CN102859791A - 具有到电接地的频率相关连接的天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了天线装置和技术，其提供DC信号和RF信号在无线设备的多个位置处的空间分布的具体控制。无线设备包括多个装置元件，每个装置元件具有用于在天线装置中实现期望的操作的规格。

Description

具有到电接地的频率相关连接的天线装置

背景技术

由于设计者持续将通信功能添加到越来越多的装置中，天线电路被发展为在多种场合中通信。在单个装置中，多种应用可能接合作为发送器的天线、接收器或二者运行。通信信号与这样的多种应用的结合要求直流(DC)和RF信号共存于多个点处，而不干扰这些装置元件的操作。存在多种结构来实现用于这些装置的天线。

发明内容

其中，本文描述对在装置元件处的DC信号和RF信号的空间分布提供合适的控制的多个天线装置和技术，用于在天线装置中实现期望的操作。

附图说明

图1-3图示根据示例性实施例的基于四个单位单元的一维复合右手和左手超材料传输线的示例。

图4A图示根据示例性实施例的用于如在图2中的一维复合右手和左手超材料传输线等效电路的二口网络矩阵表示。

图4B图示根据示例性实施例的用于如在图3中的一维复合右手和左手超材料传输线等效电路的二口网络矩阵表示。

图5图示根据示例性实施例的基于四个单位单元的一维复合右手和左手超材料天线。

图6A图示根据示例性实施例的、用于类似于如在图4A中的传输线情况的一维复合右手和左手超材料天线等效电路的二口网络矩阵表示。

图6B图示根据示例性实施例的、用于类似于如在图4B中的TL情况的一维复合右手和左手超材料天线等效电路的二口网络矩阵表示。

图7A和7B为根据示例性实施例、如在图1中的单位单元分别考虑平衡和非平衡情况时的频散曲线。

图8图示根据示例性实施例的基于四个单位单元的、具有截断接地线的一维复合右手和左手超材料传输线。

图9图示根据示例性实施例的如在图8中的具有截断接地线的一维复合右手和左手超材料传输线的等效电路。

图10图示根据示例性实施例的基于四个单位单元的、具有截断接地线的一维复合右手和左手超材料传输线的示例。

图11图示根据示例性实施例的基于四个单位单元的、具有截断接地线的一维复合右手和左手超材料传输线的另一个示例。

图12图示根据示例性实施例的如在图11中的具有截断接地线的一维复合右手和左手超材料传输线的等效电路。

图13图示根据示例性实施例的、具有到接地平面的频率相关连接的无线装置的第一结构；

图14图示根据示例性实施例的、具有到接地平面的频率相关连接的无线装置的第二结构；

图15A和15B图示根据示例性实施例的、具有到接地平面的频率相关连接的MTM天线结构，其可以用在通用串行总线(USB)加密狗装置应用中；

图16A-16C图示根据示例性实施例的用在具有到接地平面的频率相关连接的无线装置的MTM天线结构的实施方案；

图17图示根据示例性实施例的、MTM天线，如图16A-16C中图示的MTM天线结构的回波损耗以及到接地平面的直接连接上的回波损耗；

图18A图示根据示例性实施例的、MTM天线，如图16A-16C中图示的MTM天线结构的辐射天线效率和到接地平面的直接连接上的辐射天线效率的低频范围内的比较；

图18B图示图16A-16C中示出的MTM天线的测量到的辐射天线效率和具有直接连接至接地平面的金属板的相同天线在高频范围内的比较；

图19A图示根据示例性实施例的用在具有到接地平面结构的频率相关连接的无线装置中的平面MTM天线的3D透视图；

图19B图示根据示例性实施例的图8A的平面MTM天线的顶视图；

图19C图示根据示例性实施例的图19A和19B的平面MTM天线的底视图；

图20A-20E图示根据示例性实施例的、具有到接地平面的频率相关连接的抬高式MTM天线结构的多个视图；

图21图示根据示例性实施例的如图19A-19C中图示的平面MTM天线和图20A-20G中图示的抬高式MTM天线的回波损耗；

图22图示根据示例性实施例的抬高式MTM天线和平面MTM天线在低频范围内的辐射效率的比较；

图23图示根据示例性实施例的抬高式MTM天线和平面MTM天线在高频范围内的辐射效率的比较；

图24图示在多种频率范围内测量的天线效率的低频范围，将平面MTM天线和抬高式MTM天线进行比较，用于包括人头戴式应用的辐射性能测试；

图25图示在多种频率范围内测量的效率的高频范围，将平面MTM天线和抬高式MTM天线进行比较，用于包括人头戴式应用的辐射性能测试；

图26A图示根据示例性实施例的具有用在具有到接地平面的频率相关连接的无线装置中的多个单元小片结构的平面MTM天线的3D透视图；

图26B图示根据示例性实施例的、如在图26A中的平面MTM天线结构的顶视图；

图26C图示根据示例性实施例的图26A和26B的平面MTM天线结构的底视图；

图27图示根据示例性实施例的图26A-26C的平面MTM天线结构的回波损耗；

图28图示根据示例性实施例的在工作频带内的辐射效率；

图29A图示根据示例性实施例的、采用具有到接地平面的频率相关连接的MTM天线结构的USB加密狗应用的顶视图；

图29B图示根据示例性实施例的图29A的USB加密狗应用的底视图；

图29C图示根据示例性实施例的图29A和29B的USB加密狗应用的侧视图；

图30图示根据示例性实施例的图29A-29C的天线的回波损耗和其间的隔离；

图31图示根据示例性实施例的图29A-29C的天线处于低频带时的天线效率；以及

图32图示根据示例性实施例的图29A-29C的天线处于高频带时的天线效率。

在附图中，相似的组件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，利用附图标记后面的第二标记来区分相同类型的各个组件。如果说明书中仅使用第一附图标记，则描述适用于具有该第一附图标记的相似组件中的任何一个，而不考虑第二附图标记。

具体实施方式

天线装置中的电接地结构的形状、尺寸和位置可能影响RF天线信号的空间分布，并且因此影响正接收或发送RF天线信号的天线装置的操作。对于在一些实施例中的天线装置，电接地结构可以由位于公共金属化层或位于不同金属化层中的一个或多个导电接地电极和元件形成。给定天线装置的电接地的形状、尺寸和位置倾向于在制造天线装置时固定。在操作中，天线装置电耦合至其它电路或装置。这种与其它电路或装置的电耦合可能改变天线装置的电磁配置，使得用于至少某些应用的天线装置的有效电接地具有不同于天线装置的初始电接地的初始形状、尺寸或二者的有效形状、尺寸或二者。

例如，天线装置的电接地可以永久地连接至电路的导电元件。这种连接可能改变天线装置的电磁配置。在另一个示例中，天线装置可以可拆除地连接至其它装置的导电元件，其中在其它装置连接至天线装置之后，天线装置的电接地可以连接至其它装置的导电元件，并且这种连接可能改变天线装置的电磁配置。这种连接可能改变天线装置的电磁配置。

天线装置的被改变的电磁配置可以使发送或接收一个或多个RF天线信号的天线装置性能退化。本文中描述的天线装置和技术包括用于控制处于天线装置的一个或多个工作RF频率处的天线装置的电磁配置的一个或多个频率相关连接器。这种频率相关连接器可以连接在具有一个或多个接地电极的电接地电极结构和其它导电元件或金属板之间，以改变连接器对依赖于信号的频率的信号的阻抗。例如，这种频率相关连接器可以具有一结构，该结构产生低阻抗以允许在导电元件或金属板和接地电极之间传输DC信号，以及在所述一个或多个RF天线频率处产生高阻抗以阻止所述一个或多个天线信号在导电元件或金属板和接地电极之间传输。在这种具体实施例中，频率相关连接器可以为具有期望的频率相关行为的电感器或电路。

基于上述示例的天线装置的一个实施方案可以包括以一个或多个RF天线频率发送或接收一个或多个天线信号的一个或多个天线、与所述一个或多个天线通信的天线电路、以及天线电路连接至其上的接地电极结构，接地电极结构提供用于天线电路和用于所述一个或多个天线的电接地。天线电路产生用于由所述一个或多个天线传输的所述一个或多个天线信号，或从所述一个或多个天线接收所述一个或多个天线信号。在这种天线装置中，设置导电元件或金属板，并且导电元件或金属板与接地电极结构隔开，不与接地电极结构直接接触。频率相关连接器被设置为将导电元件或金属板连接至接地电极结构，并被构造为低阻抗以允许在导电元件或金属板和接地电极结构之间传输DC信号，以及在所述一个或多个RF天线频率处产生高阻抗以阻止所述一个或多个天线信号在导电元件或金属板和接地电极结构之间传输。接地电极结构可以包括单个接地电极或两个或更多个接地电极的组合。所述两个或更多个接地电极可以位于公共金属化层中或位于两个或更多个不同的金属化层中。在该示例中，接地电极结构在所述一个或多个RF天线频率处通过频率相关连接器与导电元件或金属板隔离，并且连接至为了DC信号的导电元件或金属板。

在本文中描述的上述和其它天线装置中的所述一个或多个天线可以位于多种天线结构中，包括右手(RH)天线结构以及复合右手和左手(CRLH)超材料(metamaterial(MTM))结构。在右手(RH)天线结构中，考虑电场E、磁场H和波矢量β(或传播常数)，电磁波的传播服从(E，H，β)矢量场的右手定则。相位速度方向与信号能量传播(波群速度)方向相同，折射率为正数。这种材料称为右手(RH)材料。大多数天然材料是RH材料。人造材料也可以是RH材料。

超材料(metamaterial)具有人造结构。当以结构平均单位单元尺寸ρ(ρ远小于超材料所引导的电磁能量的波长λ)来设计时，超材料对所引导的电磁能量表现为类似均质介质。与RH材料不同，超材料可以展现出负折射率，并且相位速度方向可以与信号能量传播方向相反，其中(E，H，β)矢量场的相对方向服从左手定则。具有负折射率并同时具有负介电常数ε和磁导率μ的超材料称为纯左手(LH)材料。

