基于超材料结构的天线制造技术

公开了在处理和处置电磁波信号时使用一个或多个复合左右手（ＣＲＬＨ）超材料结构的技术、装置和系统。配置基于增强的ＣＲＬＨ超材料结构的天线和天线阵列来提供各种多频带无线通信的宽带谐振。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】优先权要求与相关申请本专利技术本申请要求在2006年8月25日提交的题为“宽带和小型多频带超材料结构和天线(Broadband and Compact Multiband Metamaterial StructuresandAntennas)”的U.S.临时专利申请No.60/840,181和在2006年9月22日提交的题为“先进的超材料天线子系统(Advanced Metamaterial AntennaSub-Systems)”的U.S.临时专利申请No.60/826,670的权益。上述申请的公开通过引用合并作为本申请的说明书的一部分。
本申请涉及超材料(metamaterial，MTM)结构及其应用。
技术介绍
电磁波在大多数材料中的传播都遵守(E，H，β)矢量场的右手定则，其中，E是电场，H是磁场，而β是波矢量。相速度(phase velocity)方向与信号能量传播(群速度(group velocity))的方向相同，且折射率是正数。这种材料是“右手的”(RH)。大多数自然的材料是RH材料。人造材料也可以是RH材料。超材料是一种人造结构。当设计为具有比超材料所传导的电磁能量的波长小得多的结构平均单位单元(unit cell)尺寸p时，该超材料可以对所传导的电磁能量表现得好像均匀介质。不同于RH材料，超材料可以呈现出负折射率：其中，相速度方向与信号能量传播的方向相反，其中，(E，H，β)矢量场的相对方向遵守左手定则。仅支持负折射率的超材料是“左手”(LH)超材料。许多超材料是LH超材料和RH超材料的混合，因此是复合左右手(Composite Left and Right Handed)(CRLH)超材料。CRLH超材料可以在低频表现为LH超材料，而在高频表现为RH超材料。在Caloz和Itoh的“电磁超材料：传输线理论和微波应用(Electromagnetic Metamaterials：-->Transmission Line Theory and Microwave Applications)”John Wiley&Sons(2006)中描述了各种CRLH超材料的设计和属性。在Tatsuo Itoh的“特约论文：超材料的前景(Invited paper：Prospects for Metamaterials)”ElectronicsLetters，Vol.40，No.16(2004年8月)中描述了CRLH超材料和它们在天线中的应用。可以构造和制造CRLH超材料以呈现适应特定应用的电磁属性，且CRLH超材料可以用于其中可能难于使用其它材料、使用其他材料不实际或不可行的应用中。另外，CRLH超材料可以用于开发新的应用和构造可能用RH材料不可能构造的新设备。
技术实现思路
本申请描述在处理和对待电磁波信号时使用一个或多个复合左右手(CRLH)超材料结构的技术、装置和系统等。可以基于CRLH超材料结构来形成天线、天线阵列和其他RF设备。例如，可以在无线通信RF前端和天线子系统中使用所描述的CRLH超材料结构。在一个实施例中，一种天线设备包括：介电基板，具有在第一侧上的第一表面和在与所述第一侧相对的第二侧上的第二表面；单元导电贴片，在所述第一表面上形成；单元接地导电电极，在所述第二表面上形成、且在由所述单元导电贴片投影到所述第二表面上的覆盖区中；主接地电极，在所述第二表面上形成，且与所述单元接地导电电极分离；单元导电通路连接器，在所述基板中形成，以将所述单元导电贴片连接到所述单元接地导电电极；导电馈线，在所述第一表面上形成，且具有末端，该末端靠近于所述单元导电贴片且电磁耦合到所述单元导电贴片，以向或从所述单元导电贴片引导天线信号；以及导电条带线，在所述第二表面上形成，且将单元接地导电电极连接到所述主接地电极。所述单元导电贴片、所述基板、所述单元导电通路连接器和所述单元接地导电电极以及被电磁耦合的导电馈线被构造以形成左右手(CRLH)超材料结构。所述单元接地电极可以具有大于所述单元导电通路连接器的横截面且小于所述单元导电贴片的面积的面积。