專利名稱：微型貼片天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于相當小的便攜電子裝置的天線。本發(fā)明尤其涉及用于適于發(fā)射或
接收預(yù)定頻率范圍的電磁輻射的、小尺寸、低功率裝置的貼片天線。 本發(fā)明還涉及驅(qū)動貼片天線的方法。 本發(fā)明還涉及貼片天線在便攜式通信裝置如聽音裝置中的使用，聽音裝置如聽力 儀器。 例如，本發(fā)明可用于在便攜式通信裝置中建立無線接口的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
當天線的物理尺寸遠小于工作波長時，預(yù)期性能將降級如效率更低及帶寬更窄。 由于這是在助聽器或類似SRD (短程裝置)應(yīng)用中工作的大多數(shù)天線的情形，因而優(yōu)化天線 效率以保持低功耗很重要。這與使尺寸最小化同等重要，這樣，提高在尺寸關(guān)鍵、電池運轉(zhuǎn) 的儀器中使用的天線的效率將導(dǎo)致功耗降低及電池壽命增長。天線微型化的難題例如由 [Skrivervik等，2001]評論。 最近出版的著作[AKi等，2007]已表明，在貼片天線結(jié)構(gòu)中引入超材料 (meta-material)可實現(xiàn)具有空前好的效率的電學(xué)小貼片天線。普通電介質(zhì)材料和超材料 的組合作為貼片和接地面之間的襯底可支持以遠低于傳統(tǒng)設(shè)計所預(yù)期的頻率進行的空腔 共振。除了共振結(jié)構(gòu)的尺寸小(這也可用高介電常數(shù)電介質(zhì)材料實現(xiàn))之外，超材料還保 持良好的輻射效率。與將大部分能量陷在材料內(nèi)的高介電常數(shù)電介質(zhì)材料相反，超材料導(dǎo) 致在小尺寸內(nèi)實現(xiàn)共振邊界條件的手段，并使電磁場能擴展到貼片天線結(jié)構(gòu)的外面。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明描述了在尺寸關(guān)鍵的應(yīng)用如助聽器或類似體戴式SRD中可怎樣利用這種 通過使用超材料而使天線尺寸最小化的效果。在本說明書中，術(shù)語"短程裝置"(SRD)意為 能夠越過相對較短的距離與另一裝置通信的裝置，前述距離如小于50m，如小于20m，如小 于5m，如小于2m，或在某種意義上如2008年5月30日的ERC推薦標準70-03中使用的距 離([ERC/REC 70-03])。在實施例中，根據(jù)本發(fā)明的SRD適于符合[ERC/REC 70-03]。
本發(fā)明具體涉及通過在設(shè)計中使用(至少在部分頻率范圍)展現(xiàn)負磁導(dǎo)率 y (MNG)或介電常數(shù)e (ENG)或二者(DNG)的材料(如超材料)而對助聽器及類似的尺寸 關(guān)鍵應(yīng)用中的無線系統(tǒng)的天線進行性能優(yōu)化。 本發(fā)明的目標在于提供適于小尺寸、低功率裝置的貼片天線。 本發(fā)明的目標由用于小尺寸、低功率裝置的適合發(fā)射或接收預(yù)定頻率范圍的電磁 輻射的貼片天線實現(xiàn)。該貼片天線包括至少一貼片，貼片包括導(dǎo)電材料并具有上面和下面， 前述至少一貼片的下面由中間材料支撐，中間材料包括至少在部分預(yù)定頻率范圍具有負磁 導(dǎo)率和/或負介電常數(shù)的材料。 本發(fā)明提供用于小尺寸、低功率裝置的貼片天線的備選制造方案。
