用于电路及天线应用的光可发射谐振器的制作方法

专利名称：用于电路及天线应用的光可发射谐振器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于电路及天线应用的光可发射谐振器(lighttransmissible resonator)，尤其涉及一种具有光可发射的介质谐振器元件的介质谐振器天线，该介质谐 振器元件优选成形为使照射到所述谐振器元件的表面上的光聚焦。
背景技术：
谐振器已经普遍用于例如微波和毫米波电路(诸如滤波器、振荡器和天线等)。这 些部件包括许多无线系统及设备的重要部分，尽管它们的使用不限于无线应用设备。介质谐振器(DR)能够用作振荡器和滤波器电路中的电路元件或者作为目前一般 称为DR天线(DRA)的有效辐射器是已知的。在过去二十年里，由于DRA提供的诸多优点 (诸如其小尺寸、低损耗、低成本、重量轻和易于激发)，已经对DRA进行了广泛研究。DRA是 用于微波频率的陶瓷或其它介质媒质的小型化天线。DRA全部由低损耗介质材料制造并且 典型地安装在地平面上。它们的辐射特性是在DRA中所激发的操作模式的一个函数。该模 式一般基于操作需求进行选择。DRA提供优于其它天线的若干优点，诸如小尺寸、高辐射效 率和用于各种传输线的简化的耦合方案。通过谐振器的介电常数和物理参数的选择，可以 将带宽控制在较宽的范围。利用介质谐振器(DR)，天线的尺寸可以大致通过1/▲的因数按比例地缩小，其中 ε γ是DR元件材料的介电常数。这在缩减天线尺寸方面尤其是在无线通信应用方面非常 有用。现今，在发展无线通信设备和系统、支持多功能部件的发展以使设备和系统小型化方 面，小巧已经成为最重要的头等大事之一。结果，就有一种将若干微波功能塞进单个模块中 (例如，组合若干微波谐振器以提供多功能)的趋势。还显示设计微带单谐振器巴伦-滤波 器。此外，最近还显示了利用单DR设计天线和滤波器。此外，已经证明了 DRA能够与振荡 器电路集成。随着超宽带和毫米波时代的到来，在现代通信系统中组合微波和光学电路变得愈 加正常了。已经在研究透明微带天线，以进行光学应用，但是具有高导电透明薄膜仍是一 个挑战性的问题。由于导电透明薄膜( 5Xl(fS/m)的导电性与金属的导电性相比相对 低，所以迄今为止所报导的多数透明平面天线具有小于OdBi的天线增益。已经提出将导电 膏应用到透明微带天线的缝隙边缘，以提高辐射效率。利用这种技术，将天线的增益从大 约-5dBi增加到 OdBi，但是这是以减小天线的透明度为代价。之前也报导过关于平面天线和太阳能电池板的集成的若干研究。微带天线和太阳 能电池板的集成通常会使天线增益显著地降低，尽管近来的努力已经将增加微带天线的集 成太阳能电池板(金属的)的天线增益的技术提升到 1.05dBi。然而，这样仍然低于金属 微带天线 6dB。而且，由于引进了不透明微带天线，太阳能电池板的有效照明面积在某种 程度上减小了。为了解决上述问题，已经提出使用缝隙天线，但是这样需要移除不需要的部 分太阳能电池板。

发明内容
发明目的本发明的一个目的在于提供一种电路，该电路包括安装在电路中的透明谐振器部 件，从而在允许照射到谐振器上的光到达所述另一个部件的同时，占用电路的至少一部分 或者与另一部件相同的覆盖区(footprint)。本发明的另一个目的在于提供一种光可发射介质谐振器天线，例如光发射或透明 DRA。本发明的另一个目的在于在某种程度上减轻或排除与已知透明微带天线相关联 的一或多个问题。本发明的另一个目的在于在某种程度上减轻或排除与已知谐振器部件或电子设 备或包括有诸如谐振器部件的电路相关联的一或多个问题。本发明的另一个目的在于提供一种电子设备，其将太阳能电池等设备与光可发射 DRA相集成或相组合。本发明的另一个目的在于提供一种双功能天线，其额外提供用于聚光的透镜功 能。本发明的另一个目的在于改善无线通信系统和设备。本领域技术人员将根据下述说明得出本发明的其它目的。因此，目的的前述陈述 不是详尽的，而仅仅示出了本发明多个目的中的一些目的。

发明内容
本发明提供一种用于具有透明谐振器的电子设备的电路。透明谐振器可以安装 在所述电路上，从而至少部分地占用该电路的另一个部件的覆盖区。透明谐振器可以安装 在所述电路上，使得它包括所述另一个部件的光路径的一部分，从而允许照射(impinging) 到所述谐振器部件上的光到达另一个部件或者允许由所述另一个部件生成的光远离所述 另一个部件发射。在一个特定实施例中，提供同时用作天线和太阳能电池的聚焦透镜的双 功能透明、成形(优选为半球形)DRA。为了使系统小巧，太阳能电池被放置在DRA之下，以 节省地平面或DRA的接地基板上的覆盖区。DRA也能够充当用于太阳能电池的保护覆盖件。 共形带(conformal strip)或馈线带用于在其主TE111模式中激发透明、成形DRA。由于其 聚焦效应，成形DRA能够增加太阳能电池的输出电压和电流。能够采用太阳能电池来为电 子设备诸如无线通信系统(例如个人数字助理(PDA)、移动电话)提供动力，尽管也能够设 想其它无线使能设备(诸如远程控制器等)。也能够在其它更基础重要的通信设备诸如无 线通信基站中采用集成有DRA或与DRA组合的太阳能电池。