异向材料天线设备的制作方法

异向材料天线设备的制作方法
【专利摘要】提供了一种异向材料天线设备，包括：位于基片的第一表面上的地电极；位于基片的第二表面上的第一导电膜片；电磁耦合到导电膜片的馈电结构；连接到导电膜片的第一电感元件；和位于基片的第一表面上的第二电感元件，所述第二电感元件将第一电感元件连接到地电极。其中所述导电膜片、第一电感元件、第二电感元件和地电极的至少一部分被构造为形成复合左右手CRLH结构；并且其中所述地电极整个位于导电膜片从第二表面投影到第一表面上的覆盖区的投影的外部。
【专利说明】异向材料天线设备
[0001]本申请是申请日为2007年4月27日、申请号为200780024716.3 (国际申请号为PCT/US2007/067696)、发明名称为“基于异向材料结构的天线、设备和系统”的发明专利申请的分案申请。
[0002]优先权的权利要求和相关的申请
[0003]本申请要求下列美国临时专利申请的权益:
[0004]1、序列号为 60/795,845,题为 “Compact Multiple Input MultipleOutput (ΜΙΜΟ) Antenna Systems Using Metamaterials”，并于 2006 年 4 月 27 日提交的；
[0005]2、序列号为60/840，181,题为“Broadband and Compact Multiband MetamaterialStructures and Antennas”，并于 2006 年 8 月 25 日提交的；以及
[0006]3、序列号为60/826，670,题为“Advanced Metamaterial Antenna Sub-Systems,并于2006年9月22日提交的。
[0007]通过引用的方式将上面的申请的公开并入，作为本申请的说明书的部分。
【技术领域】
[0008]本申请涉及异向材料(metamaterial, MTM)结构及其应用。
【背景技术】
[0009]电磁波在大多数材料中的传播对于(E，H，β )矢量场遵守右手法则，其中E为电场，H为磁场,而β为波矢(wave vector)。相速度的方向与信号能量传播(群速度(groupvelocity))的方向相同，并且折射率为正数。这样的材料为“右手的” (right handed, RH)。大多数自然材料是RH材料。人工材料也能够是RH材料。
[0010]异向材料是一种人工结构。当以结构化平均单位单元尺寸P来设计时，该尺寸P远小于由异向材料引导的电磁能量的波长，对于所引导的电磁能量，异向材料能够表现得像均匀介质一样。与RH材料不同，异向材料能够呈现负的折射率，其中相速度的方向与信号能量传播的方向相反，在所述信号能量的传播中(E，H，β )矢量场的相对方向服从左手法贝U。仅支持负折射率的异向材料为“左手的”(left handed，LH)异向材料。
[0011]许多异向材料为LH异向材料和RH材料的混合，从而为复合的左右手的(Composite Left and Right Handed, CRLH)异向材料。CRLH异向材料能够在低频处表现得像LH异向材料一样，而在高频处表现得像RH材料一样。在Caloz和Itoh的“Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and MicrowaveApplications” (John ffiley&Sons, 2006)中，描述了各种各样的CRLH异向材料的设计和特性。Tatsuo Itoh 在 “ Invited paper: Prospects for Metamaterials,，，(ElectronicsLetters, vol.40, N0.16，2004年8月)中描述了 CRLH异向材料和它们在天线中的应用。
[0012]能够构造并制造CRLH异向材料以呈现为了特定应用而定制的电磁特性，并且能够将所述CRLH异向材料用于其中使用其他材料可能为困难的、不切实际的或不能实行的应用中。此外，可以使用CRLH异向材料来发展新的应用并构建用RH材料不可能构建的新设备。

【发明内容】

[0013]其中，本申请描述将一个或多个复合左右手(CRLH)异向材料结构用于处理并操纵电磁波信号中的技术、装置和系统。能够基于CRLH异向材料结构来形成天线、天线阵和其他RF (Radio Frequency,射频)设备。例如，能够将所描述的CRLH异向材料结构用于无线通信RF前端和天线子系统中。
[0014]在一种实施方式中，所描述的设备包括异向材料天线设备。该异向材料天线设备包括:位于基片的第一表面上的地电极；位于基片的第二表面上的第一导电膜片；电磁耦合到导电膜片的馈电结构；连接到导电膜片的第一电感元件；和位于基片的第一表面上的第二电感元件，所述第二电感元件将第一电感元件连接到地电极。其中所述导电膜片、第一电感元件、第二电感元件和地电极的至少一部分被构造为形成复合左右手CRLH结构；并且其中所述地电极整个位于导电膜片从第二表面投影到第一表面上的覆盖区的投影的外部。
[0015]在一种实施方式中，所描述的设备包括彼此间隔并被构造为形成复合左右手(CRLH)异向材料结构的天线元件。每一天线元件的尺寸为与CRLH异向材料结构谐振的信号的波长的十分之一，并且两个相邻的天线元件相互间隔该波长的四分之一或更小。
