專利名稱：具有機(jī)械連接的超材料天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及超材料(metamaterial)天線結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
電磁波在大多數(shù)材料中的傳播服從(Ε，Η，β )向量場的右手定則，其中，E是電場， H是磁場，并且β是波矢量(或傳播常數(shù))。相速度方向和信號能量傳播(群速度)方向 相同，并且折射率是正數(shù)。這樣的材料是“右手(RH)”材料。大多數(shù)自然材料是RH材料。 人工材料也可以是RH材料。超材料(MTM)具有人工結(jié)構(gòu)。當(dāng)被設(shè)計成具有比超材料所傳導(dǎo)的電磁能量波長更 短的結(jié)構(gòu)平均單位單元(structural average unit cell)尺寸P時，超材料對于所傳導(dǎo) 的電磁能量可表現(xiàn)為像均質(zhì)介質(zhì)。和RH材料不一樣，超材料可以展示出負(fù)折射率，并且相 速度方向與信號能量傳播方向相反，其中，(Ε，Η，β)向量場的相對方向遵循左手定則。僅 支持負(fù)折射率并且介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時為負(fù)的超材料是純“左手”(LH)超材料。已經(jīng)有表現(xiàn)為MTM的電結(jié)構(gòu)。這樣，可以利用被配置為表現(xiàn)為MTM的傳導(dǎo)材料來 設(shè)計設(shè)備，并將這樣的設(shè)備稱為“基于MTM的”結(jié)構(gòu)或“由MTM啟發(fā)的(MTM-inspired)，，結(jié) 構(gòu)，并且，如本文所使用，術(shù)語MTM包括這樣的結(jié)構(gòu)。將這些結(jié)構(gòu)配置為具有與LH超材料和 RH材料的混合體相類似的性能。將這些結(jié)構(gòu)稱為復(fù)合左右手(CRLH)結(jié)構(gòu)或CRLH MTM結(jié) 構(gòu)。CRLH結(jié)構(gòu)在低頻可以表現(xiàn)得像LH MTM,而在高頻表現(xiàn)得像RH結(jié)構(gòu)。例如，在 Caloz 禾口 Itoh 著的"Electromagnetic Metamaterials Transmission Line Theory and Microwave Applications”，John Wiley&Sons(2006)，中描述了各種CRLH 結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和特性。Tatsuo Itoh 在 Electronics Letters，第 40 卷，No. 16 Q004 年 8 月) 的 Invited paper =Prospects for Metamaterials” 中描述了 CRLH 超材料及其在天線中 的應(yīng)用。這樣，可以設(shè)計和實(shí)現(xiàn)CRLH結(jié)構(gòu)，使其展現(xiàn)出為特定應(yīng)用定制的電磁特性，并且 可將其用于對于其它材料而言困難、不現(xiàn)實(shí)、不能實(shí)行的那些應(yīng)用中。此外，可以使用CRLH 超材料來開發(fā)用RH材料無法開發(fā)的新應(yīng)用，構(gòu)造用RH材料無法構(gòu)造的新設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本申請公開了超材料天線設(shè)備的示例，所述超材料天線設(shè)備具有由導(dǎo)電材料制成 的一個或更多個機(jī)械連接單元，從而同時為所述天線設(shè)備提供了機(jī)械式接合和電導(dǎo)通。所 述機(jī)械連接單元是用來對設(shè)備的各個部件進(jìn)行機(jī)械式耦合的結(jié)構(gòu)。在一個方面中，CRLH結(jié)構(gòu)可用來設(shè)計天線設(shè)備，所述天線設(shè)備包括基底結(jié)構(gòu)以及 一個或多個金屬層，其中，由所述基底結(jié)構(gòu)來支持所述一個或多個金屬層，并將所述一個或 多個金屬層設(shè)置為包括在所述一個或多個金屬層中的一個金屬層內(nèi)形成的地電極；以及 在所述一個或多個金屬層中的至少一個金屬層內(nèi)形成的導(dǎo)電部件。還可將所述天線設(shè)備設(shè) 計為利用一個或者多個機(jī)械連接單元。一些機(jī)械連接單元機(jī)械式接合基底結(jié)構(gòu)的部件，諸3如使得將多個印刷電路板(PCB)固定在一起。一些機(jī)械連接單元將基底結(jié)構(gòu)接合或固定到 設(shè)備外殼。有各種結(jié)合了機(jī)械連接單元的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用，其中，由導(dǎo)電材料制成機(jī)械連 接單元，并將該機(jī)械連接單元電耦合到至少一個導(dǎo)電部件。將導(dǎo)電部件、一個或多個機(jī)械連 接單元以及至少部分基底結(jié)構(gòu)配置為形成具有CRLH結(jié)構(gòu)的天線，其中，CRLH結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出與 天線信號相關(guān)聯(lián)的多個頻率諧振。在具有多個基底結(jié)構(gòu)的一些天線設(shè)備中，這些結(jié)構(gòu)可以 由一個或多個機(jī)械連接單元共同保持，以防止錯位或分離。例如，機(jī)械連接單元包括諸如螺 絲、錨、栓、釘子、夾子、隔片和托腳、連桿和螺栓以及插入物的機(jī)械連接器或緊固件，機(jī)械連 接單元可以與螺絲基座(screw boss)、螺母、墊圈、環(huán)圖等相結(jié)合來進(jìn)行使用。在另一個方面中，一種天線設(shè)備包括設(shè)備外殼，存在于設(shè)備外殼內(nèi)部的基底結(jié)構(gòu)， 由基底結(jié)構(gòu)支持的地電極，由基底結(jié)構(gòu)支持的導(dǎo)電部件以及機(jī)械連接單元。機(jī)械連接單元 由導(dǎo)電材料制成。機(jī)械連接單元將基底結(jié)構(gòu)機(jī)械式接合到設(shè)備外殼，并且該機(jī)械連接單元 電耦合到多個導(dǎo)電部件中的至少一個。將機(jī)械連接單元、地電極、至少部分基底結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電 部件配置為形成CRLH天線結(jié)構(gòu)，該CRLH天線結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出與天線信號相關(guān)的一個或多個頻 率諧振。在附圖、詳細(xì)說明和權(quán)利要求書中具體描述了這些和其它方面以及它們的實(shí)施方 式及其各種變化。


圖IA示出根據(jù)示例實(shí)施方式的雙層CRLH天線結(jié)構(gòu)的頂層的頂視圖；圖IB示出根據(jù)示例實(shí)施方式的圖IA所示的雙層CRLH天線結(jié)構(gòu)的底層的頂視圖；圖IC示出根據(jù)示例實(shí)施方式的具有螺絲和螺絲基座的機(jī)械連接單元附近的側(cè)視 圖；圖2是根據(jù)示例實(shí)施方式具有或者不具有螺絲的圖IA和圖IB所示的天線結(jié)構(gòu)的 構(gòu)造的效率曲線圖；圖3是根據(jù)示例實(shí)施方式的具有滑動打開和滑動關(guān)閉構(gòu)造的蜂窩電話應(yīng)用的回 波損耗圖；圖4A示出根據(jù)示例實(shí)施方式的、與圖IA和圖IB所示的結(jié)構(gòu)類似的、具有連接到 饋線的垂直螺旋的CRLH天線結(jié)構(gòu)的3D視圖；圖4B和圖4C分別示出根據(jù)示例實(shí)施方式的、機(jī)械連接單元的具有不同位置的圖 4A所示的CRLH天線結(jié)構(gòu)的頂層的頂視圖和底層的頂視圖；圖5A示出根據(jù)示例實(shí)施方式在蜂窩電話內(nèi)部的基底構(gòu)造的頂視圖；圖5B示出根據(jù)示例實(shí)施方式的基底構(gòu)造的同一頂視圖；圖6A、6B和6C示出根據(jù)示例實(shí)施方式在印刷電路板(PCB)上形成的天線；圖7示出根據(jù)示例實(shí)施方式設(shè)置為連接天線地和主接地的機(jī)械緊固件；圖8示出根據(jù)示例實(shí)施方式具有天線的機(jī)械緊固件的另一種實(shí)施示例；圖9示出根據(jù)示例實(shí)施方式具有天線的兩個機(jī)械緊固件的實(shí)施示例；圖10繪出根據(jù)示例實(shí)施方式如圖5-圖7所示的第一實(shí)施示例的回波損耗與頻率 的曲線圖；圖11示出根據(jù)示例實(shí)施方式在電介質(zhì)基底上印刷的CRLH天線結(jié)構(gòu)；
