专利名称：单馈送多单元的超材料天线装置的制作方法
单馈送多单元的超材料天线装置
优先权声明和相关申请本专利申请要求以下美国专利申请的优先权序号 12/408，642，标题为 “Single-Feed Multi-Cell Metamaterial Antenna Devices，，，于2009年3月20日提交；临时序号 61/042,699，标题为 “Dual Cell Metamaterial (MTM)Antenna Systems”，于2008年4月4日提交；以及临时序号61/053，616，标题为“Single-Feed Dual Cell Metamaterial Quadband and Pentaband Antenna Devices，，，于 2008 年 5 月 15 日提交。以上申请的公开内容通过引用结合在本文中，作为本申请说明的一部分。
背景技术：
电磁波在大多数材料中的传播服从(Ε，Η，β )向量场的右手定则，其中，E是电场， H是磁场，并且β是波矢量。相速度方向和信号能量传播(群速度)方向相同，折射率是正 数。这样的材料是“右手”(RH)的。大多数自然材料是RH材料。人工材料也可以是RH材 料。超材料(MTM)具有人工结构。当被设计成具有比超材料所传导的电磁能量波长更 短的结构平均单位单元(unit cell)尺寸ρ时，超材料对于所传导的电磁能量可表现为均 质介质。和RH材料不一样，超材料可以显示出负折射率，介电常数ε和磁导率μ同时为 负，并且相速度方向与信号能量传播方向相反，其中，(Ε，Η，β)向量场的相对方向遵循左手 定则。仅支持负折射率并且介电常数ε和磁导率μ同时为负的超材料是纯“左手”(LH) 超材料。很多超材料是LH超材料和RH材料的混合体，因此是复合左右手(CRLH)超材 料。CRLH超材料在低频可以表现得像LH超材料，而在高频表现得像RH材料。在Caloz和 Itoh著的‘‘Electromagnetic Metamaterials Transmission Line Theory and Microwave Applications”，John Wiley & Sons (2006)，中描述了各种CRLH超材料的设计和特性。 Tatsuo Itoh 在 Electronics Letters，第 40 卷，No. 16 Q004 年 8 月)Invited paper Prospects for Metamaterials，，中描述了 CRLH超材料及其在天线中的应用。可以构造和设计CRLH超材料，使其展现出为特定应用定制的电磁特性，并且可将 其用于对于其它材料而言困难、无法现实、不能实行的那些应用中。此外，可以使用CRLH超 材料来开发用RH材料无法开发的新应用，构造用RH材料无法构造的新设备。
发明内容
本文提供了复合左右手(CRLH)超材料(MTM)天线的实现。在一个方面中，一种 CRLH MTM天线包括基底；在基底上形成的多个MTM单元(cell)；以及在基底上形成的导 电发射短截线(conductive launch stub)，该导电发射短截线与多个MTM单元中的每一个 相邻，并电磁耦合到所述多个MTM单元中的每一个。
在另一个方面中，一种CRLH MTM天线装置包括绝缘基底，其在第一侧上具有 第一表面并在与所述第一侧相反的第二侧上具有第二表面；第一单元导电贴片(cell conductive patch)，其形成在所述第一表面上；第二单元导电贴片，其形成在所述第一表 面上并通过绝缘间隙与所述第一单元导电贴片相邻；以及共享的导电发射短截线，其形成 在第一表面上，与第一单元导电贴片和第二单元导电贴片这两者相邻，并通过绝缘间隙与 第一单元导电贴片和第二单元导电贴片中的每一个隔开，以电磁耦合到第一单元导电贴片 和第二单元导电贴片中的每一个。