有源人工磁導體的制作方法
【專利摘要】一種有源人工磁導體包括單位晶格的陣列，每個單位晶格包括頂面、耦接到頂面的至少一個壁、耦接到該至少一個壁的底座、以及位于頂面中的交叉縫隙。頂面、至少一個壁、和底座形成了腔，并且它們是導電的。
【專利說明】
有源人工磁導體
[0001] 相關申請
[0002] 本申請要求于2014年2月24日提交的美國專利申請No. 14/188，264的優先權，該申 請的全部內容以引用方式并入本文中。本申請還要求于2014年2月24日提交的美國專利申 請No. 14/188,225的優先權，該申請的全部內容以引用方式并入本文中。
技術領域
[0003] 本公開涉及有源人工磁導體(AAMC)。
【背景技術】
[0004] 通常需要將天線置于金屬表面附近并使其與金屬表面平行，例如置于機翼上。但 是，這些表面會反射與入射波異相的電磁波，因此會使天線短路。與天然存在的材料反射異 相電磁波不同，人工磁導體(AMC)是超穎表面，它同相反射入射電磁波。AMC通常由小于半波 長的單位晶格組成，并且通過共振實現其性能。例如負電感電路或非福斯特電路(NFC)的有 源電路被用于增加帶寬，從而構成了有源AMC(AAMC)。但是，負電感電路或非福斯特電路 (NFC)的使用會導致必須進行仔細的設計以避免振蕩的條件穩定的AAMC。
[0005] AAMC可以以許多方式對天線進行改進，包括1)增加天線帶寬，如下面的參考文獻
[6] 和[11]中描述;2)降低安裝在建筑物上的天線的有限地面邊緣效應，從而改進它們的輻 射模式;3)減少建筑物上的間隔小于一個波長的天線元件之間的耦合，從而減輕同址干擾； 4)建立與結構金屬表面極化平行且直接沿著結構金屬表面的能量輻射;5)增加背腔式縫隙 天線的帶寬和效率，同時降低腔尺寸。AAMC技術的使用特別適合于小于1GHz的頻率，在這種 情況中，傳統AMC的物理尺寸成為對多數實際應用是禁止的。
[0006] 人工磁導體(AMC)是一種超穎材料，它在限定的帶寬上模擬磁導體，如下面的參考 文獻[1]和[2]中描述。AMC接地平面用平行于表面流動的電流來啟用共形天線，因為AMC接 地平面中的平行鏡像電流增強了它們的源極。在現有技術中，AMC是由層狀結構實現的，這 些層狀結構由分布在接地介電層上的周期性柵格金屬片組成，如下面的參考文獻[1]和[3] 中描述。
[0007] AMC可能會具有受限的帶寬。它們的帶寬與基底的厚度和磁導率成正比，如下面的 參考文獻[1]至[4]中描述。在VHF-UHF頻率，合理的AMC帶寬需要的厚度和/或磁導率對于天 線接地平面應用是過于大的。
[0008] 可通過使用有源AMC(AAMC)來克服AMC的帶寬限制。AAMC載有非福斯特電路(NFC) 負電感器，如下面的參考文獻[1]至[6]中描述，并且AAMC可相對于AMC具有10倍或更多的增 大的帶寬，如下面的參考文獻[1]、[4]和[5]中描述。當AMC加載了NFC時，它的與基底電感并 聯的負電感會導致大得多的凈電感，因此會導致大得多的AMC帶寬。
[0009] 圖1中展示了現有的AAMC單位晶格結構。所述AAMC具有接地平面12、2.54cm厚的泡 沫基底14、0.76mm厚的介電基底16、多個大約65mm寬和長的銅片18、銅片18之間的10mm的間 隙20、銅片18之間的非福斯特電路(NFC) 22、配線孔24、以及接地通孔26。銅片18大約為50μπι 厚。
[0012] 限定c〇〇LamC<<Z()下的共振頻率和近似分數帶寬[2]為：[0013]
[0010]人工磁導體(AMC)的特征在于它的共振頻率ω〇,它是以〇°相移、以它的±90°帶寬 對入射波進行反射時的頻率，± 90°帶寬被定義為反射相位在| φ,.< 90 °范圍內時的頻率 范圍。可使用等效并聯LRC電路，并分別以LamC、CamC、和Raic作為該電路的電感、電容、電阻，來 在限定的頻率范圍上對AMC響應進行精確建模，如下面的參考文獻[1]至[3]、[7]中描述。電 路阻抗為-
[0011]
[0014]其中Ζο是入射波阻抗。
[0015] 圖1中所示形式的AMC(其中接地介電基底被金屬片柵格覆蓋，金屬片之間加載有 集總元件）可通過簡單的傳輸線模型來近似，如下面的參考文獻[1]和[3]中描述，其中將 AMC導納表達為柵導納Yg、負載導納Yirad、基底導納Ysub之和：
[0016] YAMC = Yg+Yload+Ysub, (3)
[0017]
[0018] 其中d是介質厚度，ε和μ分別是基底的介電常數和磁導率。Ysub被表達為頻率相關 電感，對于? 1的薄基底，Lsub = _j/(c〇Ysub)近似為常數：LS_ S μL?。金屬方塊的柵 極阻抗是電容性的，Yg=j?Cg，并且可以被精確地分析估計，如下面的參考文獻[2]和[7]中 描述。
[0019] 可通過使等式（1)中的LRC電路參數與等式(3)和(4)的傳輸線模型中的量相等來 估算負載AMC反射性能。如果負載是電容性的，則等效LRC參數為：
[0020] LAMC = Lsub，CAMC = Cg+Cl〇a(^&RAMC = Rlc)ad (5)
[0021] 如果負載是電感性的，如圖1中AAMC中那樣，則等效LRC參數為：
[0022]
[0023] 當負載電感為負時創建了有源AMC，并且Lamc根據等式(6)增長。當Lic^O并且| Li〇ad >Lsub>0時，LAMC>Lsub，因此會導致AMC帶寬的增加，并且根據等式(2)會導致共振頻率的降 低。當Li Qad接近_Lsub時，Lamc最大化，共振頻率最小化，且帶寬最大化。通過NFC和AMC結構中 的損耗和電容來防止帶寬和共振頻率分別達到無限大和0。
[0024] AAMC加載了非福斯特電路(NFC)負電感器，如下面的參考文獻[1]和[6]中描述。 NFC是關鍵性的元件，它能夠實現AAMC及其高帶寬。名稱NFC暗示出它用有源電路回避了福 斯特電抗定理，如下面的參考文獻[8]中描述。White在下面的參考文獻[6]中給出了NFC電 路設計和制造的細節。
