專利名稱：利用磁性電介質的超材料天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種CRLH-TL天線上采用磁性電介質(magneto-dielectric material)實現天線小型化的技術，尤其涉及一種對于采用補丁(patch)和導通孔(via)構 成的CRLH-TL天線利用SRR磁化電介質實現小型化的利用磁性電介質的超材料天線。
背景技術：
最近，利用超材料(metamaterial)設計天線的研究急劇增加。超材料是指有規律 地排列特定單位結構而具備自然界不存在的電磁特性的物質。各種超材料中，人們日益關注可以任意調整介電常數和導磁系數的值的超材 料。具有代表性的物質是被稱作Negative Refractive Index (NRI)和Left_Handed Material (LHM)的物質，該物質是有效介電常數和導磁系數均具有陰的值的物質，其電場、 磁場及傳播方向遵循左手定則。將上述超材料的特征適用于天線時，可以提高天線的性能。應用于天線的超材料的結構中，具有代表性的結構是Composite Right/Left Handed Transmission Line (CRLH-TL)結構。該結構的特征之一是0次共振模式，這是傳播 常數成為0的共振模式，波長會無限大，而且不會發生由于傳播傳輸引起的相位滯后問題。 由于CRLH-TL結構的參數決定該模式的共振頻率，不會依賴天線的長度，非常易于實現天 線的小型化。當然，也可以利用1次共振模式制作天線。這種方式可以具備與普通補丁天線相 同的放射模式而共振頻率非常低。最近，人們開始關注可以增加導磁系數的磁性電介質。使天線實現小型化的傳統 方法有使用介電常數高的基板的方法。可是，介電常數高的基板存放能量時，會出現天線效 率降低、帶寬變窄等弊端。與此相反，使用導磁系數高的基板時，不僅可以解決以上問題，還 可以實現天線的小型化問題。將對于向外部放射的磁場(magnetic field)做出響應的金屬結構物插入到普通 基板而制造出磁性電介質。主要利用的結構是Split Ring Resonator (SRR)，這種結構通過 外部磁場向SRR輸入電流并通過此過程產生磁場，從而與外部磁場相應地改變導磁系數。 導磁系數顯示出共振特性，共振頻率下頻帶中導磁系數的值大于1，共振頻率中等離子體 (plasma)頻率之間具有音的導磁系數值，而等離子體頻率以上則具有小于1的量的值。用 于磁性電介質的頻帶是共振頻率以下頻帶。發明技術問題的公開本發明涉及一種CRLH-TL天線上采用磁性電介質(magneto-dielectric material)實現天線小型化的技術，尤其涉及一種對于采用補丁(patch)和導通孔(via)構 成的CRLH-TL天線利用SRR磁化電介質實現小型化的利用磁性電介質的超材料天線。技術方案為了解決以上問題，本發明提供一種以如下內容為特征的利用磁性電介質的超 材料天線，其特征在于包括插入SRR (Split Ring Resonator)結構而制備磁性電介質的
3基板、與所述基板相隔給定間距而形成于上部的CRLH-TL(Composite Right/Left Handed Transmission Line)結構補丁以及與所述基板相隔給定間距而形成于下部的接地。優選地，所述基板、補丁及接地采用通過導通孔相互連接的磁性電介質。而且，所述基板包括由2個單元裝置組成的SRR結構體，所述SRR結構體的一單元 裝置以放射狀配置了 8個SRR。另外，所述SRR結構的一單元裝置中，沿著所述基板(200)的縱向以放射狀設置長 度相對長的6個第1 SRR，且沿著所述基板(200)的橫向設置長度短的第2 SRR。所述第1 及第2 SRR面對面到形成在基板的上面和下面。而且，通過貫通基板的導通孔連接面對面地形成在基板的上面和下面的所述第1 及第2 SRR的兩末端。另外，形成在所述基板的下面的第1及第2 SRR的中央部形成插槽。而且，所述補丁是由兩個單元裝置(unit-cell)組成的CRLH-TL結構天線。另外，所述補丁與供電線路(feed line)微帶線相隔給定間距而實施雙供電。而且，本發明提供一種具備所述超材料天線的無線通信終端。有益效果如上所述，本發明涉及一種CRLH-TL天線上采用磁性電介質 (magneto-dielectric material)實現天線小型化的技術，特別是，提供一種對于采用補丁 (patch)和導通孔(via)構成的CRLH-TL天線利用SRR磁化電介質實現小型化的利用磁性 電介質的超材料天線。附圖簡要說明
