專利名稱：諧振天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天線和微波發(fā)射機(jī)。
背景技術(shù)：
常規(guī)天線的線尺度，常常與接收和/或發(fā)射的輻射波長有相同量級。作為一個例子，典型的射頻發(fā)射機(jī)使用的偶極天線，其長度約等于發(fā)射的波長的1/2。該種天線長度在天線的驅(qū)動電源與輻射場之間提供有效的耦合。
然而，在許多情況下，其線尺度與輻射波長同量級的天線是不實(shí)用的。具體說，蜂窩電話和手持無線裝置很小。該種裝置為天線提供的空間很有限。另一方面，在蜂窩電話和手持無線裝置經(jīng)常使用的波長上，小天線與輻射的耦合是低效的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明舉出的各個實(shí)施例所用的天線，在通信頻率上與外部輻射作諧振耦合。即使天線的線尺度遠(yuǎn)小于輻射波長的1/2，但由于是諧振耦合，它們對輻射有高的靈敏度。
一方面，本發(fā)明的特征在于提供一種設(shè)備，該設(shè)備包括一種物體及位于該物體附近或在該物體內(nèi)的一個或多個檢測器。該物體使用的材料，其介電常數(shù)或磁導(dǎo)率在微波頻率上有負(fù)實(shí)部。該一個或多個檢測器，放在該物體附近或在該物體內(nèi)，并測量其內(nèi)的電場或磁場強(qiáng)度。
另一方面，本發(fā)明的特征在于提供一種方法，該方法包括用接收的微波輻射激勵一種物體，并檢測該物體內(nèi)部或附近因響應(yīng)該物體被微波輻射激勵而產(chǎn)生的場強(qiáng)。該物體或者在微波頻率上有負(fù)實(shí)部的介電常數(shù)，或者在微波頻率上有負(fù)實(shí)部的磁導(dǎo)率。


圖1畫出包含一諧振電介質(zhì)天線的接收機(jī)；
圖2畫出的響應(yīng)曲線，是用與一示例性球形電介質(zhì)天線相鄰的兩個極性相反的電極，測量該天線響應(yīng)的響應(yīng)曲線；圖3畫出包含一諧振磁導(dǎo)天線的接收機(jī)；和圖4是流程圖，表明用圖1或圖3的接收機(jī)接收無線通信的方法。
具體實(shí)施例方式
下面各實(shí)施例包括用人造間位材料(metamaterial)制作的天線，這些間位材料的介電常數(shù)(ε)和/或磁導(dǎo)率(μ)，在某一微波頻率范圍上是負(fù)的。選用這些間位材料，是為了使天線與通信頻率上的外部輻射產(chǎn)生諧振耦合。即使天線的線尺度遠(yuǎn)小于輻射波長，但由于是諧振耦合，它們對輻射有高的靈敏度。
該諧振耦合是由于選擇的間位材料具有合適的ε和/或μ值產(chǎn)生的。間位材料的合適選擇，與該物體的形狀以及需要在其上產(chǎn)生諧振響應(yīng)的頻率范圍有關(guān)。對球形天線，在該頻率范圍，即通信頻率范圍，ε和/或μ值的實(shí)部必須近似等于“-2”。對該ε和/或μ值，即使球形天線的直徑遠(yuǎn)小于輻射波長的1/2，它對外部輻射仍非常靈敏。
圖1畫出基于電介質(zhì)天線14的微波接收機(jī)10。接收機(jī)10包括放大器模塊12和電介質(zhì)天線14。放大器模塊12測量電介質(zhì)天線14的相鄰兩個極性相反電極16、18之間的電壓。由電極16、18測量的電壓，代表電介質(zhì)天線14內(nèi)部電場的強(qiáng)度，因?yàn)樵撾妷涸谂c天線14諧振響應(yīng)的相同頻率范圍，對外部電場產(chǎn)生諧振響應(yīng)。示范性的電極16、18是薄的或線網(wǎng)狀裝置，對電介質(zhì)天線14內(nèi)部電場干擾極小。天線14的直徑，最好是放大器模塊10需要放大的頻率上輻射波長的0.2倍或更小。
對小型天線14，標(biāo)準(zhǔn)的靜電理論確定該天線如何響應(yīng)外部施加的輻射。在遠(yuǎn)大于天線直徑S，但遠(yuǎn)小于輻射波長的1/4的距離D上，外部電場Efar近似是空間恒定且平行的。因?yàn)檩椛洳ㄩL遠(yuǎn)大于D，而外部電場Efar僅對例如輻射波長1/4的距離上或大于輻射波長1/4的距離上才基本上發(fā)生變化，所以在距離D上，電場Efar是恒定且平行的。
對天線14，靜電理論確定天線14內(nèi)部電場Einside的值，如何隨空間恒定的外部電場Efar，即在比D大又比波長小的距離上的電場值而變化。如果該天線14的介電常數(shù)ε在相關(guān)輻射頻率附近基本上恒定，則靜電理論指出Einside＝(3/[ε+2])Efar由該靜電結(jié)果可得，當(dāng)ε→-2時，Einside→∞。因此，在天線的“ε”接近-2時，即使小的外部電場Efar，也能在電極16、18上產(chǎn)生大的電壓。該ε值在天線14內(nèi)部產(chǎn)生諧振響應(yīng)，從而使接收機(jī)對外部輻射非常靈敏。因此，諧振天線14的制作，要求構(gòu)造一種間位材料，其ε在需要的通信頻帶內(nèi)有適當(dāng)?shù)闹怠?br> 可用的材料中，沒有介電常數(shù)等于-2的。但在有限頻率范圍上，能夠制成ε的實(shí)部接近-2的合成材料。該種合適的間位材料在適當(dāng)?shù)奈⒉l率范圍內(nèi)，如從約1吉赫(GHz)到約100GHz內(nèi)，具有負(fù)的ε。
