專利名稱：高增益超材料天線設備的制作方法
技術領域：
本申請涉及高增益天線結構，具體涉及基于超材料(metamaterial)設計的天線結構。
背景技術：
在無線接入點和基站中可以使用各種結構來實現(xiàn)高增益天線。接入點可以是向其他接收機發(fā)送信號的靜止或移動單元，因此充當無線通信系統(tǒng)中的路由器。在這些應用中， 高增益天線用于擴展信號范圍和提升發(fā)送/接收能力。這里使用的高增益天線指輻射集中的窄波束，允許沿給定方向精確瞄準無線信號的定向天線。高增益天線的前向增益可以通過全向分貝測量dBi來評估，全向分貝測量提供了對相對于全向天線的天線增益或天線靈敏度的指示。前向天線增益提供對天線產生的功率的指示。隨著無線設備的數(shù)目增加，對高增益天線的需求增加。

發(fā)明內容


圖1-2示意了在基板上形成的天線。圖3-4是示意了與圖1-2的天線相關聯(lián)的輻射圖的圖形。圖5和6是與超材料結構相關聯(lián)的頻散曲線(dispersion curve)的圖形。圖7和8示意了根據示例實施例的Y形超材料天線結構。圖9和10是示意了根據示例實施例的與圖7和8的天線結構相關聯(lián)的輻射圖的圖形。圖11示意了根據示例實施例的Y形超材料天線結構的第一部分，該第一部分具有位于天線結構的單元貼片(patch)附近并電容性耦合至天線結構的單元貼片的電容性元件。圖12示意了根據示例實施例的圖11的天線結構的第二部分，該第二部分向天線結構的第一部分提供電感性負載。圖13示意了根據示例實施例在基板材料的第一層上的位置處圖11的天線的第一部分的電磁耦合。圖14和15示意了根據示例實施例在基板上形成的如圖11和12中的天線結構的三維視圖。圖16和17示意了根據示例實施例與圖14和15的天線結構相關聯(lián)的輻射圖。
圖18、19和20示意了根據示例實施例具有電容性元件的天線結構。圖21示意了根據示例實施例與如圖19和20中的天線結構相關聯(lián)的輻射圖。圖22和23示意了根據各個實施例、由于添加電容性元件而引起的輻射圖的改變。圖M和25示意了根據各個實施例實現(xiàn)電容性元件的備選形狀的天線結構。圖沈示意了根據示例實施例的多天線的配置。圖27示意了根據示例實施例并入具有至少一個寄生電容性元件的天線的無線設備。圖觀示意了根據示例實施例產生具有寄生電容性元件的天線的方法。圖四和30是根據示例實施例與各種天線配置相關聯(lián)的期望峰值增益的圖。
具體實施例方式在許多應用中，期望減小設備的射頻(RF)輸出功率。例如，并入高增益天線的設備通常具有提高的能量效率。此外，可以實現(xiàn)高增益天線，以通過減少支持天線和與天線操作所需的元件，來優(yōu)化設備的制造成本。例如，從上述示例可以看出，高增益天線減小了功率放大器(PA)的功率輸出電平，其中高增益天線允許系統(tǒng)使用較低功率來優(yōu)化總體功率限制。此外，減小PA的功率輸出可能導致減小的電磁干擾(EMI)。這可以是因為高功率輸出往往包括較高的諧波電平，而這些較高電平增大EMI。高增益天線用于減小PA的功率輸出，因此減小了 EMI。超材料(MTM)天線結構可以實現(xiàn)為避免傳統(tǒng)高增益天線的許多缺點的高增益天線。超材料可以定義為一種人造結構，其性態(tài)不同于單獨的天然RH材料。與RH材料不同， 超材料展現(xiàn)出負折射率，其中，相速度方向與信號能量傳播的方向相反，其中(E，H，β)矢量場的相對方向服從左手定律。當超材料被設計為具有結構平均單位單元大小P (P遠小于超材料所引導的電磁能量的波長)時，超材料對所引導的電磁能量表現(xiàn)為類似均質介質。僅支持負折射率、其中介電常數(shù)ε和磁導率μ均為負的超材料是純左手(LH)超材料。超材料可以是LH超材料和RH材料的組合或混合；這些組合稱為復合右手和左手 (CRLH)。CRLH結構可以工程化為展現(xiàn)出針對指定應用定制的電磁屬性。此外，CRLH MTM可以用于其他材料可能不實際、不可行或不可用于滿足應用要求的應用。此外，CRLH MTM可以用于開發(fā)新應用和構造利用RH材料和配置不能實現(xiàn)的新設備。超材料CRLH天線結構提供了避免傳統(tǒng)高增益天線的許多缺點的高增益天線。這種MTM組件可以印刷在基板(如印刷電路板(PCB))上，提供容易制造的低成本方案。PCB 可以包括接地平面和具有截斷或圖案化的接地部分的表面。在這種設計中，印刷天線可以被設計為小于所支持頻率范圍的波長的一半。這種天線的阻抗匹配和輻射圖受到接地平面的大小和到接地平面的距離的影響。CRLH天線結構可能具有在基板的第一表面上的印刷組件和在反面或接地平面上的其他印刷組件。為了更好地理解MTM和CRLH結構，首先考慮，在大多數(shù)材料中，電磁波的傳播服從 (Ε，H，β)矢量場的右手定律，(Ε，H，β)表示電場Ε、磁場H和波矢量β (或傳播常數(shù))。 在這些材料中，相速度方向與信號能量傳播(群速度)方向相同，折射率為正數(shù)。這種材料稱為右手(RH)材料。大多數(shù)天然材料是RH材料，但是人造材料也可以是RH材料。CRLH MTM設計可以用于各種應用，包括無線和通信應用。將CRLH MTM設計用于無線應用中的元件通常減小了這些元件的物理大小，并提高了這些元件的性能。在一些實施例中，CRLH MTM結構用于天線結構和其他RF組件超材料。CRLH超材料在特定條件下表現(xiàn)為類似LH超材料(如，對于低頻操作)；相同的CRLH超材料在其他條件下可能表現(xiàn)為類似 RH材料(如，高頻操作)。例如，在以下文獻中描述了各種CRLH MTM的實現(xiàn)和屬性Caloz and Itoh, “ Electromagnetic Metamaterials Transmission Line Theory and Microwave Applications, " John Wiley&Sons (2006)。Tatsuo Itoh 在"Invited paper :Prospects for Metamaterials, “ Electronics Letters, Vol.40, No. 16 (August, 2004)