共享的导电发射短截线包括延伸带线路，该延伸带线路 将信号导向第一单元导电贴片和第二单元导电贴片，并从第一单元导电贴片和第二单元导 电贴片接收信号。该装置包括单元地导电电极，其形成在所述第二表面上，并位于由第一 单元导电贴片和第二单元导电贴片投影在第二表面上的投影区外部；第一单元导电过孔贴 片，其形成在第二表面上，并在由第一单元导电贴片投影在第二表面上的投影区中；第一单 元导电过孔连接器(a first cell conductive via connector)，其形成在基底上，将第一 单元导电贴片连接到第一单元导电过孔贴片；第二单元导电过孔贴片，其形成在第二表面 上，并在由第二单元导电贴片投影在第二表面上的投影区中；第二单元导电过孔连接器，其 形成在所述基底上，将第二单元导电贴片连接到第二单元导电过孔贴片；第一导电带线路， 其形成在第二表面上，将第一单元导电过孔贴片连接到单元接地导电电极；以及第二导电 带线路，其形成在第二表面上，将第二单元导电过孔贴片连接到单元地导电电极。在另一个方面中，一种CRLH MTM天线装置包括绝缘基底，其在第一侧具有第一 表面并在与所述第一侧相反的第二侧上具有第二表面；第一单元导电贴片，其形成在所述 第一表面上；第二单元导电贴片，其形成在所述第一表面上并与所述第一单元导电贴片隔 开；以及导电发射短截线，形成在所述第一表面上，与所述第一单元导电贴片和所述第二单 元导电贴片这两者相邻，并通过绝缘间隙与所述第一单元导电贴片和所述第二单元导电贴 片中的每一个隔开，以电磁耦合到所述第一单元导电贴片和所述第二单元导电贴片中的每 一个。所述导电发射短截线包括第一导线，其从外部发射电缆接收信号；第二导线，其从 所述导电发射短截线的第一端延伸，并将所述信号导向所述第一单元导电贴片和所述第二 单元导电贴片；蜿蜒导线，其从所述导电发射短截线的第二端延伸到远离所述第一导电贴 片和所述第二导电贴片的位置；单元接地导电电极，其形成在所述第二表面上，并位于由所 述第一单元导电贴片和所述第二单元导电贴片以及所述导电发射短截线投影在所述第二 表面上的投影区外部；第一单元导电过孔贴片，其形成在所述第二表面上，并在由所述第一 单元导电贴片投影在所述第二表面上的投影区中；第一单元导电过孔连接器，其形成在所 述基底上，将所述第一单元导电贴片连接到所述第一单元导电过孔贴片；第二单元导电过 孔贴片，其形成在所述第二表面上，并在由所述第二单元导电贴片投影在所述第二表面上 的投影区中；第二单元导电过孔连接器，其形成在所述基底上，将所述第二单元导电贴片连 接到所述第二单元导电过孔贴片；第三导电过孔贴片，其形成在所述第二表面上，并基本上 在由所述蜿蜒带线路投影在所述第二表面上的投影区中；第三导电过孔连接器，其形成在 所述基底中，将所述蜿蜒带线路的末端连接到所述第三导电过孔贴片；第一导电带线路，其 形成在所述第二表面上，将所述第一单元导电过孔贴片连接到所述单元接地导电电极；以 及第二导电带线路，其形成在所述第二表面上，将所述第二单元导电过孔贴片连接到所述 单元接地导电电极。
在附图、详细说明和权利要求书中具体描述了这些和其它方面以及实施方式，及 其各种变化。
图1示出基于四个单位单元的一维CRLH MTM TL(传输线)的一个例子；图2示出图1所示一维CRLH MTM TL的等效电路；图3示出图1所示一维CRLH MTM TL的等效电路的另一种表示；图4A示出图2所示一维CRLH TL等效电路的双端口网络矩阵表示；图4B示出图3所示一维CRLH TL等效电路的另一种双端口网络矩阵表示；图5示出基于四个单位单元的一维CRLH MTM天线的一个例子；图6A示出与图4A所示传输线情况类似的一维CRLH天线等效电路的双端口网络 矩阵表示；图6B示出与图4B所示传输线情况类似的一维CRLH天线等效电路的另一种双端 