使用超材料的天線隔離的制作方法【專利摘要】本發明公開了一種包括晶胞的陣列的超材料，每個晶胞由至少一個導電軌道形成。至少一個晶胞的至少一個導電軌道具有與其它晶胞的至少一個導電軌道不同的長度或寬度或厚度。超材料可置于兩個或更多個天線之間以改善天線之間的隔離。【專利說明】使用超材料的天線隔離【
技術領域：
】[0001]本發明涉及通過使用超材料來改善天線之間的隔離的技術，涉及超材料本身，并且涉及包括這樣的超材料的天線裝置。【
背景技術：
】[0002]超材料是設計成具有自然中不存在的性質的人造材料。天然存在的材料表現出由其原子和分子結構決定的電磁特性。利用超材料，通過向材料中引入比傳播通過該材料的電磁波的波長更小的結構特征來改變電磁特性。通常,這些特征將具有λ/10至λ/20的尺寸。在其最簡單的形式中，這些結構特征是在諸如FR4(通常在印刷電路板(PCB)中使用)的介電基板上制造的分布式電容和電感元件。更復雜的結構是可能的，并且諸如商用電容器的分立部件的使用也已被探索過。[0003]從天線設計者的角度來看，超材料的潛在地最有用的性質之一是具有負折射率的結構的設計。負折射率材料不是天然存在的，因為所有天然材料的介電常數ε和磁導率μ兩者都具有正值。負折射率材料有許多有趣的性質，包括對衍射的正常幾何規則的改變、多普勒頻移的反轉等。然而，無線電和天線工程師通常最感興趣的性質是具有負ε或負μ(但不是兩者)的材料對于電磁輻射不透明。透明材料的電磁性質完全由參數ε和μ指定，但通常的做法是指從η=土確定的折射率η。當η變為負數時，諸如FR4的普通的介電基板材料(其在微波射頻下為自然地半透明的)可以變得對無線電波不透明。這可以具有用于使天線免受附近的導電表面的影響和用于改善天線之間的隔離的應用。[0004]可以在微波頻率下使用設計成具有適當的電容C和電感L的導電元件的陣列來構造負折射率超材料。最早和最常使用的元件之一是開口環式諧振器(SRR)[Pendry,JB.;AJHolden,DJRobbins，andWJStewart."MagnetismfromConductorsandEnhancedNonlinearPhenomena"IEEETrans.MicrowaveTheoryTech47(11):2075-2084，1999]。每個SRR元件包括兩個或更多個同心環，每個同心環都具有開口。每個元件的電容由同心環之間的近間距產生，并且電感由用來形成環的細印刷跡線產生。[0005]已知提供具有雙L形諧振器包含物的左手超材料[J.H.Lv,X.ff.Hu,M.H.Liu,B.R.YanandLH.Kong.:"NegativerefractionofadoubleL-shapedmetamaterial〃，J.0pt.A:PureApp1.0pt.11085101，2009]。這里，L形諧振器由在FR4基板上的銅線形成，其中每個晶胞(unitcell)包括一對布置成彼此相對地旋轉180°的L形諧振器。[0006]還從Hsu，C-C等人已知["DesignofMIMOAntennaswithStrongIsolationforPortableApplications";IEEEAntennasandPropagationSocietyInternationalSymposium,2009，pp1-4]提供具有由周邊軌道圍繞的背對背L形導電構件的超材料。超材料可以置于MIMO天線對之間以改善隔離。