[0016]在另一种实施方式中，设备包括天线，在基片上形成，并且包括被构造为形成复合左右手(CRLH)异向材料结构的单位单元；和RF电路元件，在第二 CRLH异向材料结构中的基片上形成，并被耦合到天线。
[0017]在再一种实施方式中，设备包括在基片上形成并包含天线元件的天线阵。每一天线元件被构造为包括形成复合左右手(CRLH)异向材料结构的单位单元。在基片上形成信号滤波器，并且将每一信号滤波器耦合到天线阵的各自的天线元件的信号通路。所述设备还包括在基片上形成的信号放大器，其中将每一信号放大器耦合到天线阵的各自的天线元件的信号通路。在基片上形成模拟信号处理电路，并将其经由信号滤波器和信号放大器耦合到天线阵。模拟信号处理电路可操作用于处理被导向天线阵的信号或从所述天线阵接收的信号。
[0018]在再一种实施方式中，设备包括:电介质基片，在第一侧上具有第一表面，并在与第一侧相对的第二侧上具有第二表面；导电膜片，在第一表面上形成并且彼此分离；接地导电层，在第二表面上形成；导电通路连接器，在基片中形成以将导电膜片连接到接地导电层，以分别形成单位单元，而所述每一单位单元包含具有在第一表面上的、各自的导电膜片的容积(volume)，和将各自的导电通路连接到接地导电层的各自的通路连接器；和导电馈线，具有位于导电膜片之中的一个导电膜片附近并被电耦合到该个导电膜片的远端。所述设备被构造为从单位单元形成复合左右手(CRLH)异向材料结构，并且每一单位单元的尺寸不大于与CRLH异向材料结构谐振的信号的波长的六分之一。
[0019]在再一种实施方式中，设备包括:电介质基片，在第一侧上具有第一表面，并在与第一侧相对的第二侧上具有第二表面；导电膜片，在第一表面上形成并彼此分离；接地导电层，在第二表面上形成；和导电通路连接器，在基片中形成以将导电膜片分别连接到接地导电层，以便形成多个单位单元。每一单位单元包括具有在第一表面上的、各自的导电膜片的容积和将各自的导电通路连接到接地导电层的、各自的通路连接器。所述设备被构造为从单位单元形成复合左右手(CRLH)异向材料结构，并且接地导电层被制成(patterned)具有在各自的导电膜片下方的维度，以比各自的导电膜片的尺寸更小。
[0020]在再一种实施方式中，设备包括:电介质基片，在第一侧上具有第一表面，并在与第一侧相对的第二侧上具有第二表面；导电膜片，在第一表面上形成并彼此分离以形成二维阵列；导电馈线，在第一表面上形成并被电连接到所述导电膜片中的一个；接地导电层，在第二表面上形成；和导电通路连接器，在基片中形成以将导电膜片分别连接到接地导电层，以便在呈现空间各向异性的二维阵列中形成单位单元。每一单位单元包括具有在第一表面上的、各自的导电膜片的容积和将各自的导电通路连接到接地导电层的、各自的通路连接器。所述设备被构造为从单位单元形成复合左右手(CRLH)异向材料结构，并且将导电馈线耦合到单位单元，所述单位单元偏离二维阵列的对称位置以在两个不同的频率处激发两种模式。
[0021]在再一种实施方式中，设备包括:电介质基片，在第一侧上具有第一表面，并在与第一侧相对的第二侧上具有第二表面；导电膜片，在第一表面上形成并彼此分离以形成二维阵列；第一导电馈线，在第一表面上形成并被电耦合到所述导电膜片中的一个，所述导电膜片中的一个为沿着沿第一方向的二维阵列的中心对称线的；第二导电馈线，在第一表面上形成并被电耦合到所述导电膜片中的一个，所述导电膜片中的一个为沿着沿第二方向的二维阵列的中心对称线的；接地导电层，在第二表面上形成；和导电通路连接器，在基片中形成以将导电膜片分别连接到接地导电层，以便在二维阵列中形成单位单元。每一单位单元包括具有在第一表面上的、各自的导电膜片的容积和将各自的导电通路连接到接地导电层的、各自的通路连接器。所述设备被构造为从单位单元形成复合左右手(CRLH)异向材料结构，并且由单位单元形成的CRLH异向材料结构为空间各向异性的，以便在两个不同的频率处支持两种模式，所述两种模式分别在第一馈线和第二馈线中。
[0022]在再一种实施方式中，设备包括:异向材料天线，包含电介质基片；公共的导电层，在电介质基片的一侧上形成；导电衬垫的阵列，在电介质基片的另一侧上彼此间隔，并与所述电介质基片接触；和导电通路连接器，将导电衬垫分别连接到公共导电层。金属材料的天线被构造为呈现在第一频率处的、沿着异向材料天线的第一方向的第一谐振和在不同的第二频率处的、沿着异向材料天线的第二方向的第二谐振。所述设备还包括第一导电馈线，被耦合到异向材料以引导在第一频率处的信号；第二导电馈线，被耦合到异向材料天线以引导在第二频率处的信号；和频分双工(FDD)电路，包含被连接到第一导电馈线以接收在第一频率处的信号的接收机端口，并包含被连接到第二导电馈线以产生在第二频率处的发送信号的发送端口，所述在第二频率处的发送信号被导向用于发送的异向材料天线。没有被耦合于异向材料天线和FDD电路之间的分频双工器。
[0023]在再一种实施方式中，描述了一种方法，包括:提供复合左右手(CRLH)异向材料结构，包含单位单元，由基片的一侧形成的、分离的导电膜片在电介质基片上形成；接地导电层，在基片的另一侧上形成；和多个导电通路连接器，在基片中形成以将导电膜片分别连接到接地导电层。本方法包括将导电馈线耦合到CRLH异向材料结构以激发TE模式，所述TE模式为右手TEM模式和左手TEM模式的混合，以在每一 TE模式中获得比TEM模式中的每一种模式中的带宽更宽的带宽。