[0025]圖2A展示了載板上的NFC電路30,它還具有電容器32、RF(射頻）襯墊34、和DC(直 流)襯墊36。可用圖2B中展示的等效電路模型表示該NFC。在該模型中，LNFC是期望的負電感， Rnfc是負電阻。Cnfc和Gnfc分別是正電容和電導系數。在理想的NFC中，Rnfc、Cnfc和Gnfc都等于 零。等效電路參數根據所施加的偏置電壓而變化，并且圖3中描繪了一些現有技術的NFC電 路參數。
[0026] 當NFC承受過度的RF功率時，或者當它們與相鄰的NFC存在有害耦合時，過高的偏 置電壓會使得NFC變得不穩定。這種不穩定性表現為電路振蕩和從電路發出的輻射。當AAMC 中的NFC變得不穩定時，AAMC不再作為AMC運行。如下面的參考文獻[1 ]中描述，這在現有技 術中帶來的一個后果是，因為相鄰NFC之間的耦合所導致的不穩定，不可能創建雙極化 AAMC〇
[0027] 在現有技術中已經展示了單極化AAMC，如下面的參考文獻[1]和[9]中描述。E平面 中的相鄰NFC之間的耦合，即相鄰行中的NFC之間的耦合，如圖4A和圖4B中展示，會導致單極 化AAMC不穩定。如圖4A中展示，每個具有阻抗負載42的片狀元件40位于具有接地平面48的 基底46上。為了使AAMC穩定，必須在Η平面中的片狀元件40的各行之間安裝RF隔離板44。隔 離板44從接地平面48到片狀元件40跨越了基底46 AAMC對垂直于隔離板44極化的入射RF而 運行。因為與隔離板的相互作用，沿著其它軸極化的入射輻射將會如從金屬導體反射的那 樣被反射。Η平面中彼此相鄰的NFC不會以不穩定的方式耦合。
[0028] 如圖5Α中展示，對同軸形式的單極化AAMC進行了構建和測量。同軸形式便于測量， 因為可以在臺式裝置中使用同軸橫向電磁(TEM)單元對其進行測量，如圖5B中所展示，該單 元提供了對AMC的相位-頻率關系和振幅-頻率關系的直接實時測量，如下面的參考文獻[9] 中描述。在同軸TEM單元中，同軸AAMC對于同軸入射波而言就像是單位晶格的無限陣列，這 是因為它的方位角周期性和徑向壁上的PEC邊界。這些場是徑向極化的，相鄰NFC不會不穩 定地耦合，因為它們的分隔間距與場極化是垂直的。
[0029]圖5C展示了同軸AAMC的測量結果，測量結果確認了同軸AAMC作為穩定寬頻帶AMC 的運轉。將NFC電感從-70nH調諧到-49.5nH。展示了反射波相位和振幅與頻率的關系。在該 AAMC中，在保持穩定性的情況下，可將共振頻率從大約470MHz調諧到220MHz。當調諧到 263MHz時，如圖5C中的粗線所代表的，±90°帶寬超過了80%，跨越了160MHz至391MHz的范 圍。如圖6中展示，現有技術AAMC比等效無源AMC具有高得多的帶寬。在高負載水平上，AAMC 具有的帶寬優于加載了變容二極管的AMC的五倍。
[0030] 參考文獻
[0031] [ 1 ]Gregoire，D ·; White，C ·; Colburn，J ·;，''Wideband artificial magnetic conductors loaded with non-Foster negative inductors，''Antennas and Wireless Propagation Letters，IEEE，vol·10，1586-1589，2011
[0032] [2]D.Sievenpiper,L.Zhang,R.Broas,N.Alexopol ous，and E.Yablonovitch, High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band，"IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,vol.47,pp.2059-2074,Nov.1999
[0033] [3]F·Costa，S·Genovesi，and A·Monorchio，"On the bandwidth of high-impedance frequency selective surfaces"，IEEE AWPL，vol·8，ρρ·1341_1344,2009
[0034] [4]D.J.Kern,D.H.Werner and M.H.ffi lhelm/^ctive negative impedance loaded EBG structures for the realization of ultra-wideband Artificial Magnetic Conductors，〃Proc·IEEE Ant.Prop·Int·Symp·，vol·2，2003，pp·427-430·
[0035] [5]U.S.Patent Application 13/441，659，filed April 6,2012.
[0036] [6]ffhite,C.R.；May,J.ff.；Colburn,J.S.； /? variable negative-inductance integrated circuit at UHF frequencies，''Microwave and Wireless Components Letters，IEEE，vol.21，no.12，35-37，2011
[0037] [7]0.Luukkonen et al，''Simple and accurate analytical model of planar grids and high-impedance surfaces"，IEEE Trans.Antennas Propagation，vol·56， 1624,2008
[0038] [8]R.M.Foster.，〃A reactance theorem"，Bell Systems Technical Journal, vol.3，pp.259-267，1924.