许多超材料是LH超材料和RH材料的混合，因此是CRLH超材料。CRLH超材料可以在低频表现如LH超材料，而在高频表现如RH材料。例如，在以下文献中描述了各种CRLH超材料的实现方案和特性：Caloz和Itoh，″Electromagnetic Metamaterials：Transmission Line Theory and MicrowaveApplications，″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超材料及其在天线中的应用。

CRLH超材料可以被结构化并工程化为展现出针对指定应用定制的电磁特性，并且可以用于使用其他材料可能有困难、不实际或不可行的应用。此外，CRLH超材料可以用于开发新应用和构造利用RH材料不能实现的新设备。

超材料(MTM)结构可以用于构造天线、传输线以及其他RF元件和设备，允许多种技术进步，如功能增强、尺寸减小和性能提高。MTM结构具有一个或多个MTM单位单元。如上所述，MTM单位单元的等效电路包括RH串联电感LR、RH并联电容CR、LH串联电容CL和LH并联电感LL。基于MTM的组件和设备可以基于这些CRLH MTM单位单元来设计，CRLH MTM单位单元可以使用分布电路元件、集总电路元件或两者的组合来实现。与传统天线不同，MTM天线谐振受到LH模式存在的影响。一般地，LH模式有助于激励和更好地匹配低频谐振以及改进高频谐振的匹配。MTM天线结构可以被配置为支持多个频带，包括“低频带”和“高频带”。低频带包括至少一个LH模式谐振，高频带包括与天线信号相关联的至少一个RH模式谐振。

在以下美国专利申请和美国专利中描述了MTM天线结构的一些示例和实施方案：申请号No.11/741,674，名称″Antennas，Devices and SystemsBased on Metamaterial Structures″，申请日2007年4月27日；以及专利号No.7,592,957，名称″Antennas Based on Metamaterial Structures″，授权日2009年9月22日。可以使用传统FR-4印刷电路板(PCB)或柔性印刷电路(FPC)板来制造这些MTM天线结构。其它制造技术的示例包括薄膜制造技术、片上系统(SOC)技术、低温共烧陶瓷(LTCC)技术和单片微波集成电路(MMIC)技术。

一种MTM天线结构是单层金属化(SLM)MTM天线结构。MTM结构的导电部定位在形成在基板的一侧的单一金属化层中。

两层金属化无通孔(TLM-VL)MTM天线结构是在基板的两个平行表面上具有两个金属化层的另一种MTM天线结构。TLM-VL不具有将一个金属化层的导电部连接至另一金属化层的导电部的导电通孔。SLM和TLM-VL MTM天线结构的示例和实施方案在以下美国专利申请中描述：申请号12/250,477，名称″Single-Layer Metallization and Via-LessMetamaterial Structures″，申请日2008年10月13日，其公开通过引用并入此处。

图1示意了基于4个单位单元的1维(1D)CRLH MTM传输线(TL)的示例。一个单位单元包括单元小片和通路，并且是用于构造期望的MTM结构的构建部件。所示意的TL示例包括在基板的两个导电金属化层中形成的4个单位单元，其中，在基板的顶导电金属化层上形成4个导电单元小片，并且基板的另一侧具有作为接地电极的金属化层。4个居中的导电通路被形成为穿过基板，以分别将4个单元小片连接至接地面。左侧的单位单元小片电磁耦合至第一馈线，右侧的单位单元小片电磁耦合至第二馈线。在某些实施方案中，每个单元小片电磁耦合至相邻的单位单元小片，而不与相邻的单位单元直接接触。该结构形成MTM传输线，以从一个馈线接收RF信号并在另一馈线处输出RF信号。

图2示出了图1中的1D CRLH MTM TL等效网络电路。ZLin’和ZLout’分别对应于TL输入负载阻抗和TL输出负载阻抗，并且归因于每端的TL耦合。这是印刷式两层结构的示例。LR归因于介电基板上的单元小片和第一馈线，CR归因于夹在单元小片和接地平面之间的介电基板。CL归因于两个相邻单元小片的存在，并且通路引起LL。

每个个体单位单元可以具有与串联(SE)阻抗Z和并联(SH)导纳Y相对应的两个谐振ω_SE和ω_SH。在图2中，Z/2块包括LR/2和2CL的串联组合，并且Y块包括LL和CR的并联组合。这些参数间的关系表示如下：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SH}}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LL\; CR}}};$ ${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SE}}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LR\; CL}}};$ ${\mathrm{\ω}}_R=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LR\; CR}}};$ ${\mathrm{\ω}}_L=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LL\; CL}}}$

其中， $Z=\mathrm{j\ωLR}+\frac{1}{\mathrm{j\ωCL}}$ 且 $Y=\mathrm{j\ωCR}+\frac{1}{\mathrm{j\ωLL}}$

式(1)

图1中位于输入/输出边缘的两个单位单元不包括CL，这是由于CL表示两个相邻单元小片之间的电容，并且在这些输入/输出边缘处缺失。边缘单位单元处不存在CL部分防止ω_SE频率谐振。因此，仅ω_SH作为m＝0谐振频率出现。

为了简化计算分析，包括ZLin’和ZLout’串联电容器的一部分，以补偿缺失的CL部分，并且如图3所示，分别将剩余的输入和输出负载阻抗表示为ZLin和ZLout。在该条件下，理想地，单位单元具有由图3中的两个串联Z/2块和一个并联Y块所表示的相同的参数，其中，Z/2块包括LR/2和2CL的串联组合，Y块包括LL和CR的并联组合。

图4A和图4B分别示意了如图2和图3中所示的不带负载阻抗的TL电路的二口网络矩阵表示。提供了描述输入-输出关系的矩阵系数。

图5示意了基于4个单位单元的1D CRLH MTM天线的示例。与图1中的1D CRLH MTM不同，图5中的天线将左侧的单位单元与馈线耦合，以将天线连接至天线电路，并且右侧的单位单元是开路电路，使得4个单位单元与空气对接，以发送或接收RF信号。

图6A示出了图5中的天线电路的二口网络矩阵表示。图6B示出了图5中的天线电路的二口网络矩阵表示，其中，边缘处的修改考虑了缺失的CL部分，从而使所有单位单元相同。图6A和6B分别与图4A和4B中所示的TL电路类似。

使用矩阵符号，图4B表示以下给出的关系：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vin}\\ \mathrm{Iin}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\mathrm{AN}& \mathrm{BN}\\ \mathrm{CN}& \mathrm{AN}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vout}\\ \mathrm{Iout}\end{array}\right),$ 式(2)

其中，由于当从Vin和Vout端观察时图3中的CRLH MTM TL电路是对称的，AN＝DN。

在图6A和6B中，参数GR’和GR表示辐射电阻，并且参数ZT’和ZT表示终端阻抗。ZT’、ZLin’和ZLout’中的每一个包括如下表示的来自附加2CL的贡献：

${\mathrm{ZLin}}^{\′}=\mathrm{ZLin}+\frac{2}{\mathrm{j\ωCL}},$ ${\mathrm{ZLout}}^{\′}=\mathrm{ZLout}+\frac{2}{\mathrm{j\ωCL}},$ ${\mathrm{ZT}}^{\′}=\mathrm{ZT}+\frac{2}{\mathrm{j\ωCL}}.$

式(3)

由于可以通过构建天线或对天线进行仿真来导出辐射电阻GR或GR’，可能难以优化天线设计。因此，优选采用TL方式，然后以各种终端ZT对其相应的天线进行仿真。采用修改值AN’、BN’和CN’，式(1)中的关系对于图2中的电路是有效的，所述修改值AN’、BN’和CN’反映了位于两个边缘处的缺失的CL部分。

可以根据频散方程来确定频带，所述频散方程是通过使N个CRLH单位单元结构以nπ传播相位长度发生谐振导出的，其中n＝0，±1，±2，...±N。此处，N个CRLH单位单元中的每一个由式(1)中的Z和Y表示，这不同于图2中所示的结构，在图2所示的结构中，CL在端部单元中缺失。因此，可以预期与这两个结构相关联的谐振是不同的。然而，大量的计算表明除了n＝0，所有谐振是相同的，在n＝0的情况下，ω_SE和ω_SH在图3中的结构中谐振，而仅仅ω_SH在图2中的结构中谐振。正相位偏移(n＞0)对应于RH区域谐振，负值(n＜0)与LH区域谐振相关联。

以下给出了具有Z和Y参数的N个相同CRLH单位单元的频散关系：

式(4)

其中，Z和Y在式(1)中给出，AN由如图3中的N个相同CRLH单位单元的线性级联导出，p是单位单元尺寸。奇数n＝(2m+l)和偶数n＝2m谐振分别与AN＝-1和AN＝1相关联。对于图4A和图6A中的AN’，无论单位单元数目是多少，n＝0模式仅在ω₀＝ω_SH时发生谐振，而由于在端单位单元不存在CL，而不是在ω_SE和ω_SH均发生谐振。对于表1中指定的不同值χ，由下式给出高阶频率：

对于n＞0 ${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{tn}}^2=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SH}}^2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SE}}^2+\mathrm{\χ}{\mathrm{\ω}}_R^2}{2}\±\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SH}}^2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SE}}^2+\mathrm{\χ}{\mathrm{\ω}}_R^2}{2}\right)}^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SH}}^2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SE}}^2}.$

式(5)

表1提供了对于N＝1，2，3和4的χ值。应当注意的是，无论在边缘单位单元处存在完整的CL(图3)还是不存在完整的CL(图2)，高阶谐振|n|＞0都是相同的。此外，如式(4)所示，接近n＝0的谐振具有小的χ值(在χ下界0附近)，而高阶谐振趋向达到χ上界4。

表1：N＝1，2，3和4个单位单元的谐振

在图7A和7B中，分别针对ω_SE＝ω_SH(平衡，即L_RC_L＝L_LC_R)和ω_SE≠ω_SH(不平衡)的情况，示意了针对单位单元的CRLH频散曲线β作为频率ω的函数。在后一情况下，在min(ω_SE，ω_SH)与max(ω_SE，ω_SH)之间存在频率间隙。如下式所示，极限频率ω_min和ω_max值由式(5)中相同的谐振式给出，其中，χ达到其上界χ＝4：

