多帶復(fù)合右手和左手(crlh)縫隙天線的制作方法
【專利說(shuō)明】多帶復(fù)合右手和左手（CRLH)縫隙天線
[0001] 分案說(shuō)明
[0002] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2010年3月12日，申請(qǐng)?zhí)枮?01080020717. 2,題為"多帶復(fù)合 右手和左手（CRLH)縫隙天線"的中國(guó)專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0003] 優(yōu)先權(quán)要求及相關(guān)申請(qǐng)
[0004] 本申請(qǐng)要求以下美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)：申請(qǐng)?zhí)朜o. 61/159, 694,名稱 "MULTIBAND METAMATERIAL SLOT ANTENNA"，申請(qǐng)日 2009 年 3 月 12 日。
[0005] 以上申請(qǐng)公開通過(guò)引用被并入此處，作為本申請(qǐng)說(shuō)明書的一部分。
技術(shù)領(lǐng)域
【背景技術(shù)】
[0006] 傳統(tǒng)縫隙天線一般由一塊平坦的金屬表面（如，金屬板）構(gòu)成，在金屬表面上形成 孔或縫隙。通過(guò)設(shè)計(jì)，縫隙天線可以被認(rèn)為在結(jié)構(gòu)上與偶極天線互補(bǔ)。例如，可以通過(guò)將介 電基板上的導(dǎo)電金屬層與縫隙天線的開口縫隙區(qū)互換，來(lái)形成具有與印刷縫隙天線相似形 狀和尺寸的介電基板上的印刷偶極天線，反之亦然。兩種天線可以在形式上相似，并具有相 似的電磁波圖案。與偶極天線一樣，確定縫隙天線的輻射圖的因素包括：縫隙的形狀和尺 寸。由于縫隙天線提供的相對(duì)于傳統(tǒng)天線設(shè)計(jì)的特定優(yōu)勢(shì)，可以在各種無(wú)線通信系統(tǒng)中使 用縫隙天線。一些優(yōu)勢(shì)包括：與其他傳統(tǒng)天線設(shè)計(jì)相比更小的尺寸、較低的制造成本、設(shè)計(jì) 的簡(jiǎn)單性、耐久性以及集成性。然而，由于天線尺寸主要取決于中心頻率，縫隙天線設(shè)計(jì)在 尺寸減小方面可能仍存在限制，從而使得在特定頻率處尺寸減小成為挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

【附圖說(shuō)明】
[0007] 圖1-3示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、基于4個(gè)單位單元的一維復(fù)合右手和左手超材 料傳輸線的示例；
[0008] 圖4A示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、如圖2中的一維復(fù)合右手和左手超材料傳輸線等 效電路的兩端口網(wǎng)絡(luò)矩陣表示；
[0009] 圖4B示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、如圖3中的一維復(fù)合右手和左手超材料傳輸線等 效電路的兩端口網(wǎng)絡(luò)矩陣表示；
[0010] 圖5示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、基于4個(gè)單位單元的一維復(fù)合右手和左手超材料 天線；
[0011] 圖6A示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、與如圖4A中的傳輸線情況類似的一維復(fù)合右手 和左手超材料天線等效電路的兩端口網(wǎng)絡(luò)矩陣表示；
[0012] 圖6B示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、與如圖4B中的TL情況類似的一維復(fù)合右手和左 手超材料天線等效電路的兩端口網(wǎng)絡(luò)矩陣表示；
[0013] 圖7A和7B是根據(jù)示例實(shí)施例的、分別考慮了平衡和不平衡情況的如圖2中的單 位單元的頻散曲線。
[0014] 圖8示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、基于4個(gè)單位單元的具有截?cái)嗟慕拥氐囊痪S復(fù)合 右手和左手超材料傳輸線；
[0015] 圖9示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、如圖8中的具有截?cái)嗟慕拥氐囊痪S復(fù)合右手和左 手超材料傳輸線的等效電路；
[0016] 圖10示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、基于4個(gè)單位單元的具有截?cái)嗟慕拥氐囊痪S復(fù)合 右手和左手超材料天線的不例；
[0017] 圖11示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、基于4個(gè)單位單元的具有截?cái)嗟慕拥氐囊痪S復(fù)合 右手和左手超材料傳輸線的另一示例；
[0018] 圖12示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、如圖11中的具有截?cái)嗟慕拥氐囊痪S復(fù)合右手和 左手超材料傳輸線的等效電路；
[0019] 圖13A-13C示意了根據(jù)示例實(shí)施例的基本縫隙天線設(shè)備的多個(gè)視圖；
[0020] 圖14A示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、定義了圖13A-13C的縫隙天線設(shè)備的特定電感 和電容性元件的結(jié)構(gòu)元件；
[0021] 圖14B示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、圖13A-13C中所示的基本縫隙天線設(shè)備的等效 電路模型；