[0039] [9]Gregoire，D·J·;Colburn，J·S·;White，C·R·;，"A coaxial TEM cell for direct measurement of UHF artificial magnetic conductors"，IEEE Antenna and Propagation Magazine，54，251-250，2012
[0040] [l0]S ? Stearns，"Non-Foster circuits and stability theory,^Proc. IEEE Ant.Prop.Int.Symp.,2011,pp.1942-1945.
[0041] [11]S.E.Sussman-Fort and R.M.Rudish,^Non-Foster impedance matching of electrically-small antennas ,〃IEEE Trans.Antennas Propagation ,vol.57,no .8, Aug.2009.
[0042] [12]C.R.White and G.M.Rebeiz,shallow varactor-tuned cavity-backed-slot antenna with a 1·9:ltuning range,〃IEEE Trans.Antennas Propagation,58(3), 633-639,3/2010。參考文獻[12]描述了變容二極管調諧的單極化天線，它不是超穎表面，并 且不考慮相互耦合、有源負載、或穩定性。
[0043] 需要與極化無關的有源人工磁導體(AAMC)。本公開的實施例考慮了這些和其它需 求。
【發明內容】
[0044] 在本文公開的第一個實施例中，一種有源人工磁導體(AAMC)包括單位晶格的陣 列，每個單位晶格包括頂面、耦接到頂面的至少一個壁、耦接到該至少一個壁的底座、以及 位于頂面中的交叉縫隙，其中所述頂面、至少一個壁、和底座形成了腔，并且其中所述頂面、 至少一個壁、和底座是導電的。
[0045] 在本文公開的另一個實施例中，一種有源人工磁導體(AAMC)包括單位晶格的陣 列，每個單位晶格包括:正方形頂面，其具有第一邊緣、第二邊緣、第三邊緣、和第四邊緣;耦 接到頂面的第一邊緣的第一壁;耦接到頂面的第二邊緣的第二壁;耦接到頂面的第三邊緣 的第三壁;耦接到頂面的第四邊緣的第四壁;耦接到第一壁、第二壁、第三壁、和第四壁的底 座；以及位于頂面中的交叉縫隙，該交叉縫隙延伸到頂面的四個邊緣中的每一個;其中所述 頂面、第一壁、第二壁、第三壁、和第四壁、以及底座形成了腔;并且其中所述頂面、第一壁、 第二壁、第三壁、和第四壁、以及底座是導電的。
[0046] 通過隨后的詳細描述及附圖，以上和其他特征和優點將變得更加清楚。在附圖和 描述中，各個附圖標記表示各種特征，相同的附圖標記在附圖和描述中始終用于表示相同 的特征。
【附圖說明】
[0047] 圖1示出了根據現有技術的有源人工磁導體(AAMC);
[0048] 圖2A示出了根據現有技術的位于載板上的非福斯特電路(NFC)，圖2B示出了根據 現有技術的非福斯特電路(NF C)的等效電路；
[0049]圖3示出了根據現有技術的現有非福斯特電路的電路參數；
[0050]圖4A和圖4B示出了根據現有技術的單極化AAMC;
[0051 ] 圖5A示出了單極化同軸AAMC，圖5B示出了用于測量圖5A的同軸AAMC的同軸TEM單 元，圖5C示出了根據現有技術的同軸AAMC的反射性質；
[0052]圖6示出了根據現有技術的AAMC和加載了變容二極管的無源AMC的±90°帶寬； [0053]圖7A示出了根據本公開的有源人工磁導體(AAMC)，圖7B示出了根據本公開的AAMC 的單位晶格；
[0054]圖8A示出了根據本公開的單位晶格的單極化形式；
[0055]圖8B示出了根據現有技術的用于將NFC或天線端口鏈接到入射波的等效電路； [0056]圖9A示出了根據本公開的完整的單位晶格，圖9B示出了根據本公開的入射場y極 化時的微分模式/共模四分之一電路；
[0057] 圖10A、圖10B、和圖10C示出了根據本公開的NFC的負載配置：圖10A是4個NFC的正 方形配置，圖10B是4個NFC的交叉(X)配置;圖10C是2個NFC的跨交配置；
[0058] 圖11A和圖11B分別示出了根據本公開的d等于75mm和100mm的AAMC單位晶格的反 射相位；以及
[0059] 圖12A、圖12B、和圖12C示出了根據本公開的d等于75mm和100mm的雙極化背腔式縫 隙(CBS)AAMC的性能概要。
【具體實施方式】
[0060] 為了清楚地描述本文中公開的多種不同的特定實施例，在以下描述中闡述了許多 具體細節。但是，本領域內的技術人員將理解的是，可以在不具有下述全部具體細節的情況 下實現根據權利要求的本發明。在其它示例中，沒有對眾所周知的特征進行描述，以免模糊 本發明。