[0024]在再一种实施方式中，设备包括:天线阵；RF电路元件，被电耦合到天线阵；和模拟RF电路，被耦合到RF电路元件。RF电路元件包括复合左右手(CRLH)异向材料结构。
[0025]在再一种实施方式中，设备包括:RF收发模块，用以发送并接收RF信号。RF收发模块包括天线阵，其包含彼此间隔并被构造以形成复合左右手(CRLH)异向材料结构的天线元件。每一天线元件的尺寸为大于与CRLH异向材料结构谐振的信号的波长的十分之一。两个相邻的天线元件相互间隔等于或大于波长的六分之一的间距。RF收发模块能够为无线接入点或基站。
[0026]所描述的CRLH异向材料结构能够用于获得一个或更多优点，包括在不同的信号信道之间的减少的干扰、改进的波束形成与调零、用于减少的天线和天线阵的形状因子、设计RF电路元件与设备的灵活性和减少的制造成本。
[0027]在附图、说明书和权利要求中更加详细地描述这些及其他的实施方式。
【专利附图】

【附图说明】
[0028]图1示出CRLH异向材料的色散曲线。
[0029]图2示出有四个MTM单位单元的一维阵列的CRLH MTM设备的示例。
[0030]图2A、图2B和图2C说明在图2内的每一 MTM单位单元中的部分的电磁特性和功能以及各自的等效电路。
[0031]图3说明基于MTM单位单元的二维阵列的CRLH MTM设备的另一个示例。
[0032]图4示出包括一维或二维阵列中形成的并且以CRLH MTM结构的天线元件的天线阵的示例。
[0033]图5说明基于图4中的天线阵的MMO天线子系统。
[0034]图6A和图6B示出对于CRLH MTM天线子系统的无线应用的两个示例。
[0035]图7示出实现图6A和图6B的无线通信系统的示例。
[0036]图8A、图8B、图9A、图9B和图9C说明在无线发送和接收无线通信中的各种各样的条件。
[0037]图10说明在无线网络中的控制算法的一个示例。
[0038]图11示出有四个单位单元的CRLH MTM传输线的示例。
[0039]图11A、图11B、图11C、图12A、图12B和图12C示出在传输线模式和天线模式之一中、在不同条件下图11中的设备的等效电路。
[0040]图13A和图13B示出沿着图11内的设备中的beta曲线的谐振位置的示例。
[0041]图14A和图14B示出具有被截切的接地导电层设计的CRLH MTM设备的示例。
[0042]图15A和图15B示出具有被截切的接地导电层的设计的CRLH MTM设备的另一个示例。
[0043]图16A至图19D示出CRLH MTM天线的示例。
[0044]图20A - 20E示出基于二维单位单元的空间各向异性设计的双端口、双频CRLHMTM天线系统的示例。
[0045]图20F示出图20A中的天线的性能。
[0046]图20G示出基于图20A中的天线的FDD设备。
[0047]图2IA — 2IE示出单端口、双频CRLH MTM天线的示例。
[0048]图22、图23、图24、图25、图26和图27示出基于CRLH MTM天线或RF电路元件的装置和子系统的示例。
【具体实施方式】
[0049]对于三重矢量(E，H，β )，纯粹的LH材料服从左手法则，并且相速度方向与信号能量传播相反。介电常数和磁导率两者都为负的。CRLH异向材料依赖于操作的方式(regime)和频率呈现左手和右手电磁传播模式两种模式。在某些境况之下，当波矢为零时它能够呈现非零的群速度。当左手和右手模式两种模式平衡时出现所述情况。在不平衡的模式中，存在禁止ω以不同于零的群速度穿越(cross)的带隙(bandgap)。也就是，0((0。)=0为在左右手模式之间的转变点(transition point)，而在所述转变点中被引导的波长为无限的，λ g=2 31 / β I —c?，同时群速度为正的:
[0051]该状态相应于在LH左手区域内的传输线(TL)实现方式中的零阶模式m=0。CRLH结构支持具有服从负的β抛物线区域的色散关系的低频精细频谱(fine spectrum)，其允许建立物理上小型设备，该物理上小型设备具有电学上的、在操作并控制近场辐射图案方面强大的独特能力。当该TL被用作零阶谐振腔(Zeroth Order Resonator, Z0R)时,它允许横过整个谐振腔的固定幅度(constant amplitude)和相位谐振。能够使用ZOR模式以建立基于MTM的功率合成器/分离器(power combiner/splitter)、定向賴合器(directionalcoupler)、匹配网络(matching networks)和漏波天线(leaky wave antenna)。
[0052]在RH TL谐振腔中，谐振频率相应于电学长度0m=i3ml=mji，其中I为TL的长度，并且m=l，2，3，……。TL长度应该长到达到谐振频率的低的并且更宽的频谱。纯粹的LH异向材料的工作频率为低频。CR`LH异向材料结构非常不同于RH和LH异向材料，并能够被用于达到RH和LH材料的RF频谱范围的高频谱区域和低频谱区域两者。
