专利名称：谐振天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及天线和微波发射机。
背景技术：
常规天线的线尺度，常常与接收和/或发射的辐射波长有相同量级。作为一个例子，典型的射频发射机使用的偶极天线，其长度约等于发射的波长的1/2。该种天线长度在天线的驱动电源与辐射场之间提供有效的耦合。
然而，在许多情况下，其线尺度与辐射波长同量级的天线是不实用的。具体说，蜂窝电话和手持无线装置很小。该种装置为天线提供的空间很有限。另一方面，在蜂窝电话和手持无线装置经常使用的波长上，小天线与辐射的耦合是低效的。
发明内容
本发明举出的各个实施例所用的天线，在通信频率上与外部辐射作谐振耦合。即使天线的线尺度远小于辐射波长的1/2，但由于是谐振耦合，它们对辐射有高的灵敏度。
一方面，本发明的特征在于提供一种设备，该设备包括一种物体及位于该物体附近或在该物体内的一个或多个检测器。该物体使用的材料，其介电常数或磁导率在微波频率上有负实部。该一个或多个检测器，放在该物体附近或在该物体内，并测量其内的电场或磁场强度。
另一方面，本发明的特征在于提供一种方法，该方法包括用接收的微波辐射激励一种物体，并检测该物体内部或附近因响应该物体被微波辐射激励而产生的场强。该物体或者在微波频率上有负实部的介电常数，或者在微波频率上有负实部的磁导率。
图1画出包含一谐振电介质天线的接收机；
图2画出的响应曲线，是用与一示例性球形电介质天线相邻的两个极性相反的电极，测量该天线响应的响应曲线；图3画出包含一谐振磁导天线的接收机；和图4是流程图，表明用图1或图3的接收机接收无线通信的方法。
具体实施例方式
下面各实施例包括用人造间位材料(metamaterial)制作的天线，这些间位材料的介电常数(ε)和/或磁导率(μ)，在某一微波频率范围上是负的。选用这些间位材料，是为了使天线与通信频率上的外部辐射产生谐振耦合。即使天线的线尺度远小于辐射波长，但由于是谐振耦合，它们对辐射有高的灵敏度。
该谐振耦合是由于选择的间位材料具有合适的ε和/或μ值产生的。间位材料的合适选择，与该物体的形状以及需要在其上产生谐振响应的频率范围有关。对球形天线，在该频率范围，即通信频率范围，ε和/或μ值的实部必须近似等于“-2”。对该ε和/或μ值，即使球形天线的直径远小于辐射波长的1/2，它对外部辐射仍非常灵敏。
图1画出基于电介质天线14的微波接收机10。接收机10包括放大器模块12和电介质天线14。放大器模块12测量电介质天线14的相邻两个极性相反电极16、18之间的电压。由电极16、18测量的电压，代表电介质天线14内部电场的强度，因为该电压在与天线14谐振响应的相同频率范围，对外部电场产生谐振响应。示范性的电极16、18是薄的或线网状装置，对电介质天线14内部电场干扰极小。天线14的直径，最好是放大器模块10需要放大的频率上辐射波长的0.2倍或更小。
对小型天线14，标准的静电理论确定该天线如何响应外部施加的辐射。在远大于天线直径S，但远小于辐射波长的1/4的距离D上，外部电场Efar近似是空间恒定且平行的。因为辐射波长远大于D，而外部电场Efar仅对例如辐射波长1/4的距离上或大于辐射波长1/4的距离上才基本上发生变化，所以在距离D上，电场Efar是恒定且平行的。
对天线14，静电理论确定天线14内部电场Einside的值，如何随空间恒定的外部电场Efar，即在比D大又比波长小的距离上的电场值而变化。如果该天线14的介电常数ε在相关辐射频率附近基本上恒定，则静电理论指出Einside＝(3/[ε+2])Efar由该静电结果可得，当ε→-2时，Einside→∞。因此，在天线的“ε”接近-2时，即使小的外部电场Efar，也能在电极16、18上产生大的电压。该ε值在天线14内部产生谐振响应，从而使接收机对外部辐射非常灵敏。因此，谐振天线14的制作，要求构造一种间位材料，其ε在需要的通信频带内有适当的值。
可用的材料中，没有介电常数等于-2的。但在有限频率范围上，能够制成ε的实部接近-2的合成材料。该种合适的间位材料在适当的微波频率范围内，如从约1吉赫(GHz)到约100GHz内，具有负的ε。
在部分上述频率范围内具有合适性质的人造间位材料，本领域是熟知的。一些该种间位材料，R.A.Shelby等人在Science，vol.292(2001)77上的论文“Experimental Verification of a Negative Index ofRefraction”中有说明。下面的论文提供该种间位材料的各种设计“Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability andPermeability”，D.R.Smith et al，Physical Review Letters，vol，84(2000)4184和“Microwave transmission through a two-dimensional，isotropic，left-handed metamaterial”，by R.A.Shelby et al，AppliedPhysics Letters，vol.78(2001)489。示例性的设计制成的间位材料，在频率范围约4.7-5.2GHz和约10.3-11.1GHz内有负的ε和/或μ值。