口网络矩阵表示；图7A示出平衡情况的频散曲线的一个例子；图7B示出非平衡情况的频散曲线的一个例子；图8示出基于四个单位单元具有被截切的接地部的一维CRLH MTM TL的一个例 子；图9示出了图8所示的具有被截切的接地部的一维CRLH MTM TL的等效电路；图10示出基于四个单位单元的具有被截切的接地部的一维CRLH MTM天线的一个 例子；图11示出基于四个单位单元的具有被截切的接地部的一维CRLH MTMTL的另一例 子；图12示出了图11所示的具有被截切的接地部的一维CRLH MTM TL的等效电路；图13示出CRLH MTM单馈送多单元(SFMC)天线结构的等效电路；图14A-图14D分别示出示例单馈送多单元超材料天线结构的顶层的顶视图、底层 的顶视图、侧视图以及三维立体图；图15A-图15B分别示出图14A-图14B所示的单馈送多单元超材料天线结构的顶 层和底层的顶视图的实际制造示例的照片；图16示出单馈送多单元超材料天线结构中的电磁耦合的方向的流向；图17示出图14A-图14D的单馈送多单元超材料天线结构的模拟回波损耗；图18示出图15A-图15B的单馈送多单元超材料天线结构的经测量的回波损耗；图19示出图15A-图15B的单馈送多单元超材料天线结构的经测量的效率；图20A-图20C分别示出图14A-图14D的单馈送多单元超材料天线结构在900MHz、 1. 575MHz和2. 5GHz上的模拟辐射图案；图21A-图21D分别示出示例的单馈送多单元超材料五波段天线结构的顶层的顶 视图、底层的顶视图、侧视图和三维立体图；图22示出图21A-图21的单馈送多单元超材料五波段天线结构的模拟回波损耗；图23A-图2 分别示出图21A-图21B所示的单馈送多单元超材料五波段天线结构的顶层和底层的顶视图的实际制造示例的照片；图24A-图24B分别示出图23A-图23B的单馈送多单元超材料五波段天线结构的 经测量的回波损耗和经测量的效率；图25A-图25B分别示出单馈送多单元超材料五波段天线结构的顶层和底层的顶 视图的实际制造“调节”示例；以及图26k-图26B分别示出图25A-图25B所示的单馈送多单元超材料五波段天线结 构的制造“调节”示例的“调节”测量的回波损耗和“调节”测量的效率。在附图中，类似的组件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以利用跟随 在附图标记之后的在类似组件之间进行区分的破折号和第二标记来区分各种相同类型的 组件。如果在说明书中仅使用了第一附图标记，则该说明适用于具有相同的第一附图标记 (而无论第二附图标记如何)的类似组件中的任何一个。
具体实施例方式超材料(MTM)结构可被用来构造天线和其它电气元件和设备，从而得到诸如尺 寸减小和性能提高等大范围的技术进步。MTM天线结构可制造在包括诸如传统FR-4印刷 电路板(PCB)或柔性印刷电路(FPC)板的电路板等的各种电路平台上。其它制造技术的 例子包括薄膜制造技术、片上系统(SOC)技术、低温共烧陶瓷(LTCC)技术，以及单片微波 集成电路(MMIC)技术。2007年4月27日提交的名为“Antennas，Devices, and Systems Based on Metamaterial Structures”的序号为11/741，674的美国专利申请(美国公开号 US-2008-0258981-A1)和 2007 年 8 月 24 日提交的名为“Antennas Based on Metamaterial Mructures”的序号为11/844,982的美国专利申请(美国公开号US-2008-0048917-A1)中 说明了示例的MTM天线结构。将这两个专利申请的公开内容通过引用结合在本文中，作为 本申请说明的一部分。MTM天线或MTM传输线(TL)是具有一个或更多个MTM单位单元的MTM结构。