${\mathrm{\ω}}_{\min }^2=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SH}}^2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SE}}^2+{4\mathrm{\ω}}_R^2}{2}-\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SH}}^2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SE}}^2+4{\mathrm{\ω}}_R^2}{2}\right)}^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SH}}^2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SE}}^2}$

${\mathrm{\ω}}_{\max }^2=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SH}}^2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SE}}^2+{4\mathrm{\ω}}_R^2}{2}+\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SH}}^2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SE}}^2+4{\mathrm{\ω}}_R^2}{2}\right)}^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SH}}^2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SE}}^2}.---\left(6\right)$

此外，图7A和7B提供了沿频散曲线的谐振位置的示例。在RH区域(n＞0)中，结构尺寸l(由l＝Np给出，其中p是单位单元尺寸)随频率减小而增大。相反，在LH区域中，以较小的Np值达到较低频率，因此尺寸减小。频散曲线对这些谐振附近的带宽提供了一定的指示。例如，由于频散曲线几乎是平坦的，LH谐振具有窄带宽。在RH区域中，由于频散曲线比较陡峭，带宽较宽。因此，获得宽带的第一条件(第一BB条件)可以表示如下：

COND1第一BB条件 ${\left|\frac{\mathrm{d\&beta;}}{\mathrm{d\&omega;}}\right|}_{\mathrm{res}}={\left|\frac{\frac{d\left(\mathrm{AN}\right)}{\mathrm{d\&omega;}}}{\sqrt{(1-{\mathrm{AN}}^2)}}\right|}_{\mathrm{res}}<<$ 在 $\mathrm{\&omega;}={\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{res}}={\mathrm{\&omega;}}_0,{\mathrm{\&omega;}}_{\&PlusMinus;1},{\mathrm{\&omega;}}_{\&PlusMinus;2}$ 附近

式(7)

其中，χ在式(4)中给出，ω_R定义于式(1)中。式(4)中的频散关系指示：当|AN|＝1，导致式(7)的第一BB条件(COND1)中的分母为0时，发生谐振。作为提醒，AN是N个相同的单位单元的第一传输矩阵项(图4B和图6B)。该计算显示COND1确实与N无关，并由式(7)的第二式中给出。谐振处的分子和χ的值(如表1所示)限定了频散曲线的斜率，因此限定了可能的带宽。目标结构的尺寸至多为Np＝λ/40，带宽超过4％。对于具有小单位单元尺寸p的结构，式(7)指示高ω_R值(即，低CR和LR值)满足COND1，这是由于：对于n＜0，谐振发生在表1中接近4的χ值处，换言之，(1-χ/4→0)。

如前所述，一旦频散曲线斜率具有陡峭值，下一步是识别合适的匹配。理想的匹配阻抗具有固定值，并且可能不要求大的匹配网络覆盖区。此处，术语“匹配阻抗”指在单侧馈送的情况(如，在天线中的)下的馈线和终端。为了分析输入/输出匹配网络，可以针对图4B中的TL电路计算Zin和Zout。由于图3中的网络是对称的，因而易于证明Zin＝Zout。可以证明Zin与N无关，如下式所示：

${\mathrm{Zin}}^2=\frac{\mathrm{BN}}{\mathrm{CN}}=\frac{B1}{C1}=\frac{Z}{Y}\left(\text{1-}\frac{\mathrm{\&chi;}}{4}\right),$ 式(8)

式(8)仅具有正的实数值。B1/C1大于0的一个原因是由于式(4)中的条件|AN|≤1，该条件导致以下阻抗条件：

0≤-ZY＝χ≤4。

第二宽带(BB)条件是：在谐振附近，Zin随频率轻微变化，以保持恒定匹配。应当记住的是，实输入阻抗Zin’包括来自CL串联电容的贡献，如式(3)所示。以下给出了第二BB条件：

COND2：第二BB条件：谐振附近，

式(9)

与图2和图3中的传输线示例不同，天线设计具有开端侧，开端侧具有无穷的阻抗，与结构边缘阻抗匹配欠佳。电容终端由下式给出：

$Z_T=\frac{\mathrm{AN}}{\mathrm{CN}},$ 式(10)，

该电容终端取决于N，并且是纯虚数。由于LH谐振通常比RH谐振窄，同n＞0区域相比，所选择的匹配值更接近于在n＜0区域中导出的值。

一种增加LH谐振带宽的方法是：减小并联电容器CR。如式(7)中所解释的，该减小能够导致更陡峭的频散曲线的较高的ω_R值。存在减小CR的各种方法，包括但不限于：1)增加基板厚度；2)减小单元小片面积；3)减小顶部单元小片下方的接地面积，形成“截断的接地”；或以上技术的组合。

图1和5中的MTM TL和天线结构使用导电层来覆盖基板的整个底表面，作为完整的接地电极。可以使用截断的接地电极将接地电极的面积减小为小于完整的基板表面的面积，所述截断的接地电极被图案化为暴露基板表面的一个或多个部分。这可以增加谐振带宽并调谐谐振频率。参照图8和11讨论截断的接地结构的两个示例，其中，减小了基板的接地电极侧的单元小片覆盖区中的接地电极的量，并且使用剩余带线(通路线)将单元小片的通路与单元小片覆盖区外的主接地电极相连接。可以在各种配置中实现该截断的接地方案，以实现宽带谐振。

图8示意了针对4单位单元MTM传输线的截断接地电极的一个示例，其中，沿单元小片下方的一个方向，接地电极具有小于单元小片的尺寸。接地导电层包括：连接至通路并穿过单元小片下方的通路线。通路线的宽度小于每个单位单元的单元路径的尺寸。在商用设备的实现中，使用截断的接地可能是优于其他方法的选择，在商用设备中，由于天线效率的相关联降低，不能增加基板厚度，或者不能减小单元小片面积。当截断接地时，如图8所示，通过将通路连接至主接地的金属化带(通路线)引入另一电感器Lp(图9)。图10示出了与图8中的TL结构类似的具有截断的接地的对应4单位单元天线。

图11示意了具有截断的接地结构的MTM天线的另一示例。在该示例中，接地导电层包括通路线和主接地，所述主接地形成于单元小片覆盖区以外。每个通路线在第一远端连接至主接地，并在第二远端处连接至通路。通路线的宽度小于每个单位单元的单元路径的尺寸。

可以导出截断的接地结构的公式。在截断的接地示例中，并联电容CR变小，并且谐振服从与式(1)、(5)和(6)相同的公式以及表1。提出两种方式。图8和9表示第一方式(方式1)，其中，在以(LR+Lp)替换LR后，谐振与式(1)、(5)和(6)以及表1中相同。对于|n|≠0，每个模式具有两个谐振，对应于：(1)ω±n，对于以(LR+Lp)替换LR和(2)ω±n，对于以(LR+Lp/N)替换LR，其中，N是单位单元的数目。在该方式1下，阻抗公式变为：

${\mathrm{Zin}}^2=\frac{\mathrm{BN}}{\mathrm{CN}}=\frac{B1}{C1}=\frac{Z}{Y}(1-\frac{\mathrm{\&chi;}+{\mathrm{\&chi;}}_P}{4})\frac{(1-\mathrm{\&chi;}-{\mathrm{\&chi;}}_P)}{(1-\mathrm{\&chi;}-{\mathrm{\&chi;}}_P/N)},$ 其中χ＝-YZ且χ＝-YZ_P，

式(11)

其中，Zp＝jωLp，并且Z，Y定义于式(2)。式(11)中的阻抗公式规定，两个谐振ω和ω’分别具有低阻抗和高阻抗。因此，在多数情况下，易于在ω谐振附近调谐。

在图11和12中示意了第二方式(方式2)，并且在以(LL+Lp)替换LL后，谐振与式(1)、(5)和(6)以及表1中相同。在第二方式中，组合并联电感器(LL+Lp)增大，同时并联电容器CR减小，导致较低的LH频率。

以上示例MTM结构形成在两个金属化层上，并且两个金属化层之一被用作接地电极，并通过导电通路连接至另一金属化层。可以使用如图1和5所示的完整的接地电极或图8和10所示的截断的接地电极来构造这样的具有通路的两层CRLH MTM TL和天线。

在一个实施例中，SLM MTM结构包括：具有第一基板表面和相对的基板表面的基板；形成在第一基板表面上并被图案化为具有两个或更多个导电部的金属化层，以形成不具有穿透介电基板的导电通路的SLM MTM结构。金属化层中的导电部包括：SLM MTM结构的单元小片；空间上与单元小片分开的接地、将接地和单元小片互连的通路线；以及电容性耦合至单元小片而不与单元小片直接接触的馈线。通过馈线和单元小片之间的间隙的电容性耦合，产生LH串联电容CL。RH串联电感LR主要产生在馈线和单元小片中。不存在垂直地夹在该SLM MTM结构中的两个导电部间的介电材料。因此，SLM MTM结构的RH并联电容CR可以被设计为小到忽略不计。在单一金属化层中的单元小片和接地之间，仍可以引起小RH并联电容CR。由于不存在穿透基板的通路，SLM MTM结构中的LH并联电感LL可以忽略，但连接至接地的通路线能够产生等效于LH并联电感LL的电感。TLM-VL MTM天线结构可以具有置于两个不同层中的馈线和单元小片，以产生垂直的电容性耦合。

与SLM和TLM-VL MTM天线结构不同，多层MTM天线结构在由至少一个通孔连接的两个或更多个金属化层中具有导电部。这样的多层MTM天线结构的示例和实例在以下美国专利申请中描述：申请号12/270,410，名称“Metameterial Structures with Multilayer Metallization and Via”，申请日2008年11月13日，其公开通过引用并入此处。这些多金属化层被图案化为具有基于基板、膜或板结构的多个导电部，其中，两个相邻的金属化层由电绝缘材料(例如，介电材料)分开。两个或更多个基板可以堆叠在一起(带有或不带有介电隔离物)，以提供多个金属化层的多个表面，从而实现特定的技术特征或优势。这样的多层MTM结构可以实现至少一个导电通孔，以将一个金属化层中的一个导电部连接至另一金属化层中的另一导电部。这允许一个金属化层中的一个导电部至另一金属化层中的另一导电部的连接。