在部分上述頻率范圍內(nèi)具有合適性質(zhì)的人造間位材料，本領(lǐng)域是熟知的。一些該種間位材料，R.A.Shelby等人在Science，vol.292(2001)77上的論文“Experimental Verification of a Negative Index ofRefraction”中有說明。下面的論文提供該種間位材料的各種設(shè)計“Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability andPermeability”，D.R.Smith et al，Physical Review Letters，vol，84(2000)4184和“Microwave transmission through a two-dimensional，isotropic，left-handed metamaterial”，by R.A.Shelby et al，AppliedPhysics Letters，vol.78(2001)489。示例性的設(shè)計制成的間位材料，在頻率范圍約4.7-5.2GHz和約10.3-11.1GHz內(nèi)有負(fù)的ε和/或μ值。
人造間位材料的兩維和三維物體的各種設(shè)計，包括導(dǎo)電物體的兩維和三維陣列。物體的各種實(shí)施例，包括單匝和多匝線環(huán)、裂環(huán)諧振器、導(dǎo)電帶、以及這些物體的組合。由一匝或多匝線環(huán)制成的示例性物體，其諧振頻率按熟知的方式依賴于定義該物體的參數(shù)。間位材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率既依賴于物體內(nèi)的物理特性，也依賴于物體陣列的布局。對線環(huán)狀物體，諧振頻率依賴于線粗、環(huán)半徑、環(huán)匝數(shù)、和組成該線環(huán)的線間間隔。如見“Loop-wire medium for investigatingplasmons at microwave frequencies”，D.R.Smith et al，AppliedPhysics Letters，vol.75(1999)1425。
頻率范圍和ε和/或μ選定之后，確定間位材料構(gòu)成的物體和陣列的合適參數(shù)值，對本領(lǐng)域熟練人員是直接了當(dāng)?shù)?。請見前面所引參考文獻(xiàn)?？捎玫拈g位材料的介電常數(shù)和/或磁導(dǎo)率，在需要的微波頻率上有負(fù)的實(shí)部。
因?yàn)閷?shí)際的材料會引起損耗，間位材料的ε和/或μ通常有非零的虛部。為獲得該種諧振狀態(tài)，介電常數(shù)和/或磁導(dǎo)率的虛部必須足夠小，不致破壞天線的諧振響應(yīng)，又要足夠大，以提供適當(dāng)?shù)闹C振響應(yīng)的寬度。通常，人們需要在某一頻帶上的諧振響應(yīng)。在間位材料中引進(jìn)損耗的方法，本領(lǐng)域熟練人員也是熟知的。如見前面所引參考文獻(xiàn)。
在天線14產(chǎn)生諧振響應(yīng)的頻率上，ε的非零虛部降低了對外部電場的無限大響應(yīng)，成為帶有頻率擴(kuò)展的有限峰，如圖2所示。接收機(jī)10最好采用ε有足夠大虛部的間位材料，以確保需要的通信頻帶能在天線14中激勵諧振響應(yīng)。已知間位材料產(chǎn)生的值為Im[ε(ω)]/Re[ε(ω)]＝Δω/ω≥0.03-0.05且≤0.1。
圖3畫出基于磁導(dǎo)球形天線22的接收機(jī)20。接收機(jī)20還包括耦合線圈24和放大器模塊26。天線22用有適當(dāng)μ值的磁性間位材料構(gòu)成。在天線22中，對外部輻射產(chǎn)生諧振響應(yīng)的是磁導(dǎo)率μ而不是介電常數(shù)ε。對天線22，用靜磁學(xué)而不是靜電學(xué)，把天線內(nèi)部的磁場Binside與外部磁場Bfar聯(lián)系起來。只要外部磁場Bfar的波長大于天線22的直徑，靜磁學(xué)指出Binside＝(3μ/[μ+2])Bfar如果μ的值在需要的頻率范圍接近“-2”，則球形天線22對外加輻射產(chǎn)生諧振響應(yīng)。在此情形下，天線22極大地增加接收機(jī)20對外部輻射的靈敏度。
再次指出，有非零虛部μ的磁導(dǎo)間位材料，會導(dǎo)致內(nèi)部損耗。μ的非零虛部要足夠大，以確保天線22在需要的頻帶上產(chǎn)生諧振響應(yīng)。在間位材料中引進(jìn)損耗的方法，本領(lǐng)域熟練人員是熟知的。