CRLH MTM及其在天線中的應用。超材料是人造復合材料和結構，被工程化為產生在天然媒介中無法找到的期望電磁傳播性態(tài)。術語“超材料”指這些人造結構的許多變型，包括基于電磁CRLH傳播性態(tài)的傳輸線(TL)。這種結構可以被稱為“是超材料引發(fā)的”，因為這些結構被形成為具有與超材料性態(tài)一致的性態(tài)。 這里使用的超材料技術包括允許由導電和介電部分組成并用于接收和發(fā)送電磁波的緊湊設備的技術手段、方法、設備、發(fā)明和工程設計。使用MTM技術，與對比方法相比較，天線和RF組件可以非常緊湊地制造，并且可以彼此間隔非常近或者與其他臨近組件間隔非常近，同時最小化不利的干擾和電磁耦合。這種天線和RF組件還展現(xiàn)出有用和獨有的電磁性態(tài)，該性態(tài)源于各種結構中的一個或多個，所述各種結構用以設計、集成和優(yōu)化無線通信設備內的天線和RF組件。CRLH結構是表現(xiàn)為以下結構的結構在某一頻率范圍中同時展現(xiàn)出負介電常數(shù) (ε)和負磁導率(μ)，并且在另一頻率范圍中同時展現(xiàn)出正ε和正μ。基于傳輸線(TL) 的CRLH結構是實現(xiàn)TL傳播并表現(xiàn)為以下結構的結構在某一頻率范圍中同時展現(xiàn)出負介電常數(shù)(O和負磁導率(μ)，并且在另一頻率范圍中同時展現(xiàn)出正ε和正μ?？梢岳煤筒焕脗鹘y(tǒng)RF設計結構來設計和實現(xiàn)基于CRLH的天線和TL。由傳統(tǒng)導電和介電部分制成的天線、RF組件和其他設備在被設計為表現(xiàn)為MTM結構時可以稱為“ΜΤΜ天線”、“ΜΤΜ組件”等等?？梢允褂脗鹘y(tǒng)導電和絕緣材料以及標準制造技術來容易地制造MTM組件，包括但不限于在如FR4、陶瓷、LTCC、MMICC、柔性薄膜、塑料或甚至紙張的基板上印刷、蝕刻、以及減除導電層。純左手(LH) TL的實際實現(xiàn)包括繼承自集總元件電參數(shù)的右手(RH)傳播。包括LH 和RH傳播或模式的這種復合得到空中接口集成、空中(OTA)性能和小型化方面的改進，同時減小了材料單(BOM)成本和指定吸收率(SAR)值。MTM實現(xiàn)了物理上較小而電學上較大的空中接口組件，其中間隔近的設備之間具有最小耦合。在一些實施例中，通過直接在介電基板上(如，在傳統(tǒng)FR4基板或柔性印刷電路(FPC)板中)圖案化和印刷銅來構建MTM天線結構。在一個示例中，超材料結構可以是周期性結構，其中N個相同單位單元級聯(lián)在一起，每個單元遠小于操作頻率的一個波長。此時，單位單元是單一可重復超材料結構。在這個意義上，一個超材料單位單元的組成由等效的集總電路模型來描述，該模型具有串聯(lián)電感器(LK)、串聯(lián)電容器(CJ、并聯(lián)電感器(Ll)和并聯(lián)電容器(CK)，其中，Ll和Q確定LH模式傳播屬性，而Lk和Ck確定RH模式傳播屬性。可以在簡單的頻散圖中容易地處理在不同頻率處LH和RH模式傳播的性態(tài)，如以下參照下述圖5和6所描述的那樣。在這種頻散曲線中，β >0標識RH模式，而β <0標識LH模式。根據操作頻率，MTM設備展現(xiàn)出負相速度。例如，MTM天線設備包括單元貼片、饋線和通孔線。單元貼片是天線的輻射元件， 發(fā)送和接收電磁信號。饋線是向單元貼片提供輸入信號以進行發(fā)送以及從單元貼片接收由單元貼片接收的信號的結構。饋線被放置為電容性耦合至單元貼片。電容性耦合至單元貼片的饋線配置引入了對單元貼片的饋送端口的電容性耦合。該設備還包括通孔線，耦合至單元貼片，并且是截斷的接地元件的一部分。通孔線連接至分離的地電壓電極，并用作單元貼片與地電壓電極之間的電感性負載。傳統(tǒng)傳輸線的電學大小與其物理尺寸相關，因此，減小設備大小通常意味著增大操作頻率。相反地，超材料結構的頻散曲線主要取決于四個CRLH參數(shù)的值=CpLpC1^n Lro 因此，對CRLH參數(shù)的頻散關系進行操作實現(xiàn)了具有電學上較大RF信號的較小物理RF電路。在一個示例中，具有長度L和寬度W的矩形MTM單元貼片通過耦合間隙的方式電容性耦合至發(fā)射板，發(fā)射板是饋線的延伸。這種耦合提供了串聯(lián)電容器或LH電容器，以產生左手模式。金屬通孔將頂層上的MTM單元貼片連接至底層上的細通孔線，并最終引至底接地平面，這提供了并聯(lián)電感或LH電感。在一些應用中，超材料(MTM)以及復合右手和左手(CRLH)結構和組件基于應用左手(LH)結構的概念的技術。這里使用的術語“超材料”、“MTM”、“CRLH”和“CRLH MTM”指使用傳統(tǒng)介電和導電材料工程化、以產生獨有的電磁屬性的復合LH和RH結構，其中這種復合單位單元遠小于傳播電磁波的自由空間波長。許多傳統(tǒng)印刷天線小于波長的一半；因此，接地平面的大小在確定其阻抗匹配和輻射圖時具有重要作用。此外，根據接地平面的形狀，這些天線可以具有較強的交叉極化分量。傳統(tǒng)單極天線是依賴于接地平面的。單極導電跡線的長度主要確定天線的諧振頻率。 天線增益根據如到接地平面的距離和接地平面的大小之類的參數(shù)而變化。在一些實施例中，創(chuàng)新的超材料天線是與接地無關的，其中該設計具有與操作頻率波長相比較小的大小， 使其成為在各種設備中使用而不改變天線設備的基本結構的非常有吸引力的方案。這種天線適用于多輸入多輸出(MIMO)應用，因為在接地平面級別不存在耦合。平衡天線(如偶極天線)已經被認識為用于無線通信系統(tǒng)的最普遍的方案之一，這是由于其寬帶特性和簡單的結構。在無線路由器、蜂窩電話、汽車、建筑、船舶、飛機、飛船等等上可以看到它們。在如無線接入點或路由器之類的一些傳統(tǒng)無線天線應用中，天線展現(xiàn)出全向輻射圖，并且能夠提供對現(xiàn)有IEEE 802. 11網絡的增大覆蓋。全向天線提供了 360°的擴大覆蓋，有效改進了更遠距離的數(shù)據。它還有助于改進信號質量和減少無線覆蓋中的死點，使其理想地用于無線局域網(WLAN)應用。然而，典型地，在如無線路由器的小型便攜設備中，緊湊的天線元件與周圍的接地平面之間的相對位置對輻射圖有顯著影響。對于不具有平衡結構的天線(如貼片天線或平面反F天線(PIFA))，即使在大小方面緊湊，周圍的接地平面也可以容易地使其全向性失真。越來越多的使用MIMO技術的WLAN設備需要多天線，使得來自不同天線的信號可以被組合，以利用無線信道中的多徑，并實現(xiàn)更高容量、更好覆蓋和提高的可靠性。同時，消費者設備的大小不斷縮小，這要求以非常小的尺寸來設計天線。對于傳統(tǒng)偶極天線或印刷偶極天線，天線大小極大依賴于操作頻率，從而使得大小減小成為挑戰(zhàn)性任務。CRLH結構可以用于構造天線、傳輸線和其他RF組件和設備，允許多種技術進步， 如功能增強、大小減小和性能提高。