具有通路的双层MTM天线结构的实现包括：具有第一基板表面和与第一基板表面相对的第二基板表面的基板；形成在第一基板表面上的第一金属化层；以及形成在第二基板表面上的第二金属化层，其中，两个金属化层被图案化为具有两个或更多个导电部，至少一个导电通路将第一金属化层中的一个导电部连接至第二金属化层中的另一导电部。截断的接地可以形成在第一金属化层中，使表面的一部分暴露。第二金属化层中的导电部可以包括MTM结构的单元小片和馈线，馈线的末端位于接近于并且电容性耦合至单元小片，以向单元小片发送和从单元小片接收天线信号。与暴露表面的至少一部分相平行地形成单元小片。第一金属化层中的导电部包括通路线，该通路线通过在基板中形成的通路将第一金属化层中的截断的接地与第二金属化层中的单元小片相连接。通过馈线和单元小片间的间隙的电容性耦合，产生LH串联电容CL。RH串联电感LR主要产生在馈线和单元小片中。LH并联电感LL主要由通路和通路线引起。RH并联电容CR主要在第二金属化层中的单元小片和投影在第一金属化层上的单元小片覆盖区中的通路线的一部分之间引起。可以将附加的导电线(如，弯折线)附接至馈线，以引起RH单极谐振，从而支持宽带或多带天线操作。

可以由MTM天线支持的各种频带的示例包括：蜂窝电话和移动设备应用、WiFi应用、WiMax应用以及其他无线通信应用的频带。蜂窝电话和移动设备应用的频带示例为：蜂窝频带(824-960MHz)，包括CDMA(824-894MHz)和GSM(880-960MHz)两个频带；以及PCS/DCS频带(1710-2170MHz)，包括DCS(1710-1880MHz)、PCS(1850-1990MHz)和AWS/WCDMA(2110-2170MHz)三个频带。

MTM结构可以被专门定制为符合应用的要求(如，PCB空间约束和布局因素)、设备性能要求以及其他规定。MTM结构中的单元小片可以具有各种几何形状和尺寸，包括例如：矩形、多边形、不规则形状、圆形、椭圆形、或不同形状的组合。通路线和馈线也可以具有各种几何形状和尺寸，包括例如：矩形、多边形、不规则形状、Z字形、螺旋形、弯折形、或不同形状的组合。馈线的远端可以被改变为形成发射台，以改变电容性耦合。发射台可以具有各种几何形状和尺寸，包括例如：矩形、多边形、不规则形状、圆形、椭圆形、或不同形状的组合。发射台和单元小片间的间隙可以采取各种形式，包括例如：直线、曲线、L形线、Z字形线、非连续线、封闭线、或不同形式的组合。馈线、发射台、单元小片和通路线中的某些可以在与其他组件不同的层中形成。馈线、发射台、单元小片和通路线中的某些可以从一个金属化层扩展至不同金属化层。可以将天线部分置于主基板上方几毫米的位置。可以串行地级联多个单位单元，以形成多单位单元1D结构。可以在正交的方向上级联多个单位单元，以形成2D结构。在某些实现中，单个馈线可以被配置为向多个单元小片传送功率。在其他实施方案中，可以向馈线或发射台添加附加导电线，其中，该附加导电线可以具有各种几何形状和尺寸，包括例如：矩形、不规则形状、Z字形、平面螺旋形、垂直螺旋形、弯折形、或不同形状的组合。所述附加导电线可以被置于顶层、中间层、或底层、或者基板上方几毫米的位置。

另一种MTM天线包括非平面MTM天线。这样的非平面MTM天线结构将MTM天线的一个或多个天线部分布置为远离同一MTM天线的一个或多个其他天线部分，使得MTM天线的天线部分在非平面配置中形成空间分布，以提供适于适应无线通信设备(如，便携式无线通信设备)的所分配的空间或体积的紧凑的结构。例如，MTM天线的一个或多个天线部分可以位于介电基板上，同时将MTM天线的一个或多个其他天线部分置于另一介电基板上，使得MTM天线的天线部分在非平面配置(如，L形天线配置)中形成空间分布。在各种应用中，MTM天线的天线部分可以被布置为，在3维(3D)基板结构中的平行或非平行层中容纳各个部分。这样的非平面MTM天线结构可以缠绕在产品封装内，或者绕产品封装缠绕。非平面MTM天线结构中的天线部分可以被布置为接合至封装、壳壁、天线载体、或其他封装结构，以节省空间。在某些实施方案中，与这样的封装结构的临近表面实质平行地并且在该临近表面附近，放置非平面MTM天线结构的至少一个天线部分，其中，天线部分可以在封装结构内部或外部。在某些其他实施方案中，可以使MTM天线结构与产品外壳的内壁、天线载体的外表面、或设备封装的轮廓的形状相符。同平面配置中相似的MTM天线相比，这样的非平面MTM天线结构可以具有更小的覆盖区，并且因此能够适合便携式通信设备(如，蜂窝电话)中有限可用的空间。在某些非平面MTM天线设计中，可以并入旋转机制或滑动机制，使得MTM天线的一部分或整体能够折叠或滑入，以在不使用时节省空间。此外，可以使用带有或不带有介电隔离物的堆叠基板，以支持MTM天线的不同的天线部分，并在堆叠的基板间并入机械和电接触，以利用主板上的空间。

可以在各种配置中实现非平面3D MTM天线。例如，可以在非平面3D配置中布置此处描述的MTM单位单元段，以实现在各种MTM结构附近形成有调谐元件的设计。例如，以下美国专利申请公开了能够在MTM结构附近实现调谐元件的3D天线结构：申请号12/465,571，申请日2009年5月13日，名称“Non-Planar Metamaterial Antenna Structures”。申请号No.12/465,571的整个公开通过引用被并入此处，作为本文公开的一部分。

在一个方面，申请序列号No.12/465,571公开了一种天线装置，包括：装置外壳，包括形成封装的壁；第一天线部分，位于装置外壳内，并且同其他壁相比更接近于第一壁；以及第二天线部分。第一天线部分包括：一个或多个第一天线元件，被布置在接近于第一壁的第一平面中。第二天线部分包括：一个或多个第二天线元件，被布置在与第一平面不同的第二平面中。该设备包括：接合天线部分，将第一和第二天线部分相连接，使得第一天线部分的一个或多个第一天线元件和第二天线部分的一个或多个第二天线元件电磁耦合，以形成支持天线信号中的至少一个谐振频率并且尺寸小于谐振频率波长一半的CRLH MTM天线。在另一方面，申请序列号No.12/465,571公开了一种天线装置，被构造为接合封装结构。该天线装置包括第一天线部分，该第一天线部分被配置为位于封装结构的第一平面部分附近，并且包括第一平面基板以及与第一平面基板相关联的至少一个第一导电部。在该设备中提供第二天线部分，并且第二天线部分被配置为位于封装结构的第二平面部分附近。第二天线部分包括第二平面基板以及与第二平面基板相关联的至少一个第二导电部。该设备还包括将第一和第二天线部分相连接的接合天线部分。至少一个第一导电部、至少一个第二导电部以及接合天线部分共同形成CRLH MTM结构，以支持天线信号中的至少一个谐振频率。在又一方面，申请序列号No.12/465,571公开了一种天线装置，被构造为接合至封装结构，并且包括具有柔性介电材料的基板以及与基板相关联的两个或更多个导电部，以形成被配置为支持天线信号中的至少一个频率谐振的CRLH MTM结构。所述CRLH MTM结构被划分为第一天线部分、第二天线部分和第三天线部分，所述第一天线部分被配置为位于封装结构的第一平面部分附近，所述第二天线部分被配置为位于封装结构的第二平面部分附近，所述第三天线部分形成在第一和第二天线部分之间，并且在由封装结构的第一和第二平面部分形成的角部附近弯曲。

回波损耗、增益和辐射效率特别是对于其中PCB空间受限的紧凑型移动通信装置来说是重要的天线性能度量。通常，当天线尺寸降低时，效率降低。以给定的有限空间获得高的性能度量在特别是用于移动电话和其它紧凑型移动通信装置的天线结构中变为挑战。例如，当PCB上的空间由于较小的移动装置尺寸而受到限制时，在RF电路、键盘、麦克风、液晶显示器(LCD)、电池和相机等附近设计天线结构变得更加困难。天线性能，包括回波损耗、增益和辐射效率，会由于位于同一PCB上的邻近天线的其它物体而明显退化。其它外部物体包括也可能干扰天线性能的人体。在一些情况中，重要的是保护天线免受人体效应的影响，以最小化RF信号至人体的吸收。

天线结构可以构建在其它小型装置上，如通用串行总线(USB)适配器和个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)卡。这些装置通常插入主机装置，如膝上型电脑或台式机，并用作用于与诸如网卡、外部存储装置、打印装置和多媒体装置之类的外部装置通信的外围接口。天线性能可以受到诸如主机装置PCB接地和主机装置LCD之类的这些附加物体的靠近的影响。性能也会基于主机装置尺寸、形状和结构变化。因此，确保嵌入式装置独立于主机装置运行是用于实现可接受的和稳定的天线性能的重要设计因素。例如，用来将嵌入式装置与主机装置隔离的一些设计特征可以包括利用频率相关连接器或有源元件作为消除由周围物体引入的干扰而不影响其它电路元件和装置的运行的方式的天线装置。本文描述用于消除或最小化靠近MTM天线结构的邻近效应的数种频率相关隔离技术和结构。

支撑天线和采用一个或多个频率相关结构将某些电路元件与天线隔离的无线装置的实施例可以包括：一个或多个基板；由所述一个或多个基板支撑的一个或多个金属化层；形成在所述一个或多个金属化层中的接地电极；形成在所述一个或多个金属化层中的至少一个中的一个或多个金属板；形成在所述一个或多个金属化层中的至少一个中的多个导电部；和一个或多个电元件，每个电元件电耦合至所述一个或多个金属板和接地电极，其中RF频率源确定与所述一个或多个电元件相关联的阻抗。