每个 MTM单位单元的等效电路包括右手串联电感(LR)、右手旁路电容(CR)、左手串联电容(CL)， 以及左手旁路电感(LL)。将LL和CL构造和连接成向单位单元提供左手特性。可以利用分 布式电路元件、集总电路元件或二者的组合来实现这种类型的CRLH TL或天线。每个单位 单元小于 λ/4，其中，λ是在CRLH TL或天线中传输的电磁信号的波长。纯LH材料遵循向量三元组(Ε，H，β )的左手定则，并且相速度方向与信号能量传 播方向相反。LH材料的介电常数ε和磁导率μ都为负。取决于工作方式(regime)或频 率，CRLH超材料既可以展现出左手电磁传播模式又可以展现出右手电磁传播模式。在某些 情况下，当信号的波矢量为零时，CRLH超材料可展现出非零群速度。这种情况出现在左手 和右手模式彼此平衡时。在非平衡模式中，存在带隙，在带隙中电磁波传播被禁止。在平衡 情况下，频散曲线在左手和右手模式之间的传播常数的转变点β (ω。)=0处不会表现出 任何不连续，其中，传导波长是无限的，即，Ag = 2π/| β I —c ，而群速度为正do _Vg =I^这种状态对应于LH区域中TL实施方式中m = 0的零阶模式。CRHL结构支持低频 的精细频谱，其散射关系遵循负β抛物线区域。这使得可构造物理尺寸较小，而在操作和控制近场辐射图案时却又具有独特的较大的电磁容量的设备。当将此TL用作零阶谐振器 (ZOR)时，允许常数幅度和相位谐振跨越整个谐振器。可将ZOR模式用来构建基于MTM的功 率组合器和分离器或分配器、定向耦合器、匹配网络，以及漏波天线。在RH TL谐振器的情况下，谐振频率对应于电气长度θ m = β ml = m π (m = 1，2， 3...)，其中，1是TL的长度。TL长度应足够长，以获得谐振频率的低频谱和较宽频谱。纯 LH材料的工作频率是在低频。CRLH MTM结构与RH或LH材料有很大不同，其可用于达到RF 频谱范围的高频区域和低频区域。在CRLH情况下，θω= f3ml=m3i，其中，1是CRLH TL 的长度，参数m = 0，士 1，士 2，士 3... 士⑴。图1示出了基于四个单位单元的一维(ID)CRLH MTM传输线(TL)的一个例子。一 个单位单元包括单元贴片(cell patch)和过孔(via)，单位单元是重复自身以构造MTM结 构的最小单元。在基底上放置四个单元贴片，以将相应的中心过孔连接到接地面。图2示出了图1所示的一维CRLH MTM TL的等效网络电路。ZLin'和ZLout'分 别对应于TL输入负载阻抗和TL输出负载阻抗，它们是由于各端处的TL耦合而产生的。这 是双层印刷结构的一个例子。LR是由于电介质基底上的单元贴片而产生的，CR是由于夹在 单元贴片和接地平面之间的电介质基底而产生。CL是由于存在两个相邻的单元贴片而产 生，过孔引起了 LL0每个单独的单位单元可以具有两个谐振COse和COsh，分别对应于串联(SE)阻抗Z 和旁路(SH)导纳Y。在图2中，Z/2模块包括LR/2和2CL的串联组合，Y模块包括LL和CR的并联组合。这些参数之间的关系表示如下1 . 1 · 1 _ 1「00541 t0SH ι = jCOsE —— ι ==" Jc0R ι = jCO,--, =L_4」^LL CR^LR CL ^LR CR ^LL CLwhere,Z = j6>LR + ^^ and. Y =+Eq. (1)图1中输入/输出边缘处的两个单位单元不包括CL，因为CL代表两个相邻的单元 贴片之间的电容，而在这些输入/输出边缘处没有这种电容。边缘单位单元处缺少的CL部 分使得频率ω SE无法产生谐振。因此，仅有ω SH作为m = O的谐振频率出现。为了简化计算分析，一部分ZLin'和ZLout'串联电容器被包括进来，以补偿该 缺少的CL部分，并将剩余的输入和输出负载阻抗分别表示为ZLin和ZLout，如图3所示。 