與傳統(tǒng)天線不同，MTM天線諧振受到左手(LH)模式存在的影響。一般地，LH模式有助于激勵和更好地匹配低頻諧振以及改進高頻諧振的匹配。 可以使用傳統(tǒng)FR-4印刷電路板(PCB)或柔性印刷電路(FPC)板來制造這些MTM天線結構。 其他制造技術的示例包括薄膜制造技術、片上系統(tǒng)(SOC)技術、低溫共燒陶瓷(LTCC)技術和單片微波集成電路(MMIC)技術。本公開中提供了 CRLH MTM天線的基本結構元件，作為回顧并用于描述在平衡MTM 天線設備中使用的CRLH天線結構的基本方面。例如，在本文中描述的上述和其他天線設備中的一個或多個天線可以具有各種天線結構，包括右手(RH)天線結構和CRLH結構。在右手(RH)天線結構中，電磁波的傳播服從(E，H，β)矢量場的右手定律，其中考慮電場Ε、磁場H和波矢量β (或傳播常數(shù))。相速度方向與信號能量傳播(群速度)方向相同，折射率為正數(shù)。這種材料稱為右手(RH)材料。大多數(shù)天然材料是RH材料，但是人造材料也可以是RH材料。超材料可以是人造結構，或者如以上詳述的，MTM組件可以被設計為表現(xiàn)為人造結構。換言之，描述該組件的性態(tài)和電學組成的等效電路與MTM的等效電路一致。當以結構平均單位單元大小P (P遠小于超材料所引導的電磁能量的波長)來設計時，超材料對所引導的電磁能量表現(xiàn)為類似均質介質。與RH材料不同，超材料可以展現(xiàn)出負折射率，并且相速度方向可以與信號能量傳播方向相反，其中(Ε，H，β)矢量場的相對方向服從左手定律。具有負折射率并同時具有負介電常數(shù)ε和磁導率μ的超材料稱為純左手(LH)材料。許多超材料是LH超材料和RH材料的混合，因此是CRLH超材料。CRLH超材料可以在低頻表現(xiàn)如LH超材料，而在高頻表現(xiàn)如RH材料。例如，在以下文獻中描述了各種CRLH超
的$3 禾口屬 生Caloz and Itoh, “ Electromagnetic Metamaterials Transmission Line Theory and Microwave Applications, " John Wiley&Sons (2006)。Tatsuo Itoh 在"Invited paper :Prospects for Metamaterials, " Electronics Letters, Vol. 40, No. 16 (August, 2004)中描述了 CRLH超材料及其在天線中的應用。CRLH超材料可以被結構化并工程化為展現(xiàn)出針對指定應用定制的電磁屬性，并且可以用于使用其他材料可能有困難、不實際或不可行的應用。此外，CRLH超材料可以用于開發(fā)新應用和構造利用RH材料不能實現(xiàn)的新設備。超材料結構可以用于構造天線、傳輸線以及其他RF組件和設備，允許多種技術進步，如功能增強、大小減小和性能提高。MTM結構具有一個或多個MTM單位單元。如上所述， MTM單位單元的集總電路模型等效電路包括RH串聯(lián)電感LK、RH并聯(lián)電容CK、LH串聯(lián)電容Q 和LH并聯(lián)電感K。基于MTM的組件和設備可以基于這些CRLH MTM單位單元來設計，CRLH MTM單位單元可以使用分布電路元件、集總電路元件或兩者的組合來實現(xiàn)。與傳統(tǒng)天線不同，MTM天線諧振受到左手(LH)模式存在的影響。一般地，LH模式有助于激勵和更好地匹配低頻諧振以及改進高頻諧振的匹配。MTM天線結構可以被配置為支持多個頻帶，包括“低頻帶”和“高頻帶”。低頻帶包括至少一個LH模式諧振，高頻帶包括與天線信號相關聯(lián)的至少一個RH模式諧振。
一種MTM天線結構是單層金屬化(SLM)MTM天線結構，其中，MTM天線結構的一些示例和實現(xiàn)的導電部分在以下美國專利申請中描述序號11/741，674，名稱"Antennas， Devices and Systems Based on Metamaterial Structures,“申請日 2007 年 4 月 27 日； 以及美國專利 No. 7，592，957,名稱"Antennas Based on Metamaterial Structures,‘‘ 授權日2009年9月22日。可以使用傳統(tǒng)FR-4印刷電路板(PCB)或柔性印刷電路(FPC) 板來制造這些MTM天線結構。MTM結構置于在基板的一側形成的單一金屬化層中。按照這種方式，將天線的 CRLH組件印刷至基板的一個表面或層上。對于SLM設備，電容性耦合的部分和電感性負載部分均印刷至基板的同一側上。兩層金屬化無通孔(TLM-VL)MTM天線結構是在基板的兩個平行表面上具有兩個金屬化層的另一種MTM天線結構。TLM-VL不具有將一個金屬化層的導電部分連接至另一金屬化層的導電部分的導電通孔。SLM和TLM-VL MTM天線結構的示例和實現(xiàn)在以下美國專利申請中描述序號 12/250，477，名稱〃 Single-Layer Metallization and Via-Less Metamaterial Structures,“申請日2008年10月13日，其公開通過引用并入此處。CRLH MTM設計可以用于各種應用，包括無線和通信應用。將CRLH MTM設計用于無線應用中的元件通常減小了這些元件的物理大小，并提高了這些元件的性能。在一些實施例中，CRLH MTM結構用于天線結構和其他RF組件。CRLH MTM結構可以用于無線接入點和基站中，以實現(xiàn)高增益天線。接入點可以是向其他接收機發(fā)送信號的靜止或移動單元，因此充當無線通信系統(tǒng)中的路由器。在這些應用中，高增益天線用于擴展信號范圍和提升發(fā)送/接收能力。這里使用的高增益天線指輻射集中的窄波束，允許沿給定方向精確瞄準無線信號的定向天線。高增益天線的前向增益可以通過全向分貝測量dBi來評估，全向分貝測量提供了對相對于全向天線的天線增益或天線靈敏度的指示。前向天線增益提供對天線產生的功率的指示。隨著無線設備和應用的增長，許多政府對所產生的功率進行規(guī)定，如將限制設置為所允許的有效全向輻射功率 (EIRP)，以dBm為單位。這是相對于1毫瓦(mW)測量的輻射功率。例如，考慮并入具有3dBi峰值增益的天線的設備。在規(guī)定將這種無線設備的最大 EIRP限制為30dBm的情況下，仍存在近似27dBm的功率電平差。這意味著，天線可以輻射 27dBm并保持在可允許限制之內。此時，3dBi天線能夠使用27daii來優(yōu)化該應用的輸出功率范圍。