图13图示用来改善无线装置1300中的天线的性能的隔离技术和结构的示例。在图13中，金属板1301邻近天线1303和接地平面1305定位。根据一个示例，金属板1301可以被构造为支撑集成蜂窝元件如键盘，键帽，麦克风和相机模块。接地平面1305可以由天线1303和位于金属板1301上的集成元件共用以允许适当的接地。天线源1309，如无线电收发器，可以用来将RF输入信号馈送至天线1303并将天线1303连接至接地平面1305。在DC操作期间，DC电流可以供给至金属板1301以支持集成蜂窝元件。然而，在高RF操作时，这些集成元件和天线1303之间的不希望的相互作用可能存在并且降低天线的性能。因此，在某个频率处，将天线1303与位于金属板1301上的这些集成蜂窝元件隔离在天线性能方面可能是特别令人感兴趣的和有好处的。在此呈现允许一个或多个天线在集成元件附近操作的多种隔离技术和结构。例如，具有频率相关特性的电元件，如电感器1307，可以用来将金属板1301耦合至接地平面1305并在某个频率处将金属板1301与天线1303隔离。在DC操作时，电感器1307可以用作低阻抗元件，以允许将来自集成元件的DC电流无失真地转移至接地平面1305中的其它电路元件。在高频范围或微波频率处，电感器1307可以用作高阻抗元件，其可以阻止RF电流流向产生与天线1303不利的相互作用的金属板1301。因此，通过在金属板1301和接地平面1305之间利用这种频率相关连接器，如电感器1307，诸如键盘、键帽、麦克风和相机模块之类的集成元件可以在金属板1301上安全地操作，而不会在高频操作期间不利地影响天线1303性能。

其它无线装置结构可以包括非平面无线装置。例如，图13中图示的天线1303可以形成在大致平行于并在空间上与金属板1301和接地平面1305分开的不同平面上，以形成非平面无线装置。此外，之前呈现的隔离技术和结构可以应用于非平面无线装置以提供隔离，这允许一个或多个天线在其它电路元件附近操作。

在图14中，例如，非平面无线装置1400可以包括形成在第一表面上的天线1403、以及都形成在第二表面上的两个导电元件、金属板1401和接地平面1405。天线源1409，如无线电收发器，可以用来将RF输入信号馈送至天线1403并将天线1403连接至接地平面1405。金属板1401可以被构造为大致平行于并定位在天线1403的下面，并且因此，可以用作邻近物体，如人体，和天线1403之间的物理屏障或屏蔽装置，以减少由诸如人体效应之类的物体引起的无线电干扰。此外，金属板1401可以被构造为支撑集成蜂窝元件，如键盘、键帽、麦克风和相机模块。接地平面1405可以由天线1403以及形成在金属板1401中的其它电路和蜂窝元件共用。在DC操作时，DC电流可以供给至金属板1401以支持这些集成蜂窝元件。然而，在高频时，如在之前的实施例中描述的一样，这些蜂窝元件可能干扰天线1403并导致降低的天线性能。

在之前的实施例中描述的类似的隔离技术和结构可以应用于非平面无线装置1400。例如，具有频率相关特性的电元件1407，如电感器，可以用来将金属板1401耦合至接地平面1405并在某个频率处将金属板1401与天线1403隔离。在DC操作时，电感器1407可以用作低阻抗元件，以允许将来自集成元件的DC电流无失真地转移至其它电路元件。在高频范围或微波频率处，电感器1407可以用作高阻抗元件，其可以阻止RF电流流向金属板1401，并且因此消除或最小化对天线1403的干扰。通过在金属板1401和接地平面1405之间利用这种频率相关连接器，如电感器1407，诸如键盘、键帽、麦克风和相机模块之类的集成元件可以安装在金属板1401，而不会在高频操作期间不利地影响天线性能。同样，金属板1401与电感器1407结合可以用作对天线1403的屏蔽装置，以减轻人体效应并且可以帮助减小由人体吸收的比吸收率(SAR)。

图15A图示用来改善用在通用串行总线(USB)加密狗装置应用1500中的多个天线的性能的隔离技术和结构的示例。USB加密狗装置1501的一个示例包括便携式硬件，其具有可以插入诸如膝上型电脑或台式机之类的主机装置1505的USB端口1503中的USB阳连接器或插头1507。USB加密狗装置1501可以支持无线应用并包含多个内置天线。在图15A中，天线的性能可能取决于周围物体，如与主机装置1505相关联的接地平面尺寸和LCD屏尺寸。这些物体可能使多个天线的性能，包括阻抗匹配和辐射效率，变得困难和不稳定。图15B图示集成在USB加密狗装置1501中以克服由周围物体引起的优化问题的多个天线结构的一种实施方案。

在图15B中，USB加密狗装置1501包括第一天线1525和第二天线1527、用来将RF输入信号分别馈送至第一天线1525和第二天线1527的第一天线源1531和第二天线源1533、耦合至第一天线源1531和第二天线源1533的接地平面1523、以及经由电元件1529耦合至接地平面1523的金属板1521，金属板1521还连接至USB阳连接器1507。

在操作中，接地平面1523被构造为经由金属板1521以及两个天线1525和1527提供至连接至USB阳连接器1507的主机装置1505的接地。然而，与计算机1505相关联的周围物体在某个频率处可能干扰并降低两个天线的性能。因此，在某个频率处将两个天线1525和1527与计算机1505关联的周围物体隔离对于天线性能会是有利的。例如，电元件1529可以由诸如电感器之类的频率相关连接器代替，以将金属板1521连接至接地平面1523并将某个频率处将金属板1521与两个天线1525和1527隔离。在DC操作中，例如，电感器可以用作允许DC电流的低阻抗元件。当USB加密狗装置1501经由USB连接器1507插入主机装置1505的USB插槽1503中，DC和低频信号可能通过金属板1521和电感器1529从主机装置1505供给至USB加密狗装置1501，到达被制造在USB加密狗装置1501的接地平面1523上的所有电路。

在高频范围或微波频率时，例如，电感器可以用作可以阻止RF电流流动的高阻抗元件。例如，由与主机装置1505相关联的大的接地平面或LCD屏引起的对USB加密狗装置1501中的两个天线1525和1527的RF干扰可以被电感器1529阻止。因此，频率相关连接器可以用来有效地将接地平面与两个天线隔离，以维持或改善USB加密狗应用中使用的多个天线的性能。

在主机装置1505和USB加密狗装置1501之间传输的其它信号可以包括数字信号。然而，这些信号通常不需要或不使用接地平面1523。因此，将接地平面1523与主机装置1505隔离不会影响传输的数字信号。

支撑MTM天线并采用一个或多个频率相关结构将某些电路元件与MTM天线隔离的无线装置的实施例可以包括：装置外壳；位于装置外壳内部的基板结构，基板结构具有第一表面和第二表面；由基板结构支撑的接地电极；由基板结构的第一表面支撑的第一金属板；连接至第一金属板和接地电极的电元件，其中RF频率源确定与电元件相关联的阻抗；由基板结构的第二表面支撑的第二金属板；形成在基板结构中的数个通路，用于将第一金属板连接至第二金属板；和由基板结构支撑的数个导电部，其中，接地电极、基板结构的至少一部分、和所述多个导电部被构造为形成呈现与天线信号相关联的一个或多个频率谐振的复合左手和右手(CRLH)超材料天线结构。

图16A-16D图示用来产生用在紧凑型手持无线装置1600中的MTM天线的性能的隔离技术和结构，在紧凑型手持无线装置1600中其它电路元件邻近MTM天线。紧凑型手持装置1600可以被构造为多频带装置，其可以支持两个频率范围：880MHz～960MHz和1710MHz～1880MHz。

图16A图示紧凑型手持无线装置1600的侧视图。手持无线装置1600可以包括顶层1601和底层1602，其形成在如图16A所示的基板1653的每一侧上。在图16B和16C中分别示出顶层1601和底层1602的顶视图。

图16B图示无线装置1600的顶层1601的结构元件。这些结构元件包括顶部接地平面1615、通过电元件1607耦合至顶部接地平面1615的顶部金属板1605、和邻近金属板1605的MTM天线1651。

图16C图示无线装置1600的底层1602的结构元件。这些结构元件包括底部接地平面1633、底部金属板1631、用于将顶层1601上的MTM天线1651连接至底部接地平面1633的通路线1621、用于将底部金属板1631连接至顶部金属板1605的通路1635、以及被设计为将电话键连接至印刷电路板(PCB)的数个键帽1603。由于键帽1603顺从与电话键相同的布局，因此键帽1603可以重叠其它结构，如图16C所示，如底部接地平面1633、底部金属板1631和露出的基板。

顶部接地平面1615和底部接地平面1633可以通过采用形成在基板中的通路阵列(未示出)或通过沿着基板的垂直边缘形成的导线连接在一起以形成单个接地平面。如图16B-16C所示，包括顶部和底部金属板1615和1633的接地平面由MTM天线1651以及顶部和底部金属板1605，1631共用。

由于手持装置1600的紧凑性，诸如键帽1603以及顶部和底部金属板1605，1631之类的周围物体邻近MTM天线1651并且可能干扰MTM天线性能。因而，在操作期间，这些物体在某个频率处可能干扰并降低MTM天线1651的性能。因此，将MTM天线1651与顶部和底部金属板1605，1631隔离在某些天线性能度量方面可能是特别令人感兴趣的。具体地，顶部金属板1605和底部金属板1631可以分别与顶部接地平面1615和底部接地平面1633隔离，以维持天线性能，如阻抗匹配和辐射效率，而不存在由于由键帽1603和DC电源线使用的底部接地平面1633的邻近引起的RF干扰。例如，电元件1607可以由诸如电感器之类的频率相关连接器代替，以将顶部金属板1605连接至接地平面1615，并在某个频率处将顶部金属板1605，包括底部金属板1631与MTM天线1651隔离。在DC频率处，电感器可以用作允许DC电流的低阻抗元件。因此，DC偏压可以通过电感器供给至顶部和底部金属板1605，1631，以便键帽1603可以适当地运行。