[0061] 公開了一種雙極化有源人工磁導體(AAMC)，其具有周期性單位晶格陣列，該周期 性單位晶格陣列以零度相位對與表面平行地極化的電磁波進行反射。每個單位晶格具有： 腔，腔具有導電壁，導電壁具有頂面，頂面可以是平面或曲面；以及形成孔的、在頂面中形成 圖案的交叉縫隙。當單位晶格接近其并聯共振時，便實現了AMC的運行。通過優選地在單位 晶格中心附近跨越縫隙連接負電感電路(它是一類非福斯特電路(NFC))可降低共振頻率并 且增加帶寬。腔和交叉縫隙可占據兩個正交的對稱平面，而這兩個平面又與頂面正交。可將 這兩個主平面內的響應調諧到相同頻率或不同頻率。
[0062]根據本公開的AAMC 10具有多個排列在具有周期d 43的周期性柵格或陣列中的單 位晶格20,如圖7A和圖7B中展示。柵格可以是長方形、正方形、或六邊形，以及其它可能的形 狀。下面的討論假定位于x-y平面中的正方形的柵格，其中的單位晶格20關于x-z軸和y-z軸 對稱，如圖7A中展示;但是，如上所述，AAMC可具有其它形狀。
[0063]如圖7B中展示，單位晶格20具有填充有空氣、介電材料、和/或磁性材料的腔22。優 選地，單位晶格20關于x-z軸和y-z軸對稱，并且具有平面的頂面24。優選地，腔22具有正方 形截面，其尺寸稍微小于周期d 43,但也可以是其它截面并且小于該周期。腔22的壁26是導 電的，在頂面24中形成交叉縫隙31的圖案，以形成孔，使其關于x-z平面和y-z平面對稱，如 圖7B中展示。優選地，交叉縫隙31延伸到腔的壁26。頂面24被交叉縫隙31劃分為四塊30、32、 34、和36。頂面24的四塊30、32、34、和36中的每一塊都是導電的。腔的壁26和腔的底座27也 是導電的。
[0064]現參照圖8A，其中展示了單極化的實施例。寬度w 42遠小于長度d 43的長方形縫 隙40沿著X軸48切入到頂面46中。AAMC行為發生在入射波的表面阻抗經歷并聯共振時。背腔 式縫隙天線(CBSA)在其第一共振中是并聯共振天線，如參考文獻[12]中描述。AAMC結構可 以被視為CBSA無限陣列，其中的每個元件可以通過弗洛凱(Floquet)分析建模，其中天線端 口 50具有跨越縫隙40的中心的天線接線端子，另一個端口是指定角度上(例如垂直入射)的 y極化輻射模式。天線端口與輻射端口之間的耦合可通過變壓器和純電抗性并聯共振電路 來近似，如圖8B中展示。如果天線端口是開路的，則輻射端口會遇到電抗性共振電路，并給 予AMC響應。如果增加 X極化的第二弗洛凱端口，則該第二弗洛凱端口與縫隙輻射正交，并且 因而與天線端口隔離。因為第二弗洛凱端口會主要遇到導電面，我們可以預期180度的反 射。
[0065]由于單極化情況下有并聯共振，因此可利用優選地位于頂面24的中心處或中心附 近的電容或負電感將其調諧到較低的頻率。并聯共振電路的帶寬與電感L與電容C之比成比 例，因此可通過增加 L和/或堿小C來增加帶寬，二者都只能通過產生負電感和/或負電容的 NFC對于給定幾何結構實現。
[0066]如上面所討論，y極化輸入與X極化波是隔離的，因此圖7A和圖7B中示出的交叉縫 隙31能夠提供雙極化性能。圖9A展示出，交叉縫隙31由X軸縫隙28和y軸縫隙29組成。圖9B展 示了入射場是y極化時的整體電路的微分模式/共模四分之一電路。允許電場沿X軸跨越縫 隙，但是不能沿y軸跨越縫隙，除非在非常高的頻率下。這些電路可以沿X軸和y軸(分別為0 度和90度）的極化以及45度和135度的極化實現。
[0067]如果入射波是y極化的，則y-z軸是理想磁傳導(PMC)對稱平面，其表示平行電（E) 場和垂直磁(H)場。x-z軸是理想電傳導(PEC)對稱平面，其表示垂直E場和平行Η場。因此問 題被分解到微分四分之一電路中，如圖9Α和圖9Β中展示，其中可以明顯看到，基諧模式只存 在于X軸縫隙28上。沿y軸縫隙29的模式需要縫隙寬度w 42大約為共振頻率的半波長。
[0068] 圖10A-圖10C展示了可用于調諧AAMC 10的圖7A中展示的NFC38的三種配置。
[0069] 圖10A的正方形配置具有四個NFC 60、62、64、和66。冊0 60位于跨越頂面24的塊30 和塊32的X軸上，NFC 62位于跨越頂面24的塊34和塊36的X軸上，NFC 64位于跨越頂面24的 塊30和塊34的y軸上，NFC 66位于跨越頂面24的塊32和塊36的y軸上。優選地，這些NFC位于 交叉縫隙28和29的交叉點范圍上或附近。盡管X極化塊中的NFC 60和62(NFCx)應當是相同 的，并且對于y極化塊(NFCy)也是同樣，但是如果需要與極化無關的行為，則NFCx與NFCy可 以不同從而實現不同的頻率或其它特性。同樣，如果需要極化旋轉，則所有四個NFC 60、62、 64、和66都可以是不同的。微分四分之一電路分析展示出，如果保持對稱性，則NFCx不會影 響y極化波，反之亦然。
[0070] 如圖10B中展示的X配置具有四個相同的NFC 70、72、74、和76，它們分別連接到交 叉縫隙31的交叉點附近的塊30、32、34、或36的四個拐角中的相應的一個。即0 70、72、74、和 76分別連接到交叉點的中心處的公共節點78。微分四分之一電路分析展示出，這種配置對x 極化波和y極化波都會進行調諧。此外，如果這些NFC是不同的，則對稱性會被破壞，并且會 發生極化耦合。