圖12繪出根據(jù)示例實(shí)施方式如圖11所示的印刷CRLH天線的回波損耗的仿真結(jié) 果；圖13示出根據(jù)示例實(shí)施方式的混合天線結(jié)構(gòu)的示例；圖14是根據(jù)示例實(shí)施方式如圖13所示的混合CRLH天線的回波損耗的曲線圖；圖15是根據(jù)示例實(shí)施方式分別如圖11和圖13所示的印刷CRLH天線和混合CRLH 天線的效率曲線圖；圖16示出根據(jù)示例實(shí)施方式具有3D傳導(dǎo)部件和印刷天線部分的天線結(jié)構(gòu)的示 例；圖17示出根據(jù)示例實(shí)施方式的兩個3D傳導(dǎo)部件和印刷天線的裝配示例；圖18根據(jù)示例實(shí)施方式在諸如PCB或其它材料的基底上構(gòu)建的蜂窩電話的布局， 并且，所述蜂窩電話具有用于按鍵、按鈕、揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)、顯示器和其它組件的空間分配；圖19示出根據(jù)示例實(shí)施方式具有天線的如圖18所示的蜂窩電話的頂視圖，其中， 天線的多個部分在基底的頂部和底部；圖20示出根據(jù)示例實(shí)施方式如圖18所示的蜂窩電話的底視圖；圖21是根據(jù)示例實(shí)施方式作為頻率的函數(shù)的天線的回波損耗(RL)性能的曲線 圖；圖22示出根據(jù)示例實(shí)施方式在蜂窩電話的基底上形成的第一天線；圖23示出根據(jù)示例實(shí)施方式如圖22所示的蜂窩電話的補(bǔ)充底視圖；圖M是根據(jù)示例實(shí)施方式作為針對如圖22至圖23所示的天線的頻率的函數(shù)的 RL的曲線圖；圖25示出根據(jù)示例實(shí)施方式在蜂窩電話的基底上形成的第一天線；圖沈示出根據(jù)示例實(shí)施方式如圖25所示的蜂窩電話的補(bǔ)充底視圖；圖27是根據(jù)示例實(shí)施方式作為蜂窩電話的頻率的函數(shù)的RL的曲線圖；圖觀是根據(jù)示例實(shí)施方式在頻率范圍上繪制的針對圖18、圖22和圖25所示的三 種天線的效率的比較；圖四示出了多種C型夾子的示例。
具體實(shí)施例方式CRLH結(jié)構(gòu)可被用來構(gòu)造天線、傳輸線和其它RF組件和設(shè)備，從而得到諸如功能增 強(qiáng)、尺寸減小和性能提高等大范圍的技術(shù)進(jìn)步。CRLH結(jié)構(gòu)具有一個或者多個單位單元。CRLH 單位單元的等效電路包括右手串聯(lián)電感LR、右手并聯(lián)電容(shunt capacitance) CR、左手串 聯(lián)電容CL以及左手并聯(lián)電感(shunt inductance) LL?？梢曰谶@些CRLH單位單元來設(shè) 計基于CRLH的組件和設(shè)備，并且，可以利用分布式電路元件、集總電路元件或二者的組合 來實(shí)現(xiàn)這些CRLH單位單元。與傳統(tǒng)的天線不同，基于一個或者多個CRLH結(jié)構(gòu)的天線可以 具有由于左手(LH)模式的存在而導(dǎo)致的諧振。一般地說，LH模式有助于激勵并且更好地 匹配低頻諧振，并且增進(jìn)高頻諧振的匹配?？蓪RLH天線配置為支持一個或者多個頻段， 支持的頻段可包括一個或多個天線頻率諧振。例如，可將CRLH天線構(gòu)造為支持包括“低頻 段”和“高頻段”的多個頻段。低頻段包括至少一種LH模式諧振，高頻段包括與天線信號相 關(guān)聯(lián)的至少一種右手(RH)模式諧振。
在以下美國專利申請中說明了 CRLH天線結(jié)構(gòu)的一些示例和實(shí)現(xiàn)2007年4月27 日提交的名為"Antennas,Devices and Systems Based on Metamaterial Structures，，的 序號為 No. 11/741，674和 2009年9 月 22 日授權(quán)的名為‘‘Antennas Based on Metamaterial Structures"的美國專利No. 7，592，957?？梢岳脗鹘y(tǒng)的FR-4印刷電路板(PCB)或柔性 印刷電路(FPC)板來制造這些CRLH天線結(jié)構(gòu)。其它制造技術(shù)的示例包括薄膜制造技術(shù)、片 上系統(tǒng)(SOC)技術(shù)、低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)以及單片微波集成電路(MMIC)技術(shù)。一種類型的CRLH天線結(jié)構(gòu)是單層金屬化(SLM)CRLH天線結(jié)構(gòu)，該單層金屬化CRLH 天線結(jié)構(gòu)在基底的一側(cè)上形成的單個金屬化層中具有CRLH結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電部件。兩層金屬化 無過孔(TLM-VL) CRLH天線結(jié)構(gòu)是另一種類型的CRLH天線結(jié)構(gòu)，其特征在于基底的兩個平 行表面上的兩層金屬化層，并且不具有導(dǎo)電的過孔來連接一個金屬化層中的一個導(dǎo)電部件 和另一金屬化層中的另一個導(dǎo)電部件。在2008年10月13日提交的名為‘‘Single-Layer Metallization and Via-Less Metamaterial Structures”白勺;^1 12/250，477 白勺利申請中說明了 SLM和TLM-VL CRLH天線結(jié)構(gòu)的示例和實(shí)現(xiàn)。在一種實(shí)現(xiàn)中，SLM CRLH結(jié)構(gòu)包括基底和金屬化層，該基底具有第一基底表面和 相對的基底表面，該金屬化層形成在第一基底表面上并被圖案化為具有兩個或者多個導(dǎo)電 部件，以在沒有穿透電介質(zhì)基底的導(dǎo)電過孔的情況下形成SLM CRLH結(jié)構(gòu)，金屬化層中的導(dǎo) 電部件包括SLM CRLH結(jié)構(gòu)的單元貼片；地，其與單元貼片空間分離；過孔線，其連接地與單 元貼片；以及饋線，其電容性耦合到單元貼片而不直接接觸單元貼片。利用通過饋線和單元 貼片之間的間隙的電容性耦合來產(chǎn)生LH串聯(lián)電容。主要在饋線和單元貼片中產(chǎn)生RH串聯(lián) 電感LR。在該SLM CRLH結(jié)構(gòu)中的兩個導(dǎo)電部件之間沒有垂直夾在其中的電介質(zhì)材料。結(jié) 果，可以通過設(shè)計使SLM CRLH結(jié)構(gòu)的RH并聯(lián)電容CR小得可以忽略?？梢栽趩挝毁N片和地 (這兩者都在單層金屬化層中)之間感應(yīng)出相對小的RH并聯(lián)電容CR。由于不存在穿透基 底的過孔導(dǎo)致SLM CRLH結(jié)構(gòu)中的LH并聯(lián)電感LL可被忽略，但是，連接到地的過孔線可能 導(dǎo)致電感等于LH并聯(lián)電感LL。TLM-VL CRLH天線結(jié)構(gòu)可以在兩個不同的層中具有饋線和 單位貼片，以產(chǎn)生垂直電容性耦合。與SLM和TLM-VL CRLH天線結(jié)構(gòu)不同，多層CRLH天線結(jié)構(gòu)在通過至少一個過 孔連接的兩個或者更多個金屬化層中具有導(dǎo)電部件。在2008年11月13日提交的名 為"Metamaterial Structures with Multilayer Metallization and Via，，的序號為 12/270,410的美國專利申請中描述了這樣的多層CRLH天線結(jié)構(gòu)的示例和實(shí)現(xiàn)?；谄渲?通過電絕緣材料(例如，電介質(zhì)材料)分離了兩個相鄰的金屬化層的基底、薄膜或板結(jié)構(gòu)， 將這些多層金屬化層圖案化為具有多個導(dǎo)電部件?？梢允褂秒娊橘|(zhì)間隔或者不使用電介質(zhì) 間隔來將兩個或者多個基底堆放在一起，為多層金屬化層提供多個表面，以實(shí)現(xiàn)特定技術(shù) 特征或優(yōu)點(diǎn)。