[0007]其它超材料包括具有開口環式諧振器晶胞的那些，如例如在Moser，HO等人的文獻中所述["ElectromagneticmetamaterialsoverthewholeTHzrange-achievementsandperspectives";ELECTROMAGNETICMATERIALSProceedingsoftheSymposiumR，ICMAT2005(WorldScientificPublishingC0.):18]。[0008]常用的微波射頻為2.4GHz，該頻率用于Bluetooth?鏈路、無線局域網(WLAN)等。在2.4GHz下的波長為約120_，并且這樣陣列中的每個LC元件可能預計具有典型地大約6-12mm的尺寸。【
發明內容】[0009]現代無線電通信系統常常利用天線分集或MIMO(多輸入多輸出)天線技術。分集系統和MMO系統兩者都需要在相同時間且在相同頻率下操作的不止一個天線，并且這樣天線之間的良好隔離就變得重要。差的隔離導致天線效率的損失，因為來自一個天線的功率結束于其它天線中，而不是被輻射。差的隔離還導致分集和MIMO性能的損失，因為天線之間的耦合意味著它們沒有充分獨立地接收無線電多徑環境的樣本。[0010]從第一方面來看，提供了一種包括各自由至少一個導電軌道形成的晶胞的陣列的超材料，其中至少一個晶胞的至少一個導電軌道具有與其它晶胞的至少一個導電軌道不同的長度或寬度或厚度。[0011]超材料可包括形成于介電基板上或介電基板中的晶胞的2D陣列。[0012]在一些實施例中，超材料可包括晶胞的2D陣列的疊堆，晶胞的每個2D陣列形成于相應的介電基板上或介電基板中。疊堆中的至少一個介電基板可由具有與疊堆中的至少一個其它介電基板不同的介電常數的材料制成。這可以幫助改善超材料在兩個或更多個天線之間提供隔離的帶寬。[0013]超材料可包括在介電基板的第一表面上的晶胞的第一2D陣列，以及在介電基板的相對的第二表面上的晶胞的第二2D陣列。晶胞的至少一個另外的2D陣列可以形成為在第一和第二2D陣列之間的介電基板內的填隙層中。[0014]至少一個2D陣列的晶胞可以各自由至少一個導電軌道形成，該至少一個導電軌道具有與至少一個其它2D陣列中的晶胞的至少一個導電軌道不同的長度或寬度或厚度。這可以幫助改善超材料在兩個或更多個天線之間提供隔離的帶寬。[0015]至少一個且通常每個晶胞可包括配置為開口環式諧振器的至少一個導電軌道。開口環式諧振器可以是關于鏡面對稱的或者可以是非對稱的。在本文的上下文中，非對稱表示不具有垂直于導電軌道的平面的鏡面對稱平面的開口環式諧振器。非對稱布置可以在比對稱布置更寬的帶寬上提供隔離。[0016]至少一個晶胞可包括第一和第二L形導電構件，其背對背設置在平面中且在構件之間具有間隙，并且由周邊導電軌道連接在一起，該周邊導電軌道從第一L形導電構件的臂延伸至第二L形導電構件的臂，以便基本上圍繞平面中的兩個L形導電構件。[0017]優選地，L形導電構件、開口環式諧振器和/或周邊導電軌道形成于介電基板(例如，諸如Duroid?或FR4的印刷電路板(PCB)基板)上或諸如用于柔性電路的柔性塑料基板上。在一些實施例中，L形導電構件、開口環式諧振器和/或周邊導電軌道可以印刷或形成于膠帶形式的介電基板上，該介電基板可以接著根據需要施加到PCB基板上。[0018]在一些實施例中，周邊導電軌道可以是輪廓上大體矩形的。備選地，可以采用大體圓形、橢圓形、卵形或其它多邊形的輪廓。[0019]間隙可以限定在周邊導電軌道中，其對應于背對背L形導電構件之間的間隙。換言之，周邊導電軌道可以在兩個L形構件之間開裂。[0020]備選地，周邊導電軌道不在兩個L形構件之間開裂，而是形成連續的周邊。[0021]元件的陣列可被配置為具有大體2D配置的nXm陣列。備選地，元件的陣列可被配置為具有大體3D配置的IXηXm陣列。