在RF频率处，电感器提供高阻抗以将顶部和底部金属板1605，1631分别与顶部和底部接地平面1615，1633隔离。换句话说，顶部和底部金属板1605，1631看起来像代替单个接地平面的两个断开的金属板，并且因此缺少可能降低MTM天线1651的性能的足够电流流动或干扰。

图16D示出与无线装置1600相关联的两个叠加层，顶层1601和底层1602的顶视图。

图17图示MTM天线1651的作为信号频率的函数的测量回波损耗在直接连接至接地平面的顶部金属板1605和通过诸如电感器之类的频率相关连接器1607连接至接地平面(如图16D所示)的顶部金属板1605之间的比较。在图17中，水平轴线为通过MTM天线1651传输的信号的频率，垂直轴线为信号的回波损耗dB。图17中的测量回波损耗的比较曲线指示，当顶部金属板1605直接连接至接地平面时，这在几乎所有的频率处都产生比电感器耦合在顶部金属板1605和接地平面之间的情况中的回波损耗大的回波损耗。在这些图中，较低的回波损耗数大致指示，从源到负载的更好的阻抗匹配，并且因此示出在金属板和接地平面代替直接连接而通过电感器连接时实现的更好的性能度量。

图18A和18B图示MTM天线1651分别在低频范围和高频范围内的辐射天线效率在直接连接至接地平面的顶部金属板1605和通过诸如电感器之类的频率相关连接器1607连接至接地平面(如图16D所示)的顶部金属板1605之间的比较。两个图的结果都表示，当顶部金属板通过电感器连接至接地平面时，MTM天线1651在低频和高频范围内的效率较高。因此，如在图17和18A-8B中所证实的那样，频率相关连接器，如电感器，可以用在紧凑型集成电路结构中以将与周围物体相关联的RF干扰与MTM天线1651隔离并改善天线性能度量，如回波损耗和效率。

图16A-16D中示出的无线装置1600的其它MTM天线结构可以包括如图19A-19C所示的平面天线结构1901。在图19A-19C中分别图示平面MTM天线1901的等距视图、顶层的顶视图和底层的顶视图。

在图19A中图示的等距视图中，MTM天线1901位于基板1903的远端处。顶部接地平面1905形成在顶层1902上并邻近MTM天线1901。为清楚起见，在图19B中还提供了顶层1902的顶视图以将MTM天线1901与图19A中示出的数个重叠结构元件区分开。参照图19A和19B，平面MTM天线1901可以包括：数个导电部，如形成在基板1903的顶层1902上的单元小片1931；通过耦合间隙1941电容地耦合至单元小片1931以引导到达和来自单元小片1931的天线信号的馈线1933；导电螺旋体1935，其连接至馈线1933并形成在基板1903的顶层1902和底层1904上。馈线1933的远端连接至馈送端口1911，馈送端口1911可以与天线电路连通，天线电路产生和供给将通过天线输出的天线信号，或者接收并处理通过天线接收的天线信号。数个通路1937插入对应的通路孔中以在顶层1902中的导电部和底层1904中的导电部之间提供导电连接。在该示例中，导电螺旋体1935连接至馈线1933。导电螺旋体1935包括顶部螺旋部1951、底部螺旋部1953和穿过基板1903的通路1937。在图19B和图19C中分别涉及顶部和底部螺旋部1951，1953二者。在图19C中还提供了底层1904的顶视图以将天线结构与图19A中示出的数个重叠结构元件区分开。在图19B中，顶部螺旋部1951包括形成在顶层1902中的多个离散段。

参照图19C，底部螺旋部1953包括如图所示的形成在底层1904中的其它组离散段，并且通路1937用来连接顶部和底部离散段以形成如图19A所示的垂直螺旋形形状。连接至馈线1933的附加导线可以引起RH单极谐振。代替如在该示例中使用的垂直螺旋形，可以使用曲线、Z字形线或其它类型的线或带。可替换地，馈线1933和导电螺旋体1935可以直接连接但具有不同的总长度。通路线1909形成在底层1904中并连接至底部接地平面1907。通路1939将顶层1902中的单元小片1931连接至底层1904中的通路线1909。

在操作中，无线装置1600中的这种平面MTM天线1901在邻近诸如人体之类的物体放置会降低，因此降低整体手持装置性能。如在之前的实施例中描述的其它隔离技术和结构可以应用于MTM天线结构以在MTM天线1901邻近其它传导平面时维持天线性能。例如，为了消除或最小化来自诸如人体或其它外部物体之类的邻近源的干扰，平面MTM天线1901可以抬高，并且金属板可以添加在平面MTM天线1901下面以屏蔽这些干扰。然而，在其中这些金属板连接至接地平面以支撑其它电路元件的情况中，这些金属板可以干扰或退化MTM天线1901的性能。因此，控制并将来自抬高式MTM天线下面的金属板的RF干扰与接地平面隔离，在天线性能方面是重要的。在接下来的部分中提供采用隔离技术和结构的抬高式MTM天线的实施方案。

图20A-20D图示具有抬高式MTM天线2007和到接地平面的频率相关连接的无线装置2000的多个视图。抬高式天线结构可以被构造为通过在多个表面和基板上形成天线而改善天线性能。

支持抬高式MTM天线和采用一个或多个频率相关结构将某些电路元件与抬高式MTM天线隔离的无线装置的实施例可以包括：装置外壳；第一平坦基板，具有第一表面和不同于第一表面的第二表面；接地平面，由第一平坦基板的第一表面和第二表面支撑；第一金属板，由第一平坦基板的第一表面支撑；第二金属板，由第一平坦基板的第二表面支撑；形成在第一平坦基板中的多个通路，用于连接第一金属板和第二金属板；由第一平坦基板的第一表面支撑的电元件，用于将第一金属板连接至接地平面，其中RF频率源确定与电元件相关联的阻抗；天线段，被构造为大致平行于并接近装置外壳的平坦段，包括：第二平坦基板和与第二平坦基板相关联的至少一个导电部；和第三平坦基板，被构造为大致平行于并接近装置外壳的平坦段，其中所述至少一个导电部形成复合右手和左手(CRLH)超材料结构，该复合右手和左手(CRLH)超材料结构支持与天线段相关联的第一天线信号中的至少一个频率谐振。

图20A图示支持抬高式MTM天线和采用一个或多个频率相关结构将某些电路元件与抬高式MTM天线隔离的无线装置2000的等距视图。无线装置2000包括三个基板：第一基板2001、第二基板2003和第三基板2005。这三个基板可以以下述顺序堆叠，其中第一基板2001被构造为顶层，第三基板2005被构造为底层，第二基板2003被构造为在第一基板2001和第三基板2005之间。多种类型的基板材料可以用在图20A-20D中示出的无线装置2000结构中。例如，FR-4材料可以用于第一基板2001和第三基板2005，而空气可以用于第二基板2003。

无线装置2000包括如图20A所示被制造在第一基板2001上的抬高式MTM天线2007。图20B-20C分别提供抬高式MTM天线2007的顶层和底层的顶视图的图示，以将天线与图20A中示出的数个其它重叠结构元件区分开。在图20B-20C，抬高式MTM天线2007可以包括：数个导电部，如形成在第一基板2001的顶层上的单元小片2051；通过耦合间隙2055电容地耦合至单元小片2051以引导到达和来自单元小片2051的天线信号的馈线2053；导电螺旋体2057，其连接至馈线2053并形成在第一基板2001的顶层和底层上。馈线2053的远端通过穿过第一基板2001的通路2059和导线2071连接至图20A和图20D中示出的天线输入端口2009，导线2071将馈线2053连接至天线输入端口2009。馈线2053可以与天线电路连通，天线电路产生天线信号并供给将通过天线输出的天线信号，或者接收并处理通过天线接收的天线信号。再次参照图20B-20C，数个通路2061插入对应的通路孔中以在第一基板2001的顶层中的导电部和底层中的导电部之间提供导电连接。在该示例中，导电螺旋体2057连接至馈线2053。导电螺旋体1935包括顶部螺旋部、底部螺旋部和穿过第一基板2001的通路2061。顶部螺旋部包括形成在顶层中的多个离散段；底部螺旋部包括形成在底层中的其它组离散段；通路2061用来连接顶部和底部离散段以形成垂直螺旋形形状。连接至馈线2053的附加导线可以引起RH单极谐振。当如在该示例中使用的垂直螺旋形，可以使用曲线、Z字形线或其它类型的线或带。可替换地，馈线2053可以与导电螺旋体2057直接连接但具有不同的总长度。参照图20C，长的通路线2063形成在第一基板2001的底层中并通过通路2069连接至图20B中示出的短的通路线2067，短的通路线2067形成在第一基板2001的顶层上。短的通路线2067通过沿着第一基板2001和第二基板2003的垂直边缘延伸的垂直金属条2073连接至顶部接地平面2013。通路2065将顶层中的单元小片2051连接至第一基板2001的底层中的通路线2063。

图20A中图示的附加结构元件包括形成在第三基板2005两侧的接地平面。接地平面包括两个导电平面，顶部接地平面2013和底部接地平面2023，其可以通过形成在第三基板2005中的通路阵列(未示出)或通过沿着第三基板2005的垂直边缘形成的导线连接在一起。天线通路线2011可以通过沿着第一基板2001和第二基板2003的垂直边延伸的通路线2011连接至顶部接地平面2013。通过将通路线2011终止于顶部接地平面2013，MTM天线2007可以将整个接地平面2013用作辐射体的一部分以增加效率。顶部和底部金属板2015，2017具有与第一基板2001相同的覆盖区域，并添加至第三基板2005的两侧。两个金属板2015，2017由数个通路2019连接在一起。