人造间位材料的两维和三维物体的各种设计，包括导电物体的两维和三维阵列。物体的各种实施例，包括单匝和多匝线环、裂环谐振器、导电带、以及这些物体的组合。由一匝或多匝线环制成的示例性物体，其谐振频率按熟知的方式依赖于定义该物体的参数。间位材料的介电常数和磁导率既依赖于物体内的物理特性，也依赖于物体阵列的布局。对线环状物体，谐振频率依赖于线粗、环半径、环匝数、和组成该线环的线间间隔。如见“Loop-wire medium for investigatingplasmons at microwave frequencies”，D.R.Smith et al，AppliedPhysics Letters，vol.75(1999)1425。
频率范围和ε和/或μ选定之后，确定间位材料构成的物体和阵列的合适参数值，对本领域熟练人员是直接了当的。请见前面所引参考文献。可用的间位材料的介电常数和/或磁导率，在需要的微波频率上有负的实部。
因为实际的材料会引起损耗，间位材料的ε和/或μ通常有非零的虚部。为获得该种谐振状态，介电常数和/或磁导率的虚部必须足够小，不致破坏天线的谐振响应，又要足够大，以提供适当的谐振响应的宽度。通常，人们需要在某一频带上的谐振响应。在间位材料中引进损耗的方法，本领域熟练人员也是熟知的。如见前面所引参考文献。
在天线14产生谐振响应的频率上，ε的非零虚部降低了对外部电场的无限大响应，成为带有频率扩展的有限峰，如图2所示。接收机10最好采用ε有足够大虚部的间位材料，以确保需要的通信频带能在天线14中激励谐振响应。已知间位材料产生的值为Im[ε(ω)]/Re[ε(ω)]＝Δω/ω≥0.03-0.05且≤0.1。
图3画出基于磁导球形天线22的接收机20。接收机20还包括耦合线圈24和放大器模块26。天线22用有适当μ值的磁性间位材料构成。在天线22中，对外部辐射产生谐振响应的是磁导率μ而不是介电常数ε。对天线22，用静磁学而不是静电学，把天线内部的磁场Binside与外部磁场Bfar联系起来。只要外部磁场Bfar的波长大于天线22的直径，静磁学指出Binside＝(3μ/[μ+2])Bfar如果μ的值在需要的频率范围接近“-2”，则球形天线22对外加辐射产生谐振响应。在此情形下，天线22极大地增加接收机20对外部辐射的灵敏度。
再次指出，有非零虚部μ的磁导间位材料，会导致内部损耗。μ的非零虚部要足够大，以确保天线22在需要的频带上产生谐振响应。在间位材料中引进损耗的方法，本领域熟练人员是熟知的。
虽然上述接收机10、20使用球形天线14、22，但其他的实施例使用不同形状的天线。示例性天线的形状，包括椭球形、柱形、和立方形。对这些其他的形状，相关天线对外部辐射产生谐振响应的ε和/或μ的实部值，与“-2”有差别。间位材料的参数与天线的几何形状有关，要选择在适当的微波频带中ε和/或μ的适当负值。
图4表明用图1的接收机10，或用图3的接收机20来接收无线数据或话音通信的方法30。方法30包括接收在天线中谐振地激励电场或磁场强度的微波辐射(步骤32)。该天线或者在微波频率上的介电常数有负实部，或者在微波频率上的磁导率有负实部。示例性的天线包括由间位材料制成的物体。响应受到的激励，测量天线内或天线附近的电场或磁场强度(步骤34)。用天线内部或天线附近的一个或多个检测器测量该场强。方法30包括用测量的场强，确定预选频率范围内发送的通信数据或话音内容(步骤36)。
本发明当然包括本领域熟练人员借助这里公开的内容、图例、和权利要求书，从而想到的其他实施例。
权利要求
1.一种设备，包括用微波频率上具有实部为负的ε或μ的材料制成的物体；和位于该物体附近或其内的一个或多个检测器，用于测量物体内的电场或磁场强度。
2.按照权利要求1的设备，其中该实部的值导致该物体对外部电场或磁场产生谐振响应。
3.按照权利要求2的设备，其中的材料是一种间位材料。
4.按照权利要求1的设备，其中的一个检测器位于该物体外表面附近。
5.按照权利要求3的设备，还包括微波接收机，该物体和该一个或多个检测器的作用，是作为该接收机的天线。
6.按照权利要求2的设备，其中的检测器要适当放置，以便测量对预选频率范围的外场的谐振响应。
7.按照权利要求2的设备，其中的物体基本上是球形，且该实部在微波频率上等于-2±0.2。
8.按照权利要求5的设备，还包括与该一个或多个检测器耦合的放大器，用于放大微波频率上的信号。
9.按照权利要求2的设备，还包括用于在该一个或多个检测器中产生微波频率电信号的放大器。
10.按照权利要求5的设备，还包括蜂窝电话或手持无线装置，该微波接收机用于为该蜂窝电话或手持无线装置接收通信。
11.按照权利要求1的设备，其中的物体的形状类似于立方体和圆柱体之一。
12.一种方法，包括用接收的微波辐射激励一种物体，该物体或者在微波频率上有负实部的介电常数，或者在微波频率上有负实部的磁导率；和检测该物体响应微波辐射的激励，在该物体内部或附近形成的场强。
13.按照权利要求12的方法，其中检测的场强是磁通量。
14.按照权利要求12的方法，其中检测的场强是电压。
15.按照权利要求12的方法，其中的接收所产生的谐振响应，是对物体内磁场强度和物体内电场强度之一的谐振响应。
16.按照权利要求12的方法，其中的物体包括间位材料。
17.按照权利要求12的方法，其中的检测还包括测量物体内对具有预选通信频率范围的外场的谐振响应。
全文摘要
一种设备，包括一种物体和位于该物体内或附近的一个或多个检测器。该物体用微波频率上具有负实部的介电常数或磁导率的材料制成。该一个或多个检测器位于该物体的附近或在该物体内，用于测量物体内的电场或磁场强度。
文档编号H01Q15/00GK1407731SQ0212787
公开日2003年4月2日 申请日期2002年8月13日 优先权日2001年8月17日
发明者埃里克·D·伊萨克斯, 菲利浦·M·普雷兹曼, 沈荣聪 申请人:朗迅科技公司