將其與天線峰值增益為6dBi的較高增益天線相比。使用該高增益天線，相同無線設備可以被設計為使用MdBm的較低功率電平來優(yōu)化功率范圍。因此，對于無線應用，天線增益與設備功耗直接相關。這樣，與較低增益天線相比，較高增益天線能夠使用較低功率來優(yōu)化給定輸出功率范圍。在采用智能天線算法來定向天線輻射的系統(tǒng)中，也可以減小與周圍設備的EMI，因為高增益天線僅沿客戶端設備的方向輻射。在許多應用中，期望減小設備的射頻(RF)輸出功率。例如，并入高增益天線的設備通常具有提高的能量效率。此外，可以實現(xiàn)高增益天線，以通過減少支持天線和與天線操作所需的元件，來優(yōu)化設備的制造成本。例如，從上述示例可以看出，高增益天線減小了功率放大器(PA)的功率輸出電平，其中高增益天線允許系統(tǒng)使用較低功率來優(yōu)化總的功率限制。此外，減小PA的功率輸出可能導致減小的EMI。這可以是因為高功率輸出往往包括較高的諧波電平，而這些較高電平增大EMI。高增益天線用于減小PA的功率輸出，因此減小EMI。傳統(tǒng)高增益天線的示例包括喇叭天線和貼片天線。偶極天線的輻射圖具有環(huán)形形狀(甜麥圈形狀)，環(huán)形的軸集中于偶極，因此，當偶極大小大約為波長的一半時，其在方位角平面上是全向的。通過使大小不同于波長的一半，可以使偶極成為定向的。例如，全波偶極具有3.82dBi的天線增益?？梢岳眉s1.25 λ的長度來獲得更大方向性。然而，當偶極變長時，輻射圖開始分解，并且方向性急劇下降。此外，全波偶極以及甚至半波偶極的大小較大，從而不總是適于現(xiàn)代無線設備。喇叭天線具有高增益，但是它們也過于龐大而不適于現(xiàn)代無線設備。喇叭天線的另一缺點在于通常需要多個喇叭天線來提供所需覆蓋，因為對于一些應用，方向性可能過高。如果加載以高介電材料，貼片天線的大小可以較為緊湊，并且可以實現(xiàn)高增益。然而，在無線設備中實現(xiàn)它們往往過于昂貴。CRLH MTM天線結構提供了避免傳統(tǒng)高增益天線的許多缺點的高增益天線。CRLH MTM組件可以印刷在基板(如印刷電路板(PCB))上，提供容易制造的低成本方案。PCB可以包括接地平面和具有截斷或圖案化的接地部分的表面。在這種設計中，印刷天線可以被設計為小于所支持頻率范圍的波長的一半。這種天線的阻抗匹配和輻射圖受到接地平面的大小和到接地平面的距離的影響。CRLH MTM天線結構可能具有在基板的第一表面上的印刷組件和在反面或接地平面上的其他印刷組件。使用CRLH MTM結構，可以使用相對于較大接地平面而有策略放置的較小印刷天線來實現(xiàn)高增益。天線放置越接近于接地平面，天線與接地平面之間的耦合越強。換言之，天線與接地平面之間的距離與其間的電磁耦合的強度成反比。此外，當天線放置為接近于接地平面的角部或邊緣時(如在設備的邊緣處)，得到的輻射圖將指向該角部或邊緣，如圖沈的配置所示，其中，天線402的輻射圖具有指向基板414左側的輻射圖，天線406具有指向基板414右側的輻射圖424。然而，天線增益隨天線相對于接地平面的位置顯著變化。CRLHMTM結構可以用于構造天線、傳輸線以及其他RF組件和設備，允許多種技術進步，包括功能增強、大小減小和性能提高。高增益CRLH MTM天線結構可以提供這些進步，同時實現(xiàn)高方向性并減小天線結構的大小。與傳統(tǒng)天線不同，MTM天線諧振受到左手(LH)模式存在的影響。一般地，LH模式有助于激勵和更好地匹配低頻諧振以及改進高頻諧振的匹配。可以在傳統(tǒng)FR-4印刷電路板(PCB)或柔性印刷電路(FPC)板上并入這些MTM天線結構。其他制造技術和應用的示例包括薄膜制造技術、片上系統(tǒng)(SOC)技術、低溫共燒陶瓷(LTCC)技術和單片微波集成電路 (MMIC)技術。在一個實施例中，高增益CRLH MTM天線并入寄生電容性元件，以增強天線的定向輻射。寄生電容性元件被放置于天線的輻射部分附近，其中在天線的輻射部分與寄生電容性元件之間存在電磁耦合。這種耦合實現(xiàn)天線的方向性?？梢詫崿F(xiàn)多種配置來將寄生電容性元件應用于CRLH MTM天線或天線陣列。圖1示意了在基板110上配置的現(xiàn)有技術MTM天線結構100。天線結構100的一些或所有部分可以包括印刷在基板110上(如基板110的多側上)的導電材料?；?10 包括將基板110的第一表面與另一表面電隔離的介電材料?；?10的表面可以是多層結構中包括的層，如具有無線能力的設備中的PCB或應用板的至少一部分。天線結構100并入CRLH超材料結構或配置，如上所述，CRLH超材料結構是在一些條件下充當LH超材料而在其他條件下充當RH材料的結構。在一個示例中，CRLH MTM結構在低頻表現(xiàn)如LH超材料，在高頻表現(xiàn)如RH材料，從而允許多個頻率范圍和/或擴展或拓寬設備的操作頻率范圍。CRLH MTM被結構化和工程化為展現(xiàn)出針對指定應用定制的電磁屬性，并用于開發(fā)新應用和構造新設備。MTM天線結構可以使用各種材料來構建，其中該結構表現(xiàn)為CRLH材料。天線結構100包括多個單位單元，其中每個單位單元充當CRLHMTM結構。單位單元包括單元貼片102和通孔118，其中通孔118經由通孔連接119實現(xiàn)了單元貼片102與接地電極105的耦合。通孔連接119是連接基板110的不同表面或層上的兩個通孔的導電跡線或元件。發(fā)射板104被配置在單元貼片102之一附近，從而將在饋線106上接收的信號提供給發(fā)射板104。單元貼片102通過耦合間隙108電容性耦合至發(fā)射板104。信號傳輸使得電荷在發(fā)射板104上累積。由于發(fā)射板104與單元貼片102之間的電磁耦合，電荷從發(fā)射板104感應至單元貼片102上。類似地，對于在天線處接收的信號，電荷在單元貼片 102上累積，然后由于電磁耦合，電荷感應至發(fā)射板104上?；?10可以包括多層，如由介電層分離的兩個導電層。在這種配置中，天線結構 100的元件可以使用導電材料印刷或形成在第一層上，而其他元件印刷或形成在第二層上。 第一和第二層之一可以包括接地電極。圖1所示的天線結構100具有接地電極105，通孔連接119耦合至接地電極105。每個通孔連接119向對應單元貼片102提供了電感性負載。 在饋送處與單元貼片102的電容性耦合以及對地的電感性負載促進了天線結構100的LH 和RH性態(tài)。單元貼片102是天線100的輻射器，沿基板110的第一層或表面配置。