在这样的情况下，所有单位单元具有相同的参数，用图3中的两个串联Z/2模块和一个旁路 Y模块表示，其中，Z/2模块包括LR/2和2CL的串联组合，Y模块包括LL和CR的并联组合。图4A和图4B分别示出了图2和图3所示的没有负载阻抗的TL电路的双端口网 络矩阵表示。图5示出了基于四个单位单元的一维CRLH MTM天线的一个例子。图6A示出了图 5中的天线电路的双端口网络矩阵表示。图6B示出了图5中的天线电路的双端口网络矩阵 表示，其中，在边缘处为了说明缺少的CL部分进行了修改，从而使所有单元相同。图6A和 6B分别与图4A和4B所示的TL电路类似。在矩阵符号中，图4B表示的关系如下
权利要求
1.一种复合左右手CRLH超材料MTM天线装置，包括基底；在所述基底上形成的多个MTM单元；以及在所述基底上形成的导电发射短截线，该导电发射短截线与所述多个MTM单元中的每 一个相邻，并电磁耦合到所述多个MTM单元中的每一个。
2.根据权利要求1所述的装置，包括耦合到所述导电发射短截线的蜿蜒导线。
3.根据权利要求1所述的装置，其中每个MTM单元包括在所述基底的第一表面上形成的单元导电贴片，在所述基底的与所 述第一表面相反的所述第二表面上形成的单元导电过孔贴片，在所述基底中形成的单元导 电过孔，该单元导电过孔连接所述单元导电贴片和所述单元导电过孔贴片，在所述第二表 面上形成的接地电极，该接地电极与所述单元导电过孔贴片隔开，以及在所述第二表面上 形成的导电过孔线，该导电过孔线将所述单元导电过孔贴片连接到所述接地电极。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述多个MTM单元中的两个具有形状和尺寸不同的单元导电贴片。
5.根据权利要求3所述的装置，其中在每个MTM单元中，所述单元导电过孔贴片小于所述单元导电贴片。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述MTM单元和所述导电发射短截线被构造为支持两个或更多个谐振频率。
7.根据权利要求1所述的装置，其中每个MTM单元包括在所述基底上形成的单元导电贴片，在所述基底上形成的接地电 极，该接地电极与所述单元导电贴片隔开，以及在所述基底上形成的导线，该导线将所述单 元导电贴片连接到所述接地电极。
8.一种复合左右手CRLH超材料MTM天线装置，包括绝缘基底，其在第一侧具有第一表面并在与所述第一侧相反的第二侧上具有第二表第一单元导电贴片，其形成在所述第一表面上；第二单元导电贴片，其形成在所述第一表面上并通过绝缘间隙与所述第一单元导电贴 片相邻；共享的导电发射短截线，其形成在所述第一表面上，与所述第一单元导电贴片和所述 第二单元导电贴片这两者相邻，并通过绝缘间隙与所述第一单元导电贴片和所述第二单元 导电贴片中的每一个隔开，以电磁耦合到所述第一单元导电贴片和所述第二单元导电贴片 中的每一个，所述共享的导电发射短截线包括延伸带线路，该延伸带线路将信号导向所述 第一单元导电贴片和所述第二单元导电贴片，并从所述第一单元导电贴片和所述第二单元 导电贴片接收信号；单元接地导电电极，其形成在所述第二表面上，并位于由所述第一单元导电贴片和所 述第二单元导电贴片投影在所述第二表面上的投影区的外部；第一单元导电过孔贴片，其形成在所述第二表面上，并在由所述第一单元导电贴片投 影在所述第二表面上的投影区中；第一单元导电过孔连接器，其形成在所述基底中，以将所述第一单元导电贴片连接到 所述第一单元导电过孔贴片；第二单元导电过孔贴片，其形成在所述第二表面上，并在由所述第二单元导电贴片投 影在所述第二表面上的投影区中；第二单元导电过孔连接器，其形成在所述基底中，以将所述第二单元导电贴片连接到 所述第二单元导电过孔贴片；第一导电带线路，其形成在所述第二表面上，以将所述第一单元导电过孔贴片连接到 所述单元接地导电电极；以及第二导电带线路，其形成在所述第二表面上，以将所述第二单元导电过孔贴片连接到 所述单元接地导电电极。