術(shù)語"小尺寸裝置"在本說明書中意為其最大物理尺寸小于10cm如小于5cm的裝 置(因而及用于向該裝置提供無線接口的天線)。在實施例中，"小尺寸裝置"為其最大物 理尺寸遠小于(如小3倍以上，如小IO倍以上，如小20倍以上)天線用作無線接口時的工 作波長的裝置(理想地，用于輻射給定頻率的電磁波的天線應(yīng)大于或等于以該頻率輻射的 波的波長的一半)。在860MHz時，真空下的波長為約35cm。在2. 4GHz時，真空下的波長為 約12cm。在實施例中，"小尺寸裝置"為聽音裝置，如聽力儀器，適合位于耳朵處或全部或部 分位于用戶的耳道中。 術(shù)語"低功率裝置"在本說明書中意為由于下述之一或多個限制而具有有限功率 預(yù)算的電子裝置1)其具有本地能源如電池；2)其為相當小的裝置，僅有有限的可用空間 用于本地能源；3)由于系統(tǒng)限制(最大耗散問題(熱量)、無線鏈路的輻射功率的限制等) 其不得不以低功率運行。在實施例中，"低功率裝置"為具有有限持續(xù)時間的能源的便攜裝 置，前述持續(xù)時間通常為天級的持續(xù)時間(如一天或兩天)。在實施例中，"低功率裝置"為 具有最大電壓小于5V如小于3V的能源的便攜裝置。 總的來說，參數(shù)磁導(dǎo)率y (B = ii *H)或(電)介電常數(shù)e (D = e E)為復(fù)量， 即可分別寫為P = ii ' +i ii "和e = e ' +i e "，其中i2 = -1為虛數(shù)單位。參數(shù)的 實數(shù)部分(P '和e ')與材料中儲存的能量有關(guān)，及參數(shù)的虛數(shù)部分(P "和e ")與材 料損耗有關(guān)。通常，考慮P和e相對于其真空下的值(分別為P。和e。)的值，g卩i^和 e r。術(shù)語"至少在部分預(yù)定頻率范圍具有負磁導(dǎo)率和/或負介電常數(shù)"在本說明書中意為 所涉及磁導(dǎo)率P或(電)介電常數(shù)e參數(shù)中的一個或二者至少在部分預(yù)定頻率范圍具有 負的實數(shù)部分。 在實施例中，貼片天線包括貼片和接地面，其中中間材料位于貼片和接地面之間。 在實施例中，貼片和接地面二者均由中間材料支撐，即它們一起構(gòu)成由三層組成的分層結(jié) 構(gòu)。 在實施例中，貼片天線包括由中間材料分隔的第一和第二貼片。這具有可省卻相 對大的接地面導(dǎo)體的優(yōu)點，從而使天線更適合小裝置如助聽器。在實施例中，貼片布置在恒 寬中間材料層的每一側(cè)。在實施例中，貼片鏡對稱地布置在通過中間材料的平面四周。在 實施例中，兩個貼片均由中間材料支撐。在實施例中，第一和第二貼片形狀一樣，如圓形或 多邊形(即，在垂直于貼片天線夾層結(jié)構(gòu)的軸四周具有大的旋轉(zhuǎn)對稱度)。
在實施例中，中間材料為異質(zhì)材料，因為其包括空間區(qū)域，這些空間區(qū)域中的至少 兩個包括不同的材料，如它們具有不同的物理性質(zhì)如不同的電磁性質(zhì)。在實施例中，中間材 料包括超材料。 術(shù)語"超材料"在本說明書中意為其中人工引入(通常同樣的)結(jié)構(gòu)件的二維或 三維蜂窩狀結(jié)構(gòu)的合成材料。在實施例中，超材料為各向異性材料如單軸材料，在頻率范圍 展現(xiàn)負磁導(dǎo)率P (MNG)或介電常數(shù)e (ENG)或二者(DNG)。 在特定實施例中，貼片天線適于實現(xiàn)天線的(第二)諧振頻率FO位于中間材料 的磁導(dǎo)率P (MNG)或介電常數(shù)e (ENG)或二者(DNG)為負的頻率范圍([fmin ;fmax])中。
在實施例中，中間材料包括第一和第二不同的材料，至少一材料為至少在部分預(yù) 定頻率范圍具有負磁導(dǎo)率和/或負介電常數(shù)的材料。這具有貼片天線有兩個諧振頻率的效 果，第一諧振頻率(F》受控于貼片的形狀和尺寸(自然諧振)，第二諧振頻率(F。)隨第一
5和第二材料之間的幾何關(guān)系變化(例如，在圓形(環(huán)形)結(jié)構(gòu)或兩種材料時的第一和第二 材料的半徑比，第一材料構(gòu)成具有第一半徑巧的圓柱，包圍第一材料的第二材料構(gòu)成內(nèi)半 徑為巧和外半徑為i^的圓柱環(huán))。在實施例中，圓柱形狀不具有圓形截面。在實施例中， 半徑巧和r2為平均半徑(每一平均半徑為從圓柱截面中心到描述所涉及截面的曲線的外 周的矢量在截面平面中旋轉(zhuǎn)360。時的平均長度)。根據(jù)本發(fā)明實施例的天線的主要優(yōu)點 在于第二諧振頻率可進行調(diào)整并被使得與天線尺寸無關(guān)。 