在本发明的第一主要方面中，提供一种用于具有非平面透明谐振器的电子设备的 电路，其中，该透明谐振器安装在所述电路上，从而至少部分地占用该电路的另一个部件的 覆盖区，并且其中，所述透明谐振器在所述电路上形成光路径的部分，以将光发射到所述另 一个部件或者从所述另一个部件发射光。该另一个部件是光学部件，该光学部件布置为经 由该光路径生成用于发射的光或者经由所述光路径处理在那里接收到的光。优选地，该谐振器元件成形为使照射到其表面上的光聚焦。优选地，包括有谐振器 元件的材料对于处于和/或超过光学频率(optical frequency)(即可见光和/或不可见光的频率)的光而言是透明的。更优选地，该谐振器元件的材料包括硼硅酸盐玻璃。优选 地，该玻璃是硼硅酸盐冕玻璃，一般通过商标“Pyrex (派热克斯)”或“K9”为人所知。所述谐振器元件可成形为使得照射到所述谐振器元件表面上的光通过该谐振器 元件聚焦。谐振器元件可以是半球形的且限定半球形的表面包括有光照射表面，尽管可以 利用起聚光作用的任何适合的透镜形状。所述谐振器元件成形为使得照射到所述谐振器元 件表面上的光通过该谐振器元件朝向该谐振器元件的另一表面的选择区聚焦。该谐振器元 件是介质谐振器天线(DRA)的谐振器元件，所述DRA包括布置在DRA阵列或DRA反射阵列 中的多个DRA其中之一。天线阵列是用于增加天线系统增益的天线的矩阵。在本发明的第二主要方面中，提供一种介质谐振器天线(DRA)，包括介质谐振器 (DR)元件；地平面；以及用于该DR元件的带馈线(strip feedline)，其中，包括有DR元件 的材料包括可发射(transmissable)处于和/或超过光学频率(即可见光和/或不可见光 的频率)的光的材料。提出透明DRA以避开与已知的透明微带天线相关的问题，因为本发明的透明DRA 不需要任何导电部分来进行谐振。更重要的是，它能够提供跨越其整个通频带的大于4dBi 的天线增益，这对于透明天线而言是新的成就。优选地，包括有DR元件的材料对于处于和/或超过光学频率(即可见光和/或不 可见光的频率)的光而言是透明的。更优选地，该DR元件的材料包括硼硅酸盐玻璃。优选 地，该玻璃是硼硅酸盐冕玻璃，一般通过商标“Pyrex”或“K9”为人所知。DR元件成形为使得照射到所述DR元件表面上的光通过该DR元件来聚焦。该DR 元件可是半球形的且限定半球形的表面包括有光照射表面，尽管可以利用起聚光作用的任 何适合的透镜形状。DR元件成形为使得照射到所述DR元件表面上的光通过该DR元件朝向 该DR元件的另一表面的选择区聚焦。在DRA位于处于另一个部件(诸如太阳能电池)或 光发射设备(诸如灯或LED等)的光路径中的电子设备中时，这是非常有用的。介质谐振器天线包括多个DRA其中之一，所述多个DRA布置在用于电路或系统的 DRA阵列或DRA反射阵列中。在本发明的第三主要方面中，提供一种包括根据第二主要方面的DRA的电子设 备，其中，该DRA用作所述电子设备的天线，并且其中，所述DRA位于所述设备中，从而使得 所述DR元件位于拦截沿所述设备的光路径传播的光的位置处。该介质谐振器元件的至少 一部分可以限定该电子设备的光路径。DR元件在允许沿所述光路径传播的光到达所述电子设备的同时，可以用作用于该 电子设备的电子部件的保护覆盖件。该电子设备可以包括光发射元件诸如灯泡，其中所述光发射元件位于使得来自于 光发射元件的光通过DRA的DR元件的至少一部分进行传输的位置处。优选地，该电子设备包括用于根据照射到所述设备上的光生成电力(power)的设 备，其中，所述电力生成设备位于使得照射到所述设备上的光通过该DRA的该DR元件的至 少一部分进行传播的位置处。优选地，该电力生成设备包括太阳能电池设备。根据本发明 的DRA的增益实质上不受太阳能电池板的影响。此外，无需移除板的任何部分。优选地，DR 元件成形为使得照射到所述DR元件上的光通过DR元件朝向所述太阳能电池的光接收部分 聚焦ο
优选地，该电力生成设备从照射到所述电子设备上并且通过DRA的DR元件传送到 所述电力生成设备的光为所述电子设备生成电力。该电子设备可以包括布置在阵列或反射阵列中的多个介质谐振器天线，以增加电 路或系统的天线增益。在本发明的第四主要方面中，提供一种制造根据第一主要方面的DRA的方法，包 括提供一种DRA，该DRA具有DR元件、地平面、用于DR元件的带馈线；以及由能够传输处于 光学频率处的光的材料形成该DR元件。


借助仅仅与附图相结合的实例提供的优选实施例的如下描述，本发明的前述特征 和更多特征将变得很明显，其中图Ia和图Ib分别是根据本发明具有底层(underlaid)太阳能电池板的透明矩形 DRA的前侧视图和顶视图；图加和图2b分别是根据本发明具有底层太阳能电池板的透明成形DRA的前侧视 图和顶视图；图3显示g = 0和2mm时的图加和图2b的半球形DRA的测量和仿真的反射系 数；图4包括g = Omm且没有底层太阳能电池时的图2的半球形DRA的仿真和测量标 准化辐射图案的曲线图；图5包括带有底层太阳能电池的图2的半球形DRA的仿真和测量的反射系数；图6是带有或不带有(g = 0mm)太阳能电池的半球形DRA的测量天线增益的曲线 图；图7包括带有底层太阳能电池的半球形DRA的仿真和测量标准化辐射图案；图8提供用于生成平行蓝光束的相干Sabre Innova氩激光器(CoherentSabre Innova Argon Laser)的自上而下的视图；图9显示15mm时带有或不带有半球形DRA的太阳能电池的输出电压和电流；图10包括图1的带有底层太阳能电池的透明矩形DRA的仿真和测量反射系数；图11包括带有底层太阳能电池的矩形DRA的仿真和测量标准化辐射图案；图12显示Rc = 15mm时带有或不带有矩形DRA的太阳能电池的输出电压和电流；图13是根据本发明具有DRA的电子系统的示意图；以及图1 和图14b是分别示出根据本发明在其中空区域具有灯的光可发射的DRA的 前侧视图和顶视图。