這樣的多層CRLH結(jié)構(gòu)可以具有至少一個導(dǎo)電過孔，將一個金屬化層中的一個 導(dǎo)電部件連接到另一個金屬化層中的另一個導(dǎo)電部件。具有過孔的雙層CRLH天線結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)包括基底，其具有第一基底表面和與該第 一表面相對的第二基底表面；第一金屬化層，其形成在第一基底表面上；以及第二金屬化 層，其形成在第二基底表面上，其中，這兩個金屬化層被圖案化為具有兩個或者多個導(dǎo)電部 件，導(dǎo)電部件具有至少一個穿透基底的導(dǎo)電過孔，將第一金屬化層中的一個導(dǎo)電部件連接 到第二金屬化層中的另一個導(dǎo)電部件。可以在第一金屬化層中形成截斷的地，使得部分表面暴露。第二金屬化層中的導(dǎo)電部件可包括饋線和CRLH結(jié)構(gòu)的單元貼片，該饋線的遠(yuǎn)端定 位在單元貼片附近，并電容性耦合到單元貼片，向單元貼片發(fā)送信號或者從單元貼片接收 信號。平行于被暴露的表面的至少一部分來形成單元貼片。第一金屬化層中的導(dǎo)電部件 包括過孔線，該過孔線通過基底中形成的過孔將第一金屬化層中的截斷地連接到第二金屬 化層中的單元貼片。利用通過饋線和單元貼片之間的間隙的電容性耦合來產(chǎn)生LH串聯(lián)電 容CL。RH串聯(lián)電感LR主要在饋線和單元貼片中產(chǎn)生。主要利用過孔和過孔線來感應(yīng)得 到LH并聯(lián)電感LL。RH并聯(lián)電容CR主要由第二金屬化層中的單元貼片和單元貼片的封裝 (footprint)中的過孔線中凸出在第一金屬化層上的部分之間的電容貢獻(xiàn)。諸如彎折線的 其它導(dǎo)電線可以附加到饋線，來感應(yīng)RH單極諧振，以支持寬帶或多頻段天線操作?？捎蒀RLH天線支持的各種頻段的示例包括用于蜂窩電話和移動設(shè)備應(yīng)用的頻帶、 WiFi應(yīng)用的頻帶、WiMax應(yīng)用及其它無線通信應(yīng)用的頻帶。用于蜂窩電話和移動設(shè)備應(yīng)用 的頻帶的例子是蜂窩頻帶(8M-960MHz)，包括CDMA (8M-894MHz)和GSM(880_960MHz)兩 個頻帶；以及 PCS/DCS 頻帶(1710-2170MHz)，包括 DCS(1710-1880MHz)、PCS (1850_1990MHz) 和 AWS/WCDM/U2110-2170MHz)三個頻帶。CRLH結(jié)構(gòu)可以被具體定制為符合諸如PCB基板面因素(real-estate factor)、設(shè) 備性能要求和其它規(guī)范的具體應(yīng)用要求。MTM結(jié)構(gòu)中的單元貼片可具有各種幾何形狀和尺 寸，例如，這包括矩形、多邊形、不規(guī)則形狀、圓形、橢圓形或不同形狀的組合。過孔線和饋線 也可具有各種幾何形狀和尺寸，例如，包括矩形、多邊形、不規(guī)則形狀、鋸齒形、螺旋形、彎折 形或不同形狀的組合?？梢孕薷酿伨€的遠(yuǎn)端，形成發(fā)射臺(launch pad)來修改電容性耦合。 發(fā)射臺可具有各種幾何形狀和尺寸，例如，包括矩形、多邊形、不規(guī)則形狀、圓形、橢圓形或 者不同形狀的組合。發(fā)射臺和單元貼片之間的間隙可以采用各種形式，例如，包括直線、曲 線、L形線、鋸齒線、不連續(xù)線、圍線或不同形式的組合。可以在相互不同的層中形成饋線、發(fā) 射臺、單元貼片和過孔線中的一些。饋線、發(fā)射臺、單元貼片和過孔線中的一些可以從一個 金屬化層擴(kuò)展到其它的金屬化層。天線部分可以位于主基底上方幾毫米處。多個單元可以 串聯(lián)層疊以形成多單元1維結(jié)構(gòu)?？梢园凑照环较?qū)盈B多個單元以形成2維結(jié)構(gòu)。在一 些實(shí)現(xiàn)中，可將單個饋線配置為向多個單元貼片傳送功率。在其它實(shí)現(xiàn)中，可將附加的導(dǎo)電 線加入饋線或發(fā)射臺，其中，該附加的導(dǎo)電線可具有各種幾何形狀和尺寸，例如，包括矩形、 不規(guī)則形、鋸齒形、平面螺旋形、垂直螺旋形、彎折形或者不同形狀的組合。該附加的導(dǎo)電線 可位于頂層、中間層或底層，或位于基底上方幾毫米處。此外，可以基于多基底結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn) 非平面(三維)MTM天線結(jié)構(gòu)。在2009年5月13日提交的名為“Non-Planar Metamaterial Antenna Structures”序號為12/465,571的美國專利申請中說明了這樣的基于多基底的 MTM結(jié)構(gòu)的示例和實(shí)現(xiàn)。天線效率是其中PCB基板面受限的緊湊移動通信設(shè)備特有的重要性能量度之一。 在一些天線設(shè)備設(shè)計中，天線尺寸減少可導(dǎo)致效率降低。在這樣的設(shè)計中，利用給定的受限 空間獲得高效率給天線設(shè)計(尤其對于蜂窩電話和其它緊湊移動通信設(shè)備的天線設(shè)計)帶 來了挑戰(zhàn)。本文說明了 CRLH天線設(shè)計，該設(shè)計使用導(dǎo)電機(jī)械部件來提供(1)機(jī)械連接、錨定 或支持；以及⑵用于CRLH天線元件的期望的導(dǎo)電路徑和連接。這樣的導(dǎo)電機(jī)械部件的多 種功能允許受限的許可空間內(nèi)部的有效天線尺寸的增加，并且能夠有利于緊湊設(shè)備。在本文所述的MTM天線的示例中，使用金屬螺絲作為MTM天線中的導(dǎo)電機(jī)械連接單元的簡單示 例來不僅提供機(jī)械連接而且還提供導(dǎo)電擴(kuò)展。在一些實(shí)現(xiàn)中，這樣的導(dǎo)電機(jī)械連接單元能 有效增加CRLH天線的面積和體積，從而在不增加所占用的空間的情況下增強(qiáng)天線效率。例 如，可以設(shè)計并定位機(jī)械連接單元，以修改在與印刷天線表面垂直的方向上與MTM天線相 關(guān)聯(lián)的電流分布。從而，通過改變機(jī)械連接單元的位置和/或尺寸來調(diào)整輻射圖和輻射極 化。將這樣的機(jī)械連接單元與CRLH天線結(jié)構(gòu)相接合還可促進(jìn)頻率調(diào)諧和阻抗匹配。機(jī)械 連接單元的示例包括諸如螺絲、錨、栓、釘子、夾子、隔片和托腳、連桿和螺栓以及插入物的 緊固件，并且，機(jī)械連接單元可以與螺絲基座、螺母、墊圈、環(huán)圈等相結(jié)合來進(jìn)行使用。圖IA和圖IB示出PCB 164上印刷的雙層CRLH天線結(jié)構(gòu)100的示例，其分別示出 了頂層的頂視圖和底層的頂視圖。在頂層上形成單位貼片104。為了使單位貼片的面積最 小，此示例中，單位貼片104的輪廓的外部被形成為嚴(yán)格遵守PCB 108的邊緣。在頂層上形 成饋線112。饋線112的近端耦合到饋送端口，諸如通過共平面波導(dǎo)(CPW)饋線。饋送端 口與收發(fā)機(jī)通信；該收發(fā)機(jī)產(chǎn)生并提供將從天線100發(fā)送的天線信號，并對在天線100處 通過空中接收的天線信號進(jìn)行接收和處理。饋線112的遠(yuǎn)端通過耦合間隙116電容性耦合 到單位貼片104，以將天線信號導(dǎo)向單位貼片104或從單位貼片104導(dǎo)回天線信號。將過 孔1(120)、過孔2 (IM)、過孔3 (128)和過孔4(132)插入相應(yīng)過孔線，從而在頂層的導(dǎo)電部 件和底層的導(dǎo)電部件之間提供導(dǎo)電連接。附加到饋線112的另外的導(dǎo)線可以感應(yīng)RH單極 諧振。在示例實(shí)施方式中，導(dǎo)電螺旋130附加到饋線112。導(dǎo)電螺旋包括圖IA所示的頂部 導(dǎo)電螺旋部分136、圖IB所示的底部導(dǎo)電螺旋部分140和穿透PCB的過孔。頂部螺旋部分 136包括在頂層中形成的離散段；底部螺旋部分140包括在底層中形成的另一組離散段；并 且過孔2 (124)、過孔3 (128)和過孔4 (132)用來連接底部離散段和頂部離散段，以形成垂直 螺旋形狀。一些實(shí)施方式按照與導(dǎo)電螺旋130相似的方式結(jié)合彎折線、鋸齒線或者其它類 型的線路或?qū)щ妿?。集總電感?44用來連接饋線112和導(dǎo)電螺旋130，如圖IA所示，用 于空間節(jié)省。