[0053]图1示出平衡CRLH异向材料的色散曲线。CRLH结构能够支持低频的精细频谱，并产生包括有转变点m=0的更高频率，该转变点相应于无限长波长。这允许具有定向耦合器、匹配网络、放大器、滤波器和功率合成器与分离器的CRLH天线元件的无缝集成。在某些实现方式中，可以用诸如定向耦合器、匹配网络、放大器、滤波器和功率合成器与分离器这样的CRLHMTM结构来做RF或微波电路和设备。能够使用基于CRLH的异向材料以建立电子控制的漏波天线作为漏波在其中传播的单个的大型天线元件。所述单个的大型天线元件包括间隔开以便生成能够被操控的窄束的多个单元。
[0054]图2示出有四个MTM单位单元的一维阵列的CRLH MTM设备200的示例。电介质基片201用以支撑MTM单位单元。四个导电膜片211在基片201的上表面上形成，并且彼此间隔而没有直接的接触。两个相邻膜片211之间的间隙220被设置为允许它们之间的电容耦合。相邻的膜片211可以以各种各样的几何形状相接。例如，每一膜片211的边缘可以具有相互交叉的形状，来与另一个膜片211的相应相互交叉的边缘交织，以便获得增强的膜片到膜片的耦合。在基片201的底面上，形成接地导电层202并且其对不同的单位单元提供公共的电接触。可以在接地导电层202上绘制图案以获得设备200的期望特性或性能。在基片201中形成导电通路连接器(conductive via connector) 212,以将导电膜片211分别连接到接地导电层202ο在该设计中，每一MTM单位单元包括这样的体积(volume),其具有在上表面上的各个导电膜片211、和将各个导电膜片211连接到接地导电层202的各个通路连接器212。在本示例中，导电馈线230在上表面上形成并且具有一个远端(distalend)，该远端位于单位单元的一维阵列的一端处的单位单元的导电膜片211附近，但与该导电膜片211分离。
[0055]可以在单位单元附近形成导电发射衬垫(conductive launching pad),馈线230连接到发射衬垫并且电耦合到单位单元。所述设备200被构造为从单位单元形成复合的左右手(CRLH)异向材料结构。所述设备200能够是经由膜片211发送或接收信号的CRLH MTM天线。还能够通过耦合在MTM单元的一维阵列的另一末端上的第二馈线，来从所述结构构建CRLH MTM传输线。
[0056]图2A、图2B和图2C说明在图2内的每一 MTM单位单元中的部分电磁特性和功能以及各自的等效电路。图2A示出在每一膜片211和接地导电层202之间的电容耦合和由于沿着顶部膜片211的传播而造成的感应。图2B示出在两个相邻膜片211之间的电容耦合。图2C示出通过通路连接器212的电感耦合。
[0057]图3说明基于MTM单位单元310的二维阵列的CRLH MTM设备300的另一个示例。可以将每一单位单元310构建为图2中的单位单元。在本示例中，单位单元310具有不同的单位结构，并且包括另一个导电层350在金属-绝缘体-金属(MM)结构中的顶部的膜片211下面，以便增强两个相邻单位单元310之间的左手电容CL的电容耦合。能够通过使用两个基片和三个金属层来实现所述单元的设计。如所示的那样，导电层350具有对称地围绕通路连接器212并与所述通路连接器212分离的导电盖。在基片201的上表面上形成两条馈线331和332，以便沿着阵列的两个正交方向分别耦合到CRLH阵列。馈电器发射衬垫341和342在基片201的上表面上形成，并且与它们各自的、单元的膜片211间隔，馈线331和332分别耦合到所述单元的膜片。对于各种各样的应用，能够将所述二维阵列用作为CRLH MTM天线，包括双频天线。
[0058]图4示出天线阵400的示例，其包括在支撑基片(support substrate)401上的一维和/或二维阵列中形成的天线元件410。每一天线元件410均为CRLH MTM元件，并且包括分别在特殊单元结构(例如，在图2或图3中的单元)中的一个或更多CRLH MTM单位单元412。对于天线阵400，每一个天线元件410中的CRLH MTM单位单元412可以直接在基片401上形成，或者在接合到基片401的、分离的电介质基片411上形成。可以以各种各样的配置将两个或更多CRLH MTM单位单元412布置在每一个天线元件中，包括一维阵列或二维阵列。还在图4中示出针对每一单元的等效电路。能够制造CRLH MTM天线元件以支持在天线阵400中的期望功能或特性，例如，宽带、多带或超宽带操作。
[0059]通过使用由多个发送器/接收器使能的多个不相关的通信通路，在相同的时间和位置处、在相同的频带上发送和/或接收多个流的技术。该方法已知为多入多出(MultipleInput Multiple Output, ΜΙΜΟ),其为智能天线(Smart Antenna, SA)的特殊情况。