在實施例中，中間材料的第一和第二不同的材料具有相互接觸或結(jié)合面形式的共 同界面。在實施例中，第二材料沿貼片外周布置并布置在第一材料周圍。在實施例中，第一 和第二材料在如厚片狀結(jié)構(gòu)中的環(huán)形(如圓形或多邊形)段具有共同界面，在前述厚片狀 結(jié)構(gòu)中居中體由環(huán)狀環(huán)形成的體包圍。在實施例中，共同界面構(gòu)成平行和/或垂直于至少 一貼片的面，例如在第一和第二材料布置在具有共同界面的分層結(jié)構(gòu)中的實施例中。在實 施例中，共同面確立為兩種材料的環(huán)形和分層結(jié)構(gòu)的混合。 在實施例中，第一材料選自具有負磁導(dǎo)率(MNG)和/或負介電常數(shù)(ENG)的材料， 及第二材料選自這樣的材料，其磁導(dǎo)率和介電常數(shù)中的至少一個的符號與第一材料的相 反。 在實施例中，第一材料為超材料。在實施例中，第二材料為普通電介質(zhì)材料或超材 料。 在實施例中，第一和第二貼片及中間材料布置成在垂直于第一和第二貼片的面的 軸四周具有高的度數(shù)或旋轉(zhuǎn)對稱的結(jié)構(gòu)，如大于2的旋轉(zhuǎn)對稱度，如大于或等于6，如大于 或等于8，如大于或等于16，如完全旋轉(zhuǎn)對稱。 在實施例中，材料、其相互排列、尺寸和形狀針對貼片天線的輻射和效率進行優(yōu) 化。
0026] 在實施例中，貼片天線適于發(fā)射和/或接收未經(jīng)許可的ISM類頻譜(ISM =工業(yè)、 科學(xué)及醫(yī)學(xué))，如由ITU無線電通信扇形(ITU-R)形成的頻譜。在實施例中，貼片天線適 于發(fā)射或接收約865MHz或約2. 4GHz的頻率范圍。在實施例中，貼片天線適于發(fā)射或接收 500MHz到lGHz的頻率范圍。 在實施例中，貼片天線適于實現(xiàn)頻率范圍([fmin;fmax])在第二諧振頻率F。周圍， 天線適于在該頻率范圍進行發(fā)射或接收及在該頻率范圍中間材料的磁導(dǎo)率P (MNG)或介 電常數(shù)e (ENG)或二者(DNG)為負。在實施例中，貼片天線適于實現(xiàn)預(yù)定頻率范圍位于 第二諧振頻率F。周圍。在實施例中，預(yù)定頻率范圍包括在頻率范圍[fmin;fmax]中，其中中 間材料的磁導(dǎo)率P (MNG)或介電常數(shù)e (ENG)或二者(DNG)(的實數(shù)部分)為負。優(yōu)選地， 預(yù)定頻率范圍([fmin;fmaJ)大于l腿z，如大于10腿z，如大于50腿z，如大于100腿z。在實 施例中，貼片天線適于實現(xiàn)頻率范圍([fmin;fmaJ)至少構(gòu)成諧振頻率F。的1X，如至少F。 的5%，如至少F。的10%。在實施例中，在其中天線適于進行發(fā)射或接收及中間材料的磁 導(dǎo)率y (MNG)或介電常數(shù)e (ENG)或二者(DNG)為負的、在第二諧振頻率F。周圍的頻率范 圍([fmin ;f隨])定義為磁導(dǎo)率y (MNG)或介電常數(shù)e (ENG)小于或等于-1如-2或-5的 范圍。 在實施例中，貼片天線具有適合小的便攜裝置的尺寸，如具有小于25mm的最大尺 寸，如小于10mm。在實施例中，貼片天線適于安裝在聽力儀器中，該聽力儀器適合佩戴在用戶耳朵處或耳道中。 本發(fā)明進一步提供驅(qū)動如上所述的具體實施方式
中描述的、或權(quán)利要求中限定 的貼片天線的方法。該方法包括第一和第二貼片由平衡電信號驅(qū)動。 在實施例中，本發(fā)明方法包括當裝置處于使用狀態(tài)時，貼片之一耦合到模擬參考 平面的附近表面。在實施例中，附近表面為人的皮膚。 此外，本發(fā)明提供如上所述的具體實施方式
中描述的、或權(quán)利要求中限定的貼片 天線在便攜通信裝置如SRD、如RFID裝置或聽音裝置如聽力儀器中的使用。在使用實施例 中，第一和第二貼片由平衡電信號驅(qū)動。在使用實施例中，貼片之一耦合到模擬參考平面的 附近表面。在實施例中，附近表面為人的皮膚。 進一步提供便攜通信裝置。便攜通信裝置包括如上所述的具體實施方式