可選地，饋線112和導(dǎo)電螺旋130可以在具有不同總長度的情況下直接連接。 過孔線148形成在底層上，并耦合到地。過孔線1(120)將頂層中的單元貼片104連接到底 層中的過孔線148。在CRLH天線設(shè)計的一些示例中，饋線112和單元貼片104之間的耦合 產(chǎn)生串聯(lián)電容，該串聯(lián)電容被作為LH電容并表示為。過孔線148從單元貼片104至地產(chǎn) 生并聯(lián)電感，該電感被作為LH電感并表示為K。在本示例中，將兩個螺孔152、156配置在PCB 164內(nèi)部。單位貼片104被形成為形 成擴(kuò)展部分以包圍螺孔152。將由金屬或?qū)щ姴牧现瞥傻穆萁z160插入螺孔152，以將PCB 164機(jī)械連接到外殼168。取代僅使用螺絲，可以加入螺絲基座來連接兩個或多個部件。圖 IC示出具有螺絲160和螺絲基座161的機(jī)械連接單元附近的側(cè)視圖。在此示例中，機(jī)械連 接單元將PCB 164機(jī)械連接到外殼168的頂部和底部。在此構(gòu)造中，螺絲160電接觸螺絲 基座161，該螺絲基座161電接觸PCB 164中制成的螺孔1(152)的電鍍內(nèi)壁。因此，螺絲 160、螺絲基座161和單元貼片104電耦合，并一起提供連續(xù)的導(dǎo)電部件。結(jié)果，由于附加了 機(jī)械連接單元(例如，螺絲160和螺絲基座161)導(dǎo)致單元貼片的面積和體積有效增加，從 而增強(qiáng)了天線的效率。螺絲的頂部由電絕緣材料(例如，橡膠填充、塑膠外殼或者其它手 段)覆蓋，以防止用戶干擾螺絲。附加這樣的導(dǎo)電機(jī)械連接單元能夠修改與天線相關(guān)的電 流分布，特別在與印刷天線表面垂直的方向上的電流分布。從而，通過改變機(jī)械連接單元的位置和/或尺寸來調(diào)整輻射圖和輻射極化，這樣還可促進(jìn)頻率調(diào)諧和阻抗匹配。當(dāng)機(jī)械連 接單元在不連接到地的情況下電連接到單元貼片時，機(jī)械連接單元成為輻射元件，因此，擴(kuò) 展了單元貼片的輻射面積。當(dāng)機(jī)械連接單元電連接到單元貼片并連接到地時，機(jī)械連接單 元將并聯(lián)電容加入單位單元，并且可以這樣用來實(shí)現(xiàn)與圖IA和圖IB的過孔線148類似的 過孔線。 圖2是所測量的具有或者不具有螺絲實(shí)現(xiàn)的CRLH天線設(shè)計的示例仿真，其繪出了 作為頻率函數(shù)的效率。所測量的數(shù)據(jù)指示針對一個CRLH天線設(shè)計的天線效率隨著螺絲實(shí) 現(xiàn)而增強(qiáng)。這是由于因?yàn)閱卧N片104的機(jī)械連接單元擴(kuò)展導(dǎo)致的輻射面積和體積的增 加。注意到，具有螺絲的CRLH天線設(shè)備的效率在頻率范圍內(nèi)一致地得到增強(qiáng)。圖3示出作為CRLH天線設(shè)計的示例仿真的頻率的函數(shù)的回波損耗，該CRLH天線 設(shè)計具有與針對蜂窩電話應(yīng)用的圖IA和圖IB的機(jī)械連接單元實(shí)現(xiàn)類似的機(jī)械連接單元實(shí) 現(xiàn)。在此示例中，蜂窩電話具有滑蓋設(shè)計，電話的一個部分滑動到另一部分之下。當(dāng)滑蓋打 開時，電話的兩個部分都可使用；當(dāng)滑蓋關(guān)閉時，至少電話的一個部分不能使用。此類型的 電話被稱為滑蓋式電話。圖3的曲線圖指示由于針對滑蓋打開和滑蓋關(guān)閉的兩種構(gòu)造的天 線的CRLH超材料結(jié)構(gòu)而獲得的覆蓋諸如蜂窩和PCS/DCS頻段的多頻段的多諧振。在此設(shè) 計中，CRLH天線結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了兩種構(gòu)造的性能。機(jī)械連接單元可用在CRLH天線結(jié)構(gòu)的其它位置，不僅提供機(jī)械連接而且通過電 接觸增加了導(dǎo)電部件的面積和/或體積。圖4A示出具有附加到饋線的垂直螺旋的CRLH天 線結(jié)構(gòu)的示例。圖4B和圖4C示出為CRLH天線提供機(jī)械連接以及導(dǎo)電擴(kuò)展的機(jī)械連接單 元的示例位置。圖4A示出與圖IA和圖IB所示的結(jié)構(gòu)100類似的CRLH天線結(jié)構(gòu)400的3D視圖 的示例，區(qū)別在于單元貼片404是矩形而不是單元貼片104的非規(guī)則多邊形；饋線412和 過孔線448具有比饋線112和過孔線148更簡單的線路圖案；并且螺旋438具有圖4B的 頂部螺旋部分436和圖4C的底部螺旋部分440，該螺旋438具有比圖IA和圖IB中的導(dǎo)電 螺旋130更多的離散段和更多的過孔(例如，過孔W424)、過孔3(428)、過孔4(432)、過孔 5 (43 、過孔6 (434)和過孔7 (435))，并具有更多的回轉(zhuǎn)。圖4B和圖4C分別示出圖4A所 示的CRLH天線結(jié)構(gòu)的頂層的頂視圖和底層的頂視圖，具有與連接K451)、連接2 052)、連 接3 053)、連接4 (454)和連接5 (45 指示的機(jī)械連接單元相同的示例位置。在此示例中， 饋線412和單元貼片404之間的耦合導(dǎo)致串聯(lián)電容，該串聯(lián)電容被當(dāng)作LH電容，并被稱為 Q，而過孔線448導(dǎo)致單元貼片404和地之間的并聯(lián)電感，該電感被當(dāng)作LH電感，并被稱為 Llo這樣，天線設(shè)備400是具有單元貼片404和饋線412之間的串聯(lián)電容Q、由過孔線448 形成的并聯(lián)電感K、單元貼片404和地之間的并聯(lián)電容CkW及饋線412中的串聯(lián)電感Lk的 CRLH結(jié)構(gòu)。注意到，Le和Ck被當(dāng)作RH參數(shù)，得到RH模式諧振頻率。連接1(451)位于饋線412的遠(yuǎn)端部分，該饋線412通過耦合間隙416電容耦合 到單元貼片404。如前所述，饋線412的遠(yuǎn)端部分能被修改為形成發(fā)射臺以修改電容耦合。 在這樣的構(gòu)造中，連接1(451)可位于發(fā)射臺處，該發(fā)射臺是饋線412的經(jīng)修改的遠(yuǎn)端部分。 定位在連接1(451)處的導(dǎo)電機(jī)械連接單元可有效增加發(fā)射臺(或者饋線412的遠(yuǎn)端部分) 的體積和/或面積，從而改變主要確定串聯(lián)電容Q的電容耦合。RH串聯(lián)電容(Lk)還可能 受到附加到發(fā)射臺(或者饋線412的遠(yuǎn)端部分)的機(jī)械連接單元的形狀和尺寸的影響。從9而可以利用連接1(451)處的機(jī)械連接單元的適當(dāng)配置來優(yōu)化頻率調(diào)諧和阻抗匹配。連接2(45 位于螺旋438的末端部分，有效增加螺旋438的長度。該加長的螺旋 能夠使得RH單極諧振移向低頻區(qū)域。連接3(45 用來代替將頂層的單元貼片404連接到底層的過孔線448的過孔 1(420)。因而，連接3 (453)處的機(jī)械連接單元消除了在PCB中制造過孔1 (420)的必要，并 且同時執(zhí)行連接PCB和外殼的機(jī)械功能。此外，連接3(45 處的機(jī)械連接單元的形狀和尺 寸能夠影響LH并聯(lián)電感LL。從而可以利用用于代替原本連接單元貼片404和過孔線448 的過孔的機(jī)械連接單元的適當(dāng)配置來優(yōu)化頻率調(diào)諧和阻抗匹配。連接4(454)用來代替將頂層的頂部螺旋部分436的一個片斷連接到底層的底部 螺旋部分440的另一個片段的過孔4(43 。當(dāng)機(jī)械連接單元取代過孔用在螺旋438中時， 則機(jī)械連接單元的形狀和尺寸可能影響RH單極諧振。對于圖4A-圖4B所示的垂直螺旋， 可以利用這樣的機(jī)械部件來替代不止一個過孔。連接5 (455)位于過孔線448的一部分處。連接5 (455)處的機(jī)械連接單元能夠有 效增加影響LH并聯(lián)電感LL的過孔線的體積、面積和長度。從而可以利用具有過孔線448 的機(jī)械連接單元的適當(dāng)配置來優(yōu)化頻率調(diào)諧和阻抗匹配。以上示例的提供機(jī)械連接的機(jī)械連接單元以及針對CRLH天線的導(dǎo)電部件的導(dǎo)電 擴(kuò)展可用于CRLH天線中的多個位置。例如，連接1和連接3可通過優(yōu)化兩個機(jī)械連接單元 的形狀和尺寸來用于更好的天線性能。