在另一些實施例中，若干層超材料可以彼此上下堆疊，其中在每個層上形成有相同或不同的2-D陣列元件。[0022]在任何給定的陣列內的元件可以大體上具有相同的形狀和尺寸。備選地，在任何給定的陣列內的一個或多個元件可具有略微不同的尺寸或形狀，以使得元件在略微不同的頻率下諧振。備選地或除此之外，至少一個元件中的一個L形導電構件可以在尺寸和/或形狀上不同于另一個L形導電構件。這些布置可以幫助改善帶寬。[0023]元件的每個陣列不一定是填滿的陣列。實際上，一個或多個元件可以從陣列中被省略，并且已經發現這樣改善了在更寬的帶寬上隔離的程度。此外，可以通過改變一個或多個元件在通過未填滿陣列而變得可用的空間中的位置來提供一定程度的調諧。例如，未完全填滿的陣列可包括具有兩個元件的左手列、具有兩個元件的右手列、以及具有僅一個元件的中間列。通過使中間列中的元件沿該列向上或向下移動，超材料的帶寬可根據需要被微調。[0024]超材料可用來改善兩個或更多個天線之間的隔離。這在使用天線分集或MMO技術的天線系統中特別具有優勢，因為這些系統采用在小的空間內同時操作的若干個天線。[0025]從第二方面來看，本發明提供了包括設置在基板上的至少兩個天線和設置在該至少兩個天線之間的第一方面的超材料的一部分的天線系統。[0026]還可以使用包括具有第一和第二相對表面的介電基板的超材料，其中第一圖案的兀件形成于第一表面上，并且第二圖案的兀件形成于第二表面上。第一和第二圖案的兀件可被調諧至不同頻率或頻帶，并且雙表面超材料在設置于一對雙頻帶天線之間時可以改善兩個頻帶上的天線隔離。[0027]類似的結果可通過以下方式實現:形成包括具有第一圖案元件的介電基板的第一超材料；形成包括具有第二圖案元件的介電基板的第二超材料；并且然后在一對天線之間將第二超材料定位在第一超材料的頂部上。[0028]該原理可以推廣到多個超材料層或表面，以便改善在若干頻帶中兩個天線之間的隔離。[0029]超材料也可用來改善若干(多于兩個)天線(包括以共面方式和以除共面之外的幾何形狀設置的若干天線)之間的隔離。[0030]在一些實施例中，超材料的導電結構被印刷或以其它方式形成于介電基板材料(例如，FR4)的一個或兩個表面上。在其它實施例中，導電結構被印刷或以其它方式形成于介電基板材料(例如，FR4)的填隙層上。應當理解，也可以使用包括Duroid?的其它普通的PCB基板材料。可以使用具有相同或不同介電常數的多層介電基板。[0031]其它低或高介電常數的材料(典型地在I至90的范圍中)可以被用作超材料的基板。[0032]某些實施例的新型超材料結構可用來增加一對緊密地間隔開的天線之間的隔離。一些實施例的超材料結構可以是低成本的，因為它可以被印刷在一層FR4(無線電工業中常用的低成本基板材料)上。一些實施例具有另外的優點:對于雙頻帶天線和天線布置來說，超材料可被設計成改善兩個頻帶之間的隔離。這可以通過在第一層之上或之下引入印刷有LC元件的不同陣列的介電基板的附加層來實現。實際上，在更多個頻帶之間的隔離通過引入更多個層是可能的。【專利附圖】【附圖說明】[0033]下面參照附圖進一步描述本發明的實施例，在附圖中:圖1示出包括在PCB上的一對緊密地間隔開的雙頻帶WLAN天線的現有技術布置；圖2是示出圖1的布置的兩個WLAN天線之間的隔離的圖線；圖3示出包括PCB上的超材料的第一實施例；圖4示出包括PCB上的超材料的第二實施例；圖5示出包括雙頻帶復合超材料的第三實施例，其包括圖3實施例的第一層和圖4實施例的第二層；圖6示出設置在類似于圖1中所示那樣的一對WLAN天線之間的圖5的超材料；圖7是示出圖6的布置的兩個WLAN天線之間的隔離的圖線；圖8示出如何可以通過移動一層