所述单元接地电极也可以具有大于所述单元导电贴片的面积的面积。在另一实施例中，一种天线设备包括：介电基板，具有在第一侧上的第一表面和在与所述第一侧相对的第二侧上的第二表面；单元导电贴片，在所-->述第一表面上形成，彼此分离且相邻，以允许在两个相邻单元导电贴片之间的容性耦合；主接地电极，在由所述单元导电贴片共同投影到所述第二表面上的覆盖区外部的所述第二表面上形成；以及单元接地电极，在所述第二表面上形成以空间上对应于所述单元导电贴片，一个单元接地电极分别对应于一个单元导电贴片。每个单元接地电极位于由相应单元导电贴片投影到所述第二表面上的覆盖区内，且其中，所述单元接地电极与所述主接地电极空间上分离。该设备还包括导电通路连接器，在所述基板中形成，用于将所述单元导电贴片分别连接到所述单元接地电极，以形成构成复合左右手(CRLH)超材料结构的多个单位单元；以及至少一个导电条带线，在所述第二表面上形成，以将所述多个单元接地导电电极连接到所述主接地电极。在另一实施例中，一种天线设备包括：第一介电基板，具有在第一侧上的第一顶部表面和在与所述第一侧相对的第二侧上的第一底部表面；以及第二介电基板，具有在第一侧上的第二顶部表面和在与所述第一侧相对的第二侧上的第二底部表面。所述第一和第二介电基板彼此堆叠以使第二顶部表面与第一底部表面接合。该设备包括：单元导电贴片，在所述第一顶部表面上形成，彼此分离且相邻，以允许在两个相邻单元导电贴片之间的容性耦合；以及第一主接地电极，在所述第一表面上形成，且与所述单元导电贴片空间上分离。所述第一主接地电极被构造图案以形成共面波导，该共面波导被电磁耦合到所述单元导电贴片中所选择的单元导电贴片，以向或从该所选择的单元导电贴片引导天线信号。第二主接地电极在所述第一基板和第二基板之间形成，且在第二顶部表面和第一底部表面上。单元接地电极在所述第二底部表面上形成以空间上对应于所述单元导电贴片，一个单元接地电极分别对应于一个单元导电贴片，且每个单元接地电极位于由相应单元导电贴片投影到所述第二底部表面上的覆盖区内。该设备还包括：底部接地电极，在所述第二主接地电极之下的第二底部表面上形成；接地导电通路连接器，在所述第二基板中形成，用于将所述底部接地电极分别连接到所述第二主电极；以及底部表面导电条带线，在所述第二底部表面上形成，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种天线设备，包括：　介电基板，具有在第一侧上的第一表面和在与所述第一侧相对的第二侧上的第二表面；　单元导电贴片，在所述第一表面上形成；　单元接地导电电极，在所述第二表面上形成、且在由所述单元导电贴片投影到所述第二表面上的 覆盖区中；　主接地电极，在所述第二表面上形成，且与所述单元接地导电电极分离；　单元导电通路连接器，在所述基板中形成，用于将所述单元导电贴片连接到所述单元接地导电电极；　导电馈线，在所述第一表面上形成，且具有末端，该末端靠近 于所述单元导电贴片且电磁耦合到所述单元导电贴片，以向或从所述单元导电贴片引导天线信号；以及　导电条带线，在所述第二表面上形成，且将单元接地导电电极连接到所述主接地电极，　其中，构造所述单元导电贴片、所述基板、所述单元导电通路连接 器和所述单元接地导电电极以及被电磁耦合的导电馈线以形成复合左右手（ＣＲＬＨ）超材料结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-8-25 60/840,181;US 2006-9-22 60/826,6701.一种天线设备，包括：
介电基板，具有在第一侧上的第一表面和在与所述第一侧相对的第二侧
上的第二表面；
单元导电贴片，在所述第一表面上形成；
单元接地导电电极，在所述第二表面上形成、且在由所述单元导电贴片
投影到所述第二表面上的覆盖区中；
主接地电极，在所述第二表面上形成，且与所述单元接地导电电极分离；
单元导电通路连接器，在所述基板中形成，用于将所述单元导电贴片连
接到所述单元接地导电电极；
导电馈线，在所述第一表面上形成，且具有末端，该末端靠近于所述单
元导电贴片且电磁耦合到所述单元导电贴片，以向或从所述单元导电贴片引
导天线信号；以及
导电条带线，在所述第二表面上形成，且将单元接地导电电极连接到所
述主接地电极，
其中，构造所述单元导电贴片、所述基板、所述单元导电通路连接器和
所述单元接地导电电极以及被电磁耦合的导电馈线以形成复合左右手