[0022] 圖15示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、基本縫隙天線設(shè)備的HFSS仿真的返回?fù)p耗；
[0023] 圖16示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、基本縫隙天線設(shè)備的輸入阻抗的實(shí)部和虛部；
[0024] 圖17A-17C示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、第二縫隙天線設(shè)備的多個(gè)視圖；
[0025] 圖18A示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、定義了圖17A-17C的第二縫隙天線設(shè)備的特定 電感和電容性元件的結(jié)構(gòu)元件；
[0026] 圖18B示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、圖17A-17C中所示的第二縫隙天線設(shè)備的等效 電路模型；
[0027] 圖19和20分別示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、第二縫隙天線設(shè)備的仿真的返回?fù)p耗 以及輸入阻抗的實(shí)部和虛部；
[0028] 圖21A-21C示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、第三縫隙天線設(shè)備的多個(gè)視圖；
[0029] 圖22A示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、定義了圖21A-21C的第三縫隙天線設(shè)備的特定 電感和電容性元件的結(jié)構(gòu)元件；
[0030] 圖22B示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、圖21A-21C中所示的第三縫隙天線設(shè)備的等效 電路模型；
[0031] 圖23和24分別示意了第三縫隙天線設(shè)備的仿真的返回?fù)p耗以及輸入阻抗的實(shí)部 和虛部；
[0032] 圖25A-25C示意了根據(jù)示例實(shí)施例的超材料縫隙天線設(shè)備；
[0033] 圖26A示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、定義了圖25A-25C的超材料縫隙天線設(shè)備的特 定電感和電容性元件的結(jié)構(gòu)元件；
[0034] 圖26B示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、圖25A-25C中所示的超材料縫隙天線設(shè)備的等 效電路模型；
[0035] 圖27和28分別示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、超材料縫隙天線設(shè)備的仿真的返回?fù)p 耗以及輸入阻抗的實(shí)部和虛部；
[0036] 圖29A-29C示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、圖25A-25C中所示的超材料縫隙天線設(shè)備 的修改版本，此處被稱為MTM-Bl縫隙天線設(shè)備；
[0037] 圖30A示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、定義了圖29A-29C中所示的MTM-Bl縫隙天線的 特定電感和電容性元件的結(jié)構(gòu)元件；
[0038] 圖30B示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、圖29A-29C中所示的MTM-Bl縫隙天線的等效電 路模型；
[0039] 圖31和33分別示意了根據(jù)示例實(shí)施例的、MTM-Bl縫隙天線2900的仿真的返回 損耗、輸入阻抗的實(shí)部和虛部以及效率圖；
[0040] 圖34A-34C示意了根據(jù)示例實(shí)施例的MTM-Bl縫隙天線設(shè)備的修改版本，此處被稱 為MTM-B2縫隙天線設(shè)備。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 隨著無(wú)線通信領(lǐng)域中的技術(shù)進(jìn)步繼續(xù)將移動(dòng)設(shè)備推向越來(lái)越小的尺寸，緊湊的天 線設(shè)計(jì)已變?yōu)樽铍y滿足的挑戰(zhàn)之一。例如，由于緊湊的無(wú)線設(shè)備中的可用空間有限，較小 的傳統(tǒng)天線可能導(dǎo)致降低的性能以及復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)組裝，復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)組裝進(jìn)而可能 導(dǎo)致更高的制造成本。一種可能的設(shè)計(jì)方案包括傳統(tǒng)縫隙天線設(shè)計(jì)，該傳統(tǒng)縫隙天線設(shè)計(jì) 包括在其中形成有至少一個(gè)縫隙的導(dǎo)電表面。由于縫隙天線通常是使用單塊金屬形成的， 這些類型一般不那么昂貴并且更易于構(gòu)建?？p隙天線設(shè)計(jì)可以相對(duì)于傳統(tǒng)天線設(shè)計(jì)提供若 干其他優(yōu)勢(shì)，如減小的尺寸、簡(jiǎn)單性、耐久性以及集成到緊湊的設(shè)備中的集成性。然而，由于 天線尺寸可能主要取決于操作頻率，減小縫隙天線的尺寸可能達(dá)到特定的尺寸限制。為了 滿足當(dāng)前的天線尺寸減小的挑戰(zhàn)，基于復(fù)合右手和左手（CRLH)超材料（MTM)結(jié)構(gòu)的縫隙 天線設(shè)計(jì)可能是實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)縫隙天線或CRLH天線更小的天線設(shè)計(jì)的一種可能方案，在以 下美國(guó)專利申請(qǐng)和美國(guó)專利中描述了這種方案：申請(qǐng)?zhí)朜o. 11/741，674,名稱"Antennas， Devices and Systems Based on Metamaterial Structures"，申請(qǐng)日 2007 年 4 月 27 日； 以及專利號(hào)No. 7, 592, 957,名稱"Antennas Based on Metamaterial Structures"，授權(quán)日 2009年9月22日。此外，這些CRLH縫隙天線提供低制造成本、設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性、耐久性、集成 性以及多帶操作，與傳統(tǒng)縫隙天線和CRLH天線共享相似的性能優(yōu)勢(shì)。