具体实施例方式这里全部实施例中揭示的是用于具有非平面透明谐振器的电子设备的电路，其中 透明谐振器安装在所述电路上，从而至少部分占用电路的另一个部件的覆盖区，且其中所 述透明谐振器在所述电路上形成光路径的部分，用于将光发射到所述另一个部件或者从所 述另一个部件发射光。另一个部件可以是这样一种光学部件，即，布置为经由光路径生成用 于发射的光或者经由所述光路径处理在那里接收到的光。谐振器元件可以成形为使照射到其表面上的光聚焦。优选地，包括谐振器元件的材料对于处于和/或超过光学频率(即可见 光和/或不可见光的频率)的光而言是透明的。更优选地，谐振器元件的材料包括硼硅酸 盐玻璃。优选地，该玻璃是硼硅酸盐冕玻璃，一般通过商标“Pyrex”或“K9”为人所知。谐 振器元件可以成形为使得照射到所述谐振器元件表面上的光通过该谐振器元件来聚焦。谐 振器元件可以是半球形的且限定半球形的表面包括有光照射表面，尽管可以利用起聚光作 用(act to)的任何适合的透镜形状。谐振器元件可以成形为使得照射到所述谐振器元件 表面上的光通过该谐振器元件朝向该谐振器元件的另一个表面的选择区聚焦。此外，这里某些实施例揭示的是用于光学应用的透明介质谐振器天线(DRA)。由于 DRA是透明的，所以它能够让光穿过其自身，因而能够被系统或设备的其它光学或光接收和 /或光发射部件利用。作为实例，透明DRA可以被放置在太阳能电池的顶部。由于DRA不阻 挡光，因此光能够到达太阳能电池板且能够生成电力。这样获得的系统非常小巧，因为DRA 不需要额外的覆盖区或只需要少许额外的覆盖区。对于需要自续电源的小巧无线应用设备 而言潜在地非常有用。另一个实施例包括中空透明DRA内的光源，提供也用作用于电子设 备或系统的天线的灯泡。DRA为用在微波和mm-波频率的几乎全部传输线提供简化耦合方案。这使得它们 适合于集成到不同的平面技术中。通过相对于线(line)来改变DRA的位置，能够容易地控 制DRA与平面传输线之间的耦合。因此，在实验上能够容易地将DRA的性能最优化。这里揭示的优选实施例将微波和光学功能组合到单片介质谐振器材料中。在第一 描述实施例中，将非聚焦透镜同时用作DRA。系统的覆盖区被减到最小，因为太阳能电池板 被放置在DRA之下。在第二描述实施例中，DRA成形为聚光并且用作用于太阳能电池的聚 焦透镜。通过合并透明成形DRA，能够增加底层太阳能电池的输出电压和电流。另外，DRA 还用作辐射元件(天线)。双功能可以减少成本。在另一实施例中，DRA成形为符合发光 灯泡以形成灯等。能够合并这些实施例中的任何DRA作为电子设备中的双功能或多功能元 件。DRA能够在作为用于所述其它部件的保护覆盖件的同时作为用于光学部件的光发射元 件。此外，DRA能够作为用于所述光学部件的光聚焦或传输介质。所描述的实施例的双功能或多功能DRA对于需要电力以维持自身或其它用途的 无线系统或设备特别有用。参考图Ia和图lb，描述根据本发明的包括有DRA 12的电路10的第一实施例。该 实施例的DRA12包括非聚焦透明矩形DRA 12。由于矩形DRA比其它形状在机械上易于制 造，因此天线工程师对其非常感兴趣。在这种情形下，除了充当天线之外，DRA12还可以充当用于底层太阳能电池14的 保护覆盖件。由于DRA12是透明的，所以其不会阻碍太阳能电池14收集阳光或环境光。 另外，为了将组合部件所占用的覆盖区减小或减到最小，通过将太阳能电池板14放置在 DRA12之下，能够容易地实现高紧密度。DRA12包括介质谐振器(DR)元件16 ；包括有不导 电基板17和导电地平面层19的地平面(ground plane)或接地基板18 ；以及用于激发DR元 件的带馈线(共形带)20。共形带20连接到同轴线缆22的中心导体或同轴探针(coaxial pr0be)M，尽管可以理解共形带能够连接到任何适合的导体，以用于将激发能量供应到DR 元件16。包括有DR元件16的材料包括可发射处于和/或超过光学频率(即可见光和/或 不可见光的频率)的光的材料，并且为了不减少到达底层太阳能电池14的可见光或不可见光能，其优选是透明的。优选地，可见透明DR元件16的材料包括硼硅酸盐玻璃，诸如硼硅 酸盐冕玻璃(一般通过商标“Pyrex”或“K9”为人所知)。当DRA12位于处于另一个部件 (诸如太阳能电池14)或光发射设备(诸如灯或LED等(未示出))的光路径中的电子设备 中或电路10上时，这是非常有用的。提出透明DRA12以避开与已知的透明微带天线相关联的问题，因为本发明的透明 DRA不需要任何导电部分来进行共振。