超材料上的中間元件來調諧圖5實施例的超材料；圖9是示出當一層超材料上的中間元件被移動時圖6的布置的兩個WLAN天線之間的隔離的圖線；圖10示出包括介電基板上的開口環式諧振器的2D陣列的超材料，其中開口環式諧振器中的一個或多個具有與其它不同的尺寸；圖11示出包括介電基板上的開口環式諧振器的2D陣列的超材料，其中開口環式諧振器中的一個或多個具有與其它不同的形狀；圖12示出超材料，其包括在介電基板的一個表面上的具有第一配置的開口環式諧振器的2D陣列、以及在介電基板的另一個表面上的具有第二不同配置的開口環式諧振器的2D陣列；以及圖13示出超材料，其包括在介電基板的一個表面上的具有第一配置的開口環式諧振器的2D陣列、在介電基板的另一個表面上的具有第二不同配置的開口環式諧振器的2D陣列、以及在介電基板的表面之間的具有第三不同配置的開口環式諧振器的填隙2D陣列。【具體實施方式】[0034]圖1示出兩個共面的2.4/5GHz雙頻帶四分之一波長單極子天線1、2以大體上平行的布置在PCB3上緊密地間隔開，該PCB包括介電基板4(帶有在基板4的一部分之上的導電接地面5)和天線1、2所處的不帶有接地面5的區域6。應當理解，這只是示例性布置，并且在適當調整超材料設計的情況下，其它類型的天線和其它頻帶可與本申請的實施例一起使用。在圖1中，PCB3的寬度為20mm，并且不帶有接地面5的天線區域6為15mm長。天線的長下部7通常負責2.4GHz的輻射，并且升高部分1、2負責5GHz輻射。天線在其最高部分處的高度為3.2mm。[0035]在2.40-2.48GHzWLAN頻帶中，單極子天線1、2僅間隔開約λ/6，并且因此它們之間的隔離是差的約_6dB，參見圖2。在4.9-5.9GHzWLAN頻帶中，單極子天線1、2被進一步電氣隔離，但即使這樣，仍出現隔離保持在差的約-8dB的最壞情況。[0036]本申請的實施例的超材料結構在圖3中示出。多個導電的LC(電感電容)元件8被印刷在FR4基板9的單個表面上，并且不需要到大地的通路(在一些超材料結構中使用)。在圖示實施例中，元件8并未導電地連接到彼此。每個元件8的電感由狹窄的導電軌道10產生，并且電容主要來自緊密地間隔開的背對背L形元件11。雙L形超材料的使用已在文獻中描述[J.H.Lv,X.ff.Hu,M.H.Liu,B.R.YanandL.H.Kong.:"NegativerefractionofadoubleL-shapedmetamaterial"，J.0pt.A:PureApp1.0pt.11085101，2009]，但這里一個L形相對于另一個倒置，而不是如在本申請中描述的背對背。已經發現使用如圖3所示的元件8的未填滿陣列是有利的，其中在位置12處沒有元件8。已經發現，移除元件能改善帶寬，并且上下移動剩余的中心元件13(在該示例中)可用來調諧特定應用的帶寬。圖3的超材料結構在約2.4GHz下提供了良好的電磁隔離。[0037]備選的超材料設計在圖4中示出，并且被調諧到5GHz頻帶。與圖3的實施例一樣，多個導電的LC元件8’被印刷在FR4基板9的單個表面上，但在圖4的實施例中，元件8’被導電地鏈接到彼此且布置為一對緊密地間隔開的列。其它布置是可能的。[0038]為了實現實用的雙頻帶裝置，兩個不同的超材料表面可以組合。例如，圖4的實施例的5GHz表面可以安裝在圖3的實施例的2.4GHz表面上并且與2.4GHz表面適當地配準或對齊，如圖5所示，以提供雙頻帶超材料14。[0039]圖6示出在PCB3上的一對單極子天線1、2的完整結構，其中圖5的雙頻帶組合超材料14設置在單極子天線1、2之間。