可以在諸如單層金屬化(SLM) CRLH天線、兩層金屬 化無過孔(TLM-VL)CRLH天線結(jié)構(gòu)、具有至少一個過孔的多層CRLH天線結(jié)構(gòu)的多種CRLH天 線中得到類似的機(jī)械實(shí)現(xiàn)。對于多基底結(jié)構(gòu)，機(jī)械連接單元可以將多個基底中的一個基底 機(jī)械連接到另外的基底或多個基底，可以將多個基底中的一個基底機(jī)械連接到外殼，可以 將多個基底中的一個基底機(jī)械連接到多個基底中的一些以及外殼，或者將多個基底中的一 個基底機(jī)械連接到全部基底和外殼。在具有多個單元貼片的CRLH天線中，一個或者多個機(jī) 械連接單元能夠分別附加到一個或者多個單元貼片，從而增加天線效率。垂直螺旋形狀用 在上例中作為附加到饋線的導(dǎo)線，以感應(yīng)RH單極模式。然而，諸如矩形、不規(guī)則形狀、鋸齒 形、平面螺旋形、彎折形或不同形狀的組合的各種不同的幾何形狀和尺寸可用于類似的目 的。因此，可以利用這些形狀中的任意形狀來實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接單元?？梢栽诟鞣NCRLH天線結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)用于由導(dǎo)電材料制成的一個或者多個機(jī)械連接 單元的上述技術(shù)，從而為CRLH天線設(shè)備提供機(jī)械接合和電傳導(dǎo)這兩者。在另一種實(shí)施方式中，機(jī)械連接單元用于為天線元件提供機(jī)械耦合、穩(wěn)定性和錨 定或支持，以及所期望的導(dǎo)電路徑和連接。這樣的導(dǎo)電機(jī)械連接單元能夠有效增加天線的 面積和體積，從而在不增加所占用的空間的情況下增強(qiáng)天線的效率。在一些實(shí)施方式中，傳 統(tǒng)地用來連接設(shè)備中的各層和組件的機(jī)械連接單元用來耦合兩個分離的地。這樣的用法可 以增強(qiáng)天線元件的性能，從而不僅提供機(jī)械穩(wěn)定性還提供地或者電路或應(yīng)用的其它導(dǎo)電元 件之間的電連接。結(jié)果，額外的空間對于安裝或增加其它組件或天線元件變得可用，從而增 強(qiáng)了整個設(shè)備的性能。機(jī)械連接單元的示例包括諸如螺絲、錨、栓、釘子、夾子、隔片和托腳、 連桿和鈕扣以及插入物的緊固件，并且，機(jī)械連接單元可以與螺絲基座、螺母、墊圈、環(huán)圈等 相結(jié)合來進(jìn)行使用。作為示例，例如在蜂窩電話中，一些實(shí)現(xiàn)方式結(jié)合兩個基底來形成電路板。第一基底是容納天線元件和天線地的天線PCB。第二基底包括蜂窩電話的主接地。在一些實(shí)施方 式中，天線PCB基于電介質(zhì)基底(例如，F(xiàn)R-4板)，其中天線元件印刷在基底的頂表面和底 表面。在一些實(shí)施方式中，在柔性薄膜上印刷天線。主接地可以是提供地電極的簡單金屬 基底或印刷在另一基底的表面上的導(dǎo)電面(conductive plane)。例如，天線PCB和主接地 這兩個基底在蜂窩電話被設(shè)置為在彼此頂部。圖5A示出在蜂窩電話內(nèi)部的基底構(gòu)造的頂 視圖，其中，用陰影表示天線元件和天線地503。圖5B示出基底構(gòu)造的同一頂視圖，其中用 陰影表示主接地505。利用分離的基底來形成天線和主接地，并且，此例使用螺絲501來連 接天線地和主接地。在此例中，螺絲501遠(yuǎn)離基底邊緣。圖6A、6B和6C示出PCB 610上形成的CRLH天線?？蛇x的實(shí)施方式可以將天線定 位在其它類型的基底上，該其它類型的基底具有至少一個非導(dǎo)電層以及至少一個用于形成 CRLH天線的導(dǎo)電元件的層。圖6A示出天線600的3維視圖。圖6B示出天線600的頂視 圖，其中，天線600的部分和天線地603位于PCB 610的頂表面上。圖6C示出天線600的 頂視圖，其中，天線600的一部分位于PCB 610的底表面上。天線600具有在PCB 610的頂 表面和底表面上形成的多個天線元件，這包括在PCB 610的頂表面上形成的饋線601，該饋 線601向天線600的輻射元件、單元貼片605提供信號，并從天線600的輻射元件、單元貼 片605接收信號。饋線601耦合到與主接地602耦合的天線端(未示出)。在一些實(shí)施方 式中，所有的地部分耦合在一起，從而具有一致的基準(zhǔn)電壓。饋線601的遠(yuǎn)端通過耦合間隙 603電容性耦合到形成在PCB 610的頂表面上的單元貼片605。饋線601的形狀容納了設(shè) 備中的可用空間。在此例中，形狀符合PCB 610的周界，并沿著單元貼片605向內(nèi)擴(kuò)展。這 樣的設(shè)計試圖使與耦合到天線端(未示出)的饋線601的供應(yīng)端(supply end)的距離最 小，同時保持耦合間隙603的距離，或使其最大；換言之，饋線601相對于單元貼片605的位 置確定LH電容Q，因此與天線600的性能直接相關(guān)。饋線601、耦合間隙603和單元貼片 605的形狀和尺寸主要被設(shè)計為針對應(yīng)用感應(yīng)適當(dāng)?shù)腖H串聯(lián)電容Q。例如，在一種實(shí)施方 式中，天線600被用于結(jié)合了多個頻率范圍的給定帶寬，其中，RH參數(shù)Lk和Ck與RH模式諧 振頻率相關(guān)聯(lián)，而LH參數(shù)U和Q與LH模式諧振頻率相關(guān)聯(lián)。LH模式頻率低于RH模式頻 率。過孔1607穿透PCB 610，在PCB610的頂表面上的單元貼片605和PCB 610底表面上 的過孔線1609之間形成導(dǎo)電路徑。過孔沈11也在PCB 610上形成，以在PCB 610的底表 面上的過孔線1609和在PCB 610的頂表面上形成的過孔線沈13之間形成導(dǎo)電路徑。過孔 線沈13耦合到天線地603 ；天線地經(jīng)由螺絲617耦合到主接地602的擴(kuò)展部分620。在此 例中，主接地620被形成為針對這樣的接觸提供擴(kuò)展部分620。主接地602的擴(kuò)展部分620 被形成為遠(yuǎn)離基底邊緣。這些過孔和過孔線的形狀和尺寸被設(shè)計為主要針對應(yīng)用來感應(yīng)適 當(dāng)?shù)腖H并聯(lián)電感U。彎折線619被附加到饋線601，以感應(yīng)低頻單極模式來加寬由于CRLH天線600的 LH參數(shù)而導(dǎo)致包括LH模式諧振頻率的低頻段。導(dǎo)電橋623被加入彎折線619，以耦合彎折 線619的折彎路徑的兩個部分，從而將不希望的高諧波模式移動到高頻區(qū)(例如，2100MHz 及更高)，其中，高頻區(qū)可以高于針對應(yīng)用指定的頻率范圍。圖7示出具有在天線元件之間提供導(dǎo)電路徑的螺絲的無線裝置700的一部分。螺 絲701設(shè)置為連接天線地703和主接地705 (具體地說，主接地705的擴(kuò)展部分707)。在 此例中，螺絲701垂直穿透天線PCB 709，將天線PCB709機(jī)械固定到主接地705，并為天線PCB 709提供機(jī)械穩(wěn)定性和支撐，并允許直接連接。使用諸如螺絲或C型夾子的機(jī)械連接單 元消除了對于箱套和提供支撐并且可能是大體積的其它裝置(例如，具有按扣的塑膠固定 器，其通常為蜂窩電話內(nèi)部的天線PCB提供穩(wěn)定性)的需要。使用諸如螺絲、連桿、栓等的 固體機(jī)械連接在兩個基底之間提供了物理接觸，然而，利用壓力接觸來實(shí)現(xiàn)諸如C型夾子、 探針(pogo-pin)等的基于彈簧的機(jī)械連接。一般地說，簡單螺絲相對于基于彈簧的連接具 有成本優(yōu)勢。此外，螺絲通常被用在特定位置來固定蜂窩電話中的兩個基底；因而，對基底 設(shè)計的簡單修改可允許將已有的螺絲的位置移動到具有電優(yōu)勢的位置。圖8示出在蜂窩電話設(shè)備內(nèi)具有天線800的螺絲的另一種實(shí)施示例。利用與之前 的天線示例類似的設(shè)計來形成天線元件。天線地801被延長，并在靠近蜂窩電話外殼的基 底邊緣附近形成主接地804的擴(kuò)展部分803。因此，在此例中，經(jīng)由天線地801和主接地803 之間的螺絲805的機(jī)械和電連接被容納在基底邊緣附近。本構(gòu)造允許諸如電介質(zhì)材料或柔 性材料的非導(dǎo)電材料的額外空間807。