在该实施例中，DRA12的宽度为W并且被放置在太阳能电池14上面。DR元件16 的玻璃在微波频率处具有介电常数ε γ，在光学频率处具有折射率η。包括长度为Is、宽度 为Ws的共形激发带20的垂直带用于反馈DRA12，它在其基本TE111模式中受激发，尽管依据 操作条件等可以选择其它模式。DRA12被抬起很小的间隙g，以容置太阳能电池14。可替换 地，太阳能电池14可以直接制作在DRA12的底部表面上。在后一种布置中，DRA12的底部可 以凹陷以容置太阳能电池14。在这一情形下，DRA12可以具有比太阳能电池14稍大的覆盖 区，使得DRA12的底部表面上的外围边缘部分起支撑位于接地基板18上的DRA12的作用。 可以将凹处制为至少在高度上稍微高于太阳能电池14，使得DRA12不放置在太阳能电池14 上，但是优选地，DRA12的底部表面与太阳能电池14的顶部表面或者太阳能电池14的顶部 表面的至少光收集部分之间有密切接触。能够将任何形状的太阳能电池14放置在DRA12之下以收集日光或周围光。在本 实施例中，使用半径为&的太阳能电池14。下面将证明DRA12不会在任何重大程度上显著 地影响底层太阳能电池输出电流和电压。参考图加和图2b，描述根据本发明的DRA112的第二实施例。该实施例的DRA112 安装在电子设备或系统(未示出)的电路Iio上，并且包括聚焦透明DRA112，该聚焦透明 DRA112成形为使照射到其上表面上的光聚焦，并且将聚焦的光传送到选择区，选择区位于 邻近底层太阳能电池的其下表面。当DRA112安装在太阳能电池114上面的电路110上时， 可以选择该选择区作为映射到太阳能电池114的光接收部分或与太阳能电池114的光接收 部分重叠的区域。在这种情形下，除了充当天线和用于底层太阳能电池14的保护覆盖件之外，通过 与太阳能电池114分享覆盖区，DRA112还可以在保持小巧形式的同时，起将所捕获的光聚 焦到太阳能电池114的光接收部分的作用，从而增强太阳能电池的性能。在该实施例中， DRAl 12还包括介质谐振器(DR)元件116 ；包括有不导电基板117和导电地平面层119的 地平面或接地基板118 ；以及用于激发DR元件116的带馈线(共形带)120。共形带120电 耦合到同轴线缆122的中心导体或同轴探针124。包括有DR元件112的材料还包括可发射 处于和/或高于光学频率(即可见光和/或不可见光的频率)的光的材料，并且为了不减 少到达底层太阳能电池114的光能，其优选是透明的。事实上，DR元件116的聚焦效应极大 地增强了位于太阳能电池114的光接收部分的上的光能的密集度，从而与如果DR元件116 没有聚焦功能所期望的相比，能够增强太阳能电池114的电力输出。DR元件116的材料优 选包括硼硅酸盐玻璃(诸如硼硅酸盐冕玻璃)。除了其上表面成形为将DRA112形成为透镜以使入射到所述上表面上的光聚焦以 外，该实施例与第一实施例分享许多相似之处。在该实施例中，上表面采用半球形，但是应 当理解，任何适合的形状均可以用于将DRA112形成为透镜，以使太阳能电池114上的光聚焦。在其它实施例中，DRAl 12可以成形为传送远离电子设备的光学光发射部件的光。当DRA 位于处于另一个部件(诸如太阳能电池)或光发射设备(诸如灯等)的光路径中的电子设 备中时，这是特别有用的。再者，在该实施例中，能够将任何形状的太阳能电池114放置在DRA112之下以收 集阳光，下面还将证明半球形的DRA112能够用于增加底层太阳能电池114的输出电流和电压。为了证实带有底层太阳能电池14、114的透明DRA12、112的上述实施例，用对于利 用Ansoft HFSS 获得的仿真结果所勘测的实验结果来制造和测试根据所述实施例的原型， 其中所述Ansoft HFSS 是用于3D全波电磁领域仿真的工业标准仿真工具。制备根据图加 和图2b的实施例的第一原型。在图加和图2b示出的第一原型中，透明半球形DRA112由 硼硅酸盐冕玻璃制成。该原型中的DRA半径R = 28mm,并且被放置在太阳能电池114上面。 宽度Ws = 12mm、长度Is = 19mm的共形带(激发馈线)120用于馈送DRA112，其在1.87GHz 处、于其基本 TE111 模式中受激发。利用 Agilent 85070DDielectric Probe Kit，在 1.9GHz 附近测量且得到等同于ε Y =7. O的玻璃的介电常数。应当提到，在光学频率处，玻璃具有 更低的介电常数，即ε γ = 2. 17，这是根据它的折射率η = 1.474计算出来的。使用正方形的太阳能电池。假设太阳能电池具有值为ε γ = 1. 5、tan δ = 10的 介质性质，并且将这些用于该原型的Ansoft HFSS 仿真。太阳能电池的侧面的长度和厚度 分别为W。= 55mm和1. 8mm，而位于背部的它的左右输出引脚高度为0. 2mm。由于太阳能电 池的厚度(1. 8mm)和输出引脚的高度(0. 2mm)，DRA112从基板开始具有2mm的位移。这一 信息被输入到HFSS仿真中。地平面基板的介电常数ε Ys = 2. 33，厚度d= 1.57mm，尺寸 为16X16cm2。它能够充当太阳能电池与地平面之间的附加绝缘体。