中描述 的、或權(quán)利要求中限定的貼片天線并適于通過如上所述的具體實施方式
中描述的、或權(quán)利 要求中限定的方法驅(qū)動貼片天線。 在實施例中，便攜通信裝置包括用于向該裝置提供能量的電池(如可充電電池)。
在實施例中，便攜通信裝置包括聽力儀器。 另外提供聽力儀器，該聽力儀器包括用于將輸入聲音轉(zhuǎn)換為電輸入信號的輸入變 換器(如傳聲器)、用于根據(jù)用戶需要處理輸入信號(如提供隨頻率變化的增益)并提供處 理后輸出信號的信號處理單元、及用于將處理后輸出信號轉(zhuǎn)換為呈現(xiàn)給用戶的輸出聲音的 輸出變換器(如接收器)。聽力儀器還包括用于與另一通信裝置(如移動電話)通信的無 線接口 ，該無線接口包括耦合到如上所述的具體實施方式
中描述的、或權(quán)利要求中限定的 貼片天線的收發(fā)器并適于通過如上所述的具體實施方式
中描述的、或權(quán)利要求中限定的 方法驅(qū)動貼片天線。 本發(fā)明的進一步的目標通過從屬權(quán)利要求和本發(fā)明的詳細描述中限定的實施方 式實現(xiàn)。 除非明確指出，在此所用的單數(shù)形式的含義均包括復(fù)數(shù)形式(即具有"至少一"的 意思)。應(yīng)當進一步理解，在說明書中使用的術(shù)語"包括"和/或"包含"表明存在所述的特 征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一個或多個其他特征、整數(shù)、步 驟、操作、元件、部件和/或其組合。應(yīng)當理解，除非明確指出，當元件被稱為"連接"或"耦 合"到另一元件時，可以是直接連接或耦合到其他元件，也可以存在介于中間的元件。此外， 如在此使用的"連接"或"耦合"可包括無線連接或耦合。如在此所用的術(shù)語"和/或"包括 一個或多個列舉的相關(guān)項目的任何及所有組合。除非明確指出，在此公開的任何方法的步 驟不必須精確按所公開的順序執(zhí)行。
下面將結(jié)合優(yōu)選實施例和參考附圖對本發(fā)明進行更充分地說明，其中 圖1為根據(jù)本發(fā)明的貼片天線的實施例，該天線包括貼片和接地面。 圖2為根據(jù)本發(fā)明的貼片天線的實施例，該天線包括對置的鏡像貼片。 圖3為根據(jù)本發(fā)明的貼片天線的實施例，該天線包括對置的鏡像非對稱耦合貼片。 圖4為圖3中所示實施例的非對稱耦合的等效圖。
圖5為在根據(jù)本發(fā)明實施例的貼片天線中使用的超材料的示意圖。及 圖6為根據(jù)本發(fā)明的貼片天線的第一材料的磁導(dǎo)率P的實數(shù)和虛數(shù)部分與頻率
之間的對應(yīng)關(guān)系(圖6a)及反射系數(shù)或反射波損耗RL與頻率之間的對應(yīng)關(guān)系(圖6b)。 為清晰起見，這些附圖均為示意性及簡化的圖，它們只給出了對于理解本發(fā)明所
必要的細節(jié)，而省略其他細節(jié)。在所有附圖中，同一附圖標記用于同一或?qū)?yīng)的部分。 通過下面給出的詳細描述，本發(fā)明進一步的適用范圍將顯而易見。然而，應(yīng)當理
解，在詳細描述和具體例子表明本發(fā)明優(yōu)選實施例的同時，它們僅為說明目的給出，因為，
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，通過這些詳細說明在本發(fā)明精神和范圍內(nèi)做出各種變化和修
改是顯而易見的。
具體實施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的貼片天線的實施例，該天線包括貼片和接地面。
