多带复合右手和左手(crlh)缝隙天线的制作方法
【专利说明】多带复合右手和左手（CRLH)缝隙天线
[0001] 分案说明
[0002] 本申请是申请日为2010年3月12日，申请号为201080020717. 2,题为"多带复合 右手和左手（CRLH)缝隙天线"的中国专利申请的分案申请。
[0003] 优先权要求及相关申请
[0004] 本申请要求以下美国临时专利申请的优先权：申请号No. 61/159, 694,名称 "MULTIBAND METAMATERIAL SLOT ANTENNA"，申请日 2009 年 3 月 12 日。
[0005] 以上申请公开通过引用被并入此处，作为本申请说明书的一部分。
技术领域
【背景技术】
[0006] 传统缝隙天线一般由一块平坦的金属表面（如，金属板）构成，在金属表面上形成 孔或缝隙。通过设计，缝隙天线可以被认为在结构上与偶极天线互补。例如，可以通过将介 电基板上的导电金属层与缝隙天线的开口缝隙区互换，来形成具有与印刷缝隙天线相似形 状和尺寸的介电基板上的印刷偶极天线，反之亦然。两种天线可以在形式上相似，并具有相 似的电磁波图案。与偶极天线一样，确定缝隙天线的辐射图的因素包括：缝隙的形状和尺 寸。由于缝隙天线提供的相对于传统天线设计的特定优势，可以在各种无线通信系统中使 用缝隙天线。一些优势包括：与其他传统天线设计相比更小的尺寸、较低的制造成本、设计 的简单性、耐久性以及集成性。然而，由于天线尺寸主要取决于中心频率，缝隙天线设计在 尺寸减小方面可能仍存在限制，从而使得在特定频率处尺寸减小成为挑战。
【发明内容】
【附图说明】
[0007] 图1-3示意了根据示例实施例的、基于4个单位单元的一维复合右手和左手超材 料传输线的示例；
[0008] 图4A示意了根据示例实施例的、如图2中的一维复合右手和左手超材料传输线等 效电路的两端口网络矩阵表示；
[0009] 图4B示意了根据示例实施例的、如图3中的一维复合右手和左手超材料传输线等 效电路的两端口网络矩阵表示；
[0010] 图5示意了根据示例实施例的、基于4个单位单元的一维复合右手和左手超材料 天线；
[0011] 图6A示意了根据示例实施例的、与如图4A中的传输线情况类似的一维复合右手 和左手超材料天线等效电路的两端口网络矩阵表示；
[0012] 图6B示意了根据示例实施例的、与如图4B中的TL情况类似的一维复合右手和左 手超材料天线等效电路的两端口网络矩阵表示；
[0013] 图7A和7B是根据示例实施例的、分别考虑了平衡和不平衡情况的如图2中的单 位单元的频散曲线。
[0014] 图8示意了根据示例实施例的、基于4个单位单元的具有截断的接地的一维复合 右手和左手超材料传输线；
[0015] 图9示意了根据示例实施例的、如图8中的具有截断的接地的一维复合右手和左 手超材料传输线的等效电路；
[0016] 图10示意了根据示例实施例的、基于4个单位单元的具有截断的接地的一维复合 右手和左手超材料天线的不例；
[0017] 图11示意了根据示例实施例的、基于4个单位单元的具有截断的接地的一维复合 右手和左手超材料传输线的另一示例；
[0018] 图12示意了根据示例实施例的、如图11中的具有截断的接地的一维复合右手和 左手超材料传输线的等效电路；
[0019] 图13A-13C示意了根据示例实施例的基本缝隙天线设备的多个视图；
[0020] 图14A示意了根据示例实施例的、定义了图13A-13C的缝隙天线设备的特定电感 和电容性元件的结构元件；
[0021] 图14B示意了根据示例实施例的、图13A-13C中所示的基本缝隙天线设备的等效 电路模型；
[0022] 图15示意了根据示例实施例的、基本缝隙天线设备的HFSS仿真的返回损耗；
[0023] 图16示意了根据示例实施例的、基本缝隙天线设备的输入阻抗的实部和虚部；