太阳能电池的输出引 脚连接到伏特计和安培计，以分别测量电压和电流。为了研究DRA112的聚焦效应，用半径 Rc = 15mm的圆形暴露面积来对太阳能电池形成掩模。用非常薄且暗的硬纸作为掩模，但是 这不包含在仿真中。图Ia和图Ib的透明矩形DRA12也制作到原型中且被勘测，以进行非聚焦应用。为 了便于与图加和图2b的聚焦DRAl 12相比较，将矩形DRA12设计为在图加和图2b的其半 球形对应物的谐振频率处进行谐振。利用垂直激发带，DRA12在其基本较宽侧(broadside) 的TE111模式中受激发。图Ia和图Ib显示这种配置，ε γ = 7、W = 50匪、H = 22匪、g = 2mm、d = 1. 57mm, Ws = 12mm和Is = 22mm。在该勘测中再次使用以相同方式遮盖的太阳能 电池。Ansoft HFSS用于仿真每一个原型配置的天线部分，并且利用Agilent8753来完 成测量，以证实结果。首先，在不考虑太阳能电池的情况下(即不存在太阳能电池)研究 DRA与基板之间的空气隙g的效应。图3显示g = O和2mm时的图加和图2b的半球形DRA 的测量和仿真的反射系数，并且对每种情形观察测量和仿真结果之间的合理吻合。参照图 3，能够看出空气隙使测量的谐振频率和阻抗带宽(IS11I ^ -IOdB)分别从1. 92GHz增加到 2. 26GHz、从14%增加到19%。分别测量且得到图1和图2的两个原型DRA(g = O和2mm) 的天线增益位于跨越它们的通频带4-6. SdBi的范围中。可以观察到，带有空气隙的DRA具 有较宽的增益带宽，这是期望的。可以发现，对于每种情形而言，天线增益均在谐振周围 5dBi，这对于DRA而言是典型的。对于半球形DRA112，当g = O时的仿真和测量辐射图案在图4中显示。如从图中所观察到的，沿着(in)轴线方向(θ =0° )，Ε_平面和H-平面二 者的共面极化场比交叉极化场强不止20dB。还仿真且测量g = 2mm时的辐射图案，并且获 得非常相似的结果。接着，勘测具有底层太阳能电池114(图2)的半球形DRA112的特性。图5显示这种 配置的仿真和测量反射系数。如从图中所观察到的，DRA112的测量和仿真的谐振反射系数 分别是1. 94GHz和1. 89GHz，带有2. 65%的误差。测量和仿真的阻抗带宽分别指定为16. 5% 和22. 8%。尽管由于前一个带有空气隙使得这种情形下的DRA112也具有从基板开始2mm 的位移，但是它的测量谐振频率(1. 94GHz)低于空气隙情形的测量谐振频率(2. 26GHz)。这 是因为太阳能电池114增加了 DRA112的有效介电常数的缘故。值得注意的是，依赖于地平 面(g = 0)，测量谐振频率(1. 94GHz)十分接近于DRA的测量谐振频率(1. 92GHz)。参照该 图，在2. 25GHz处测量小谐振模式。该模式是由太阳能电池引起的，其能够被如下事实所证 实即当使用矩形DRA时仍然观察它。仿真结果不会预测这一谐振模式，这并不令人惊讶， 因为太阳能电池的精确介质参数是未知的。图6显示带有或不带有底层太阳能电池的半球形DRA的测量天线增益。参照该图， 在DRA的谐振周围两个天线增益彼此非常接近。这是非常积极的结果，因为它暗示着由于 太阳能电池而造成的损耗小到可以忽略不计。从图中观察到，增益在谐振周围 5. 3dBi。 图7显示测量和仿真的E-和H-平面辐射图案。如从图中所观察到的，沿着轴线方向，共面 极化场比交叉极化场强不止22dB。相干Sabre hnova氩激光器210用在带有DRA12、112的太阳能电池的光学测量 中，并且借助于棱镜215生成波长为488nm的平行蓝光束。Laser 210将平滑的130mW的光 能转向DRA或提供给DRA。为了测量位于不同照明角度(Θ)的太阳能电池的输出，将DRA 放置在旋转器200上，如图8所示。图9显示对于半球形DRA112的太阳能电池测量的输出 电压和电流，分别作为θ的函数。图中所示也是在没有DRA情况下的输出。参照该图，由 于其聚焦效应，利用DRA，对于θ <30°，能够获得较大输出。采用半球形DRA112，在θ = 0°处的输出电压和电流分别增加13. 5%和27. 2%。Rc = 5mm的较小暴露半径也可以用作 掩模。再者，当DRA存在时，对于θ <30°，能够获得较大输出。在这种情形下，利用DRA， θ =0°处的电压和电流的输出分别增加了 11%和21.4%。但是，为简便起见，这里不包 括曲线。在实际应用中，太阳能电池能够与机械旋转器相关联，使得它能够根据需要追踪光 源。在这种情形下，可以将所提出的DRA设计成相控阵(phased array)，从而它能够随着太 阳能电池的旋转来扫描光束。现在描述透明矩形DRA12(图1)的结果。图10显示仿真和测量反射系数，其中它 们对应的输入阻抗在插图中显示。参照该图，矩形DRA12的测量和仿真的谐振频率分别指 定为1. 91GHz和1. 86GHz，带有2. 7%的误差。对于阻抗带宽，测量和仿真的值分别为17. 6% 和15.8%。在测量结果中再次观察由于太阳能电池而造成的谐振。由于介质和激发带负荷 (loading)的变化，它的谐振频率从2. 25GHz稍稍移动到2. 23GHz。还测量透明矩形DRA12 的天线增益。