用于电路设计的超材料基板制造技术

本发明专利技术实现了频率选择表面(“FSS”)和人工磁导体(“AMC”)，其在从封装中的小且薄系统和子系统至大尺寸PCB的任何基板的层中展现电磁带隙(“EBG”)。超材料基板可与电路部件集成或埋嵌在PCB中用于电路设计，其能够发射、接收并且反射电磁能，更改天然电路材料的电磁性质，增强系统和子系统电路设计中的电气部件(诸如滤波器、天线、平衡‑不平衡变换器(baluns)、功率分配器、传输线、放大器、功率调节器和印刷电路元件)的电气特性。所述超材料基板形成不易用常规电路材料、基板和PCB获得的新电气特性、性质和系统、子系统或部件的技术规格。超材料基板厚度可以小于70μm并且埋嵌至任何PCB层中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利技术背景1.优先权要求。本申请案要求于2014年4月18日提交的标题为“Metamaterial Antenna”的美国临时专利申请案第61/981,680号的优先权，其全文以引用的方式并入。2.专利
本专利技术提供了一种超材料基板，其可与电路部件集成和/或用作印刷电路板和接线板(统称作“PCB”)中的电路层，其能够发射、接收并且反射电磁能，更改天然电路材料的电磁性质，增强系统和子系统电路设计中的电气部件(诸如滤波器、天线、平衡-不平衡变换器(baluns)、功率分配器、传输线、放大器、功率调节器和印刷电路元件)的电气特性。3.相关技术。超材料通过以特定周期性样式重复基本构建块而实现。基本构建块被称作单位元件(“UE”)，且它定义超材料的基础性质。数个不同设计对于UE而言是可能的。例如，一个UE是Sievenpiper蘑菇型UE，如图1中所示。顶部导电贴片100可通过也被称作通孔的短路探针104连接至底部接地平面102。这种构造可示于图2中，其中介电材料200形成用于具有底部接地平面204的导电贴片202的支撑结构。顶部导电贴片202可通过也被称作通孔的短路探针206连接至底部接地平面204。Sievenpiper也指明当在蘑菇型UE中存在薄结构时，带宽也减小。图3是具有顶部导电贴片300、通孔302、介电基板304和接地平面306的蘑菇型UE的现有技术透视图。图4是简化电模型，其图示分别由短路探针104或206和每一个蘑菇型UE 100或202之间的间隙形成的左手性并联电感LL和左手性串联电容CL。短路探针104或206提供至少部分形成电磁带隙(“EBG”)接地平面或表面的电感LL。但是，理想超材料蘑菇型UE由于寄生效应而无法实际/物理实现。相同地，图5描绘针对蘑菇型UE的包括串联LC谐振电路和并联LC谐振电路的一般模型。对连接装置的需求在快速增长，而天线集成仍是未解决的“最后一英里”问题。小型、离散天线通常由陶瓷介电材料以贴片或芯片形式制成。小型、离散天线也可用金属片、线制成并且也可印刷在印刷电路板(“PCB”)上，例如作为倒F型天线、平坦倒F型天线(“PIFA”)和类似天线。这些天线的大小可通过使用较高相对介电系数(εr)材料减小。但是，更高εr增大介电损耗，其降低总体天线效率。小型天线也可能需要大接地平面，并且可能对附近物体非常灵敏。此外，小型天线可能对接地平面的大小灵敏。因此，接地平面设计可能在小型天线的性能中发挥重要作用。当接地平面的大小未满足天线的技术规格时，天线效率可从80％显著减小至仅百分之几或甚至更小。这些小型天线也可具有仅一(1)至两(2)米的非常短的范围。相比之下，标准陶瓷贴片天线提供改进的性能。但是，它们大且厚的体积性质使得它们对于愈发紧凑的装置而言不切实际。一些天线设计使它们的大小缩减至9×9mm。但是，这些设计遭受不良效率、增益和窄带宽。此外，微型化贴片天线表现得像电容器，需要大的接地平面，因此无法达成微型化的目标。愈发小尺寸的终端产品采用无线电“同在(cohabitation)”，即，超过一个发射器和接收器。这些设计将多个无线连接技术混合和匹配在一个设计中。除设计内非期望和非有意的干涉外，同在可能遭受不足的接收信号电平、天线之间的高耦合和更高的信号误差。具有嵌入式电路(例如，LNA、滤波器等)的有源集成电子天线试图减轻由无线电同在导致的劣化。许多有源集成电子天线模块用PCB一侧上的贴片天线和另一侧上的电路(用金属盖屏蔽)制作。这些天线可用用于外部连接和天线分离的同轴电缆和RF连接器组装。但是，结果是大型、笨重且昂贵的天线系统。