(CRLH)超材料结构。
2.如权利要求1所述的设备，包括：
导电发射台，在所述导电馈线的末端和所述单元导电贴片附近形成，且
与所述导电馈线的末端和所述单元导电贴片分开，以增强在阻抗匹配条件下
在所述导电馈线和所述单元导电贴片之间的容性耦合，以支持天线信号中的
谐振频率。
3.如权利要求1所述的设备，其中：
所述单元接地电极具有大于所述单元导电通路连接器的横截面且小于所
述单元导电贴片的面积的面积。
4.如权利要求1所述的设备，其中：
所述单元接地电极具有大于所述单元导电贴片的面积的面积。
5.如权利要求1所述的设备，其中：
所述导电条带线具有小于所述单元导电贴片的尺度的宽度。
6.如权利要求1所述的设备，其中：
在所述第二表面上形成的所述主地导电电极位于由所述单元导电贴片投
影到所述第二表面上的覆盖区以外。
7.如权利要求6所述的设备，包括：
第二主接地电极，在所述第一表面上形成且被构造图案以形成共面的波
导，以及
其中：
所述共面波导被连接到所述导电馈线以向或从所述单元导电贴片引导所
述天线信号。
8.如权利要求7所述的设备，其中：
在所述第一表面上形成的所述第二主接地电极被构造图案以形成第二共
面波导；
所述设备包括在所述基板上形成的、且电磁耦合到所述第一表面上的所
述第二共面波导和在所述第二表面上的所述主地的第二复合左右手(CRLH)
超材料结构，所述第二CRLH超材料结构包括：
第二单元导电贴片，在所述第一表面上形成，且电磁耦合到所述第
二共面波导，该第二共面波导向或从所述第二单元导电贴片引导第二天线信
号；
第二单元接地导电电极，在所述第二表面上形成，且位于由所述第
二单元导电贴片投影到所述第二表面上的覆盖区中；
第二单元导电通路连接器，在基板中形成，用于将所述第二单元导
电贴片连接到所述第二单元接地导电电极；以及
第二导电条带线，在所述第二表面上形成，且将所述第二单元接地
导电电极连接到主接地电极。
9.如权利要求8所述的设备，其中：
所述单元导电贴片和所述第二单元导电贴片具有不同的尺度以使得由所
述单元导电贴片组成的CRLH超材料结构和由所述第二单元导电贴片组成的
所述第二CRLH超材料结构具有不同的谐振频率。
10.如权利要求9所述的设备，其中：
由所述单元导电贴片形成的所述CRLH超材料结构形成了接收器天线；
以及
由所述第二单元导电贴片形成的第二CRLH超材料结构形成了发射器天
线。
11.如权利要求10所述的设备，其中：
在所述第一表面上形成的所述第二主接地电极被构造图案以形成第三共
面波导；
所述设备包括在所述基板上形成的、且电磁耦合到在第一表面上的所述
第三共面波导和在第二表面上的主接地的第三复合左右手(CRLH)超材料结
构，所述第三CRLH超材料结构包括：
第三单元导电贴片，在所述第一表面上形成，且电磁耦合到所述第
三共面波导，该第三共面波导向或从所述第三单元导电贴片引导第三天线信
号；
第三单元接地导电电极，在所述第二表面上形成，且在由所述第三
单元导电贴片投影到所述第二表面上的覆盖区中；
第三单元导电通路连接器，在所述基板中形成，用于将所述第三单
元导电贴片连接到所述第三单元接地导电电极；以及
第三导电条带线，在所述第二表面上形成，且将所述第三单元接地
导电电极连接到主接地电极。
12.如权利要求11所述的设备，其中：
由所述第三单元导电贴片形成的所述第三CRLH超材料结构形成第二接
收器天线。
13.如权利要求7所述的设备，包括：
寄生单元，其电磁耦合到在所述第二表面上的主接地电极和在所述第一
表面上的第二主接地电极，且其包括：
寄生单元导电贴片，在所述第一表面上形成；
寄生单元接地导电电极，在所述第二表面上形成，且在由所述寄生
单元导电贴片投影到所述第二表面上的覆盖区中；
寄生单元导电通路连接器，在所述基板中形成，用于将所述寄生单
元导电贴片连接到所述寄生单元接地导电电极；
第一寄生导电线，在所述第一表面上形成，包括第一端和第二端，
该第一端被连接以电磁耦合到所述寄生单元导电贴片，该第二端被连接到所
述第二主接地电极；以及
第二寄生导电线，在所述第二表面上形成，且将所述寄生单元接地
导电电...

【专利技术属性】
技术研发人员：马哈阿乔尔，阿杰伊古马拉，马林斯托伊切夫，
申请(专利权)人：雷斯潘公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]