发现它在谐振周围 4. 2dBi。仿真和测量辐射图案在图11中显示。如从图中 所观察到的，沿着轴线方向交叉极化场比共面极化场弱不止25dB，这显示透明矩形DRA12 具有良好的极化纯度。图12显示利用Rc = 15mm的相同的太阳能电池测量的输出电压和 电流。参照该图，矩形DRA12不会增加太阳能电池的输出，建议将矩形DRA12用于不需要聚焦功能的应用。根据结果，能够证实半球形DRA12的聚焦能力。尽管矩形DRA12不提供聚 焦功能，但是它的用于光接收的角度范围比它的半球形对应物宽，并且在太阳能电池板上 面的其透明度的下降比半球形的形式小很多。由硼硅酸盐冕玻璃制成的双或多功能透明半球形DRA12同时用作辐射元件和光 学聚焦透镜。它也能充当用于其底层太阳能电池114的保护覆盖件。由于DRA112是透明 的，所以光能够穿过它并且在底层太阳能电池上照明。因为DRA112的聚焦效应，所以能够 增加太阳能电池的电压和电流输出。系统非常小巧，因为太阳能电池无需任何额外的覆盖 区。使用透明矩形DRA的第二配置更适合于不想要聚焦效应的应用。在本发明的优选实施例的前述描述包括DRA12、112的同时，应当理解，这里描述 的原则同样适用于采用谐振器元件的电子设备或系统的任何电路(无论什么目的)，诸如 滤波器或振荡器电路。本发明的重要方面包括在电路上安装一般的非平面透明谐振器，以 执行所述谐振器元件的公知功能。在电路上安装谐振器元件，从而至少部分占用电路的另 一个部件的覆盖区。另一个部件优选为光处理部件，即处理接收到的光以生成电输出的部 件(诸如太阳能电池)，或者将电能转换成光能的光生成设备(诸如灯或LED)。同样地，通 过以所提出的方式安装谐振器元件，该谐振器元件能够在允许光穿过那里的同时，作为用 于光处理部件的保护覆盖件，甚至增强了光处理部件的性能。事实上，当谐振器元件成形为 透镜等时，通过将光能集中到选择面积上，它能够起增强光处理元件的性能的作用。此外， 谐振器元件不需要其自身的覆盖区，从而节省了电路上的空间，这在小巧设备诸如无线通 信设备的设计与制造中非常有用，尽管本发明不仅限于这些设备。图13示出根据本发明具有DRA的电子系统300。应当理解，图1或图2的DRA能够 用于适合的电子设备或系统中(诸如移动无线手机、个人数字助理(PDA)乃至无线基站)。 事实上，在电子设备包括合并有太阳能电池的DRA的情况下，该设备可以包括需要自续电 源和与其它设备或系统进行无线通信的能力的任何电子设备。例如，具有根据本发明的太 阳能电池和DRA组合的停车计时器，具有自续电源，以便于当该计时器需要倒空或维持等 时，对该计时器和与控制中心对话的无线通信的装置进行操作。图13的电子系统300包 括外壳310，包含控制和操作电路；以及根据本发明至少一个组合的太阳能电池和DRA模 块315，由此，通过其DRA将照射到外壳310上的光传送到至少一个模块315的太阳能电池 (未示出)。可替换地，该电子系统300可包括关于太阳能电池(或除了太阳能电池以外) 的其它形式光学部件，由此由所述光学部件发出的光通过作为光导或光路径的DRA被传送 到电子系统的外壳310的外部。在图13特别示出的电子系统300的实施例中，提供了一种无线通信设备，具有无 线信号发射链320和无线信号接收链330。无线信号发射链320包括消息格式化或生成模 块321，后面有选择地跟随编码模块322。编码模块322后面跟随调制器323和信号发射模 块324。无线信号发射链320通过组合DRA与光学部件模块31 来完成。本领域技术人员 将会理解包括有无线信号发射链320的每一个模块的功能和目的。在组合DRA与光学部件 模块31 的情形下，DRA作为用于发射链320的信号辐射器(即天线)。光学部件可以包 括用于生成电子系统300的电力的太阳能电池，或者用于生成电子系统300的光输出信号 的灯或LED。在前一情形下，DRA包括如图1或图2所述的根据本发明的DRA，在后一情形 下，DRA包括如图14所述的根据本发明的DRA，如下文所述。
12
无线信号接收链330包括消息重新格式化或接收模块331，后面有选择地跟随解 码模块332。解码模块332后面跟随解调器333和信号接收模块334。无线信号接收链330 通过组合DRA与光学部件模块31 来完成。再者，本领域技术人员将会理解包括有无线信 号接收链330的每一个模块的功能和目的。在组合DRA与光学部件模块31 的情形下， DRA作为用于接收链330的信号辐射器(即天线)。光学部件可以包括用于生成电子系统 300的电力的太阳能电池，或者用于生成电子系统300的光输出信号的灯或LED。再者，在 前一情形下，DRA包括如图1或图2所述的根据本发明的DRA，在后一情形下，DRA包括如图 14所述的根据本发明的DRA，如下文所述。应当注意，组合模块315a，b其中的一个可包括 用于生成电子系统300的电力的光学部件(诸如太阳能电池)，而另一个可包括用于所述电 子系统300的光生成装置(诸如灯或LED)。本领域技术人员将会认识到能够在采用无线信号辐射元件(天线)和光学部件的 任何设备或系统中利用本发明的至少一个组合的DRA和光学部件模块315a，b，以发射或接 收光处于光学频率处的光。