与在小型装置中紧密间隔的多个天线相关的其它挑战包括强互耦和交叉极化畸变，其导致畸变的辐射图案和减小的信道容量。实现密集天线元件之间的高度隔离在小型装置中可能是困难的且在天线模块中不切实际。蘑菇型UE可被制作为元件的平坦二维周期性阵列以形成基于频率选择表面(“FSS”)或人工磁导体(“AMC”)的超材料。基于FSS或基于AMC的超材料可用类似于图5的等效LC电路建模。在较高频率(诸如微波和无线电频带中的频率)下，UE的L&C的分布特性可被设计来在定义的频率范围下形成电磁带隙(“EBG”)，由此抑制规定范围内的表面波传播。这些“禁止运行频率”是其中在天线与接地平面之间产生的表面波形成在电介质内的频率。表面波可与天线的期望辐射异相180°，且所产生的相消干涉可能损及天线效率、增益和带宽。作为相对于传统金属接地平面的改进，展现EBG特性的FSS或AMC表面(统称EBG表面或EBG接地平面)可作为线天线的低剖面集成的新型接地平面运作。例如，即使当水平线天线极接近EBG表面时，穿过天线的电流和其穿过接地平面的镜像电流是同相(而非异相)，由此有利地增强辐射。EBG接地平面或表面的可用带宽被大致界定为中心频率的任一侧上的+90°至-90°相差。结构可用于诸如微波电路和天线的应用中。对于2.4GHz的工业、科学和医学(“ISM”)频带中的天线应用，EBG接地平面可被制作来覆盖从约2GHz至3GHz的频率范围。根据特性用微波级介电材料制作的蘑菇型UE的典型大小示于表1中。表1存在克服由天然介电材料对系统级封装(“SiP”)设计者强加的电和磁极限，由此超越小型封装设计中固有的电和磁性质的限制。如上所述的UE可用于更容易地，以较低成本且以更大的功能性和可靠性形成适用于集成天线、电力线、噪声抑制滤波器、无线电频率(“RF”)功率分配器、电感器、表面声波(“SAW”)滤波器、振荡器和其它电路的SIP设计的超材料层。克服由小型封装设计的电和磁性质的限制带来的挑战将导致SiP设计者的有源集成电子天线和滤波器技术的发展并且实现对无线连接技术的快速增长的大预期，诸如蓝牙v4.0、Wi-Fi、近场通信、GPS、超宽带(“UWB”)、ISM无线调制解调器、802.15.4/ZigBee和无线充电(例如，Qi/A4WP)和这些技术和标准的未来衍生物。专利技术概要本专利技术提供一种可针对电路设计与电路部件集成或嵌入于PCB中的超材料基板，其能够发射、接收并且反射电磁能，更改天然电路材料的电磁性质，增强系统和子系统电路设计中的电气部件(诸如滤波器、天线、平衡-不平衡变换器、功率分配器、传输线、放大器、功率调节器和印刷电路元件)的电气特性。这种超材料基板通常与传统印刷电路介电层一样薄或比它们薄，且因此可被并入至装置的基板积层中以及用作通过依序层压和图案化或批量层压预图案化介电层而构建的多层、大尺寸印刷电路板(“PCB”)中的离散层。超材料基板也可被制作小至足以与小型电气部件、模块和系统级封装(“SiP”)装置组合以形成不易用传统的电路材料、基板和PCB获得的新电气特性、性质和系统、子系统或部件技术规格。超材料基板厚度可以小于70μm且位于印刷电路板的任意层上。具体地，本专利技术形成了频率选择表面(“FSS”)和人工磁导体(“AMC”)，其在用于小型和薄电子系统和子系统以及系统级封装和大尺寸PCB中的互连基板的一个或更多个层上产生电磁带隙(“EBG”)。在检查下列附图和详细描述时，对于本领域的技术人员来讲，本专利技术的其它系统、方法、特征和优点将是显而易见的或是将变得显而易见。所有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超材料基板，其包括：多个单位元件，其布置在具有高Dk的介电基板的顶部上；和短路探针，其将所述多个单位元件中的每一个与导体连接。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.18 US 61/981,6801.一种超材料基板，其包括：多个单位元件，其布置在具有高Dk的介电基板的顶部上；和短路探针，其将所述多个单位元件中的每一个与导体连接。2.根据权利要求1所述的超材料基板，其中所述超材料基板充当电磁带隙材料。3.根据权利要求1所述的超材料基板，其中所述多个单位元件是4.根据权利要求1所述的超材料基板，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·W·王，
申请(专利权)人：川斯普公司，C·W·王，
类型：发明
国别省市：美国;US