雖然上述接收機(jī)10、20使用球形天線14、22，但其他的實(shí)施例使用不同形狀的天線。示例性天線的形狀，包括橢球形、柱形、和立方形。對這些其他的形狀，相關(guān)天線對外部輻射產(chǎn)生諧振響應(yīng)的ε和/或μ的實(shí)部值，與“-2”有差別。間位材料的參數(shù)與天線的幾何形狀有關(guān)，要選擇在適當(dāng)?shù)奈⒉l帶中ε和/或μ的適當(dāng)負(fù)值。
圖4表明用圖1的接收機(jī)10，或用圖3的接收機(jī)20來接收無線數(shù)據(jù)或話音通信的方法30。方法30包括接收在天線中諧振地激勵電場或磁場強(qiáng)度的微波輻射(步驟32)。該天線或者在微波頻率上的介電常數(shù)有負(fù)實(shí)部，或者在微波頻率上的磁導(dǎo)率有負(fù)實(shí)部。示例性的天線包括由間位材料制成的物體。響應(yīng)受到的激勵，測量天線內(nèi)或天線附近的電場或磁場強(qiáng)度(步驟34)。用天線內(nèi)部或天線附近的一個或多個檢測器測量該場強(qiáng)。方法30包括用測量的場強(qiáng)，確定預(yù)選頻率范圍內(nèi)發(fā)送的通信數(shù)據(jù)或話音內(nèi)容(步驟36)。
本發(fā)明當(dāng)然包括本領(lǐng)域熟練人員借助這里公開的內(nèi)容、圖例、和權(quán)利要求書，從而想到的其他實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，包括用微波頻率上具有實(shí)部為負(fù)的ε或μ的材料制成的物體；和位于該物體附近或其內(nèi)的一個或多個檢測器，用于測量物體內(nèi)的電場或磁場強(qiáng)度。
2.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中該實(shí)部的值導(dǎo)致該物體對外部電場或磁場產(chǎn)生諧振響應(yīng)。
3.按照權(quán)利要求2的設(shè)備，其中的材料是一種間位材料。
4.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中的一個檢測器位于該物體外表面附近。
5.按照權(quán)利要求3的設(shè)備，還包括微波接收機(jī)，該物體和該一個或多個檢測器的作用，是作為該接收機(jī)的天線。
6.按照權(quán)利要求2的設(shè)備，其中的檢測器要適當(dāng)放置，以便測量對預(yù)選頻率范圍的外場的諧振響應(yīng)。
7.按照權(quán)利要求2的設(shè)備，其中的物體基本上是球形，且該實(shí)部在微波頻率上等于-2±0.2。
8.按照權(quán)利要求5的設(shè)備，還包括與該一個或多個檢測器耦合的放大器，用于放大微波頻率上的信號。
9.按照權(quán)利要求2的設(shè)備，還包括用于在該一個或多個檢測器中產(chǎn)生微波頻率電信號的放大器。
10.按照權(quán)利要求5的設(shè)備，還包括蜂窩電話或手持無線裝置，該微波接收機(jī)用于為該蜂窩電話或手持無線裝置接收通信。
11.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中的物體的形狀類似于立方體和圓柱體之一。
12.一種方法，包括用接收的微波輻射激勵一種物體，該物體或者在微波頻率上有負(fù)實(shí)部的介電常數(shù)，或者在微波頻率上有負(fù)實(shí)部的磁導(dǎo)率；和檢測該物體響應(yīng)微波輻射的激勵，在該物體內(nèi)部或附近形成的場強(qiáng)。
13.按照權(quán)利要求12的方法，其中檢測的場強(qiáng)是磁通量。
14.按照權(quán)利要求12的方法，其中檢測的場強(qiáng)是電壓。
15.按照權(quán)利要求12的方法，其中的接收所產(chǎn)生的諧振響應(yīng)，是對物體內(nèi)磁場強(qiáng)度和物體內(nèi)電場強(qiáng)度之一的諧振響應(yīng)。
16.按照權(quán)利要求12的方法，其中的物體包括間位材料。
17.按照權(quán)利要求12的方法，其中的檢測還包括測量物體內(nèi)對具有預(yù)選通信頻率范圍的外場的諧振響應(yīng)。
全文摘要
一種設(shè)備，包括一種物體和位于該物體內(nèi)或附近的一個或多個檢測器。該物體用微波頻率上具有負(fù)實(shí)部的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率的材料制成。該一個或多個檢測器位于該物體的附近或在該物體內(nèi)，用于測量物體內(nèi)的電場或磁場強(qiáng)度。
文檔編號H01Q15/00GK1407731SQ0212787
公開日2003年4月2日 申請日期2002年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月17日
發(fā)明者埃里克·D·伊薩克斯, 菲利浦·M·普雷茲曼, 沈榮聰 申請人:朗迅科技公司