[0071] 如圖10C中展示的跨交配置中，兩個NFC(NFC45 80和NFC135 82)將交叉縫隙31的 交叉點的對角拐角相連，其中NFC45 80位于45度角上，NFC135 82位于135度角上。NFC45 80 連接在塊32的拐角與塊34的拐角之間，NFC135 82連接在塊30的拐角與塊36的拐角之間。在 這種配置中，主軸被旋轉了45度。對45度極化波的響應取決于NFC45 80,對135度極化波的 響應取決于NFC135 82。如果NFC4580與NFC135 82相同，則響應是與極化無關的。
[0072] 利用]190等于25.4111111、(143等于75_和100_、以及負電感負載即〇45等于即(]135， 對圖10C中展示的跨交配置的AAMC性能進行了模擬。當反射相位在+/-90度之間時可實現 AAMC運行。圖11A中描繪了d 43等于75mm時的反射相位，圖11B中描繪了d 43等于100mm時的 反射相位。
[0073] 圖12A、圖12B、和圖12C總結了雙極化背腔式縫隙AAMC的性能。在圖12中，曲線100 針對d 43等于75mm的情況，曲線102針對d 43等于100mm的情況。圖12A描繪的是共振頻率與 負電感的關系，圖12B描繪的是百分之+90至百分之-90帶寬與負電感的關系，圖12C描繪的 是百分之+90至百分之-90帶寬與共振頻率的關系。
[0074] d 43等于75mm的單位晶格從加載了-45nH的NFC時的大約1200MHz調諧到加載了-32nH的NFC時的大約200MHz。當d 43等于100mm時，AAMC從加載了-55nH的NFC時的大約 900MHz調諧到加載了 -41nH的NFC時的大約250MHz。
[0075] 如圖11A和圖11B展示，盡管具有不同的負電感負載，但是d 43等于75mm和d 43等 于100mm的單位晶格設計均覆蓋了相同的頻率范圍；但是，75mm的單位晶格具有更大的帶 寬。
[0076]通過將單位晶格之間的互耦合最小化可實現穩定性。這是通過將各單位晶格彼此 隔離的腔壁26來實現的。可以使用本征分析來估算有限AAMC的穩定性。在遠低于共振的頻 率下，可通過自感系數和互感系數來估算導納矩陣：
[0077]
[0078]其中N是NFC的數量，S = j2Jif是拉普拉斯變換的復數角頻率。因此可將導納矩陣簡 化為Ι/s倍電感矩陣，其中電感矩陣的本征值量化了指定本征模的等效電感。假定所有NFC 是相同的，并且具有的電感LNFC小于0,則總電感是本征值Leq和LNFC的并聯組合;如果對于所 有的本征值，L NFC均小于-Leq，則網絡處于穩定狀態。可通過對頻率域導納矩陣和NFC導納模 型執行奈奎斯特(Nyquist)分析，將該方法擴展到所有的頻率。對d 43等于75mm的5x5陣列 在NFC45 80從-45nH變化到-32nH并省略了NFC135 82的情況下的初步分析，預示AAMC 10對 于LNFC小于-37nH的情況是穩定的，這暗示了從1200MHz到500MHz的調諧是可實現的。
[0079]已經按照專利法規的要求對本發明進行了描述，本領域內的技術人員將會理解如 何對本發明進行變化和修改從而達到他們的特定需求或條件。這些變化和修改可以在不脫 離本文所公開的本發明的范圍和思想的情況下進行。
[0080]展示對示例性實施例和優選實施例的上述詳細描述是為了根據法律要求進行說 明和公開。詳細描述不旨在是詳盡的，也不旨在將本發明限制于所描述的精確形式，而僅僅 是為了使本領域的其他技術人員能夠理解如何將本發明適用于特定用途或實施方式。各種 修改和變化的可能性對于本領域技術人員而言將是顯而易見的。描述這些示例性實施例的 目的不是意在進行任何限制，盡管這些實施例可能包括了誤差、特征尺寸、特定運行條件、 工程說明書等，并且它們可以在各個實施方案之間變化或者隨著技術發展水平而變化，它 們不暗示任何限制。
【申請人】根據現有技術水平做出了本公開，但是也考慮了一些改進，并且 未來的改寫可考慮這些改進，即依據屆時的技術水平。本發明的范圍旨在是由所寫的權利 要求和適合的等價體來定義的。除非明確地這樣陳述，否則所主張的元件的單數表述并非 旨在意指"一個且僅有一個"。此外，本公開中的任何元件、組件、方法或處理步驟均非旨在 向公眾公開，無論所述元件、組件、或步驟是否在權利要求中明確列舉。本文中的所有主張 的元件均不應基于美國法典35卷112節第六段進行理解，除非明確地使用短語"用于……的 裝置"來列舉該元件，并且本文的任何方法或處理步驟都不應基于這些條款進行理解，除非 明確地使用短語"包含步驟……"來列舉該步驟或多個步驟。
[0081]優選地，本文所描述的所有元件、部件和步驟均包括在內。應當理解的是，可以用 其它元件、部件和步驟來代替這些元件、部件和步驟中的任何一個，或者將這些元件、部件 和步驟全部刪除，這對本領域技術人員是顯而易見的。
[0082]大體上，本文至少公開了如下內容：
[0083] 一種有源人工磁導體，其包括單位晶格陣列，每個單位晶格包括頂面、至少一個耦 接到頂面的壁、耦接到該至少一個壁的底座、位于頂面中的交叉縫隙。頂面、至少一個壁、底 座形成了腔，并且它們是導電的。
[0084] 構思
[0085]至少公開了下面的構思。
[0086] 構思1. 一種有源人工磁導體(AAMC)，包括：
[0087] 單位晶格的陣列，每個單位晶格包括：
[0088] 頂面；
[0089]耦接到頂面的至少一個壁；