例如，額外空間807可以用來將第二單元貼片加入天 線800，以進(jìn)行優(yōu)化，或者允許其它的或不同的應(yīng)用。額外空間807還可用來安裝諸如麥克 風(fēng)、連接器、LED等的組件，或者簡單地為了更高的效率而加大原來的天線。如這些各種實(shí) 施方式所述，諸如螺絲805的機(jī)械連接單元可以用于完成針對各種目的的導(dǎo)電路徑。當(dāng)在 多層上建立CRLH天線結(jié)構(gòu)或者在單獨(dú)的層上建立主接地或天線地時，機(jī)械連接單元允許 方便且非入侵性的結(jié)構(gòu)來簡化并增強(qiáng)設(shè)計和性能；此外，機(jī)械連接單元可用于減小天線的 封裝。對于PCB、柔性或其它基底上印刷的CRLH天線，有很多可能的配置。圖9示出具有CRLH天線900的兩個螺絲的實(shí)施示例。利用與之前的天線示例類 似的設(shè)計在CRLH結(jié)構(gòu)上形成天線元件，不同之處在于利用過孔線1901、過孔四03和過孔線 2905形成的過孔線軌跡被導(dǎo)向?yàn)殡x開天線地1907而朝向天線地四09。單元貼片923通過 過孔1925耦合到過線孔軌跡。在此實(shí)施方式中，單元貼片923和饋線920之間的電容性耦 合感應(yīng)出LH串聯(lián)電容，而包括過孔線1901、過孔四03和過孔線四05的過孔線軌跡得到LH 并聯(lián)電感。在基底邊緣附近彼此相對地形成天線地1和2、907和909。螺絲1911將天線地 1907耦合到一個基底邊緣附近的主接地913的擴(kuò)展部分1 ；而螺絲四15將天線地四09耦 合到另一個基底邊緣附近的主接地922的擴(kuò)展部分四17。此配置避免了彎折線921和過孔 線軌跡之間的可能的電磁干擾。圖10繪出如圖5-圖7所示的第一實(shí)施示例的回波損耗與頻率的曲線圖。此例中 的天線被調(diào)諧并匹配三個頻段，例如，這三個頻段可以是包括850MHz頻段、900MHz頻段和 個人通信業(yè)務(wù)(PCS)頻段(用于數(shù)字移動電話業(yè)務(wù)的1900MHz頻段)的蜂窩電話頻段?？?以構(gòu)造CRLH天線結(jié)構(gòu)來在諸如蜂窩電話的最終應(yīng)用內(nèi)部容納電路和組件。另外，可以根據(jù) 應(yīng)用、所期望的帶寬、特定諧振頻率來調(diào)整CRLH參數(shù)CK、Q、k和Lk，以實(shí)現(xiàn)天線效率和性能 的增強(qiáng)。這些調(diào)整包括實(shí)現(xiàn)各種形狀和配置來制造CRLH結(jié)構(gòu)。機(jī)械連接單元通過在導(dǎo)電 元件之間提供短路徑以及擴(kuò)展輻射表面或者增加諸如過孔線的感應(yīng)元件的長度來幫助實(shí) 現(xiàn)這些目標(biāo)，并對在設(shè)計過程期間所做的調(diào)整進(jìn)行補(bǔ)充。這里所述的天線示例是具有LH模式諧振頻率的MTM結(jié)構(gòu)的天線，其基于CRLH結(jié) 構(gòu)來設(shè)計?？梢愿鶕?jù)目標(biāo)應(yīng)用來改變天線元件的形狀和尺寸。可選的實(shí)施方式可以將機(jī)械連接單元結(jié)合到包括傳統(tǒng)印刷天線的廣泛的各種天 線之中。
天線效率是重要的性能量度，尤其對于在PCB上具有受限空間的緊湊移動通信設(shè) 備而言。一般地說，減小尺寸的天線設(shè)計效率較差，并且實(shí)現(xiàn)較小的設(shè)備尺寸需要對效率進(jìn) 行折中。換言之，天線尺寸減小導(dǎo)致效率下降。因此，利用受限的空間來得到天線的高效 率在天線設(shè)計中是一種挑戰(zhàn)。對于蜂窩電話和其它緊湊移動通信設(shè)備中的應(yīng)用，尤其是這 樣。本文說明混合天線結(jié)構(gòu)，其中將三維(3D)導(dǎo)電橋、導(dǎo)電塊或?qū)щ妿砑拥接∷⑻炀€結(jié) 構(gòu)，以便有效增加天線的導(dǎo)電面積和體積，從而提高效率。這樣的3D導(dǎo)電橋可以被設(shè)計或 修改為獲取目標(biāo)天線諧振頻率，并為天線調(diào)諧和匹配提供靈活性。另外，這樣的3D導(dǎo)電橋 可以添加到印刷天線的主輻射部件，以增加輻射能量。此外，當(dāng)諸如麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、按鍵彈 片(key dome)等的電子組件在同一 PCB上與印刷天線并置時，3D導(dǎo)電橋、導(dǎo)電塊和導(dǎo)電帶 等可用來越過或繞過這樣的組件，在印刷天線的兩個部件之間耦合，從而節(jié)省空間，同時提 高效率。在一種實(shí)施方式中，可以基于CRLH結(jié)構(gòu)來設(shè)計包括印刷部分和3D導(dǎo)電橋的天線 結(jié)構(gòu)。圖11示出在諸如FR-4的電介質(zhì)基底上印刷的CRLH天線結(jié)構(gòu)1100。分別在基底 的頂表面和底表面上形成頂部金屬化層和底部金屬化層，并且以重疊結(jié)構(gòu)從頂視圖示出。 該天線結(jié)構(gòu)100是雙層CRLH天線結(jié)構(gòu)的示例。在基底的頂層中形成單元貼片11101和單 元貼片21102。還在基底的頂層中形成饋線1103。饋線1103的近端通過CPW饋線(未示 出)耦合到頂部地中的饋送端。饋線1103的兩個其它部分分別通過耦合間隙11105和耦 合間隙21107電容性耦合到單元貼片11101和單元貼片21102。從饋線1003向單元貼片 11101和單元貼片21102提供天線信號。這樣，饋線1103是天線1100的單饋送。類似地， 單元貼片11101和單元貼片21102是雙單元CRLH天線配置的一部分。過孔11109使單元 貼片11101和過孔線11113之間能夠?qū)щ娺B接，而過孔21111使單元貼片21102和過孔線 21115之間能夠?qū)щ娺B接。在天線結(jié)構(gòu)1100中，單元貼片11101和單元貼片21102都位于基 底的頂層上，而過孔線11113和過孔線21115都位于基底的其它層上。導(dǎo)電彎折線1117形 成在頂層中并附加到饋線1103。在此實(shí)施方式中，饋線1103和單位貼片(1101,1102)之間 的耦合引起了 LH串聯(lián)電容；而各個過孔線(1113，1115)在單元貼片(1101，1102)和底部地 1119之間具有LH并聯(lián)電感。此外，附加到饋線的附加導(dǎo)線能夠在低頻區(qū)引起RH單極諧振。 附加導(dǎo)線還可包括螺旋導(dǎo)線、鋸齒形導(dǎo)線或其它類型的導(dǎo)線，可以使用金屬軌跡(metallic trace)或金屬帶。饋線1103和彎折線1117可以被設(shè)計為具有特定的總長度。過孔線1和 2(1109,1111)各自耦合到底部地1119。可以通過諸如過孔或?qū)Ь€的導(dǎo)電路徑來進(jìn)一步連 接到頂部地1121。在這樣的印刷天線結(jié)構(gòu)中，僅在底層中形成過孔線1和過孔線2(1113， 1115)和底部地1119，在基地中形成過孔1和過孔2，并在頂層中形成其它導(dǎo)電部件。圖12繪出如圖11所示的印刷CRLH天線結(jié)構(gòu)1100的回波損耗的仿真結(jié)果。由于 附加到饋線的彎折線，在此仿真示例中在940MHz附近觀察到低頻RH單極諧振(下文稱為 “彎折模式”)。在750MHz附近觀察到LH模式諧振頻率。圖13示出具有多個單元貼片1302、1312，單個饋線1303和多個過孔線1308、1318 的混合天線結(jié)構(gòu)1300的示例?？梢詫⑦@樣的混合天線結(jié)構(gòu)看作利用3D導(dǎo)電橋1301代替彎 折線的一部分的印刷CRLH天線結(jié)構(gòu)。單元貼片1302、1312通過過孔1306、1316耦合到過 孔線1308、1318。天線的印刷部分與圖11的結(jié)構(gòu)類似，不同之處在于在圖13中去除并標(biāo)識 彎折部分作為清除區(qū)(Clear Area) 0然后將3D導(dǎo)電橋1301加入來將剩余的彎折線1320耦合到饋線1303。這樣，3D導(dǎo)電橋1320作為饋線1303和彎折線1320之間的橋梁，并且是 這二者之間的唯一導(dǎo)電連接?？蛇x的實(shí)施方式可以采用導(dǎo)電橋來連接多個彎折線或分離彎 折線的各部分等。所加入的3D橋1301有效增加彎折線的面積和體積?？梢曰卺槍μ炀€ 結(jié)構(gòu)1300的調(diào)諧和匹配考慮來選擇3D橋1301的形狀和尺寸以及定位。