圖1是圖示利用本發明優選一實施例磁性電介質的超材料天線的圖。圖2是圖示由本發明優選一實施例磁性電介質組成的基板的圖。圖3是圖示本發明優選一實施例SRR結構的圖。圖4是圖示本發明優選一實施例天線磁場產生方向的圖。圖5是圖示本發明優選一實施例第1 SRR頻率導磁系數的變化的圖。圖6是圖示本發明優選一實施例第2 SRR頻率導磁系數的變化的圖。圖7是根據是否使用SRR對比反射損失的圖表。圖8是圖示本發明優選一實施例0次共振模式中SRR表面電流(surface current)的圖。圖9是圖示本發明優選一實施例天線生成的磁場方向的圖。圖10是圖示采用本發明優選一實施例SRR結構實際制作的天線的照片。圖11是圖示實際制作天線的被檢測反射損失和模擬反射損失的圖表。圖12是圖示實際制作天線的被檢測放射模式的圖。實施本發明的最佳方式要想很好地理解通過本發明和本發明的動作優點以及本發明的實施要達到的本 發明的目的，需要參考示意本發明優選實施例的附圖和附圖上記載的內容。以下參考附圖和本發明的優選實施例詳細說明本發明。各個附圖上標注的相同的 參考符號表示相同的部件。圖1是圖示利用本發明優選一實施例磁性電介質的超材料天線的圖。
如圖1所示，本發明CRLH-TL結構的超材料天線(100)采用SRR(Split Ring Resonator)結構(210)制作磁性電介質基板(200)且在該基板(200)上形成補丁 (300)。更具體地講，所述超材料天線(100)由三個層組成，最上層的上面形成補丁 (300)，中間層利用基板(200)的上面和下面設置SRR結構體(210)，最下層向接地(400)動 作。所述三個層通過導通孔(500)連接。所述補丁(300)是由兩個單元裝置(unit-cell)組成的CRLH-TL天線，所述補丁 (300)的下端部中每個單元裝置都以8個SRR(211、212)具備SRR結構(210)而磁化電介 質，且將所述電介質用作基板(200)。所述超材料天線(100)的規格是L = 25謹、W = 12. 4謹、gap = 0. 2謹，使用的導 通孔的半徑是0.3mm。基板使用Rogers RT/duroid 5880基板，其中，上下基板的厚度是 1. 55mm(62mil)，中間基板的厚度是0. 508mm(20mil)，橫向及縱向的規格均為55mm。通過寬 度為8mm的微帶線(microstrip line ；310)實現天線的供電。圖2是圖示由本發明優選一實施例磁性電介質組成的基板的圖，圖3是圖示本發 明優選一實施例SRR結構的圖。圖2及圖3所示，所述SRR結構(210)由長度相對長的第1 SRR(211)和長度短的 第2 SRR(212)組成，沿著所述基板(200)的縱向以放射狀排列6個所述第1 SRR(211)，且以 橫向設置所述第2 SRR(212)。圖3中(a)具備第1 SRR(211)結構，(b)具備第2 SRR(212)結構。所述第1及第2 SRR(211、212)對稱地形成于基板的上面及下面，且通過貫通基板 的導通孔(500)連接以基板為中心面對面的各個SRR(211、212)的兩末端。而且，形成于所述基板的下面的第1及第2SRR(211、212)的中央部形成插槽 (slot,213)。所述 SRR 的規格是 L_large_srr = 11mm、L_small_srr = 4. 5mm、w_srr = 2mm、 gap_srr = 0. 2mm> h_srr = 1. 55mm、via_r = 0. 3mm。圖4是圖示本發明優選一實施例天線磁場產生方向的圖。為了使所述SRR結構(210)對于磁場做出響應，需要使SRR結構(210)和磁場方