[0090]耦接到該至少一個壁的底座；以及 [0091]位于所述頂面中的交叉縫隙；
[0092] 其中所述頂面、至少一個壁、和底座形成了腔;并且
[0093] 其中所述頂面、至少一個壁、和底座是導電的。
[0094] 構思2.如構思1所述的AAMC，其中：
[0095]所述頂面具有第一邊緣、第二邊緣、第三邊緣和第四邊緣;并且 [0096] 所述至少一個壁包括：
[0097]耦接到所述頂面的第一邊緣的第一壁；
[0098]耦接到所述頂面的第二邊緣的第二壁；
[0099]耦接到所述頂面的第三邊緣的第三壁；以及
[0100] 耦接到所述頂面的第四邊緣的第四壁。
[0101] 構思3.如構思2所述的AAMC，其中所述交叉縫隙延伸到所述頂面的第一邊緣、第二 邊緣、第三邊緣和第四邊緣中的每一個。
[0102] 構思4.如構思1所述的AAMC，還包括：
[0103] 填充所述腔的材料，該材料包括空氣、介電材料、或磁性材料。
[0104] 構思5.如構思1所述的AAMC，其中：
[0105] 每個單位晶格關于x-z軸和y-z軸對稱;并且
[0106] 所述頂面是平面。
[0107] 構思6.如構思2所述的AAMC，其中：
[0108] 所述腔具有正方形截面，截面的尺寸略小于單位晶格的陣列中的單位晶格的重復 周期。
[0109] 構思7.如構思1所述的AAMC，還包括：
[0110] 跨越所述交叉縫隙耦接的至少一個電抗調諧元件。
[0111] 構思8.如構思7所述的AAMC，其中所述至少一個電抗調諧元件包括非福斯特電路。
[0112] 構思9.如構思8所述的AAMC，其中所述非福斯特電路包括負電感或負電容。
[0113] 構思10.如構思1所述的AAMC，其中所述腔和所述交叉縫隙提供雙極化響應。
[0114] 構思11.如構思2所述的AAMC，還包括：
[0115] 跨越所述交叉縫隙耦接的至少兩個電抗調諧元件。
[0116] 構思12.如構思11所述的AAMC，其中：
[0117] 所述交叉縫隙將所述頂面劃分為第一塊、第二塊、第三塊、和第四塊;并且
[0118] 所述至少兩個電抗元件包括：
[0119] 跨越所述交叉縫隙連接在第一塊與第二塊之間的第一電抗元件；
[0120] 跨越所述交叉縫隙連接在第三塊與第四塊之間的第二電抗元件；
[0121]跨越所述交叉縫隙連接在第一塊與第三塊之間的第三電抗元件；
[0122] 跨越所述交叉縫隙連接在第二塊與第四塊之間的第四電抗元件；
[0123] 其中第一電抗元件和第二電抗元件在X軸上跨越交叉縫隙;并且
[0124] 其中第三電抗元件和第四電抗元件在y軸上跨越交叉縫隙。
[0125] 構思13.如構思12所述的AAMC，其中第一電抗調諧元件、第二電抗調諧元件、第三 電抗調諧元件、和第四電抗調諧元件是非福斯特電路。
[0126] 構思14.如構思13所述的AAMC，其中每個非福斯特電路包括負電感或負電容。
[0127] 構思15.如構思11所述的AAMC，其中：
[0128] 所述交叉縫隙將所述頂面劃分為第一塊、第二塊、第三塊、和第四塊，每個塊具有 位于交叉縫隙的交叉點附近的拐角;并且
[0129] 所述至少兩個電抗元件包括：
[0130] 連接到所述第一塊的拐角附近的第一電抗元件的第一端子；
[0131]連接到所述第二塊的拐角附近的第二電抗元件的第一端子；
[0132] 連接到所述第三塊的拐角附近的第三電抗元件的第一端子；以及
[0133] 連接到所述第四塊的拐角附近的第四電抗元件的第一端子；
[0134] 其中，第一電抗元件、第二電抗元件、第三電抗元件、和第四電抗元件中的每一個 的第二端子連接到一起。
[0135] 構思16.如構思15所述的AAMC，其中第一電抗調諧元件、第二電抗調諧元件、第三 電抗調諧元件、和第四電抗調諧元件是非福斯特電路。
[0136] 構思17.如構思16所述的AAMC，其中每個非福斯特電路包括負電感或負電容。
[0137] 構思18.如構思11所述的AAMC，其中：
[0138] 所述交叉縫隙將所述頂面劃分為第一塊、第二塊、第三塊、和第四塊，每個塊具有 位于交叉縫隙的交叉點附近的拐角；
[0139] 所述至少兩個電抗元件包括：
[0140] 連接到所述第一塊的拐角附近的第一電抗元件的第一端子；
[0141]連接到所述第四塊的拐角附近的第一電抗元件的第二端子；
[0142] 連接到所述第二塊的拐角附近的第二電抗元件的第一端子；
[0143] 連接到所述第三塊的拐角附近的第二電抗元件的第二端子；
[0144] 其中所述第一塊的拐角從所述第四塊的拐角對角地跨越所述交叉縫隙的交叉點；
[0145] 其中所述第二塊的拐角從所述第三塊的拐角對角地跨越所述交叉縫隙的交叉點。
[0146] 構思19.如構思18所述的AAMC，其中第一電抗調諧元件和第二電抗調諧元件是非 福斯特電路。
[0147] 構思20.如構思19所述的AAMC，其中每個非福斯特電路包括負電感或負電容。
[0148] 構思21 ·-種有源人工磁導體(AAMC)，其包括：
[0149] 單位晶格的陣列，每個單位晶格包括：
[0150]正方形頂面，其具有第一邊緣、第二邊緣、第三邊緣、和第四邊緣；
[0151]耦接到所述頂面的第一邊緣的第一壁；
[0152]耦接到所述頂面的第二邊緣的第二壁；
[0153]耦接到所述頂面的第三邊緣的第三壁；