如圖1中所示的貼片天線10需要接地面3，該接地面比貼片2大因而由于尺寸限 制通常不能實現(xiàn)在小裝置如助聽器中。圖la(具有驅(qū)動電路的天線的側(cè)視圖)和圖lb(天 線的俯視圖)的貼片天線包括相對于較大的圓形接地面3居中的圓形貼片2，二者均包括 導(dǎo)電材料如Cu (或Ag或Au)。貼片2和接地面3由包括兩種不同材料的中間層分隔普通 電介質(zhì)材料(如聚合材料，如"FR4"或聚四氟乙烯(PTFE)，或優(yōu)化的具有相當?shù)蚭 (介電 常數(shù))和相當?shù)蛽p耗的材料)的外環(huán)4和填充未由普通電介質(zhì)材料占用的空間的超材料居 中部分5。超材料和普通電介質(zhì)材料也可互相交換，使得超材料構(gòu)成外環(huán)4及普通電介質(zhì) 材料構(gòu)成其余的居中部分5。超材料適于在天線的預(yù)定頻率范圍的至少一部分中具有負磁 導(dǎo)率和/或負介電常數(shù)。天線10由收發(fā)器1 (如包括用音頻信號調(diào)制的相當高頻率的載波 信號或根據(jù)數(shù)字規(guī)約如藍牙、DECT或ZigBee調(diào)制的信號)驅(qū)動。在實施例中，天線被優(yōu)化 以在500和1000MHz之間的頻率范圍進行發(fā)射和/或接收，如約860MHz。圖1的貼片天線 包括半徑r一eh為20mm的圓形貼片、半徑rg md為30mm的接地面、及分隔貼片和接地面的厚 度為5. 5mm的中間層。在圖1所示的實施例中，中間層具有恒定厚度及與貼片一樣的形狀 和延伸，即半徑為rpat。h的圓形厚片。作為備選，中間層可具有與接地面一樣的延伸或貼片 和接地面的延伸之間的延伸。在圖1的實施例中，中間層包括由第一材料制成的半徑^為 10mm的居中圓形厚片5，第一材料在500MHz左右的l-50MHz頻帶中具有負的磁導(dǎo)率實數(shù)部 分。居中圓形厚片5由普通電介質(zhì)材料(如聚合物)制成的環(huán)4包圍，環(huán)4的外半徑r2 = rp^h為20mm。圖1實施例的貼片結(jié)構(gòu)為圓形。其也可采用適合所涉及應(yīng)用的其它形狀，如 多邊形，例如包括五邊形、六邊形或較大旋轉(zhuǎn)對稱的多邊形。 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的貼片天線的實施例，該天線包括對置的鏡像貼片。
圖2中示出了避免使用比上部貼片(圖1)大的接地面的貼片天線10的優(yōu)選實施 例。天線10包括(上部)貼片2的鏡像2'并在貼片2、2'之間產(chǎn)生虛擬接地面3'。通過 自收發(fā)器1向鏡像結(jié)構(gòu)饋送平衡信號H、ll'(即施加給下部貼片2'的信號11'與施加給 上部貼片2的信號11相反)，對稱平面將與虛擬接地面3'重合，這樣，物理接地面上方的 單端貼片的好處及自其得出的結(jié)論可轉(zhuǎn)移到平衡實施方式。平衡結(jié)構(gòu)保持小尺寸并可安裝 在尺寸關(guān)鍵的裝置如助聽器中。在實施例中，貼片天線適于在從500MHz到1000MHz的頻率 范圍進行發(fā)射/接收。再次地，支撐貼片的層的結(jié)構(gòu)包括普通電介質(zhì)材料制成的外環(huán)4和超材料制成的居中部分5，超材料填充未被普通電介質(zhì)材料占用的空間并在預(yù)定頻率范圍 具有負磁導(dǎo)率或介電常數(shù)。作為備選，前述材料可相反地定位。通過根據(jù)居中部分5的半 徑A與環(huán)4的外半徑r2的比調(diào)整貼片天線的(較低)諧振頻率而優(yōu)化頻率范圍。天線的 尺寸如下貼片直徑20mm(等于普通材料的外徑)、超材料的直徑為10mm、貼片之間的層的 厚度為llmm。 備選解決方案是使接地面與上部貼片的尺寸一樣并使其接近地耦合到附近表面 (如人體或人的頭部)以模擬大參考平面。這在圖3中示出。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的貼 片天線的實施例，該天線包括對置的鏡像非對稱耦合的貼片。除了貼片之一 2'耦合到附近 表面6之外，圖3中所示的實施例與圖2中所示的實施例一樣。接近耦合意味著貼片2、2' 之間的阻抗Zp遠高于貼片2'和附近表面6之間的阻抗Z' gnd，如電容器C所示及如圖4 的等效圖所示。