此外，本领域技术人员将会认识到，在电子系统包括滤波器或振荡器电路或某些 其它类型的电子电路的情况下，该系统可以在光学部件模块不包括DRA但是包括用于滤波 器、振荡器或其它这类电路的谐振器部件的情况下，使用至少一个组合的谐振器部件和光 学部件模块，这对于本领域技术人员而言是熟悉的。在上面描述的主要实施例涉及介质谐振器的同时，本发明还可应用于包括中空腔 的谐振器、偶极谐振器和其它类型的谐振器但不包括微带片或缝隙谐振器的电子系统。本 发明的关键特征是在谐振器元件分享另一个部件的覆盖区的至少一部分但是允许光朝向 和/或远离所述另一个部件穿过谐振器元件的情况下，尤其是所述另一个部件是光处理或 生成部件的情况下，电路中的光可发射谐振器元件的使用。本发明一般设想以前述方式利 用电路中的非平面透明谐振器。更具体而言，本发明提供一种包括DRA的电子设备，其中DRA用作所述电子设备的 天线并且所述DRA位于所述设备中，从而使得DR元件位于拦截沿所述设备的光路径传播的 光的位置处。在某些实施例中，电子设备包括用于从照射到所述设备上的光生成电力的设 备，其中所述电力生成设备位于使得照射到所述设备上的光通过至少部分DRA的DR元件进 行传播的位置处。在前述优选实施例中，谐振器元件可以是介质谐振器天线(DRA)的谐振器元件， 所述DRA包括布置在DRA阵列或DRA反射阵列中的多个DRA其中之一。天线阵列是用于增 加天线系统增益的天线的矩阵。当然也可以看出，本发明提供一种制造DRA的方法，该DRA包括提供这样一种DRA， 其具有DR元件、地平面、用于DR元件的带馈线、以及根据在光学频率处可发射光的材料形 成DR元件。最后，应当注意，DRA的透明特征能够得到其它光学应用。例如，如图Ha和图14b 所示，光源414(例如LED或灯)能够被放置在位于电路410上的透明DRA412的中空区域 423内，以提供用作天线的灯。该实施例的位于DRA内的光学部件(灯或LED)乃至除了天 线之外的部件的谐振器元件与图1和图2的电路10、110分享相似之处，因而，由“4”开头 的相似附图标记用于表示相似部分。
控制电磁辐射的传播的能力在许多不同的技术领域(诸如光纤系统和电子设备) 中都是很重要的。在许多电子和光学设备中，用于控制电磁辐射的传播的设备能够形成重 要部件。例如，为了生成编码信号，将调制器用于光纤系统中以对载波信号的强度进行调 制。调制器也能够形成包括电子设备和光电子设备的光子集成电路(“PIC”)中的重要部 件。Pic是电子集成电路的光子等价物，并且可在形成电子和光电子设备的基底的半导体基 板上实现。作为一个实例，调制器能够用来对在位于同一基板上的不同电子设备或不同功 能电路之间进行通信的光学信号进行调制。谐振器电路或元件形成光纤系统、PIC和其它 电子设备及系统的重要组成部分。参照附图的以上描述的根据本发明的谐振器元件或谐振 器设备的参考被认为是被合并到用于光纤系统、Pic和其它电子设备及系统的这些谐振器 元件或设备的参考。在于此随附的权利要求中，电子电路或电子系统的参考被认为是包括有光子集成 电路或系统及光电子电路或系统的参考。通常，本发明提供一种用于具有非平面透明谐振器的设备的电路。透明谐振器被 安装在所述电路上，从而至少部分地占用电路的另一个部件的覆盖区。透明谐振器在所述 电路上形成光路径的部分，以将光发射到另一个部件或从另一个部件发射光。为了光学应 用，还提供一种透明介质谐振器天线(DRA)。由于DRA是透明的，所以它能够让光穿过其自 身，因而光能够被系统或设备的光学部分利用。透明DRA可以被放置在太阳能电池的顶部。 由于DRA不阻挡光，因此光能够到达太阳能电池板且能够为系统或设备生成电力。这样获 得的系统非常小巧，因为在系统内，DRA不需要额外的覆盖区。在需要自我保持电力设备的 小巧的无线应用设备中，它能够得到应用。虽然在附图和前述说明中已经详细示出且描述了本发明，但是可以将其认为是示 意性的而不是用于限制本发明的特性，应当理解，显示和描述的仅仅示例性的实施例，而不 以任何方式限制本发明的保护范围。应当注意，这里描述的任何特征均可用于任意实施例。 示意性实施例并不是彼此不包含，也不是不包含这里没有叙述的其它实施例。因此，本发明 还提供包括一个或多个上面描述的示意性实施例的组合的实施例。在不脱离其精神和范围 的情况下，能够对这里列举的本发明进行修改和变形，因此，仅那些应被强加的限制通过随 附的权利要求指出。在随附的权利要求和本发明的前述描述中，除了由于表述语言或必要的含义而在 上下文中另有需要以外，词语“包括”或变形诸如“包括了”或“包括有”用于包含的意义，也 就是在本发明的各个实施例中指定罗列的特征的出现，但是并不排除更多的特征的出现或 加入。要理解的是，如果这里引用了任何先前技术公布，则在澳大利亚或任何其它国家， 这种引用不会构成对所述公布形成本领域公知常识一部分的承认。
权利要求
1.一种用于具有非平面透明谐振器的电子设备的电路，其中，该透明谐振器安装在所 述电路上，从而至少部分地占用该电路的另一个部件的覆盖区，并且其中，所述透明谐振器 形成光路径的部分，以将光发射到所述另一个部件或者从所述另一个部件发射光。
2.如权利要求1所述的电路，其中，该另一个部件是光学部件，该光学部件布置为经由 该光路径生成用于发射的光，或者经由所述光路径处理在那里接收到的光。