向垂直相交。如圖4所示，采用補丁(300)和導通孔(500)組成的CRLH-TL超材料天線(100) 中，沿著以導通孔(500)為中心旋轉的方向形成磁場。因此，以導通孔(500)為中心以放射 狀設置所述第1及第2 SRR(211、212)為宜。通過模擬觀察了所述SRR的運行特性。模擬采用了 CST Microwave Studio 2006B。圖5是圖示本發明優選一實施例第1 SRR頻率導磁系數的變化的圖。如圖5所示，第1 SRR(211)在4. 37GHz顯示出共振特性。低于此頻率時，導磁系 數的值會大于1。而高于此頻率時，導磁系數一開始變成負數之后又重新變成了小于1的正 數。用作磁性電介質的頻率的范圍介于少于SRR共振頻率的頻帶，該頻帶中導磁系數的值 大于1。圖6是圖示本發明優選一實施例第2 SRR頻率導磁系數的變化的圖。如圖6所示，所述第2 SRR(212)在7. 91GHz顯示出共振特性，導磁系數的變化形 態與所述第1 SRR(211)相同。
根據CRLH-TL天線采用SRR時的情況和不采用SRR時的情況，觀察了天線共振頻 率的變化。供電線路(feed line)微帶線(310)和補丁 (300)之間相隔0. 3mm間距并實施 雙供電。表 權利要求
一種利用磁性電介質的超材料天線，其特征在于包括插入SRR結構而制備磁性電介質的基板、與所述基板相隔給定間距而形成于上部的CRLH TL結構補丁以及與所述基板相隔給定間距而形成于下部的接地。
2.根據權利要求1所述的利用磁性電介質的超材料天線，其特征在于通過導通孔相 互連接所述基板、補丁及接地。
3.根據權利要求1所述的利用磁性電介質的超材料天線，其特征在于所述基板具備 由兩個單元裝置組成的SRR結構，所述SRR結構的一單元裝置以放射狀設置8個SRR。
4.根據權利要求3所述的利用磁性電介質的超材料天線，其特征在于所述SRR結構 的一單元裝置沿著所述基板(200)的縱向以放射狀設置長度相對長的6個第1 SRR，且沿著 橫向設置長度短的第2 SRR ；所述第1及第2 SRR面對面地形成于基板的上面及下面。
5.根據權利要求4所述的利用磁性電介質的超材料天線，其特征在于通過貫通基板 的導通孔連接面對面地形成于基板的上面和下面的所述第1及第2 SRR的兩末端。
6.根據權利要求4所述的利用磁性電介質的超材料天線，其特征在于形成于所述基 板的下面和下面的第1及第2 SRR的中央部形成插槽。
7.根據權利要求1所述的利用磁性電介質的超材料天線，其特征在于所述補丁是由 兩個單元裝置組成的CRLH-TL結構天線。
8.根據權利要求1所述的利用磁性電介質的超材料天線，其特征在于所述補丁是與 供電線路微帶線相隔給定間距而實施雙供電。
9.包括權利要求1至8之一超材料天線的無線通信終端。全文摘要
本發明涉及一種CRLH-TL天線上采用磁性電介質(magneto-dielectric material)實現天線小型化的技術，尤其涉及一種對于采用補丁(patch)和導通孔(via)構成的CRLH-TL天線利用SRR磁化電介質實現小型化的利用磁性電介質的超材料天線。更具體地講，本發明包括插入SRR(Split Ring Resonator)結構而制備磁性電介質的基板、與所述基板相隔給定間距而形成于上部的CRLH-TL(Composite Right/LeftHanded Transmission Line)結構補丁以及與所述基板相隔給定間距而形成于下部的接地。
文檔編號H01Q1/24GK101946365SQ200980105885
公開日2011年1月12日 申請日期2009年2月3日 優先權日2008年2月20日
發明者張慶德, 成元模, 樸位相, 柳秉勳 申請人:株式會社Emw;浦項工科大學校產學協力團