優(yōu)選地，"上部"貼片2和附近表面6之間的阻抗Zgnd遠大于"下部"貼片 2，和附近表面之間的阻抗Z' gnd(abs(Z， gnd) << abs(Zgnd))。同樣，在這種情況下，保 持小尺寸，及天線的平衡饋送使可將貼片的任一側(cè)耦合到接地面，及由于物理裝置的全圖 像對稱，可實現(xiàn)兩種情形下的輻射性能一樣。 圖4示出了圖3中所示實施例的非對稱耦合的等效圖。耦合阻抗Z' gnd和Zgnd 之間的大差異基本上取決于附近表面6和天線結(jié)構(gòu)的相對位置。圖4中的Z'gnd表示圖3 中的電容器C的阻抗，及Zgnd表示圖3中的上部貼片2和表面6之間的大得多的阻抗。
圖5為在根據(jù)本發(fā)明的貼片天線中使用的超材料的示意性圖示。圖5示出了與上 面結(jié)合圖l所示和所述一樣的貼片天線。圖上的數(shù)字對應(yīng)，唯一差別在于普通電介質(zhì)材料 4從圖1中的貼片的圓周延伸到圖5中的接地面的圓周。圖5a示出了根據(jù)本發(fā)明的貼片 天線的實施例的透明示意俯視圖。居中的超材料5被示為包括同樣的結(jié)構(gòu)元件51的陣列。 在本實施例中，結(jié)構(gòu)元件51為(扁平)線圈形的元件，包括傳導(dǎo)(金屬)材料制成的導(dǎo)線。 天線的(第二 )諧振頻率F。由這些元件的結(jié)構(gòu)和排列(它們的3D圖案、它們的密度(相 互距離)、線圈匝數(shù)、導(dǎo)線寬度、導(dǎo)線間的距離、導(dǎo)線長度、金屬的性質(zhì)(包括其厚度和電阻 率))及周圍材料如電介質(zhì)材料的電磁性質(zhì)(包括其介電常數(shù))等確定(例如參見針對多 個扣環(huán)和螺旋結(jié)構(gòu)元件的[Bilotti等，2007])。例如，前述材料可通過平面夾層鋪料技術(shù) 進行制造，其將線圈陣列嵌入在一層典型的電介質(zhì)襯底中，如特定區(qū)域內(nèi)(如半徑為rl的 圓內(nèi))的印刷電路板(PCB)。結(jié)構(gòu)元件(在此為扁平線圈)的尺寸和相互距離cU優(yōu)選比 所優(yōu)化的天線電磁場的波長、小。在實施例中，cU < 0. 5 A a，如cU < 0. 1 A a，如cU < 0. 05 A a，如dse < 0. 01 A a，如dse < 0. 005 A a，如dse < 0. 001 A a。之后，堆疊多 個同樣的層(如2層、3層或3層以上，如5-10層，如圖5a實施例中的8層)以形成厚度 Ti^r等于(構(gòu)成)兩個貼片之間的中間材料的厚度的分層結(jié)構(gòu)。夾層結(jié)構(gòu)的"外面"部分， 其中未嵌入結(jié)構(gòu)元件(即包括多層同樣的PCB襯底)，可方便地構(gòu)成貼片天線的第二材料 (在此為構(gòu)成PCB的普通電介質(zhì)材料)。如果金屬層施加到分層結(jié)構(gòu)的兩個平面，則形成根 據(jù)本發(fā)明的貼片天線，其外(徑向)界限可適當?shù)爻尚螢閳A形或多邊形或適合所涉及應(yīng)用 的任何其它形狀。圖5b和5c示出了貼片大線的示意性側(cè)視圖和立體圖。
連同本發(fā)明使用的超材料可按[Bilotti等，2007]中所述進行制造。適于制造超 材料的技術(shù)包括平面技術(shù)如半導(dǎo)體或PCB技術(shù)(使用交替的掩蔽和沉積步驟)和/或其它 沉積技術(shù)的組合(如等離子體或真空沉積或濺射法)。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的貼片天線的第一材料的磁導(dǎo)率P的實數(shù)和虛數(shù)部分與 頻率之間的對應(yīng)關(guān)系(圖6a)及反射系數(shù)或反射波損耗RL與頻率之間的對應(yīng)關(guān)系(圖6b)。 圖6a表明在位于天線的諧振頻率F。的每一側(cè)的最小頻率fmin和最大頻率fmax之間的頻率 范圍中具有負磁導(dǎo)率的材料的磁導(dǎo)率實數(shù)部分和虛數(shù)部分。在按照上面結(jié)合圖1、2、3、5所 述構(gòu)建的貼片天線中，這具有貼片天線有兩個諧振頻率的效果(參見圖6b)，第一諧振頻率 ^受控于貼片的形狀和尺寸(自然諧振)，第二諧振頻率F。隨第一和第二材料之間的幾何 關(guān)系變化(例如，在圓形(環(huán)形)結(jié)構(gòu)或兩種材料時的第一和第二材料的半徑比，第一材料 構(gòu)成具有第一半徑巧的圓柱，包圍第一材料的第二材料構(gòu)成內(nèi)半徑為巧和外半徑為r2的