3.如权利要求1所述的电路，其中，该谐振器元件成形为使照射到其表面上的光聚焦。
4.如权利要求1所述的电路，其中，包括有该谐振器元件的材料对于处于和/或超过光 学频率的光而言是透明的。
5.如权利要求1所述的电路，其中，该谐振器元件的材料包括硼硅酸盐玻璃。
6.如权利要求1所述的电路，其中，该谐振器元件成形为使得照射到所述谐振器元件 的表面上的光通过该谐振器元件朝向该谐振器元件的另一表面的选择区聚焦。
7.如权利要求1所述的电路，其中，该谐振器元件是介质谐振器天线即DRA的谐振器元 件，所述DRA包括布置在DRA阵列或DRA反射阵列中的多个DRA其中之一。
8.一种介质谐振器天线‘DRA’，包括 介质谐振器元件；地平面；以及带馈线，用于该介质谐振器元件；其中，包括有该介质谐振器元件的材料包括能够发射处于光学频率处的光的材料。
9.如权利要求8所述的介质谐振器天线，其中，包括有该介质谐振器元件的材料对于 处于光学频率处的光是透明的。
10.如权利要求8所述的介质谐振器天线，其中，该介质谐振器元件的材料包括硼硅酸盐玻璃。
11.如权利要求8所述的介质谐振器天线，其中，该介质谐振器元件成形为使得照射到 所述介质谐振器元件的表面上的光通过该介质谐振器元件来聚焦。
12.如权利要求11所述的介质谐振器天线，其中，该介质谐振器元件是半球形的，且限 定半球形的表面包括有光照射表面。
13.如权利要求8所述的介质谐振器天线，其中，该介质谐振器元件成形为使得照射到 所述介质谐振器元件的表面上的光通过该介质谐振器元件朝向该介质谐振器元件的另一 表面的选择区聚焦。
14.如权利要求8所述的介质谐振器天线，其中，该介质谐振器天线包括多个DRA其中 之一，所述多个DRA布置在用于电路或系统的DRA阵列或DRA反射阵列中。
15.一种包括介质谐振器天线‘DRA’的电子设备，包括 介质谐振器元件；地平面；以及带馈线，用于该介质谐振器元件；其中，包括有该介质谐振器元件的材料包括能够发射处于光学频率处的光的材料；以及其中，该介质谐振器天线用作所述电子设备的天线，并且其中，所述介质谐振器天线位 于所述设备中，从而使得该介质谐振器元件位于拦截沿所述设备的光路径传播的光的位置处。
16.如权利要求15所述的电子设备，其中，该介质谐振器元件的至少一部分限定该电 子设备的光路径。
17.如权利要求15所述的电子设备，其中，该介质谐振器元件的至少一部分在允许沿 所述光路径传播的光到达所述电子设备的同时，包括用于该电子设备的电子部件的保护覆盖件。
18.如权利要求15所述的电子设备，其中，该电子设备包括光发射元件，其中，所述光 发射元件位于使得来自于所述光发射元件的光通过该介质谐振器天线的该介质谐振器元 件的至少一部分发射的位置处。
19.如权利要求15所述的电子设备，其中，该电子设备包括用于从照射到所述设备上 的光生成电力的设备，其中，所述电力生成设备位于使得照射到所述设备上的光通过该介 质谐振器天线的该介质谐振器元件的至少一部分进行传播的位置处。
20.如权利要求19所述的电子设备，其中，该电力生成设备包括太阳能电池设备。
21.如权利要求20所述的电子设备，其中，该介质谐振器元件成形为使得照射到所述 介质谐振器元件的表面上的光通过该介质谐振器元件朝向所述太阳能电池的光接收部分 聚焦ο
22.如权利要求20所述的电子设备，其中，该电力生成设备从照射到所述电子设备上 并且通过该介质谐振器天线的该介质谐振器元件传送到所述电力生成设备的光为所述电 子设备生成电力。
23.如权利要求15所述的电子设备，包括布置在阵列或反射阵列中的多个介质谐振器 天线，以增加电路或系统的天线增益。
24.一种制造介质谐振器天线‘DRA’的方法，该介质谐振器天线‘DRA’包括介质谐振器元件；地平面；以及带馈线，用于该介质谐振器元件；其中，包括有该介质谐振器元件的材料包括能够发射处于光学频率处的光的材料；该方法包括如下步骤提供一种介质谐振器天线‘DRA’，该介质谐振器天线‘DRA’具有介质谐振器元件、地 平面、及用于该介质谐振器元件的带馈线；以及由能够发射处于光学频率处的光的材料形成该介质谐振器元件。
全文摘要
提供用于电路及天线应用的光可发射谐振器，及用于具有非平面透明谐振器的电子设备的电路。透明谐振器安装在所述电路上，以至少部分地占用该电路的另一部件的覆盖区。透明谐振器在所述电路上形成光路径的部分，以将光发射到所述另一部件或者从所述另一部件发射光。还提供一种透明介质谐振器天线(DRA)用于光学应用。由于DRA是透明的，所以它能够让光穿过自身，因而光能够被系统或设备的光学部分利用。透明DRA可被放置在太阳能电池的顶部。由于DRA不阻挡光，因此光能够到达太阳能电池板且能够为系统或设备生成电力。这样获得的系统或设备非常小巧，因为DRA在系统或设备内不需要额外的覆盖区。在需要自我保持电力设备的小巧无线应用中，它能够得到应用。
文档编号H01Q9/04GK102110886SQ201010569660
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月24日 优先权日2009年11月24日
发明者林影福, 梁国华 申请人:香港城市大学