在操作中，图20A，20D和20E中图示的无线装置2000的顶部和底部金属板2015，2017可以用作屏蔽装置，并且因此最小化源自第三基板2005的底侧的人体效应的影响。虽然这些金属板2015，2017可以为抬高式MTM天线2007提供足够的屏蔽，但将其它RF电路结合在金属板2015，2017中可以节省无线装置2000上的附加空间。在DC操作期间，DC电流可以供给至金属板2015，2017以支持RF电路。然而，在高RF操作时，这些RF电路和抬高式MTM天线2007之间的不希望的相互作用可能存在并降低天线的性能。因此，在某个频率处将抬高式MTM天线2007与金属板2015，2017隔离，在天线性能方面可能是特别令人感兴趣和有利的。

在图20E中，例如，具有频率相关特性的电元件2021，如电感器，可以耦合在顶部金属板2015和底部接地平面2023之间，以某个频率处将顶部金属板2015，包括底部金属板2017，与抬高式MTM天线2007隔离。在DC操作时，例如，电感器2021可以用作低阻抗元件，其允许来自形成在金属板2015，2017上的集成电路的DC电流无失真地传递至无线装置2000中的其它电路元件。然而，在高频范围或微波频率时，电感器2021可以用作高阻抗元件，其可以阻止RF电流流向金属板2015，2017并且因此防止与金属板2015，2017相关的干扰在高频操作期间影响MTM天线性能。

图21图示如图19A-19C中所示的平面MTM天线的回波损耗与用在如图20A-20E中所示的无线装置2000的抬高式MTM天线的回波损耗相比较的曲线。回波损耗按dB绘制为传输频率的函数。图21中图示的结果显示，在一些实施例中，抬高式MTM天线2007在某个频率处具有与平面MTM天线1901相似的阻抗匹配。因此，图20的抬高式MTM天线2007提供了通过金属板2015，2017的使用提供足够的屏蔽的益处，同时产生与图19中图示的平面MTM天线可比较的相似阻抗匹配结果。

图22和图23分别图示用于在低频段和高频段范围内的抬高式MTM天线和平面MTM天线的辐射效率。在图22中，抬高式MTM天线在低频段展现比平面MTM天线好的天线效率。在图23中，平面和抬高式MTM天线在高频段都产生可比较的天线效率。因此，图20的抬高式MTM天线2007提供了通过金属板2015，2017的使用提供足够的屏蔽的益处，同时产生比图19中图示的平面MTM天线更好或可比较的效率。

图24和图25图示在多种频率范围内的天线效率，将平面MTM天线和抬高式MTM天线进行比较，用于包括人头戴式应用的辐射性能测试，如人头模型的左侧和右侧。通过比较，这些附图表明抬高式MTM天线在人头戴式应用方面具有比平面MTM天线好的天线效率。这些结果进一步支持在包括由人体引起的邻近效应的应用中采用的金属板的有效性。

支持采用多个单元小片结构的平面MTM天线并采用一个或多个频率相关结构将某些电路元件与抬高式MTM天线隔离的无线装置的实施例可以包括：装置外壳；位于装置外壳内部的基板结构，基板结构具有第一表面和不同于第一表面的第二表面；由基板结构的第一表面和第二表面支撑的接地电极；由基板结构的第一表面支撑的第一金属板和第二金属板；第一电元件，用于将第一金属板连接至接地电极，其中RF频率源确定与第一电元件相关联的阻抗；第二电元件，用于将第二金属板连接至接地电极，其中RF频率源确定与第二电元件相关联的阻抗；和由基板结构支撑的多个导电部，其中接地电极、基板结构的至少一部分、以及所述多个导电部被构造为形成呈现与天线信号相关联的一个或多个频率谐振的复合左手和右手(CRLH)超材料天线结构。

图26A、图26B和图26C分别示出用在具有至接地平面的频率相关连接的无线装置2600中的具有多个单元小片结构的平面MTM天线的实施方案的等距视图、顶层2600-1的顶视图和底层2600-3的顶视图2600-2。

参照等距视图和图26B中的顶层2600-1，MTM天线2601可以包括馈线2602、连接至馈线2602的近端的发射台2603、连接至馈线2603的蜿蜒形结构2605、电容地耦合至馈线2602的远端的单元小片2607、用来将单元小片2607连接至在印刷在基板2611的顶部上的顶部接地平面2610的通路线2609。在该示例中，单元小片2607包括由切口槽2608分开的两部分。例如，基板2611可以由诸如具有4.4的介电常数和1mm的高度的FR-4之类的印刷电路板(PCB)材料形成。形成在发射台2603的远端处的天线输入装置2625用来将RF输入信号馈送至MTM天线结构2601。

参照图26A中的等距视图和图26C中的底层2600-2，两个金属板2613和2615形成在基板2611的下面。两个金属板2613和2615通过诸如两个电感器2619和2621之类的一对电元件分别连接至底部接地平面2617。顶部接地平面2610通过穿过基板2611的通路阵列(未示出)连接至底部接地平面2617以在基板2611的两侧形成单个接地平面。

在操作中，在DC频率处，DC电流可以通过两个电感器2619，2621供给至形成在金属板2613，2615上的其它元件。

在RF频率时，两个电感器向可以减轻对天线性能的负面影响的高阻抗元件一样起作用。同样，金属板2613，2615可以在MTM天线2601放置在诸如人体之类的周围物体附近时向MTM天线2601提供屏蔽，这可以改善天线性能。此外，这些金属板2613，2615可以减少至基板2611的天线辐射，这可以改善与SAR测量相关的天线性能。金属板2615上的L形切口区域2623可以用在该应用中以帮助可以由发射台2603提供的单极模式的阻抗匹配和辐射效率。切口槽2608的宽度和金属板2613，2615之间的间距可以被优化以实现LH模式和蜿蜒形模式的阻抗匹配的改善。

图27图示用在如图26A-26C中所示的无线装置2600中的平面MTM天线2601的回波损耗(dB)。图26的平面MTM天线2601提供了通过金属板2613，2615的使用提供足够的屏蔽的益处，同时产生与图19中图示的平面MTM天线1901可比较的相似回波损耗结果。

图28A-28B图示了在多个频率范围内用于如图26A-26C所示的平面MTM天线2601的辐射效率。图26的平面MTM天线2601提供了通过金属板2613，2615的使用提供足够的屏蔽的益处，同时产生与图19中图示的平面MTM天线1901可比较的辐射效率结果。

支持一个或多个非平面MTM天线并采用一个或多个频率相关结构将某些电路元件与抬高式MTM天线隔离的无线USB加密狗装置的实施例可以包括：装置外壳；位于装置外壳内部的第一平坦基板，第一平坦基板具有第一表面和不同于第一表面的第二表面；接地平面，形成在第一平坦基板的第一表面和第二表面上；第一金属板，形成在第一平坦基板的第一表面上；第二金属板，形成在第一平坦基板的第二表面上；形成在第一平坦基板中的多个通路，用于连接第一金属板和第二金属板；形成在第一平坦基板的第一表面上的电元件，其中与电元件相关联的阻抗能够由外部RF频率源确定；第一天线段，被构造为大致平行于和接近装置外壳的第一平面段，包括：第一平坦基板，和与第一平坦基板相关的至少一个第一导电部；第二天线段，被构造为大致平行于和接近装置外壳的第二平面段，包括：第二平坦基板，和与第二平坦基板相关的至少一个第二导电部；和连接第一天线段和第二天线段的天线连接段；第三天线段，被构造为大致平行于和接近装置外壳的第一平面段，包括：第一平坦基板，和与第一平坦基板相关的至少一个第三导电部；第四天线段，被构造为大致平行于和接近装置外壳的第四平面段，包括：第四平坦基板，和与第四平坦基板相关的至少一个第四导电部，其中所述至少一个第一导电部和所述至少一个第二导电部形成复合右手和左手(CRLH)超材料结构，该复合右手和左手(CRLH)超材料结构被构造为支持与第一天线段和第二天线段相关联的第一天线信号中的至少一个频率谐振，并且所述至少一个第三导电部和所述至少一个第四导电部形成另一个复合右手和左手(CRLH)超材料结构，所述另一个复合右手和左手(CRLH)超材料结构被构造为支持与第三天线段和第四天线段相关联的第二天线信号中的至少一个频率谐振。

图29A、29B和29C分别图示了具有带有至接地平面的频率相关连接的两个非平面、L形MTM天线2903，2905的无线USB加密狗装置2900的顶视图、底视图和侧视图。USB加密狗装置2900包括USB连接器2901，其可以诸如连接至膝上型电脑之类的主机装置或其它装置(未示出)的USB端口。USB加密狗装置2900可以包括两个天线，第一天线2903和第二天线2905。第一天线2903形成在USB加密狗装置2900的远端处，第二天线2905形成在邻近USB连接器2901的侧边缘处。

在图29A中，USB加密狗装置2900由三个基板构成：第一基板2907、第二基板2909和第三基板2911。第一基板2907和第二基板2909都垂直地安装至第三基板2911。第一天线2903的元件被制造在第一基板2907和第三基板2911上。第二天线2905的元件被制造在第二基板2909和第三基板2911上。第一天线2903元件和第二天线2905元件在多个基板上，如在第一基板2907和第二基板2909上的制造部分可以在第三基板上节省用于将安装的其它元件的空间。

再次参照图29A，非平面、L形MTM天线2903，2905分别具有单元小片2951，2953，其形状为多边形的并分别从第三基板2911延伸至垂直基板2907，2909。与第一天线2903相关联的馈线2957也形成在第三基板2911上并通过耦合间隙2971电磁耦合至单元小片2953。与第二天线2905相关联的馈线2955形成在第二基板2909上并延伸至第三基板2911，且通过耦合间隙2973电磁耦合至单元小片2951。曲线可以添置到两个天线中的每一个的馈线，以引起单极模式。

参照图29A和29B，与第二天线2905相关联的顶部通路线2959形成在第二基板2909中。顶部通路线2959连接至单元小片2951和形成在第三基板2911中的通路2963。通路2963连接至底部通路线2917，如图29B所示，底部通路线2917连接至底部接地2919。因此，第二天线2905的单元小片2951通过顶部通路线2959、通路2963和底部通路线2917耦合至底部接地2919。与第一天线2903相关联的顶部通路线2961形成在第一基板2907中。顶部通路线2961连接至单元小片2953和形成在第三基板2911中的通路2965。通路2965连接至底部通路线2916，如图29B所示，底部通路线2916连接至底部接地2919。因此，第一天线2907的单元小片2953通过顶部通路线2961、通路2965和底部通路线2916耦合至底部接地2919。