[0040]在雙頻帶超材料14就位的情況下,天線1、2之間的隔離在兩個頻帶上得到改善，如圖7所示。在較低的2.4GHz頻帶中，隔離具有非常深的零位(null)，并且甚至在頻帶邊緣處，其為大約-12dB。這可以通過小心調諧超材料14以將零位剛好置于頻帶中心中來改善。在高頻頻帶中，在5GHz左右的隔離為_20dB。通過再調諧超材料14可以將該凹口移動至4.9-5.9GHz頻帶的任何部分。[0041]雙頻帶超材料14的下層為未填滿的陣列并且在中心列中省去一個元件(參見圖3)。在該列內移動元件的位置(參見圖8)可用來改變在5GHz頻帶中隔離的帶寬，而不會過多影響2.4GHz的隔離頻率。圖9中示出了這種效應。[0042]在該示例性布置中，2.4GHz超材料已示出為3X2元件陣列，而5GHz超材料已示出為2X3陣列。應當理解，具有更大或更小數目的元件的其它陣列配置是可能的。還應當理解，可以移除不止一個陣列元件以調諧隔離效應的帶寬。[0043]在上述示例性布置中，FR4已被用作基板材料。可以使用包括低和高介電材料的許多其它類型的基板材料。通常，超材料的有益特性隨著陣列中元件數目的增加而改善。對于給定的平臺尺寸來說，高介電基板的使用可用來縮小元件尺寸并允許在陣列中使用更多元件。[0044]以上示例性布置描述了包括兩個層的雙頻帶超材料。通常，可以使用η層基板形成η頻帶超材料。[0045]雖然已在以上示例性布置中描述了兩個天線之間的隔離，但是通過在所有對之間適當地設置超材料元件可能實現更大數目之間的隔離。[0046]以上示例性布置描述了兩個共面天線，但是所描述的超材料也可以用來改善使用其它幾何形狀設置的天線之間的隔離。[0047]圖10示出了包括介電基板9上的開口環式諧振器8的2D陣列的超材料，其中開口環式諧振器8中的一個或多個具有與其它不同的尺寸。這可以幫助在更寬的帶寬上提供隔離。[0048]圖11示出了包括介電基板9上的開口環式諧振器8的2D陣列的超材料，其中開口環式諧振器8中的一個或多個具有與其它不同的形狀。這可以幫助在更寬的帶寬上提供隔離。[0049]圖12示出了包括在介電基板9的一個表面上的具有第一配置的開口環式諧振器8的2D陣列、以及在介電基板9的另一個表面上的具有第二不同配置的開口環式諧振器8’的2D陣列的超材料。這可以幫助在更寬的帶寬上提供隔離。[0050]圖13示出了包括在介電基板9的一個表面上的具有第一配置的開口環式諧振器8的2D陣列、在介電基板9的另一個表面上的具有第二不同配置的開口環式諧振器8’的2D陣列、以及在介電基板9的表面之間的具有第三不同配置的開口環式諧振器8〃的填隙2D陣列的超材料。這可以幫助在更寬的帶寬上提供隔離。[0051]貫穿本申請文件的說明書和權利要求書，詞語“包括”和“包含”以及這些詞語的變型是指“包括但不限于”，并且它們并非意圖(并且不)排除其它部分、添加部分、部件、整體或步驟。貫穿本申請文件的說明書和權利要求書，單數涵蓋復數，除非上下文另有所指。特別地，當使用不定冠詞時，本申請文件應理解為考慮了復數以及單數，除非上下文另有所指。[0052]結合本發明的特定方面、實施例或示例描述的特征、整體、特性、化合物、化學部分或基團應理解為適用于本文所描述的任何其它方面、實施例或示例，除非與其不相容。本申請文件(包括任何所附權利要求、說明書摘要和附圖)中公開的所有特征、和/或所公開的任何方法或過程的所有步驟可以以任何組合結合，但不包括其中這樣的特征和/或步驟中的至少一些相互排斥的組合。本發明不限于任何前述實施例的細節。