圓柱環(huán))。磁導(dǎo)率的實數(shù)部分Re[y]在fmin和f^之間為負，及在該范圍之外為正。在實
施例中，第二諧振頻率F。位于500MHz和800MHz之間，如約500MHz。在實施例中，圖6a的 比例使得所指示的水平P +和P _分別屬于+5到+10和-5到-10級，從而實數(shù)部分和虛 數(shù)部分的峰值的絕對值在10和20之間。圖6b示意性地示出了反射波損耗RL與頻率f之 間的關(guān)系，并示出了第一和第二諧振頻率^和F。。在實施例中，^為F。的3-5倍。在實施 例中，F(xiàn)i在GHz的范圍，如在1GHz和5GHz之間，如約2. 5GHz。在實施例中，圖6b中的刻度 因數(shù)RL-屬于-20dB到-40dB級。 本發(fā)明由獨立權(quán)利要求的特征限定。從屬權(quán)利要求限定優(yōu)選實施例。權(quán)利要求中 的任何附圖標記并非意于限定其范圍。 —些優(yōu)選實施例已經(jīng)在上述內(nèi)容中進行了說明，但是應(yīng)當強調(diào)的是本發(fā)明不受這
些實施例的限制，而是可以權(quán)利要求限定的主題內(nèi)的其它方式實現(xiàn)。 參考文獻 [Aluet a 1. ， 2007] A. Alu ， F. Bi 1 o11 i ， N. Enghe ta， and L.Vegni，
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權(quán)利要求
用于小尺寸、低功率裝置的適合發(fā)射或接收預(yù)定頻率范圍的電磁輻射的貼片天線，該貼片天線包括至少一貼片，所述至少一貼片包括導(dǎo)電材料并具有上面和下面，所述至少一貼片的下面由中間材料支撐，所述中間材料包括至少在部分預(yù)定頻率范圍具有負磁導(dǎo)率和/或負介電常數(shù)的材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的貼片天線，包括貼片和接地面，其中所述中間材料位于貼片和接地面之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的貼片天線，包括由所述中間材料分隔的第一和第二貼片。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l-3任一所述的貼片天線，其中所述中間材料包括第一和第二不同的材料，其中至少一材料為至少在部分預(yù)定頻率范圍具有負磁導(dǎo)率和/或負介電常數(shù)的材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的貼片天線，其中所述中間材料的第一和第二不同的材料具有相互接觸或結(jié)合面形式的共同界面。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的貼片天線，第一材料選自具有負磁導(dǎo)率和/或負介電常數(shù)的材料，及第二材料選自其磁導(dǎo)率和介電常數(shù)中的至少一個的符號與第一材料的符號相反的材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的貼片天線，其中第一材料為超材料，和/或第二材料為普通電介質(zhì)材料或超材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的貼片天線，其中所述貼片布置在恒寬中間材料層的每一側(cè)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的貼片天線，其中所述貼片鏡對稱地布置在通過中間材料的平面四周。