[0060]图5说明基于具有图4中的CRLH MTM天线元件410的天线阵400的MMO天线子系统500。能够将每一天线元件410连接到滤波器510和放大器520以形成信号链。滤波器510和放大器520还可以为CRLH MTM设备。模拟信号处理设备530被提供为在天线元件410和MMO数字信号处理单元之间的接口。可以将所述MMO天线子系统500用于各种各样的应用中，包括诸如WiFi路由器这样的无线接入点(AP)、在无线网络中的BS和用于计算机和其他设备的无线通信USB连接器(USB dongle)或卡(例如，高速PCI卡或PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association,个人计算机内存卡国际联合会)卡)。
[0061]图6A示出基于CRLH MTM天线610的无线订户站601。订户站601能够为被预订到无线通信网络并与所述无线通信网络通信的PDA、移动电话、膝上型计算机、桌面计算机或其他无线通信设备。能够使用CRLH MTM结构来将CRLH MTM天线610设计为紧凑型的。例如，每一MTM单位单元能够具有小于与CRLH异向材料结构谐振的信号的波长的六分之一或十分之一的尺寸，并且两个相邻的MTM单位单元相互间隔该波长的四分之一或更小。在一种实施方式中，CRLH MTM天线610可以为MIMO天线。在本申请中的CRLH MTM设计和技术的实现可以组合MIMO和CRLH MTM技术，以将多个信道，例如两个或四个信道，提供到小型设备601中。
[0062]图6B示出在无线通信系统内的BS或AP602中使用的CRLH MTM天线620。不同于图6A中的示例，可以将相对大的CRLH MTM天线阵用作为天线620。例如，可以将图5中的天线子系统用于BS或AP602中。再例如，可以将具有多个CRLH MTM单位单元的CRLH MTM漏波天线用作为天线620。
[0063]图7示出实现图6A和图6B中的设计的无线通信系统。图7中的无线通信系统使用空气中的电磁波以提供各种各样的通信服务。对于更高的通信速度以支持新兴的宽带应用的需要正在通过优化频谱利用率以及位/秒/赫兹的数目，将无线通信技术推动到“最新的前沿”，以便克服在优化功率效率时的RF频谱缺乏和高成本。在无线通信系统的数字信号处理子系统中，通过达到由所需的误码率(BER)和信噪比(SNR)参数规定的“Shannon容量”限制来完成优化。对于不同的应用和目标部署方案，已经确认了改进信道容量的最佳压缩、编码和调制技术。这些先进的数字技术推动所能够达到的dB增益的最后一片，这使得工程师除了征服最新的无线通信前沿“空气接口”、例如模拟空间之外别无选择。从而，有了这样的想法:通过使用由多个发送器/接收器使能的多个不相关的通信通路，在相同的时间和位置处、在相同的频带上发送和/或接收多个数据流。该技术已知为ΜΜ0，其为SA的特殊情况。智能天线指的是能够使波束在最佳的视距(Line of Sight,L0S)方向上成形并操控所述波束的空气接口子系统。在接收侧上，这些天线能够通过执行简单并且先进的测向(direction finding)技术,将沿着Tx-Rx通信通路的Rx天线增益最大化。此外,这些技术还能够应用调零权重(nulling weight)以最小化或者甚至消除不想要的干扰信号，从而改进Tx-Rx SNR。
[0064]用每个元件的“权重”指代由各种各样的馈网络驱动的天线元件的阵列构成的SA，这些馈网络动态地调整Tx信号相位、振幅或两者。依赖于孔的几何形状和对称性，这些定相阵列天线能够为窄束的、宽带的或甚至为频率无关的。在九十年代，已经将SA概念延伸到包括其它数字信号处理技术，这些数字信号处理技术影响多径干扰(Multipathinterference ),而非消除它。所述将初始SA进行延伸的、不同类型的算法集中于沿着传统的LOS SA的非视距(NLOS)链接。定义了两种类型的算法，以便在链接的两侧使用Tx和Rx天线阵列、元件、RF链和平行编码的数字信号处理算法，来推动更多的位/秒/赫兹。
[0065]无线系统可以被设计为使用具有多个天线的收发器以供输入和输出，并且可以被称为MMO系统。MIMO天线为SA设备，并且天线在MMO系统中的发送器和接收器二者的使用开发了 NLOS多径传播，以提供许多好处，包括在容量和频谱效率上的提高、减小由于分集造成的裳落和提闻对干扰的抵抗力。
[0066]端到端系统模型应该包括其中将信号发送到空气中的方式，例如，诸如极化、图案或空间分集这样的天线/天线系统的特性。因为设计涵盖三种不同的无线通信技术范围:数字RF、RF天线和天线-空气接口，所以这对系统工程师提出了巨大的挑战。贯穿每一步骤，应该最小化信道之间的耦合以保证最佳的MMO性能。当信号被沿着NLOS通信通路反射时，只通过三个可利用的完全正交的极化(然而，因为实际的限制，所以只典型地使用两个——垂直的/水平的或左手圆极化和右手圆极化)和它们的变形，仅依靠极化分集来有效地实现MMO可能是困难的。有对使用空间分集的需要，其中全方向的MMO天线间隔得很远，以便使它们的信号沿着不同的多径方向传播，而这暗示大型天线阵。另一方面，图案分集依赖于MIMO阵列中天线元件的近似正交(不相关的)辐射图案，并且从而更加合适于紧凑型MIMO阵列应用，它们被提供给各个天线元件的小型化。
[0067]为了简化MMO系统模型，某些通信系统工程师遵循如channel=RF+antenna+airpropagation (信道=RF +天线+空气传播)那样的、通信信道“H”的传统定义，以提供简单的关系r(t)=H(t) □ s (t)，其中r为所接收的数字信号，s为所发送的数字信号，H为在之间的信道，并且□运算依赖于Tx和Rx系统体系结构。例如，NTXNR的系统具有像NRxl矢量那样的r (t)，像NTxl向量那样的s (t)，像NRxNT那样的H，和像矩阵乘法运算那样的□。