9.根据权利要求8所述的装置，包括在所述第一表面上形成的并与所述第一单元导电贴片和所述第二单元导电贴片间隔 开的第一单元接地导电电极，该第一单元接地导电电极形成图案以包括具有第一终端和第 二终端的共面的波导，其中，所述共享的导电发射短截线的延伸带线路连接到所述第二终端。
10.根据权利要求8所述的装置，其中所述第一单元导电贴片和所述第二单元导电贴片尺寸不同。
11.根据权利要求8所述的装置，其中所述第一单元导电贴片和所述第二单元导电贴片形状不同。
12.一种复合左右手CRLH超材料MTM天线装置，包括绝缘基底，其在第一侧具有第一表面并在与所述第一侧相反的第二侧上具有第二表第一单元导电贴片，其形成在所述第一表面上；第二单元导电贴片，其形成在所述第一表面上并与所述第一单元导电贴片隔开； 导电发射短截线，其形成在所述第一表面上，与所述第一单元导电贴片和所述第二单 元导电贴片这两者相邻，并通过绝缘间隙与所述第一单元导电贴片和所述第二单元导电贴 片中的每一个隔开，以电磁耦合到所述第一单元导电贴片和所述第二单元导电贴片中的每 一个，所述导电发射短截线包括第一导线，其从外部发射电缆接收信号；第二导线，其从所述导电发射短截线的第一端延伸，并将所述信号导向所述第一单元 导电贴片和所述第二单元导电贴片；蜿蜒导线，其从所述导电发射短截线的第二端延伸到远离所述第一导电贴片和所述第 二导电贴片的位置；单元接地导电电极，其形成在所述第二表面上，并位于由所述第一单元导电贴片和所 述第二单元导电贴片以及所述导电发射短截线投影在所述第二表面上的投影区的外部；第一单元导电过孔贴片，其形成在所述第二表面上，并在由所述第一单元导电贴片投 影在所述第二表面上的投影区中；第一单元导电过孔连接器，其形成在所述基底中，以将所述第一单元导电贴片连接到 所述第一单元导电过孔贴片；第二单元导电过孔贴片，其形成在所述第二表面上，并在由所述第二单元导电贴片投 影在所述第二表面上的投影区中；第二单元导电过孔连接器，其形成在所述基底中，以将所述第二单元导电贴片连接到 所述第二单元导电过孔贴片；第三导电过孔贴片，其形成在所述第二表面上，并基本上在由蜿蜒带线路投影在所述 第二表面上的投影区中；第三导电过孔连接器，其形成在所述基底中，以将所述蜿蜒带线路的末端连接到所述 第三导电过孔贴片；第一导电带线路，其形成在所述第二表面上，以将所述第一单元导电过孔贴片连接到 所述单元接地导电电极；以及第二导电带线路，其在所述第二表面上形成，以将所述第二单元导电过孔贴片连接到 所述单元接地导电电极。
13.根据权利要求12所述的装置，包括第三导线，其插入在所述第一导电贴片和所述第二导电贴片之间，并通过绝缘间隙与 所述第一导电贴片和所述第二导电贴片隔开，以促进所述第一单元导电贴片和所述第二单 元导电贴片之间的电磁耦合。
14.根据权利要求12所述的装置，其中所述第一单元导电贴片和所述第二单元导电贴片尺寸不同。
15.根据权利要求12所述的装置，其中所述第一单元导电贴片和所述第二单元导电贴片形状不同。
全文摘要
本发明提供了一种复合左右手CRLH超材料MTM天线装置的设计和工艺，其包括CRLH MTM装置，该CRLH MTM包括MTM单元，其形成在基底上；以及导电发射短截线，其形成在所述基底上，与所述多个MTM单元中的每一个相邻，并电磁耦合到所述多个MTM单元中的每一个。
文档编号H01Q9/04GK102057536SQ200980121066
公开日2011年5月11日 申请日期2009年3月24日 优先权日2008年4月4日
发明者徐楠, 瓦尼特·帕萨克, 诺伯托·洛佩斯, 阿杰伊·古马拉 申请人:雷斯潘公司