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的貼片天線，其中第二材料沿貼片外周布置并布置在第一材料周圍，使得第二材料成環(huán)形地布置在第一材料周圍。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9的貼片天線，其中所述第一和第二材料按分層結(jié)構(gòu)布置在彼此的上方。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11的貼片天線，其中第一和第二貼片及中間材料布置成在垂直于第一和第二貼片的面的軸四周具有高旋轉(zhuǎn)對稱度的結(jié)構(gòu)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的貼片天線，適于具有兩個諧振頻率，第一諧振頻率巳受控于貼片的形狀和尺寸，第二諧振頻率F。隨第一和第二材料之間的幾何關(guān)系變化。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的貼片天線，其中第一材料構(gòu)成具有第一平均半徑^的圓柱，及第二材料包圍第一材料并構(gòu)成內(nèi)平均半徑為巧和外平均半徑為r2的圓柱環(huán)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13或14的貼片天線，適于實現(xiàn)第二諧振頻率F。位于頻率范圍[fmin;fmax]中，中間材料的磁導(dǎo)率y或介電常數(shù)e或二者在該頻率范圍為負。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的貼片天線，適于實現(xiàn)天線適于發(fā)射或接收的預(yù)定頻率范圍位于第二諧振頻率F。周圍。
17. 驅(qū)動根據(jù)權(quán)利要求l-16任一所述的貼片天線的方法，其中第一和第二貼片由平衡電信號驅(qū)動。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中當所述裝置處于使用狀態(tài)時，貼片之一耦合到模擬參考平面的附近表面。
19. 根據(jù)權(quán)利要求l-16任一所述的貼片天線在便攜通信裝置中的使用。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的使用，其中第一和第二貼片由平衡電信號驅(qū)動。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19的使用，其中貼片之一耦合到模擬參考平面的附近表面。
22. 包括根據(jù)權(quán)利要求1-16任一所述的貼片天線的便攜通信裝置適于根據(jù)權(quán)利要求 17或18的方法驅(qū)動所述貼片天線。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于小尺寸、低功率裝置的微型貼片天線，適合發(fā)射或接收預(yù)定頻率范圍的電磁輻射。本發(fā)明還公開了貼片天線的驅(qū)動方法及貼片天線的用途。本發(fā)明貼片天線包括至少一貼片，所述至少一貼片包括導(dǎo)電材料并具有上面和下面，所述至少一貼片的下面由中間材料支撐，所述中間材料包括至少在部分預(yù)定頻率范圍具有負磁導(dǎo)率和/或負介電常數(shù)的材料。本發(fā)明可用于在便攜通信裝置中建立無線接口。
文檔編號H01Q13/00GK101794934SQ20101000022
公開日2010年8月4日 申請日期2010年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月8日
發(fā)明者O·克努森 申請人:奧迪康有限公司