[0154] 耦接到所述頂面的第四邊緣的第四壁；
[0155] 耦接到第一壁、第二壁、第三壁、和第四壁的底座；以及
[0156] 位于所述頂面中的交叉縫隙，該交叉縫隙延伸到所述頂面的四個邊緣中的每一 個；
[0157] 其中所述頂面、第一壁、第二壁、第三壁、和第四壁、以及底座形成了腔;并且
[0158] 其中所述頂面、第一壁、第二壁、第三壁、和第四壁、以及底座是導電的。
[0159] 構思22.如構思21所述的AAMC，還包括：
[0160] 填充所述腔的材料，該材料包括空氣、介電材料、或磁性材料。
[0161 ] 構思23.如構思21所述的AAMC:
[0162] 其中所述交叉縫隙將所述頂面劃分為第一塊、第二塊、第三塊、和第四塊;并且
[0163] 其中的AAMC還包括：
[0164] 跨越所述交叉縫隙連接在第一塊與第二塊之間的第一電抗元件；
[0165] 跨越所述交叉縫隙連接在第三塊與第四塊之間的第二電抗元件；
[0166] 跨越所述交叉縫隙連接在第一塊與第三塊之間的第三電抗元件；以及
[0167] 跨越所述交叉縫隙連接在第二塊與第四塊之間的第四電抗元件；
[0168] 其中第一電抗元件和第二電抗元件在X軸上跨越所述交叉縫隙;并且
[0169] 其中第三電抗元件和第四電抗元件在y軸上跨越所述交叉縫隙。
[0170] 構思24.如構思21所述的AAMC:
[0171]其中所述交叉縫隙將所述頂面劃分為第一塊、第二塊、第三塊、和第四塊，每個塊 具有位于所述交叉縫隙交叉點附近的拐角;并且
[0172] 該AAMC還包括：
[0173] 連接到所述第一塊的拐角附近的第一電抗元件的第一端子；
[0174]連接到所述第二塊的拐角附近的第二電抗元件的第一端子；
[0175] 連接到所述第三塊的拐角附近的第三電抗元件的第一端子；以及
[0176] 連接到所述第四塊的拐角附近的第四電抗元件的第一端子;并且
[0177] 其中第一電抗元件、第二電抗元件、第三電抗元件、和第四電抗元件中的每一個的 第二端子連接到一起。
[0178] 構思25.如構思21所述的AAMC:
[0179] 其中所述交叉縫隙將所述頂面劃分為第一塊、第二塊、第三塊、和第四塊，每個塊 具有位于交叉縫隙交叉點附近的拐角;并且
[0180] 該AAMC還包括：
[0181]連接到所述第一塊的拐角附近的第一電抗元件的第一端子；
[0182] 連接到所述第四塊的拐角附近的第一電抗元件的第二端子；
[0183] 連接到所述第二塊的拐角附近的第二電抗元件的第一端子；
[0184] 連接到所述第三塊的拐角附近的第二電抗元件的第二端子；
[0185] 其中所述第一塊的拐角從所述第四塊的拐角對角地跨越交叉縫隙的交叉點；
[0186] 其中所述第二塊的拐角從所述第三塊的拐角對角地跨越交叉縫隙的交叉點。
[0187] 構思26.如構思21所述的AAMC，其中：
[0188] 每個單位晶格壁關于x-z軸和y-z軸對稱;并且
[0189] 所述頂面是平面。
[0190] 構思27.如構思21所述的AAMC，其中：
[0191]所述腔具有正方形截面，截面的尺寸略小于單位晶格的陣列中的單位晶格的重復 周期。
【主權項】
1. 一種有源人工磁導體(AAMC)，包括： 單位晶格的陣列，每個單位晶格包括： 頂面； 耦接到所述頂面的至少一個壁； 耦接到所述至少一個壁的底座；以及 位于所述頂面中的交叉縫隙； 其中所述頂面、所述至少一個壁、以及所述底座形成了腔;并且 其中所述頂面、所述至少一個壁、以及所述底座是導電的。2. 如權利要求1所述的AAMC，其中： 所述頂面具有第一邊緣、第二邊緣、第三邊緣和第四邊緣;并且 所述至少一個壁包括： 耦接到所述頂面的第一邊緣的第一壁； 耦接到所述頂面的第二邊緣的第二壁； 耦接到所述頂面的第三邊緣的第三壁；以及 耦接到所述頂面的第四邊緣的第四壁。3. 如權利要求2所述的AAMC，其中所述交叉縫隙延伸到所述頂面的第一邊緣、第二邊 緣、第三邊緣和第四邊緣中的每一個。4. 如權利要求1所述的AAMC，還包括： 填充所述腔的材料，該材料包括空氣、介電材料、或磁性材料。5. 如權利要求1所述的AAMC，其中： 每個單位晶格關于x-z軸和y-z軸對稱;并且 所述頂面是平面。6. 如權利要求2所述的AAMC，其中： 所述腔具有正方形截面，截面的尺寸略小于單位晶格的陣列中的單位晶格的重復周 期。7. 如權利要求1所述的AAMC，還包括： 跨越所述交叉縫隙耦接的至少一個電抗調諧元件。8. 如權利要求7所述的AAMC，其中所述至少一個電抗調諧元件包括非福斯特電路。9. 如權利要求8所述的AAMC，其中所述非福斯特電路包括負電感或負電容。10. 如權利要求1所述的AAMC，其中所述腔和所述交叉縫隙提供雙極化響應。11. 如權利要求2所述的AAMC，還包括： 跨越所述交叉縫隙耦接的至少兩個電抗調諧元件。12. 如權利要求11所述的AAMC，其中： 所述交叉縫隙將所述頂面劃分為第一塊、第二塊、第三塊、和第四塊;并且 所述至少兩個電抗元件包括： 跨越所述交叉縫隙連接在第一塊與第二塊之間的第一電抗元件； 跨越所述交叉縫隙連接在第三塊與第四塊之間的第二電抗元件； 跨越所述交叉縫隙連接在第一塊與第三塊之間的第三電抗元件；以及 跨越所述交叉縫隙連接在第二塊與第四塊之間的第四電抗元件； 其中第一電抗元件和第二電抗元件在X軸上跨越所述交叉縫隙;并且 其中第三電抗元件和第四電抗元件在y軸上跨越所述交叉縫隙。