為了清楚， 將其上形成單元貼片102的表面稱為頂面或層101。然后，第二表面或層稱為底面或層103。 在所示朝向中，基板110具有沿ζ方向的高度維度。在頂面101內，耦合間隙108將終端單元貼片102與對應的發(fā)射板104分開。此外，耦合間隙109將每個單元貼片102與下一單元貼片102分離。發(fā)射板104耦合至饋線 106，以將信號提供給單元貼片102或從單元貼片102接收信號。每個單元貼片102具有通孔118，并通過通孔連接119耦合至地105?；?10的底面可以是接地平面，或者可以包括截斷的接地部分，如在底結構103上圖案化的接地電極。圖2是天線結構100的一部分的附加視圖，示意了在天線100的單元貼片102和發(fā)射板104之間存在的單元耦合。如圖所示，在耦合間隙108內發(fā)生單元耦合。發(fā)射板104 耦合至饋線106，并接收電信號以從天線100發(fā)送。由于單元耦合，存在于發(fā)射板104上的電壓對單元貼片102有影響。換言之，在單元貼片102上，響應于發(fā)射板104的電學條件而感應電壓。單元耦合的量是發(fā)射板104、單元貼片102和耦合間隙108的幾何形狀的函數(shù)。 如圖所示，單元貼片102具有通孔118，通孔118耦合至通孔連接119和地電極105。饋線 106耦合至饋送端口 107，饋送端口 107電連接至地111。地111可以是頂面101的一部分或者可以是另一層的一部分。天線測量技術測量天線的各種參數(shù)，包括但不限于增益、輻射圖、波束寬度、極化和阻抗。天線圖或輻射圖是天線對提供給天線(如通過饋送端口)然后由天線發(fā)送的信號的響應。對輻射圖的測量典型地繪制在三維或二維圖形中。大多數(shù)天線是互易設備，對發(fā)送和接收的表現(xiàn)相同。輻射圖是天線的輻射(如遠場)屬性的圖形表示。輻射圖示出了發(fā)射的相對場強。由于天線在空間中輻射，存在多種方式來示意或圖形表示輻射圖，從而描述天線。當天線輻射圖關于軸不對稱時，可以使用多個視圖來示意天線響應和性態(tài)。還可以將天線的輻射圖定義為每單位表面的發(fā)射功率相同的所有點的軌跡。每單位表面輻射功率與電磁波的電場平方成比例。輻射圖是具有相同電場的點的軌跡。在這種表示中，基準通常是最佳發(fā)射角度。還可以將天線的方向性增益描述為方向的函數(shù)。通常增益以dB給出。輻射圖可以使用笛卡爾坐標或極坐標圖，極坐標圖可用于測量波束寬度，習慣上波束寬度是最大增益附近_3dB點處的角度。在笛卡爾或極坐標中曲線的形狀可能非常不同，可以選擇對數(shù)標度的限制。來自發(fā)射天線的輻射與距離相反地變化。隨觀察角的變化取決于天線。觀察角包括輻射圖給出在天線進行發(fā)射時來自天線的輻射的角度變化。輻射圖可以用于確定天線的方向性。例如，對于一種廣播情形，可能期望具有恒定輻射的全向天線。另一情形可能是定向性更強的波束。方向性指示對于該天線，峰值輻射功率密度比所有輻射功率繞天線均勻分布時大多少。天線的方向性可以認為是沿輻射圖最大值方向的功率密度與在距天線相同距離處的平均功率密度的比值。然后，天線的增益是方向性減去天線的損耗。帶寬是重要性能參數(shù)可以接受的頻率范圍。增益是測量給定天線的方向性的天線參數(shù)。具有低增益的天線沿所有方向均等地發(fā)射輻射，而高增益天線優(yōu)先地沿特定方向進行輻射。具體地，天線的增益、定向增益或功率增益定義為在任意距離處天線沿給定方向輻射的強度(每單位表面功率)除以假想全向天線在相同距離處輻射的強度的比值。來自天線的發(fā)射是隨時間變化的電磁波，可以關于頻率、幅度、相位和極化來進行觀察?？梢躁P于極化來描述天線的增益，并且，因為極化隨時間變化并且具有空間坐標，因此針對給定時間點，可以利用電場強度來測量增益。按照這種方式，測量具有兩個分量電場的幅度和方向。典型地，這被繪制為兩個測量第一個對應于沿極化方向的電場的幅度； 第二個對應于與極化方向成90°處的電場的幅度。這是二維圖形。該第一測量被稱為共極化增益或Θ增益；第二測量被稱為交叉極化增益或0增益。最終，總增益可以認為是共極化增益和交叉極化增益的總和。在以下一些示意中，使用這種技術來描述輻射圖。圖3示意了圖1的天線100產生的輻射圖。該輻射圖以三維示意，表示為關于y 軸鏡像的甜麥圈形。圖4以dB繪出了 Θ增益、0增益和總增益，分別對應于交叉極化、共極化和這兩者的組合。它們是圖3的三維輻射圖的χ-ζ切面。對于如圖1和2所示的緊湊天線，交叉極化類似于共極化。如圖3和4所示，輻射圖不具有顯著方向性，而是關于χ軸更近似于全向。圖5和6是考慮平衡和不平衡情況，與圖1的超材料結構100相關聯(lián)的頻散曲線。 針對單位單元的CRLH頻散曲線將傳播常數(shù)β繪制為頻率ω的函數(shù)，如圖5和6所示，分別考慮COse= ω sh(平衡，gp LkCl = LlCk)和乒ω3Η的情況。在后一情況下，在min (ω SE， coSH)與max(coSE，ω5Η)之間存在頻率間隙。此外，圖5和6提供了沿頻散曲線的諧振位置的示例。在RH區(qū)域(η >0，其中η為單位單元的折射率)中，結構大小1 (由1 = Np給出， 其中P是單位單元大小)隨頻率減小而增大。與RH區(qū)域相反，在LH區(qū)域中，以較小的Np 值達到較低頻率，因此LH區(qū)域允許減小單位單元的大小。
通過改變天線組件的形狀，可以使用類似于圖1和2中所示的一個或多個MTM單位單元來構建定向天線。注意，天線結構100被配置為使得單元貼片102和發(fā)射板104的形狀是規(guī)則的幾何形狀，其中發(fā)射板104的一側與單元貼片102的一側匹配。在圖7和8 所示的一個示例中，天線結構150的形狀是V形。天線結構150包括單元貼片154，具有形成V形的兩個組件；以及發(fā)射板154，具有形成與單元貼片巧4實質上互補的V形的兩個組件。在操作上，在單元貼片表面160與發(fā)射板表面150之間的間隔或間隙之間發(fā)生電容性耦合。換言之，發(fā)射板154與單元貼片164的配置和其間的間隔實現(xiàn)了電容性耦合。該間隔是標識單元貼片164與發(fā)射板IM之間的區(qū)域的單元耦合間隙151。單元貼片164和發(fā)射板154的組合尋求優(yōu)化其間的電容性耦合的區(qū)域。單元貼片164包括通孔158，在基板中形成，并向天線結構150提供電感性負載。天線結構150還具有耦合至發(fā)射板154的饋線156 ；饋線156耦合至饋送端口 152，饋送端口 152耦合至接地電極170。天線150還包括底層，其中，通孔線耦合至接地電極，與圖12的配置類似。