[0024] 图17A-17C示意了根据示例实施例的、第二缝隙天线设备的多个视图；
[0025] 图18A示意了根据示例实施例的、定义了图17A-17C的第二缝隙天线设备的特定 电感和电容性元件的结构元件；
[0026] 图18B示意了根据示例实施例的、图17A-17C中所示的第二缝隙天线设备的等效 电路模型；
[0027] 图19和20分别示意了根据示例实施例的、第二缝隙天线设备的仿真的返回损耗 以及输入阻抗的实部和虚部；
[0028] 图21A-21C示意了根据示例实施例的、第三缝隙天线设备的多个视图；
[0029] 图22A示意了根据示例实施例的、定义了图21A-21C的第三缝隙天线设备的特定 电感和电容性元件的结构元件；
[0030] 图22B示意了根据示例实施例的、图21A-21C中所示的第三缝隙天线设备的等效 电路模型；
[0031] 图23和24分别示意了第三缝隙天线设备的仿真的返回损耗以及输入阻抗的实部 和虚部；
[0032] 图25A-25C示意了根据示例实施例的超材料缝隙天线设备；
[0033] 图26A示意了根据示例实施例的、定义了图25A-25C的超材料缝隙天线设备的特 定电感和电容性元件的结构元件；
[0034] 图26B示意了根据示例实施例的、图25A-25C中所示的超材料缝隙天线设备的等 效电路模型；
[0035] 图27和28分别示意了根据示例实施例的、超材料缝隙天线设备的仿真的返回损 耗以及输入阻抗的实部和虚部；
[0036] 图29A-29C示意了根据示例实施例的、图25A-25C中所示的超材料缝隙天线设备 的修改版本，此处被称为MTM-Bl缝隙天线设备；
[0037] 图30A示意了根据示例实施例的、定义了图29A-29C中所示的MTM-Bl缝隙天线的 特定电感和电容性元件的结构元件；
[0038] 图30B示意了根据示例实施例的、图29A-29C中所示的MTM-Bl缝隙天线的等效电 路模型；
[0039] 图31和33分别示意了根据示例实施例的、MTM-Bl缝隙天线2900的仿真的返回 损耗、输入阻抗的实部和虚部以及效率图；
[0040] 图34A-34C示意了根据示例实施例的MTM-Bl缝隙天线设备的修改版本，此处被称 为MTM-B2缝隙天线设备。
【具体实施方式】
[0041] 随着无线通信领域中的技术进步继续将移动设备推向越来越小的尺寸，紧凑的天 线设计已变为最难满足的挑战之一。例如，由于紧凑的无线设备中的可用空间有限，较小 的传统天线可能导致降低的性能以及复杂的机械设计组装，复杂的机械设计组装进而可能 导致更高的制造成本。一种可能的设计方案包括传统缝隙天线设计，该传统缝隙天线设计 包括在其中形成有至少一个缝隙的导电表面。由于缝隙天线通常是使用单块金属形成的， 这些类型一般不那么昂贵并且更易于构建。缝隙天线设计可以相对于传统天线设计提供若 干其他优势，如减小的尺寸、简单性、耐久性以及集成到紧凑的设备中的集成性。然而，由于 天线尺寸可能主要取决于操作频率，减小缝隙天线的尺寸可能达到特定的尺寸限制。为了 满足当前的天线尺寸减小的挑战，基于复合右手和左手（CRLH)超材料（MTM)结构的缝隙 天线设计可能是实现比传统缝隙天线或CRLH天线更小的天线设计的一种可能方案，在以 下美国专利申请和美国专利中描述了这种方案：申请号No. 11/741，674,名称"Antennas， Devices and Systems Based on Metamaterial Structures"，申请日 2007 年 4 月 27 日； 以及专利号No. 7, 592, 957,名称"Antennas Based on Metamaterial Structures"，授权日 2009年9月22日。此外，这些CRLH缝隙天线提供低制造成本、设计的简单性、耐久性、集成 性以及多带操作，与传统缝隙天线和CRLH天线共享相似的性能优势。