13. 如權利要求12所述的AAMC，其中第一電抗調諧元件、第二電抗調諧元件、第三電抗 調諧元件、和第四電抗調諧元件是非福斯特電路。14. 如權利要求13所述的AAMC，其中每個非福斯特電路包括負電感或負電容。15. 如權利要求11所述的AAMC，其中： 所述交叉縫隙將所述頂面劃分為第一塊、第二塊、第三塊、和第四塊，每個塊具有位于 交叉縫隙的交叉點附近的拐角;并且 所述至少兩個電抗元件包括： 連接到所述第一塊的拐角附近的第一電抗元件的第一端子； 連接到所述第二塊的拐角附近的第二電抗元件的第一端子； 連接到所述第三塊的拐角附近的第三電抗元件的第一端子；以及 連接到所述第四塊的拐角附近的第四電抗元件的第一端子;并且 其中，第一電抗元件、第二電抗元件、第三電抗元件、和第四電抗元件中每一個的第二 端子連接到一起。16. 如權利要求15所述的AAMC，其中第一電抗調諧元件、第二電抗調諧元件、第三電抗 調諧元件、和第四電抗調諧元件是非福斯特電路。17. 如權利要求16所述的AAMC，其中每個非福斯特電路包括負電感或負電容。18. 如權利要求11所述的AAMC，其中： 所述交叉縫隙將所述頂面劃分為第一塊、第二塊、第三塊、和第四塊，每個塊具有位于 交叉縫隙的交叉點附近的拐角;并且 所述至少兩個電抗元件包括： 連接到所述第一塊的拐角附近的第一電抗元件的第一端子； 連接到所述第四塊的拐角附近的第一電抗元件的第二端子； 連接到所述第二塊的拐角附近的第二電抗元件的第一端子； 連接到所述第三塊的拐角附近的第二電抗元件的第二端子； 其中所述第一塊的拐角從所述第四塊的拐角對角地跨越所述交叉縫隙的交叉點;并且 其中所述第二塊的拐角從所述第三塊的拐角對角地跨越所述交叉縫隙的交叉點。19. 如權利要求18所述的AAMC，其中第一電抗調諧元件和第二電抗調諧元件是非福斯 特電路。20. 如權利要求19所述的AAMC，其中每個非福斯特電路包括負電感或負電容。21. -種有源人工磁導體(AAMC)，包括： 單位晶格的陣列，每個單位晶格包括： 正方形頂面，其具有第一邊緣、第二邊緣、第三邊緣、和第四邊緣； 耦接到所述頂面的第一邊緣的第一壁； 耦接到所述頂面的第二邊緣的第二壁； 耦接到所述頂面的第三邊緣的第三壁； 耦接到所述頂面的第四邊緣的第四壁； 耦接到第一壁、第二壁、第三壁、和第四壁的底座；以及 位于所述頂面中的交叉縫隙，所述交叉縫隙延伸到所述頂面的四個邊緣中的每一個； 其中所述頂面、第一壁、第二壁、第三壁、和第四壁、以及底座形成腔;并且 其中所述頂面、第一壁、第二壁、第三壁、和第四壁、以及底座是導電的。22. 如權利要求21所述的AAMC，還包括： 填充所述腔的材料，該材料包括空氣、介電材料、或磁性材料。23. 如權利要求21所述的AAMC: 其中所述交叉縫隙將所述頂面劃分為第一塊、第二塊、第三塊、和第四塊;并且 其中所述AAMC還包括： 跨越所述交叉縫隙連接在第一塊與第二塊之間的第一電抗元件； 跨越所述交叉縫隙連接在第三塊與第四塊之間的第二電抗元件； 跨越所述交叉縫隙連接在第一塊與第三塊之間的第三電抗元件；以及 跨越所述交叉縫隙連接在第二塊與第四塊之間的第四電抗元件； 其中第一電抗元件和第二電抗元件在x軸上跨越所述交叉縫隙;并且 其中第三電抗元件和第四電抗元件在y軸上跨越所述交叉縫隙。24. 如權利要求21所述的AAMC: 其中所述交叉縫隙將所述頂面劃分為第一塊、第二塊、第三塊、和第四塊，每個塊具有 位于所述交叉縫隙交叉點附近的拐角;并且所述AAMC還包括： 連接到所述第一塊的拐角附近的第一電抗元件的第一端子； 連接到所述第二塊的拐角附近的第二電抗元件的第一端子； 連接到所述第三塊的拐角附近的第三電抗元件的第一端子；以及 連接到所述第四塊的拐角附近的第四電抗抗元件的第一端子;并且 其中第一電抗元件、第二電抗元件、第三電抗元件、和第四電抗元件中的每一個的第二 端子連接到一起。25. 如權利要求21所述的AAMC: 其中所述交叉縫隙將所述頂面劃分為第一塊、第二塊、第三塊、和第四塊，每個塊具有 位于交叉縫隙交叉點附近的拐角;并且 所述AAMC還包括： 連接到所述第一塊的拐角附近的第一電抗元件的第一端子； 連接到所述第四塊的拐角附近的第一電抗元件的第二端子； 連接到所述第二塊的拐角附近的第二電抗元件的第一端子； 連接到所述第三塊的拐角附近的第二電抗元件的第二端子； 其中所述第一塊的拐角從所述第四塊的拐角對角地跨越所述交叉縫隙的交叉點;并且 其中所述第二塊的拐角從所述第三塊的拐角對角地跨越所述交叉縫隙的交叉點。26. 如權利要求21所述的AAMC，其中： 每個單位晶格關于x-z軸和y-z軸對稱;并且 所述頂面是平面。27. 如權利要求21所述的AAMC，其中： 所述腔具有正方形截面，截面的尺寸略小于單位晶格的陣列中的單位晶格的重復周 期。
【文檔編號】H01Q1/38GK105900282SQ201480072872
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月23日
【發明人】卡森·R·懷特, 丹尼爾·J·格里高利
【申請人】Hrl實驗室有限責任公司