[0042] 在多天線系統(tǒng)中，CRLH縫隙天線可以與多天線系統(tǒng)組合，以相對(duì)于完全基于CRLH 天線或僅基于CRLH縫隙天線的多天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)特定的性能優(yōu)勢(shì)。例如，由于CRLH天線在 天線結(jié)構(gòu)上具有電流，并且CRLH縫隙天線在天線結(jié)構(gòu)上具有磁流，CRLH天線和CRLH縫隙 天線間的耦合可以實(shí)質(zhì)性地小于兩個(gè)CRLH天線或兩個(gè)CRLH縫隙天線間的耦合。因此，通 過(guò)在多天線系統(tǒng)（如M頂0/分集設(shè)備）中將CRLH天線與CRLH縫隙天線組合，可以實(shí)質(zhì)性 地減小兩個(gè)不同天線間的耦合，從而提高天線效率和遠(yuǎn)場(chǎng)包絡(luò)相關(guān)性，進(jìn)而改進(jìn)天線系統(tǒng) 的性能。
[0043] 本申請(qǐng)?zhí)峁┝丝p隙天線設(shè)備以及基于復(fù)合右手和左手（CRLH)結(jié)構(gòu)的縫隙天線設(shè) 備的若干實(shí)施例。
[0044] CRLH超材料結(jié)構(gòu)
[0045] 本公開中提供了 CRLH MTM天線的基本結(jié)構(gòu)元件，作為回顧并用于描述在平衡MTM 天線設(shè)備中使用的CRLH天線結(jié)構(gòu)的基本方面。例如，在本文中描述的上述和其他天線設(shè)備 中的一個(gè)或多個(gè)天線可以具有各種天線結(jié)構(gòu)，包括右手（RH)天線結(jié)構(gòu)和CRLH結(jié)構(gòu)。在右手 (RH)天線結(jié)構(gòu)中，電磁波的傳播服從（Ε，Η，β)矢量場(chǎng)的右手定律，考慮電場(chǎng)E、磁場(chǎng)H和波 矢量β (或傳播常數(shù)）。相速度方向與信號(hào)能量傳播（群速度）方向相同，折射率為正數(shù)。 這種材料稱為右手（RH)材料。大多數(shù)天然材料是RH材料。人造材料也可以是RH材料。
[0046] 超材料可以是人造結(jié)構(gòu)，或者如以上詳述的，MTM組件可以被設(shè)計(jì)為表現(xiàn)為人造結(jié) 構(gòu)。換言之，描述該組件的性態(tài)和電學(xué)組成的等效電路與MTM的等效電路一致。當(dāng)以結(jié)構(gòu) 平均單位單元尺寸P (P遠(yuǎn)小于超材料所引導(dǎo)的電磁能量的波長(zhǎng)λ)來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)，超材料對(duì) 所引導(dǎo)的電磁能量表現(xiàn)為類似均質(zhì)介質(zhì)。與RH材料不同，超材料可以展現(xiàn)出負(fù)折射率，并 且相速度方向可以與信號(hào)能量傳播方向相反，其中（Ε，Η，β)矢量場(chǎng)的相對(duì)方向服從左手 定律。具有負(fù)折射率并同時(shí)具有負(fù)介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ的超材料稱為純左手（LH)材 料。
[0047] 許多超材料是LH超材料和RH材料的混合，因此是CRLH超材料。CRLH超材料可以 在低頻表現(xiàn)如LH超材料，而在高頻表現(xiàn)如RH材料。例如，在以下文獻(xiàn)中描述了各種CRLH 超材料的實(shí)現(xiàn)和屬性：Caloz 和 Itoh，" Electromagnetic Metamaterials 〖Transmission Line Theory and Microwave Applications，" John Wiley&Sons(2006) 〇 Tatsuo Itoh 在"Invited paper ：Prospects for Metamaterials, " Electronics Letters, Vol. 40, No. 16 (August，2004)中描述了 CRLH超材料及其在天線中的應(yīng)用。
[0048] CRLH超材料可以被結(jié)構(gòu)化并工程化為展現(xiàn)出針對(duì)指定應(yīng)用定制的電磁屬性，并且 可以用于使用其他材料可能有困難、不實(shí)際或不可行的應(yīng)用。此外，CRLH超材料可以用于 開發(fā)新應(yīng)用和構(gòu)造利用RH材料不能實(shí)現(xiàn)的新設(shè)備。
[0049] 超材料結(jié)構(gòu)可以用于構(gòu)造天線、傳輸線以及其他RF組件和設(shè)備，允許多種技術(shù)進(jìn) 步，如功能增強(qiáng)、尺寸減小和性能提高。MTM結(jié)構(gòu)具有一個(gè)或多個(gè)MTM單位單元。如上所述， MTM單位單元的集總電路模型等效電路包括RH串聯(lián)電感LR、RH并聯(lián)電容CR、LH串聯(lián)電容Q 和LH并聯(lián)電感U?；贛TM的組件和設(shè)備可以基于這些CRLH MTM單位單元來(lái)設(shè)計(jì)，CRLH MTM單位單元可以使用分布電路元件、集總電路元件或兩者的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)天線不 同，MTM天線諧振受到LH模式存在的影響。一般地，LH模式有助于激勵(lì)和更好地匹配低頻 諧振以及改進(jìn)高頻諧振的匹配。MTM天線結(jié)構(gòu)可以被配置為