[0068]第一 MMO算法沿着每一天线元件/信道发送NT个不同的数据流，这允许NR个接收天线/信道中的每一个接收所有NT个信号。依赖于接收算法，NR能够为低于、等于或高于NT，以便将所接收的信号去相关来恢复NT个传输数据流。这通过将信道参数应用到NR个接收信号和被初始处理的NT个Tx数据来完成。对于成功地恢复NT个Tx数据流的关键需求为贯穿NT个通信通路，将信号保持为“不相关的”。这被称作为“信道分集(ChannelDiversity, ChDiv)，，。
[0069]空间复用(SM)为不同的数据流在NT个Tx信道之上通过其进行传输的方法，并且当所有NT个信道不相关并且在每一信道之上所获得的增益为最大的时，所述SM达到它的峰值频谱效率。当在MIMO天线元件之间的耦合最小并且通信环境在由邻近结构的反射和衍射导致的多径中是富裕的、典型地与NLOS情况关联时，不相关的信道出现。在不存在多径、即LOS的情况下，SM所接收的信号不再是不相关的，以防止接收器将NT个Tx数据流去相关。因此，如果在固定的Tx和Rx节点的情况下，总能够将节点放置在最大化多径信号的位置中，则通信链接充分发挥SM的效益。由于用户通常不是优化多径链接方面的专家，因此有用的是定义一个系统，其能够适用于所有终端用户的专门技术和使用场景。
[0070]对于能够在接收器处恢复所发送的信息，以移动性恒定地特征化信道(信道矩阵H)的需要变得非常重要。这由使用前置位/导频位或其他技术的“信道测量(channelsounding)”来完成。需要将H进行更新的速度依赖于移动节点的速度。因为过多的“信道测量”消耗了一些指定的通信时间，所以频繁的信道更新最终将有力地减小位/秒/赫兹的“有效的”数目。
[0071]为了缓解所述问题，使用第二类型的MIMO算法,空时分组编码(Space-Time BlockCoding，STBC)。STBC对于精确的信道参数化比较不受影响，即容忍信道误差，从而不需要频繁的信道测量。此外，如先前所讨论的那样，另一个需要是对于通信系统能够在混合的NLOS和LOS环境中工作，S卩，Rx信号包括直接的Tx-Rx Los通路和多径轨迹的一小部分。在空时分组编码(STBC)中，以不同地编码每一个流来将相同的Tx数据流复制NT次，而非像在SM中那样传输NT个不同的数据流。发送器在发送之前执行空间(参考天线空间分集-SpDiv)和时间(参考位延迟线)编码。
[0072]至少有两种不同种类的SA和三种用于增加频谱效率的技术:(1)基于定相的阵列天线或频率无关的多臂天线的波束形成(Beamforming, BF)和波束形成与调零(Beamforming and nulling，BFN) ; (2) MMO和高级信号处理，能够(i )在多个信道上发送不同数据流(SM):NL0S、精确的信道特征化与高度不相关的信道，(ii)在多个信道上发送相同数据流(STBC):NL0S、NL0S+L0S、容忍信道特征化中的误差和信道中的小的相关性)，和
(iii)BF和BFN，其中有信道特征化的LOS依赖于波束图案和精确的信道特征化，以便实现下列之一:1)在不同的波束图案之间的模拟切换，2)适应性地使波束成形，并操控所述波束，3)使用除了模拟波束切换和成形之外的数字BF和BFN来优化性能。
[0073]此外，在数字域中还能够通过MMO系统完成传统的BF和BFN，而不需要模拟移相器、延迟线或其他定向耦合器和匹配网络。所述数字BF和BFN需要巨大数量的信号处理而使得其实现为不切实际的。更加合适的方法为组合的数字/模拟BF和BFN方法。
[0074]已批准包括MMO的两种无线通信商业标准，提供具有较高通信速度的载波，以便支持现有的和未来的宽带应用服务。第一标准IEEE 802.1ln集中于局域网(LAN)，并且第二标准IEEE 802.16e集中于移动广域网(WAN)并也能够应用于LAN。有要求MMO技术的其他正在进行的标准，诸如IEEE802.20和未来的4G UMTS (Universal MobileTelecommunications Service,通用移动通信服务)系统。在大部分这些标准中，推荐上至4X4的ΜΜ0。那意味着在客户端和AP/BS侧两者上使用4个Tx和4个Rx天线。
[0075]迄今为止，已批准的商业标准包括SM、STBC和BF算法，这为开发商留下了这样的挑战:首先在小型客户端设备上实现不相关的MMO通路的概念，所述小型客户端为诸如无线通信USB连接器、PCMCIA/高速PCI卡和手持式计算与多媒体设备，其次适应性地选择依赖于L0S、NL0S、固定的和动态的信道条件的适当方法。
[0076]本申请中的设计和技术被应用于处理众多具有挑战性的问题中的一个，以面对固定无线通信和移动实现以宽带终端用户应用为目标的、完整的商业标准，并且所述宽带终端用户应用需要更高的位/秒/赫兹频谱效率。可行的技术基于如下:
[0077]为了使多个天线和无线电收发器符合小型形状因子(form factor)，可能需要在不损害性能和吞吐量的条件下的低功耗，这为手机集成者、无线通信卡开发商(例如，PCMCIA与高速PCI卡和无线通信USB连接器)和PDA制造商、甚至是轻薄的膝上型计算机设计者带来了巨大的挑战。本申请中的设计和技术的实现方式可以用来提供一个总体MIMO子系统，其对任何便携式设备和固定设备使能多个平行信道，而不论设备的形状因子或功耗需要为何。
[0078]许多MMO系统使用传统的用于MMO天线的右手(RH)材料，其中电磁波的电场和磁场的特性遵守右手法则。RH天线材料的使用对每一天线的尺寸(典型地，信号的一个波长的一半)和天线阵中两个相邻天线的间距(例如，大于信号的一个波长的一半)设置较低的限制。这样的限制严重地阻碍MIMO系统在诸如手机、PDA和其他有无线通信能力的手持式设备这样的、各种紧凑型无线通信设备中的应用。
[0079]本申请中所描述的天线阵的设计、无线系统和相关联的通信技术使用复合的左右手(Composite Left and Right Handed, CLRH)异向材料来构建实现MIMO系统的紧凑型天线阵。这种使用由CLRH异向材料做的天线的MMO系统可以被设计为保留传统MMO系统的好处，并提供通过传统MIMO系统为不可用的或难于实现的其它好处。
[0080]本申请中的设计和技术可以被实现为包括下列特征中的一个或多个:
[0081]1、小型印刷天线元件，在尺寸上大于λ/6，以考虑到小接近度的集成(例如，以波长的四分之一即λ/4的量级或更小的天线间距)和天线元件之间的最小耦合。该紧凑型MMO天线设计适合于SM和空时分组编码，并支持由更加大的基本BS或接入点提供的BS和调零的特征。通过使用CLRH高级异向材料实现尺寸的减小。
[0082]2、印刷MTM定向f禹合器和匹配网络的使用，以便进一步减小近场(Near-Field,NF)和远场(Far-field，FF)耦合。
[0083]3、多个MTM天线的使用，以便建立单个的MMO天线，通过或者不通过MMO算法来实现波束成形、切换和操控。
[0084]4、使用印刷的基于MTM的I至N的功率合成器/分离器，以便组合多个MTM天线来形成一个子MIMO阵列天线。
[0085]5、使用单个MTM漏波天线来通过或者不通过MMO算法实现波束成形、切换和操控。
[0086]6、还能够建立基于MTM的滤波器和双工机(diplexer) /双工器(duplexer)，并且在提出形成RF链时将其与天线和功率合成器、定向耦合器和匹配网络集成。只有被直接连接到RFIC (Radio Frequency Integrated Circuit,射频集成电路)的外部端口需要遵照50 Ω规则。天线、滤波器、双工机、双工器、功率合成器、定向耦合器和匹配网络之间的所有内部端口可以不同于50 Ω，以便优化这些RF元件之间的匹配。
[0087]7、天线馈网络和RF电路设计，其驱动四个或更多的信道。在减小耦合损失的同时，CRHL MTM设计考虑这些小型天线与它们的馈网络、放大器、滤波器和功率分离器/合成器的简单集成，以优化总体RF电路。用有源天线(Active Antenna, AA)指代总体集成结构。
[0088]8、第I项和第2项中的特征考虑具有被集成于二维膜表面内的小型天线元件的“ΜΙΜ0膜”，该二维膜表面符合如图5中所示那样集成的通信设备。
[0089]9、后(Tx侧)和前(Rx侧)数字信号处理，其优化如下的通信链接性能:a)非对称的和对称的链接(BS-客户端、客户端-客户端和模型-空间分集等)，b)动态信道，c)依从商业标准的系统。
[0090]剩下一个技术挑战为:使四个或更多MMO信道(天线和RF链)符合紧凑型形状因子，诸如手持式设备、无线USB连接器或卡(例如，PCMCIA或高速PCI)、无线通信USB连接器、薄的膝上型计算机、便携式BS、紧凑型AP和其他可应用产品，同时仍然遵照商业标准，支持SM、STBC和BF与零位，在典型地从几十到几百MHz范围内变动的多个带上工作，并且能够遵照在可应用时的功耗。
[0091]本申请中的设计和技术的实现方式可以用于来克服三个技术难题:
[0092]1、小型天线元件，其尺寸足够小以允许它们通过最小的耦合以小接近度进行集成。所述高级紧凑型MMO天线设计适合于SM和空时分组编码，并支持由更大的结构BS(BS)或接入点(AP)提供的BS与调零特征。通过使用CRLH高级异向材料实现尺寸的缩减和集成。
[0093]2、驱动四个信道的天线馈网络和RF电路设计。CRHL考虑这些小型天线与它们的馈网络、放大器、滤波器和功率分离器/合成器的简单集成，以在减小耦合损失的同时优化全部的RF子组件。用AA指代总体集成结构。沿着这些线，介绍“ΜΙΜ0膜”的新概念，其使得二维MIMO天线能够符合设备的几何形状。
[0094]3、后(Tx侧)和前(Rx侧)信号处理，其为依从商业标准的、并能够适应紧凑型MIMO天线(例如，手机)、大型MIMO天线系统(不包括BS)链接以及两个紧凑型的天线系统(peer-to-peer,对等网路)之间的链接。
[0095]MMO分集是无线通信想要的。能够在诸如BS这样的大型MMO系统中使用空间分集(SpDiv)或SpDiv和极化分集(PoDiv)的组合。紧凑型MMO系统会影响图案分集(PaDiv)0当端到端通信系统将信道考虑为仅空气中传播的部分、即从传统的H矩阵中提取天线和RF电路时，可以获得所述图案分集，并将其指派到通信模块。
