渐变化，步骤330。进而制成一个连续分级介质结构，步骤340。在一实施例中，运用离心力以获得陶瓷颗粒在液态聚合溶液或单体系中的一个分级分布，将介质材料结合在一起。随后，该混合物被聚合。
图4示出用以生产依据本发明的分级介质结构的一套设备之方框图。分别储存形成介质结构之介质材料的两个储罐410，420被提供。这些储罐使用馈送速率可调的系统，连接至一个混合机械或结合器430。支配从每个储罐的加入速率以提供混合物成分的精确控制。结合器430具有供给一个分级介质材料储罐或收集管440的输出。之后，混合物被聚合以形成复合介质。
图5是依据本发明采用挤压过程形成天线复合介质结构的流程图。在这个实施例中，粉状陶瓷与粉状熔融-可处理的或热塑材料结合以便馈入一个挤压机。该陶瓷材料具有低介电常数(k)和高储能与能量损耗比(Q)，且热塑材料具有低k和高Q。基于熔融-可处理聚合物且适合于该过程的材料包含氟化聚合物，例如氟化烃共聚物，特别是那些基于四氟乙烯和高氟共-单体。实例包含聚[四氟乙烯-共-高氟(烷氧基乙烯基醚)]-可供选择之物包含聚(四氟乙烯-共-六氟丙烯)；基于六氟丙烯的聚合物，如聚(亚乙烯基氟-共-六氟丙烯)；基于六氟丙酮的聚合物，如2，2-双(三氟甲基)-4，5双氟-1，3-间二氧杂环戊烯，据知，它具有非常低的介电常数且是熔融-可处理的。
粉状陶瓷或无机相和粉状熔融-可处理的或热塑材料的干燥混合物被准备好并置入挤压机的馈管中，步骤510。改变混合物的成分以使得陶瓷与热塑材料的比例逐渐增加，或选择性地，减小。在挤压机中混合物被加热，并挤压出复合薄膜，步骤520，530。被挤压出的薄膜是用于形成天线结构的分级介质材料，例如使用该分级介质材料卷裹或封套导体单元，步骤540。
压力成形技术亦可用于制备上述复合介质。如前，将具有不同的陶瓷对聚合物粉比例之混合物加入一个模具中。混合物随后被加压加热以形成一个固体零件。在各实施例中描述的复合介质可被用于形成不同特性的天线。例如，上述复合介质可被模压在导体周围或者与导体相结合，以实现天线长度的缩短，或提供定向天线。
全向天线中为实现天线长度的缩短，复合介质可如此成形在导体周围，以使得导体面对高介电常数的部分。另外，该复合介质具有逐渐减小的介电常数梯度指向复合介质和周围媒质的界面。
对于定向天线，复合介质可非对称地成形于导体周围，即复合介质仅部分地围裹导体。电波传播的最佳方向由复合介质的成分和形状以及导体的相对位置决定。通过在不希望辐射的方向上提供一个复合介质与周围媒质间的高介电常数失配，使得天线具有定向性。在材料和周围媒质间具有高介电常数界面的方向上，由于存在相应的高反射系数，波传播被阻止。在所希望的波传播方向，即最佳传播方向上，该分级复合介质如此取向，使得当距导体距离增加时介电常数逐渐减小。这一配置在天线与周围媒质的界面上的该方向提供低反射系数。因此，上述天线为定向的，复合介质起到引导电波传播的引向器作用。
图6是体现本发明之天线的一台无线电台600的方框图，无线电台600是一台用于两路通信的电子通信设备，它采用众所周知的原理，具有接收和发射功能。控制器660使用逻辑电路以及来自电连接的存储器部分680的其它信息，以控制无线电台600的全部操作。控制器660电连接至射频(RF)部分640，它包含一个接收机642，一个发射机644，和一个天线开关647。该RF部分640通过天线开关647电连接至依据本发明形成的天线620。对于接收操作，通信信号被天线620接收，并被接收机642选择性处理。类似地，对于发射操作，通信信号被发射机644处理，并通过天线620辐射。发射机644，接收机622和天线开关647在控制器660的控制下工作。
本发明提供已有技术之上有意义的益处。可选择介质结构的成分以实现物理长度的大幅度减小。另外，通过实际地消除介质结构中介电常数的锐变或突变，由结构中介质失配引入的损耗减小。因此，在不实质性地降低性能的前提下，可制作出小型化天线。
当本发明的最佳实施例被图解和描述之后，很清楚地，本发明并不那么受限制。技术上娴熟的人们可做众多的改进，变化，变更，替代和等效，而不离开由随后的权利要求所定义的本发明之精神和范围。