圖14是作為如圖13所示的混合CRLH天線結(jié)構(gòu)1300的頻率的函數(shù)的回波損耗 (也稱為RL)的仿真結(jié)果的曲線圖。在一個示例中，可以選擇3D橋的尺寸為寬1.5mm，長 15mm并且高2mm。由于包括3D橋的有效彎折線的面積和體積增加，彎折線模式在此例中移 動到約820MHz的較低頻率。圖15是分別作為如圖11和圖13所示的印刷CRLH天線和混合CRLH天線的頻率 的函數(shù)的效率的仿真結(jié)果的曲線圖。這兩個天線調(diào)諧到相同的頻段。由于包括3D橋的有 效彎折線的面積和體積增加，相比印刷天線，混合天線的效率得到改進(jìn)，在彎折模式占主導(dǎo) 的低頻區(qū)，效率改進(jìn)尤其顯著?？梢允褂妙愃频募夹g(shù)通過添加3D導(dǎo)電橋、導(dǎo)電塊、導(dǎo)電帶等來增加或調(diào)整天線結(jié) 構(gòu)的其它部件的面積和體積。例如，可以去除過孔線的一部分，并利用剩余過孔線的邊緣部 分之間的3D導(dǎo)電橋來代替所去除的部分，來結(jié)合3D橋作為過孔線的一部分從而通過包括 3D導(dǎo)電橋的導(dǎo)電面積來有效增加過孔線的面積和體積。此添加可以改變與過孔線相關(guān)聯(lián)的 LH并聯(lián)電感Ly為天線調(diào)諧和匹配提供了靈活性。在另一個示例中，可以將3D導(dǎo)電帶加入 單元貼片中，以便為了更好的輻射和效率有效增加單位貼片的面積和體積。此外，當(dāng)諸如麥 克風(fēng)、揚(yáng)聲器、按鍵彈片等的電子組件在同一 PCB上并置時，3D導(dǎo)電橋、導(dǎo)電塊和導(dǎo)電帶可 用來越過或繞過這樣的組件，在印刷天線的兩個部件之間耦合，從而節(jié)省空間，同時提高效 率。在這些和其它應(yīng)用中，提供導(dǎo)電路徑作為方便的連接，以避免設(shè)計限制并增強(qiáng)性能。本文說明了與針對天線構(gòu)造的3D導(dǎo)電部件的用途相關(guān)聯(lián)的其它特征。例如，可以 關(guān)于形狀、尺寸、材料等來設(shè)計3D導(dǎo)電橋、導(dǎo)電塊、導(dǎo)電帶和其它結(jié)構(gòu)或變型，以滿足天線 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。在一些實(shí)施方式中，可以預(yù)先制造這些結(jié)構(gòu)，或者可以將這些設(shè)計作為標(biāo)準(zhǔn)用來 在制造中重復(fù)使用?？梢詫⑺鼈冊跈C(jī)械上制造得魯棒，具有更好的適應(yīng)能力來滿足制造容 限和變型，并適應(yīng)各種使用條件和設(shè)計限制。在一些實(shí)施方式中，可以利用容易調(diào)整的特征來預(yù)先制造導(dǎo)電部件，例如，具有預(yù) 先確定的切口，該切口可用來定位導(dǎo)電部件，或者在側(cè)面具有突出部，從而可以通過去除、 折斷相應(yīng)的突出部來容易地選擇尺寸。在一些實(shí)施方式中，導(dǎo)電部件是固定的3D導(dǎo)電結(jié) 構(gòu)，并且可以通過優(yōu)化印刷天線部分來執(zhí)行頻率調(diào)諧。例如，可以使用在2009年11月16 日提交的名為“Tunable Metamaterial Antenna Systems”的美國專利申請No. 12/619，109 中說明的調(diào)諧技術(shù)。圖16示出在PCB上具有3D導(dǎo)電部件1603、1605的印刷天線結(jié)構(gòu)1600的示例。 為簡明起見，在圖中省略了印刷天線結(jié)構(gòu)1600的圖案。饋送電纜1601用來向天線1600傳 送功率，可以根據(jù)天線圖案、空間限制和其它設(shè)計考慮來調(diào)整該饋送電纜1601的位置。3D 導(dǎo)電部件11603和3D導(dǎo)電部件21605這兩種類型的3D導(dǎo)電部件附加到PCB上的印刷天線 部分?？梢酝ㄟ^焊接劑、粘合劑、熱熔(heat-stick)、彈簧接觸或者適于導(dǎo)電耦合到印刷天 線部分的其它方法來附加這些部件。可以在PCB中提供切口，從而可以插入3D導(dǎo)電部件 21605，使3D導(dǎo)電部件21605與印刷天線部分接觸。可以為3D導(dǎo)電部件11603和3D導(dǎo)電部件21605配備滑動機(jī)構(gòu)，使其滑入，與印刷天線部分接觸。在圖16的示例中，3D導(dǎo)電部件11603具有彎曲線形狀，其作為印刷天線部分的彎 折線的擴(kuò)展。3D導(dǎo)電部件21605具有彎曲面形狀，其作為印刷天線部分的單元貼片的擴(kuò)展。 如前所述，這些3D導(dǎo)電部件用來通過利用3D方向(垂直于印刷表面)增加整體天線體積 來增加效率、輻射和其它天線性能。利用這樣制造的3D導(dǎo)電部件，可以通過優(yōu)化印刷天線 部分來執(zhí)行頻率調(diào)諧。圖17示出兩個3D導(dǎo)電部件1701、1702和印刷天線1700的裝配示例。在此例中， 印刷天線1700是單層CRLH結(jié)構(gòu)，其中，在PCB的同一表面或同一層上形成地1705和天線 元件。饋線1707耦合到饋送端(未示出)，以通過耦合間隙1711向單元貼片1709傳送信 號能量?？梢栽赑CB或基底上預(yù)先形成彎折線1713，并與此印刷結(jié)構(gòu)中的饋線1707分離。 單元貼片1709作為天線1700的主要輻射元件，這樣，通過耦合間隙1711從饋線1707向單 元貼片1709發(fā)送天線信號。類似地，通過耦合間隙1711向饋線1707傳送在單元貼片1709 處接收的信號。過孔線1715將單元貼片1709耦合到地1705。該印刷天線結(jié)構(gòu)1700包括 附加3D導(dǎo)電部件的墊片A，、B，、C，和D，。此裝配示例中的3D導(dǎo)電部件作為彎折擴(kuò)展1701和單元貼片擴(kuò)展1702。彎折擴(kuò)展 1701包括接觸部分A和B,它們分別附加到配備了印刷天線結(jié)構(gòu)1700的墊片A，和B，。彎 折線1713現(xiàn)在通過彎折擴(kuò)展1701附加到饋線1707。單元貼片擴(kuò)展1702包括接觸部分C 和D，它們分別附加到配備了印刷天線結(jié)構(gòu)1700的墊片C’和D’。如前所述，可以通過焊接 劑、粘合劑、熱熔、彈簧接觸或者適于導(dǎo)電耦合到印刷天線結(jié)構(gòu)1700的其它方法來附加3D 導(dǎo)電部件1701和1702。所得到的結(jié)構(gòu)包括印刷天線結(jié)構(gòu)1700和3D導(dǎo)電部件1701,1702, 該結(jié)構(gòu)具有分布式的等效電路參數(shù)CK，,Cl,Ll和Lk來提供CRLH結(jié)構(gòu)，如上文和參考文獻(xiàn)所 述。例如，包括單元貼片1709和單元貼片擴(kuò)展1702的連接單元貼片結(jié)構(gòu)在通過耦合間隙 1711耦合到饋線1707時可感應(yīng)得到LH串聯(lián)電容C^ ；過孔線1705可導(dǎo)致LH并聯(lián)電感‘可利用基于CRLH結(jié)構(gòu)的廣泛的各種印刷天線來使用3D導(dǎo)電橋、導(dǎo)電塊、導(dǎo)電帶和 其它結(jié)構(gòu)或變型。為便于制造，可以在形狀和尺寸方面使這樣的3D導(dǎo)電部件標(biāo)準(zhǔn)化。圖18是在諸如PCB或其它材料的基底上構(gòu)建的蜂窩電話1800的布局，并且，所述 蜂窩電話具有按鍵、按鈕、揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)、顯示器和其它模塊的空間分配。蜂窩電話1800 嘗試在小區(qū)域中設(shè)置大量功能、應(yīng)用和器件。因此，盡管蜂窩電話1800的天線功能等同于 設(shè)備的操作，用于定位天線結(jié)構(gòu)的尺寸分配、封裝或可用空間都受限。在一種示例中，超材 料結(jié)構(gòu)用來在蜂窩電話1800上構(gòu)建CRLH天線。圖19示出具有天線1902的蜂窩電話1800的頂視圖，其中，所述天線1902的多個 部分在基底1904的頂部和底部。天線結(jié)構(gòu)1902是具有單元貼片1920和單元貼片1910的 單饋送雙單元CRLH天線結(jié)構(gòu)。天線結(jié)構(gòu)1902包括單個饋線1932，其也可以被耦合到發(fā)射 臺。