圖8示意了配置180，配置180示出了天線結構150在基板161內的定位。天線結構150可以印刷至電介質(如PCB或FR-4)上。類似地，天線結構150可以被配置在一個或多個板上，如配置為子板類型配置。圖9示意了與天線結構150相關聯(lián)的輻射圖。天線結構150的輻射圖的形狀與天線結構100的形狀不同，具有y-ζ平面中的分量。圖10中更加突出了差別，圖10示出了 x-z平面中的輻射圖的二維視圖。向如天線結構150之類的結構添加電容性元件，以改進天線的方向性。圖11示意了天線200，天線200具有V形單元貼片，該單元貼片具有實質上互補形狀的電容性元件。 圖11的天線200具有發(fā)射板204，發(fā)射板204具有多個組件、部分或長形元件。在所示示例中，發(fā)射板204是V形的。單元貼片208具有共享多個邊或表面的實質上互補的形狀。發(fā)射板204具有V形的發(fā)射板表面230。單元貼片208具有類似的但是較小的V形和與其相對應的表面單元貼片表面232。當通過饋線206將電荷或電流驅動至發(fā)射板204上時，通過發(fā)射板204與單元貼片208之間在單元耦合間隙201中的電磁耦合，在單元貼片208上感應電荷。饋送端口 207耦合至饋線206，以實現(xiàn)對信號源的耦合。在一個示例中，饋送端口 207耦合至同軸線纜。此外，其他天線實施例可以實現(xiàn)備選形狀或形狀的變化。天線200還包括寄生元件220，寄生元件220具有與單元貼片208和發(fā)射板204類似的形狀。寄生元件220為V形，并具有寄生元件表面236。由于在單元貼片208上感應電荷，通過寄生耦合間隙203中的耦合，在寄生元件220上也感應電荷。通過提供多個輻射器 (如單元貼片208和寄生元件220)的減小的表面積，所得到的天線200形成的波束更強地指向指定方向。其他實施例可以實現(xiàn)圖11和7中所示的備選形狀或形狀變化。圖11所示的天線200的特征在基板或PCB的第一表面或頂面上形成。在圖12中示意了對應特征，這些特征在基板的分離層或底層上形成。底接地電極210耦合至通孔線 212。通孔線212將通孔板214耦合至底接地電極210，其中通孔連接點219位于通孔板214 上，以提供基板的第一表面的單元貼片208上的通孔連接點218之間的電連接。換言之，通孔連接點218和219形成穿透基板的通孔，以提供單元貼片208與通孔線212之間的導電路徑。圖11和12的特征可以由在基板的相應表面上形成或印刷的導電材料制成，該材料可以是金屬(如，銅)或其他導電材料。
圖13示意了圖11的天線200的元件之間的電磁耦合。發(fā)射板204與單元貼片 208之間的耦合在單元耦合間隙201內標識。該電磁耦合用于在電荷被驅動至發(fā)射板204 上時，在單元貼片208上感應電荷。類似地，當在天線200處接收電荷(具體地，接收電荷至單元貼片208上)時，該電磁耦合用于在發(fā)射板204上感應電荷。如圖所示，沿發(fā)射板204 的第一元件與單元貼片208的第一側之間的第一軸存在電磁耦合，其中第一軸近似平行于發(fā)射板的第一元件。沿發(fā)射板204的第二元件與單元貼片208的第二側之間的第二軸(不同于第一軸)也存在電磁耦合。此外，在單元貼片208的第三側與寄生電容性元件220的第一側之間也存在電磁耦合。在單元貼片208的第四側與寄生電容性元件220的第二側之間存在電磁耦合。圖14示意了在具有底接地電極210和頂層222的基板213上形成的天線200。饋線206和發(fā)射板204形成和配置在頂層222上。單元貼片208和寄生電容性元件220也形成和配置在頂層222上。如圖所示，發(fā)射板204、寄生電容性元件和單元貼片208均具有V 形；這些元件被配置為以堆疊形式實質上互補。由于這些元件之間的電容耦合，這些元件的配置提供了有效輻射路徑。繼續(xù)圖14，單元貼片208包括耦合至通孔218的通孔連接點219。然后，通孔218 耦合至底面上的通孔板214內的通孔連接點221。通孔板214耦合至通孔線212，通孔線 212耦合至底接地電極，這在圖14中未示出，但在圖12中示意?；?13可以包括將頂層 222與底面或接地電極210分離的介電層。底接地電極222被配置為接觸通孔線21，如圖 13所示。為了便于理解，底接地電極22在圖14中示意為在虛線框的底層或表面上，置于與通孔線212電接觸。根據示例實施例，在具有頂層222和底層210的基板213上形成的高增益MTM天線的結構可以是在基板213的各個金屬部分上印刷或形成的圖案。所得到的高增益MTM天線200具有在頂層上由單元貼片208和發(fā)射板204組成的部分，耦合間隙1將發(fā)射板204 與單元貼片208分離。然后，該部分耦合至在相對層(底層210)上形成的通孔板214和通孔線212，底層210還可以包括底接地部分。注意，基板213可以包括任何數(shù)目的層，其中天線200的各個部分位于基板213內的不同層中。例如，頂層222和底層210可以不在基板 213外側，而可以是基板213內的層，其中介電或其他隔離材料位于頂層222和底層210之間。頂層222可以包括在其上形成并與底層210的底接地分離的接地部分，使得例如還可以在頂層222或接地部分中形成共面波導(CPW)饋送端口 207。然后，CPW饋送端口 207連接至饋線206以傳送功率。然后，在頂層222上形成寄生元件220，由耦合間隙2將寄生元件220與單元貼片208分離，其中，耦合間隙2可以具有不同于單元貼片208與發(fā)射板204 之間的耦合間隙1的尺寸。發(fā)射板204、單元貼片208和寄生元件220形成嵌套的V形，其中，在本示例中，該結構關于饋線206和通孔線212對稱。存在用于天線的多種饋送機制 (例如CPW、微帶線、同軸線纜)。在一個示例中，提供CPW。圖15標識了天線200在基板內的定位的配置M0。天線200可以在介電基板上形成，如印刷在一個或多個層上。圖16示意了由圖14的天線200產生的輻射圖M0。該輻射圖展現(xiàn)出與f天線150 相比更強的方向性，因為該輻射圖的波瓣沿軸更加集中。圖17是y-z平面中的輻射圖的二維圖像。