[0096]因为PaDiv相应于角度分布和辐射波束的极化特性，所以清楚的是，用于修改波束或使所述波束倾斜的装置是必不可少的。然而，利用异向材料，不仅能够操作近场辐射以消除邻近天线元件之间的近场耦合，而且能够使波束成形、切换所述波束并操控所述波束以在富裕的多径环境中实现图案分集。这些异向材料天线能够容易地支持图案和极化分集的组合。
[0097]PaDiv 能够用于支持 0FDM-MIM0 (OFDM:orthogonal frequency divisionmultiplexing,正交频分复用)、FH_MIM0 (FH !frequency hopping,跳频)和 DSS-MIMO (DSS:direct spread spectrum,直接扩频)通信系统及其组合。能够使用PaDiv支持MIMO数字调制。
[0098]本申请中的设计和技术的一种实现方式为这样一种无线通信系统，其涵盖多带、和/或宽带、和/或超宽带RF频谱，同时通过使用适合于诸如PDA、手机和无线通信USB连接器或卡(例如，PCMCIA和高速PCI)这样的紧凑型通信设备的新型空气接口、模拟和数字的MMO处理，来影响OFDM或DSS实现中的多径效应。MMO包括SA阵列系统，其跨越多个信道将数字信号处理部署到所发送的数字信号。其包括用于在NL0S、LOS和组合NLOS与LOS的环境中工作的固定场景和移动场景的SM、STBC和BM/BFN。
[0099]图8A示出两种地理上分离的、具有LOS链接的线性Tx和Rx天线阵。图8B示出两种地理上分离的、具有LOS和NLOS链接的线性Tx和Rx天线阵。
[0100]图9A示出对于BF和/或调零的定相阵列天线系统。
[0101]图9B示出基于SM算法的MMO系统。
[0102]图9C示出基于STBC算法的MMO系统。
[0103]在前MMO时期中，SA包括发送相同信号的定相阵列天线，将所述信号移位相位延迟线的振幅和时间，以使波束成形或操控所述波束(图9A)。在接收器侧上，也使用类似的模拟抽头延迟线来扫描，增大发送方向上的接收器增益，并使不想要的信号为零。这些定相阵列技术大多数是在模拟域中的，并通过集中接收器方向上的信号能量来提高SNR，从而提高它对于LOS环境的限制。[0104]通过反射和/或衍射过程跳过(bounce off)障碍(图SB)的发送信号作为具有不同幅度并具有不同延迟时间的信号集合到达接收器，这使得总体SNR降低，导致所谓的“多径干扰”并引入NLOS信号。定相阵列天线和传统的SISO (single input single output,单入单出)系统都不能克服多径干扰，并且不能将这些信号视为噪声对待。
[0105]在富裕的多径环境中，发送信号通过创建不相关信道
【权利要求】
1.一种异向材料天线设备，包括: 位于基片的第一表面上的地电极； 位于基片的第二表面上的第一导电膜片； 电磁耦合到导电膜片的馈电结构； 连接到导电膜片的第一电感元件；和 位于基片的第一表面上的第二电感元件，所述第二电感元件将第一电感元件连接到地电极； 其中所述导电膜片、第一电感元件、第二电感元件和地电极的至少一部分被构造为形成复合左右手CRLH结构；并且 其中所述地电极整个位于导电膜片从第二表面投影到第一表面上的覆盖区的投影的外部。
2.如权利要求1所述的异向材料天线设备，其中所述导电膜片、第一电感元件和第二电感元件组成CRLH结构的第一单位单元；并且 其中所述CRLH结构包括多个单位单元。
3.如权利要求2所述的异向材料天线设备，其中所述多个单位单元形成一维阵列。
4.如权利要求3所述的异向材料天线设备，其中所述多个单位单元中的每一个包括导电通路连接器； 其中第二导电元件包括配置用来将各个导电通路连接器导电地耦合到地电极的条带线.其中所述条带线位于第一表面上多个单位单元的覆盖区中；并且 其中所述条带线的宽度比多个单位单元中各个单位单元的横向尺寸要小。
5.如权利要求2所述的异向材料天线设备，其中每个单位单元各自的尺寸不大于与CRLH结构谐振的信号的波长的六分之一。
6.如权利要求2所述的异向材料天线设备，其中多个单位单元中的相邻单位单元相互间隔与CRLH结构谐振的信号的波长的四分之一或更少。
7.如权利要求2所述的异向材料天线设备，包括第一导电馈电线，具有位于第一导电膜片附近并被电磁耦合到该第一导电膜片的远端。
8.如权利要求7所述的异向材料天线设备，包括第二导电馈电线，具有位于所述多个单位单元中包括的不同导电膜片附近并被电磁耦合到该不同导电膜片的远端。
9.如权利要求1-8中任一个所述的异向材料天线设备，其中所述第一电感元件包括导电通路连接器。
10.如权利要求9所述的异向材料天线设备，其中所述第二电感元件包括配置用来将导电通路连接器导电地耦合到地电极的条带线。
【文档编号】H01Q5/10GK103441339SQ201310367294
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2007年4月27日 优先权日:2006年4月27日
【发明者】马哈.阿乔尔, 阿杰伊.格默勒, 马林.斯托伊特切夫, 弗兰兹.伯克纳 申请人:泰科电子服务有限责任公司