饋線1932通過耦合間隙1擬4與單元貼片1920分離，并通過耦合間隙1913與單元貼 片1910分離。單元貼片1920具有相應(yīng)的過孔線1922。單元貼片1910具有相應(yīng)的過孔線 1912。天線結(jié)構(gòu)1902將導(dǎo)電擴(kuò)展添加到單元貼片1910，以通過擴(kuò)展單元貼片1910的面積 來改進(jìn)天線結(jié)構(gòu)1902的性能。擴(kuò)展1901被施加在頂層上，并連接到單元貼片1910。所示 實(shí)施方式中的擴(kuò)展1901是C型夾子，其通常用來連接或耦合多個層或元件。一些實(shí)施方式 可以采用包括各種形狀和類型的擴(kuò)展的其它機(jī)械連接單元，其可用來提高天線性能或者簡化終端產(chǎn)品或應(yīng)用的設(shè)計。圖20示出蜂窩電話1800的底視圖。如圖所示，過孔線1912、1922定位在基底的 底部，并利用通過基底1904的過孔電連接到天線結(jié)構(gòu)1902的對應(yīng)的頂層部分。然后，過孔 線連接到主接地1940。圖21是作為頻率的函數(shù)的天線1902的以dB為單位的回波損耗(RL)性能的曲線 圖。如圖所示，6dB的目標(biāo)RL滿足圖18-圖20的當(dāng)前示例實(shí)施方式的性能標(biāo)準(zhǔn)。一些頻率 上的RL遠(yuǎn)低于6dB的目標(biāo)范圍。將擴(kuò)展C型夾子1901添加到天線結(jié)構(gòu)1902的單元貼片 1910，這在不對基底1904上的天線結(jié)構(gòu)1902的表面面積或封裝產(chǎn)生負(fù)面影響的情況下提 供了經(jīng)改進(jìn)的性能。為了將天線1902的經(jīng)改進(jìn)的性能與沒有類似擴(kuò)展的天線的性能進(jìn)行比較，考慮 圖22-圖27的示例。以下的討論示出了兩種天線構(gòu)造，它們各自具有不同的空間尺寸，但 是都沒有單元貼片或其它擴(kuò)展。圖22-圖M示出第一天線和作為頻率的函數(shù)的RL的對應(yīng)曲線圖。圖22是與天 線1902類似但是沒有將擴(kuò)展添加到任一單元貼片的第一天線2200的頂視圖。在蜂窩電話 2202的基底上形成天線2200。圖23示出蜂窩電話2202的補(bǔ)充底視圖。如圖所示，天線 2200的空間分配近似是5. 7mm。圖M是作為天線2200的頻率的函數(shù)的RL的曲線圖。圖25示出在蜂窩電話2502的基底上形成的第二天線2500的頂視圖。圖沈示出 蜂窩電話2502的補(bǔ)充底視圖。如圖所示，天線2500的空間分配從天線2200的被允許的 5. 7mm減小到近似為4. 7mm。圖27是作為天線2200的頻率的函數(shù)的RL的曲線圖。在一定范圍的頻率上比較RL性能，相比天線結(jié)構(gòu)2200和2500，添加了擴(kuò)展的天 線1902具有經(jīng)改進(jìn)的性能。圖觀中示出了效率比較，其中，在一定范圍的頻率上繪出了天 線1902、2200、2500各自的效率。如圖所示，天線1902的性能與天線2200類似，并且對于 一些頻率，天線1902的性能超出了沒有擴(kuò)展的其它兩種天線設(shè)計。對于低頻，可以通過應(yīng) 用附加的擴(kuò)展元件來改進(jìn)性能。例如，天線1902的設(shè)計包括多個單元貼片，并且擴(kuò)展1901 被添加到多個單元貼片中的一個?？梢詫⑵渌鼣U(kuò)展添加到其它單元貼片，諸如主單元貼片 1920。可以實(shí)現(xiàn)本文示出的各種機(jī)械導(dǎo)電單元和導(dǎo)電擴(kuò)展來增強(qiáng)具有天線結(jié)構(gòu)的設(shè)備 中的性能和布局考慮。雖然這里示出的示例和實(shí)施方式包括CRLH天線結(jié)構(gòu)，但是，可以將 機(jī)械導(dǎo)電單元和導(dǎo)電擴(kuò)展添加到其它設(shè)備和其它CRLH結(jié)構(gòu)設(shè)備。類似地，機(jī)械導(dǎo)電單元和 導(dǎo)電擴(kuò)展可以包括各種形狀，諸如C型夾子和C型夾子的變型。圖四中示出了多種擴(kuò)展， 這包括傳統(tǒng)形狀的C型夾子^00、S形C型夾子四10和非對稱的C型夾子四20。圖四也 包括其它類型的C型夾子，其可以用作擴(kuò)展元件。盡管本說明書包含了很多具體例子，但這些例子不應(yīng)被理解為是對本發(fā)明或權(quán)利 要求的范圍的限制，而應(yīng)僅是對本發(fā)明的特定實(shí)施例的具體特征的描述。也可以在單個實(shí) 施例中組合實(shí)施在本說明中就不同的獨(dú)立實(shí)施例的上下文而描述的某些特征。反之亦然， 在單個實(shí)施例的上下文中所描述的各種特征也可以在多個實(shí)施例中或者在任何適當(dāng)?shù)淖?組合中單獨(dú)實(shí)施。此外，盡管特征可以按照它們在某些組合中起作用來進(jìn)行上述描述，甚至 最初就是這樣提出要求的，但是，在一些情況下，要求的組合的一個或多個特征可以從組合 中移除，并且要求保護(hù)的組合可以針對子組合或子組合的變型。
本文僅公開了少量實(shí)施例。公開實(shí)施方式和其他實(shí)施方式的各種變型和改進(jìn)可以 基于所公開和所示出的內(nèi)容做出。
權(quán)利要求
1.一種無線通信設(shè)備，包括 基底；將所述通信設(shè)備的元件連接到所述基底的機(jī)械連接單元； 在所述基底上形成并被耦合到所述機(jī)械連接單元的單元貼片； 在所述基底上形成并被電容性耦合到所述單元貼片的饋線；以及 形成在所述基底上將所述單元貼片耦合到地的過孔線，其中，所述過孔線在所述單元 貼片和所述地之間形成并聯(lián)電感。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述機(jī)械連接單元將所述基底耦合到外殼。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述機(jī)械連接單元是機(jī)械螺絲。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述機(jī)械連接單元是C型夾子。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述機(jī)械連接單元是螺旋連接器。
6.一種無線通信設(shè)備，包括 基底；將所述通信設(shè)備的元件連接到所述基底的機(jī)械連接單元； 在所述基底上形成的單元貼片；在所述基底上形成并被電容性耦合到所述單元貼片的饋線；以及 形成在所述基底上將所述單元貼片耦合到地的過孔線，其中，所述過孔線在所述單元 貼片和所述地之間形成并聯(lián)電感，其中，所述機(jī)械連接單元作為延長部分耦合到如下部件中的至少一個所述單元貼片、 所述饋線和所述過孔線。
7.一種無線通信設(shè)備，包括 基底；在所述基底上形成的單元貼片；在所述基底上形成并被電容性耦合到所述單元貼片的饋線；形成在所述基底上將所述單元貼片耦合到地的過孔線，其中，所述過孔線在所述單元 貼片和所述地之間形成并聯(lián)電感；以及導(dǎo)電延長部分，其作為延長部分被耦合到如下部件中的至少一個所述單元貼片、所述 饋線和所述過孔線。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述導(dǎo)電延長部分是位于所述饋線和曲折線之間 的導(dǎo)電橋。
9.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述單元貼片、所述饋線和所述過孔線被配置形成 復(fù)合左右手(CRLH)結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中，所述CRLH結(jié)構(gòu)是單層設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超材料天線設(shè)備，該超材料天線設(shè)備具有由導(dǎo)電材料制成的一個或多個機(jī)械連接單元，從而同時為天線設(shè)備提供了機(jī)械式接合和電導(dǎo)通。
文檔編號H01Q1/00GK102044738SQ20101052185
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月22日
發(fā)明者瓦尼特.帕薩克, 諾伯托.洛佩斯, 阿杰伊.古馬拉 申請人:雷斯潘公司