圖18示意了具有多個寄生電容性元件320和321的天線300的實施例。該配置類似于天線200的配置，具有饋線306和發(fā)射板304，饋線306和發(fā)射板304 —起形成Y形結構。天線300還包括具有與發(fā)射板304互補的V形的單元貼片308。第一寄生電容性元件320位于單元貼片308附近。第二寄生電容性元件321位于第一寄生元件320附近。多個寄生電容性元件320和321的操作使定向天線輻射進一步集中。單元貼片302具有通孔連接點(可以稱為通孔的一部分)，將單元貼片302耦合至另一層中的通孔板(未示出)， 如圖11所示的天線200的通孔板214和通孔線212。在本實施例中示意的寄生電容性元件 320和321具有V形。其他實施例可以實現(xiàn)各種形狀和配置，以向天線結構添加寄生電容。 類似地，其他RF結構可以并入寄生電容，以提高設備的方向性。各種形狀和配置可以提供發(fā)射板和單元貼片配置，該配置提供具有高增益的定向天線輻射圖。圖19示意了具有不同形狀(反V形)的天線320的實施例。發(fā)射板3M耦合至饋線3 并在饋線3 上方形成反V形。單元貼片322具有對應形狀，位于發(fā)射板3M 附近。最終，寄生元件340位于單元貼片322附近。寄生元件340、單元貼片322和發(fā)射板 324的組合提供了天線320的輻射器結構。單元貼片322具有將單元貼片322耦合至另一層中的通孔板或通孔線(未示出)的通孔連接點或通孔部分。圖20還示意了將天線320 置于基板351上的配置350。圖21是與例如配置350中的天線320相關聯(lián)的輻射圖。存在沿y_z平面引入的方向性。二維輻射圖可以用于進一步示意天線結構的性態(tài)，并具體示意并入寄生電容性元件的各種配置的增益改進。二維輻射圖示意了在x-z平面中看到的輻射圖的切面，并示意了該實施例的dBi增益。圖22示意了與圖11的天線200類似的天線280相關聯(lián)的樣本輻射圖。圖22所示的輻射圖是簡化示例，以便于清楚理解，而不表示實際測量值。這些圖示意了與具有電容性元件的天線結構的不同形狀和配置相關聯(lián)的方向性的改變。輻射圖240由虛線標識，具有沿ζ軸延伸的兩個波瓣。波瓣的長度標識為Btl和Bc/。還示出了對比輻射圖272，表示與圖7的天線結構150相關聯(lián)的輻射圖。輻射圖272具有沿ζ軸延伸的波瓣，其長度標識為A0 和Atl’。如圖所示，附加電容性元件220得到沿ζ軸的更集中的輻射圖，因此Btl > Atl且Atl’ >k0’。在本示例中將輻射圖240示意為近似橢圓形，然而該形狀可以取多種形式中的任一種。實際輻射圖可以是不規(guī)則形狀，其中沿y軸定義的長度大于沿ζ軸定義的長度。一些形狀沿ζ軸定義的長度可以大于沿y軸定義的長度，因此具有更大的ζ方向性。天線200 是沿方向性軸具有高增益的定向天線。圖23示意了具有電容性元件321的圖18的天線300的輻射圖。天線300具有通孔305 ；通孔305標識由粗虛線標識的輻射圖四2的中心點C。為了比較和清楚理解，這里復制了圖22的輻射圖240和272。輻射圖292具有沿ζ軸延伸的波瓣。如圖所示，輻射圖 292的方向性強于圖240和272。由于向該結構添加了寄生電容性元件，得到的輻射圖變?yōu)檠卅戚S更加集中。圖292在ζ軸的每一側具有起始于中心點C的長度，標識為Ctl和Cc/。 圖四2的長度大于圖272的長度。與輻射圖272相比，輻射圖240具有更窄定向或更指定定向的波束。具體改變依賴于寄生電容性元件的大小以及發(fā)送和接收信號的頻率范圍和幅度。此外，性能是給定天線的寄生電容性元件的形狀、寄生電容性元件的數(shù)目和寄生電容性元件與單元貼片之間的耦合間隙的函數(shù)。因此，可以通過配置一個或多個寄生電容性元件來增強定向天線的設計。添加另外的寄生電容性元件可以用于將信號沿一個或多個方向延伸。這種配置可以調節(jié)，以實現(xiàn)期望的方向性。其他實施例和天線配置可以被設計為實現(xiàn)天線的輻射圖的定向延伸。圖M和25 示意了不同天線結構的實施例。天線350具有耦合至饋線356的U形發(fā)射板354，并具有互補U形單元貼片352和寄生電容元件358。如圖所示，寄生電容元件358也是U形，然而，可以實現(xiàn)備選配置(如，U形元件)，與一些V形天線結構類似。與如圖1和2所示的其他設計天線相比，這種結構被配置為產生例如在x-z平面中看到的具有窄波束寬度或高方向性的輻射圖。天線360具有半圓或碗形發(fā)射板364和單元貼片368。發(fā)射板364耦合至饋線 366。寄生電容性元件358具有與單元貼片368相對應的碗形。如圖所示，寄生電容性元件 368也具有碗形，然而可以實現(xiàn)備選配置，例如與單元貼片368的形狀或另外的形狀類似的填充元件形狀。可以進行形狀和配置上的變化，以實現(xiàn)期望的方向性。這些形狀的天線的一些實施例具有與圖11的天線200的輻射圖類似的輻射圖。圖沈示意了根據示例實施例的具有多天線的應用400，多天線具有寄生元件。如圖所示，天線402、404和406相對于基板414放置?；?14可以包括接地電極或接地層， 接地電極或接地層可以是基板414的整層或可以是基板414的層的圖案化部分。每個天線 402,404和406具有參照圖11的天線200和圖23的天線300所討論的配置。天線404具有第一輻射圖422。輻射圖422受到天線404相對于基板414 (具體地，相對于基板414的接地層或部分)的位置的影響。天線402的輻射圖420與天線404的輻射圖422不同，因為天線402位于基板414的遠端，與基板具有較少相互作用。輻射圖420指向遠離基板414。 在天線406處看到類似的輻射圖424。注意，天線可以沿基板414放置，其中，天線位置越接近于基板端部，所感受的對輻射圖的方向性的影響越大。圖27示意了根據示例實施例的應用500，應用500具有中心控制器514，用于控制應用500內的模塊和組件的操作。應用500可以是在靜止或移動環(huán)境中使用的無線通信設備或無線設備。應用500還包括天線控制器506，用于控制多個高增益天線504的操作。 通信總線510被提供用于應用500內的通信，然而，備選實施例可以具有模塊之間的直接連接。通信總線5210還耦合至前端模塊502以接收通信和發(fā)送通信。應用500包括硬件、軟件、固件或其組合，所述硬件、軟件、固件或其組合是功能應用508的一部分。外圍設備512 也耦合至通信總線510。在操作中，應用500提供了包括無線接入和通信或由無線接入和通信增強的功能。高增益天線504是MTM天線結構，每個MTM天線結構包括寄生元件。圖觀示意了用于設計應用和構建設備的方法。過程600開始于標識目標應用的期望增益和范圍(操作602)。然后，該過程包括選擇天線元件數(shù)目的操作(操作604)和選擇用于這些天線元件的寄生電容性元件的數(shù)目的操作(操作606)。然后，該過程包括選擇具有寄生電容性元件的天線元件的配置的操作。