本發明延伸至在本申請文件(包括任何所附權利要求、說明書摘要和附圖)中公開的特征的任何新穎特征或任何新穎組合，或者延伸至所公開的任何方法或過程的步驟的任何新穎步驟或任何新穎組口ο[0053]讀者的注意力被導向所有文章和文獻上，這些文章和文獻結合本申請與本說明書同時提交或先于本說明書提交，并與本說明書一起公開接受公眾檢查，并且所有這些文章和文獻的內容均以引用方式并入本文中。【權利要求】1.一種包括晶胞的陣列的超材料，每個晶胞由至少一個導電軌道形成，其中至少一個所述晶胞的至少一個導電軌道具有與其它晶胞的至少一個導電軌道不同的長度或寬度或厚度。2.根據權利要求1所述的超材料，包括形成于介電基板上或介電基板中的晶胞的2D陣列。3.根據權利要求1所述的超材料，包括晶胞的2D陣列的疊堆，晶胞的每個2D陣列形成于相應的介電基板上或形成于相應的介電基板中。4.根據權利要求3所述的超材料，其中所述疊堆中的至少一個介電基板由具有不同于所述疊堆中的至少一個其它介電基板的介電常數的材料制成。5.根據權利要求1所述的超材料，包括在介電基板的第一表面上的晶胞的第一2D陣列，以及在所述介電基板的相對的第二表面上的晶胞的第二2D陣列。6.根據權利要求5所述的超材料，還包括形成為在所述第一和第二2D陣列之間的介電基板內的填隙層中的晶胞的至少一個另外的2D陣列。7.根據權利要求3至6中的任一項所述的超材料，其中至少一個2D陣列的晶胞各自由至少一個導電軌道形成，所述至少一個導電軌道具有與至少一個其它2D陣列中的晶胞的至少一個導電軌道不同的長度或寬度或厚度。8.根據任何前述權利要求所述的超材料，其中至少一個晶胞包括配置為開口環式諧振器的至少一個導電軌道。9.根據任何前述權利要求所述的超材料，其中每個晶胞包括配置為開口環式諧振器的至少一個導電軌道。10.根據任何前述權利要求所述的超材料，其中至少一個晶胞包括第一和第二L形導電構件，所述第一和第二L形導電構件背對背設置在平面中且在所述構件之間具有間隙，并且由周邊導電軌道連接在一起，所述周邊導電軌道從所述第一L形導電構件的臂延伸至所述第二L形導電構件的臂，以便基本上圍繞所述平面中的兩個L形導電構件。11.根據權利要求10所述的超材料，其中至少一個晶胞的周邊導電軌道在輪廓上為大體矩形。12.根據權利要求10所述的超材料，其中至少一個晶胞的周邊導電軌道在輪廓上為大體圓形、橢圓形、卵形或多邊形。13.根據權利要求10至12中的任一項所述的超材料，其中對于至少一個晶胞來說，在所述周邊導電軌道中限定了間隙，所述間隙對應于所述背對背L形導電構件之間的間隙。14.根據權利要求10至13中的任一項所述的超材料，其中對于至少一個元件來說，所述周邊導電軌道在所述兩個L形構件之間不開裂，而是形成連續的周邊。15.根據權利要求10至14中的任一項所述的超材料，其中在至少一個所述晶胞中的所述第一和第二L形導電構件的尺寸和/或形狀彼此不同。16.根據權利要求8或9所述的材料，其中至少一個開口環式諧振器被非對稱地配置。17.根據權利要求1至16中的任一項所述的超材料，其中一個或多個晶胞具有不同的尺寸或形狀，使得所述晶胞以不同的頻率進行諧振。18.根據任何前述權利要求所述的超材料，其中晶胞的陣列不是填滿的陣列，一個或多個元件已從其中被省略。19.一種天線系統，其包括設置在基板上的至少兩個天線和設置在所述至少兩個天線之間的根據權利要求1至18中的任一項所述的超材料的一部分。20.—種基本上如上文參照附圖中的圖3至圖13進行描述的或如圖3至圖13所示的超材料。21.—種基本上如上文參照附圖中的圖3至圖13進行描述的或如圖3至圖13所示的天線系統。【文檔編號】H01Q5/10GK103999286SQ201280052230【公開日】2014年8月20日申請日期:2012年8月16日優先權日:2011年8月24日【發明者】M.哈珀申請人:微軟公司