[0042] 在多天线系统中，CRLH缝隙天线可以与多天线系统组合，以相对于完全基于CRLH 天线或仅基于CRLH缝隙天线的多天线系统实现特定的性能优势。例如，由于CRLH天线在 天线结构上具有电流，并且CRLH缝隙天线在天线结构上具有磁流，CRLH天线和CRLH缝隙 天线间的耦合可以实质性地小于两个CRLH天线或两个CRLH缝隙天线间的耦合。因此，通 过在多天线系统（如M頂0/分集设备）中将CRLH天线与CRLH缝隙天线组合，可以实质性 地减小两个不同天线间的耦合，从而提高天线效率和远场包络相关性，进而改进天线系统 的性能。
[0043] 本申请提供了缝隙天线设备以及基于复合右手和左手（CRLH)结构的缝隙天线设 备的若干实施例。
[0044] CRLH超材料结构
[0045] 本公开中提供了 CRLH MTM天线的基本结构元件，作为回顾并用于描述在平衡MTM 天线设备中使用的CRLH天线结构的基本方面。例如，在本文中描述的上述和其他天线设备 中的一个或多个天线可以具有各种天线结构，包括右手（RH)天线结构和CRLH结构。在右手 (RH)天线结构中，电磁波的传播服从（Ε，Η，β)矢量场的右手定律，考虑电场E、磁场H和波 矢量β (或传播常数）。相速度方向与信号能量传播（群速度）方向相同，折射率为正数。 这种材料称为右手（RH)材料。大多数天然材料是RH材料。人造材料也可以是RH材料。
[0046] 超材料可以是人造结构，或者如以上详述的，MTM组件可以被设计为表现为人造结 构。换言之，描述该组件的性态和电学组成的等效电路与MTM的等效电路一致。当以结构 平均单位单元尺寸P (P远小于超材料所引导的电磁能量的波长λ)来设计时，超材料对 所引导的电磁能量表现为类似均质介质。与RH材料不同，超材料可以展现出负折射率，并 且相速度方向可以与信号能量传播方向相反，其中（Ε，Η，β)矢量场的相对方向服从左手 定律。具有负折射率并同时具有负介电常数ε和磁导率μ的超材料称为纯左手（LH)材 料。
[0047] 许多超材料是LH超材料和RH材料的混合，因此是CRLH超材料。CRLH超材料可以 在低频表现如LH超材料，而在高频表现如RH材料。例如，在以下文献中描述了各种CRLH 超材料的实现和属性：Caloz 和 Itoh，" Electromagnetic Metamaterials 〖Transmission Line Theory and Microwave Applications，" John Wiley&Sons(2006) 〇 Tatsuo Itoh 在"Invited paper ：Prospects for Metamaterials, " Electronics Letters, Vol. 40, No. 16 (August，2004)中描述了 CRLH超材料及其在天线中的应用。
[0048] CRLH超材料可以被结构化并工程化为展现出针对指定应用定制的电磁属性，并且 可以用于使用其他材料可能有困难、不实际或不可行的应用。此外，CRLH超材料可以用于 开发新应用和构造利用RH材料不能实现的新设备。
[0049] 超材料结构可以用于构造天线、传输线以及其他RF组件和设备，允许多种技术进 步，如功能增强、尺寸减小和性能提高。MTM结构具有一个或多个MTM单位单元。如上所述， MTM单位单元的集总电路模型等效电路包括RH串联电感LR、RH并联电容CR、LH串联电容Q 和LH并联电感U。基于MTM的组件和设备可以基于这些CRLH MTM单位单元来设计，CRLH MTM单位单元可以使用分布电路元件、集总电路元件或两者的组合来实现。与传统天线不 同，MTM天线谐振受到LH模式存在的影响。一般地，LH模式有助于激励和更好地匹配低频 谐振以及改进高频谐振的匹配。MTM天线结构可以被配置为