在判定點610，設計者確定輸出功率是否滿足規(guī)定和應用的要求。當設計滿足規(guī)定時，設計完成，否則處理返回操作606以繼續(xù)設計。 一些應用可以包括高增益天線的組合，其中至少一個天線具有寄生電容性元件。類似地，應用可以包括MTM天線的多種形狀和配置，MTM天線具有與寄生元件相關聯(lián)的各種形狀。圖四是具有寄生電容性元件的天線的估計峰值增益的圖。圖四中繪出的結果考慮在自由空間中操作的天線，由實線示出。在另一場景中，天線置于與接地平面垂直，由具有長劃的虛線示出。偶極天線的估計峰值增益也被繪出以進行比較，由具有長劃的虛線示出。如圖所示，天線(如天線200)的估計峰值增益在較高頻率處增大。圖30是具有至少一個寄生元件的天線和沒有任何寄生元件的天線的峰值增益的圖形。增益以dB繪制，并繪制為頻率的函數(shù)。如圖所示，利用寄生元件，在峰值增益中有所改進。如以上實施例和示例中所示，可以設計具有寄生電容性元件的定向天線以實現(xiàn)高增益。在一些實施例中，預期峰值增益與偶極天線可比，并且可以在保持較小覆蓋區(qū)的同時增大峰值增益。此外，提供了一些實施例作為基板上的印刷結構。天線包括在基板的第一層上形成的發(fā)射板和單元貼片，其中通孔將單元貼片耦合至由電介質分離的另一層的接地部分。天線的方向性是發(fā)射板、單元貼片和寄生元件的形狀的函數(shù)。在一些實施例中，天線性能是天線結構的張開方向和角度的函數(shù)。一些實施例提供了喇叭天線的二維等效，其中發(fā)射板、單元貼片和寄生元件是嵌套、對稱的喇叭形狀，如V形結構。這允許天線在沒有圓錐的三維構造的情況下實現(xiàn)喇叭天線的方向性和高增益。一些實施例實現(xiàn)多種其他形狀，如U形、截面杯形或具有從窄跨度到較寬跨度向外擴張的臂的任何二維形狀。應當注意，這里描述的高增益天線(如MTM天線)的電場分布提供了發(fā)射板至地之間的強耦合，如圖13所示，其中在發(fā)射板204與頂層的地222之間建立電磁耦合?？梢岳靡粋€或多個寄生元件來進一步增大高增益MTM天線的方向性。寄生元件不延展天線的長度，而喇叭天線的方向性隨喇叭的長度而增大。盡管本說明書包含許多細節(jié)，但是這些不應解釋為對本發(fā)明或要求保護的范圍的限制，而是對本發(fā)明的特定實施例專有的特征的描述。在分離實施例的上下文中，在本說明書中描述的特定特征還可以組合在單一實施例中實現(xiàn)。相反，在單一實施例的上下文中描述的各個特征還可以在多個實施例中分離地實現(xiàn)或者以任何合適的子組合來實現(xiàn)。此外， 盡管特征可能在以上描述為以特定組合來操作，以及甚至在原始權利要求中限定為如此， 但是在一些情況下來自要求保護的組合的一個或多個特征可以從組合中去除，要求保護的組合可以針對子組合或子組合的變型。僅公開了一些實現(xiàn)。然而，應理解，可以做出變型和改進。
權利要求
1.一種天線設備，包括基板，具有由介電層分離的兩個導電層；第一金屬部分，被圖案化至基板的第一層上，所述第一金屬部分具有張開的形狀； 第二金屬部分，被圖案化至基板的第一層上，所述第二金屬部分具有第二形狀，并具有位于第一金屬部分附近的第一側，所述第二形狀與第一金屬部分的張開的形狀相對應；以及寄生元件，被圖案化至基板的第一層上，所述寄生元件具有與第二形狀相對應的形狀， 并位于第二金屬部分的第二側附近。
2.根據權利要求1所述的天線，其中，天線是復合右手和左手CRLH結構。
3.根據權利要求2所述的天線，其中，信號通過CRLH結構引導，以沿第一方向輻射。
4.根據權利要求2所述的天線，其中，天線是單位單元，第一金屬部分是發(fā)射板，第二金屬部分是單元貼片。
5.根據權利要求1所述的天線，其中，張開的形狀是V形。
6.根據權利要求1所述的天線，其中，寄生元件是包括多個嵌套形狀的寄生電容性元件。
7.根據權利要求2所述的天線，其中，張開的形狀關于耦合至第一金屬部分的饋線對稱。
8.根據權利要求2所述的天線，其中，張開的形狀是U形。
9.根據權利要求2所述的天線，其中，張開的形狀是半圓形。
10.根據權利要求2所述的天線，其中，天線還包括至基板的第二層的通孔。
11.一種無線設備，包括基板，具有由介電層分離的兩個導電層；第一金屬部分，被圖案化至基板的第一層上，所述第一金屬部分具有張開的形狀； 第二金屬部分，被圖案化至基板的第一層上，所述第二金屬部分具有第二形狀，并具有位于第一金屬部分附近的第一側，所述第二形狀與第一金屬部分的張開的形狀相對應；寄生元件，被圖案化至基板的第一層上，所述寄生元件具有與第二形狀相對應的形狀， 并位于第二金屬部分的第二側附近；以及收發(fā)機，耦合至第一金屬部分。
12.根據權利要求11所述的設備，其中，第一金屬部分和第二金屬部分以及寄生元件形成天線，并且該天線是復合右手和左手CRLH結構。
13.根據權利要求12所述的設備，其中，張開的形狀是V形。
14.一種用于制造天線的方法，包括形成第一金屬部分，所述第一金屬部分被圖案化至基板的第一層上，所述第一金屬部分具有張開的形狀，所述基板具有由介電層分離的兩個導電層；將第二金屬部分形成在基板的第一層上，所述第二金屬部分具有第二形狀，并具有位于第一金屬部分附近的第一側，所述第二形狀與第一金屬部分的張開的形狀相對應；以及將寄生元件形成在基板的第一層上，所述寄生元件具有與第二形狀相對應的形狀，并位于第二金屬部分的第二側附近。
15.根據權利要求14所述的方法，包括形成復合右手和左手CRLH結構；并且形成復合右手和左手CRLH結構包括形成第一和第二金屬層以及形成寄生元件。
16.一種方法，包括在天線的第一金屬部分處接收電信號； 將電荷從第一金屬部分感應至第二金屬部分； 將電荷從第二金屬部分感應至寄生元件；以及從天線發(fā)送電信號。
17.根據權利要求16所述的方法，還包括 在寄生元件處接收電信號；將電荷從寄生元件感應至第二金屬部分；將電荷從第二金屬部分感應至第一金屬部分；以及接收電信號，以便由無線設備進行處理。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種天線，具有張開的結構，其中，電荷從所述結構的一部分感應至另一部分。所述張開的結構可以是V形或其他形狀的元件。所述天線包括至少一個寄生元件，以提高天線的增益，并沿給定方向延伸天線所產生的輻射圖。
文檔編號H01Q13/10GK102422486SQ201080020468
公開日2012年4月18日 申請日期2010年3月11日 優(yōu)先權日2009年3月11日
發(fā)明者格雷戈里·普瓦拉斯納, 瓦尼特·帕薩克, 黃維 申請人:雷斯潘公司