在图29B中，底部接地2919可以通过形成在第三基板2911中的通路阵列(未示出)或通过沿着第三基板2911的垂直边缘形成的导线连接至顶部接地平面2915以形成单个接地平面。第一天线2903和第二天线2905二者的通路线2917在第三基板2911的底部接地平面2919上终止以最大化天线效率。

用于连接至主机装置(未示出)的USB端口时的USB连接器2901的改善的性能度量可以在包括两个天线2903，2905以及其它RF和基带电路的USB加密狗装置2900的接地平面与主机装置隔离时实现。可以通过在USB加密狗连接器2901附近实现分别与顶部和底部接地平面2915，2919分离(如图29A-29B所示)的两个小金属板(顶部金属板2921和底部金属板2923)，可以实现对接地平面的隔离。通过采用这种隔离技术，除了改善的性能度量，USB加密狗装置2900的天线性能还可以形成为独立于连接至USB加密狗装置2900的主机装置。

由于用于USB加密狗装置2900的电力通常由主机装置供给，因此可能需要从USB连接器2901到被制造在第三基板上的其它元件的DC连接。在图示的实施例中，诸如电感器2925的电元件可以安装在顶部金属板2921和顶部接地平面2915之间，以支持从主机装置到USB连接器2901的DC偏压。顶部金属板2921和底部金属板2923还通过通路2913彼此连接。顶部和底部金属板2921，2923的形状和尺寸可以被优化，以实现最佳的天线匹配、天线效率、两个天线2903，2909之间的隔离、以及天线远场相关性。

图30图示图29A-29C的天线1和天线2的测量的回波损耗和其间的隔离，示出了在从740MHz到900MHz和从1850MHz到1990MHz的频率范围内操作的两个天线。

图31和图32分别示出了处于低频带和高频带的天线1和天线2的测量到的天线效率。

如上所述，在本文中描述的隔离式接地技术和相关结构呈现了代表非MTM天线设计、平面MTM天线设计，多层MTM天线设计和非平面MTM天线设计的天线结构。其它隔离式接地技术可以被实施到包括用作频率相关连接器的不同类型的电元件的上述天线结构。例如，虽然电元件的引用示例包括电感器的使用，但其它元件可以包括其它无源元件，如电容器，或电容器和电感器的组合。例如，当电容器连接在接地平面和金属板之间时，高频信号可以在安装在接地平面和金属板上的电路之间传播。由于电容器呈现的高阻抗，DC和低频信号被阻止在电容器处。因此，可以基于电容器作为频率相关连接器的使用修改天线和其它RF电路的设计。

频率相关连接器的其它实施方案可以包括多个无源元件，如电感器和电容器，其可以组合使用以连接接地平面和金属板。例如，在一个实施方案中，金属板可以连接至电感器的一端，电感器的另一端连接至电容器的一端。电容器的另一端随后可以连接至接地平面，形成L-C电路。在该情况中，DC和高频信号不能通过该L-C电路，仅中频信号可以在安装在接地平面和金属板上的电路之间传播。基于其中需要不同频率的信号在接地平面和金属板之间传播的不同应用，可以实现不同结构的无源元件，并且相应地可以修改天线和其它RF电路。

此外，这些示例中的电元件可以包括有源元件，如RF开关、时间相关开关、和插针二极管。然而，可能需要附加控制电路来根据诸如频率、时间或电压阈值的相关因子，确定这些有源元件的ON和OFF态。例如，在利用连接至接地的有源元件的装置的一种实施方案中，RF开关可以在第一频率状态处导通以将来自接地平面上的电路的RF信号传输至金属板上的电路。在其它频率状态中，RF开关可以关断以防止RF信号传播至金属板，这可以降低天线装置的SAR水平。

尽管本文包含许多细节，但是这些不应解释为对本发明或要求保护的范围的限制，而是对特定实施例专有的特征的描述。在各个独立实施例的上下文中，在本说明书中描述的特定特征还可以组合在单一实施例中实现。相反，在单一实施例的上下文中描述的各个特征还可以在多个实施例中分离地实现或者以任何合适的子组合来实现。此外，尽管特征可能在以上描述为以特定组合来操作，以及甚至在原始权利要求中限定为如此，但是在一些情况下来自要求保护的组合的一个或多个特征可以从组合中去除，要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变型。

在本文中已经描述了多个特定实施例。可以基于在本文中描述和示意的内容，做出对描述的实施例和其它实施例的改变和改进。

Claims (49)

1.一种装置，包括：

一个或多个基板；

由所述一个或多个基板支撑的一个或多个金属化层；

形成在所述一个或多个金属化层中的一个中的接地电极；

形成在所述一个或多个金属化层中的至少一个中的一个或多个金属板；

形成在所述一个或多个金属化层中的至少一个中的多个导电部；和

一个或多个电元件，每个电元件电耦合至所述一个或多个金属板和所述接地电极，

其中与所述一个或多个电元件相关联的阻抗能够根据外部RF频率源确定。

2.根据权利要求1所述的装置，其中

多个集成元件形成在所述一个或多个金属板的至少一个壳体中。

3.根据权利要求2所述的装置，其中

所述多个集成元件包括多个键帽。

4.根据权利要求2所述的装置，其中

所述多个集成元件包括麦克风。

5.根据权利要求2所述的装置，其中

至少一个电元件为有源电元件。

6.根据权利要求2所述的装置，其中

至少一个电元件为无源电元件。

7.根据权利要求6所述的装置，其中

至少一个电元件为电感器。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个基板中的每一个包括具有第一表面和第二表面的介电材料，并且

其中所述多个导电部被图案化在形成在第一表面或第二表面中的至少一个上的一个或多个金属化层上。

9.根据权利要求8所述的装置，其中：

第一基板大致平行于和邻近外壳结构的第一平面段，第一基板包括第一导电部，

与第一基板不同地构造的第二基板大致平行于和邻近外壳结构的第二平面段，第二基板包括第二导电部，并且

连接段将第一基板和第二基板连接在一起。

10.根据权利要求8所述的装置，其中所述多个导电部、以及第一基板和第二基板的至少一部分被构造为形成呈现与天线信号相关联的多个频率谐振的复合左手和右手(CRLH)超材料结构。

11.根据权利要求9所述的装置，其中所述多个导电部以及第一基板和第二基板的至少一部分被构造为形成呈现与天线信号相关联的多个频率谐振的复合左手和右手(CRLH)超材料结构。

12.根据权利要求10所述的装置，其中所述多个导电部包括：

单元小片；

馈线，所述馈线具有邻近单元小片的远端，馈线电容地耦合至单元小片，馈线具有耦合至馈送端口的近端，馈送端口用于将天线信号导向单元小片和引导来自单元小片的天线信号；和

将单元小片耦合至接地的通路线。

13.根据权利要求12所述的装置，其中

馈线的远端部分形成用于改变电容耦合的发射台。

14.根据权利要求12所述的装置，其中

馈线包括导线连接装置。

15.根据权利要求14所述的装置，其中

导线连接装置被构造为具有曲线形状、平面螺旋形形状、Z字形线形状、垂直螺旋形形状、或这些不同形状的组合。

16.根据权利要求8所述的装置，其中所述多个导电部包括：

形成在第一金属化层中的单元小片；

馈线，所述馈线具有邻近单元小片的远端，馈线电容地耦合至单元小片，并且馈线具有耦合至馈送端口的近端，馈送端口用于将天线信号导向单元小片和引导来自单元小片的天线信号；

形成在第二金属化层中并耦合至接地的通路线；和

通路，形成在第一金属化层和第二金属化层之间并耦合单元小片和通路线。

17.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个导电部包括：

多个单元小片；

馈线，所述馈线具有邻近并电容地耦合至多个单元小片中的一个或多个的远端，并且馈线具有耦合至馈送端口的近端，该馈送端口用于将天线信号导向所述多个单元小片中的一个或多个和引导来自所述多个单元小片中的一个或多个的天线信号；和

将所述多个单元小片分别耦合至接地电极的多个通路线。

18.一种无线装置，包括：

装置外壳；

位于装置外壳内部的基板结构，基板结构具有第一表面和第二表面；

由基板结构支撑的接地电极；

由基板结构的第一表面支撑的第一金属板；

连接至第一金属板和接地电极的电元件，其中RF频率源确定与电元件相关联的阻抗；

由基板结构的第二表面支撑的第二金属板；

形成在基板结构中的多个通路，用于将第一金属板连接至第二金属板；和

由基板结构支撑的多个导电部，

其中，接地电极、基板结构的至少一部分、和所述多个导电部被构造为形成呈现与天线信号相关联的一个或多个频率谐振的复合左手和右手(CRLH)超材料天线结构。

19.根据权利要求18所述的无线装置，其中所述多个导电部包括：

单元小片；

馈线，所述馈线具有邻近并电容地耦合至单元小片的远端，并且馈线具有耦合至馈送端口的近端，馈送端口用于将天线信号导向单元小片和引导来自单元小片的天线信号；和

将单元小片耦合至接地的通路线。

20.根据权利要求19所述的无线装置，其中电元件包括无源电元件或有源电元件。

21.根据权利要求20所述的无线装置，其中无源电元件包括电感器。

22.一种无线装置，包括：

装置外壳；

第一平坦基板，具有第一表面和不同于第一表面的第二表面；

接地平面，由第一平坦基板的第一表面和第二表面支撑；

第一金属板，由第一平坦基板的第一表面支撑；

第二金属板，由第一平坦基板的第二表面支撑；

形成在第一平坦基板中的多个通路，用于连接第一金属板和第二金属板；

由第一平坦基板的第一表面支撑的电元件，用于将第一金属板连接至接地平面，其中RF频率源确定与电元件相关联的阻抗；

天线段，被构造为大致平行于并接近装置外壳的平坦段，包括：

第二平坦基板；和

与第二平坦基板相关联的至少一个导电部；和

第三平坦基板，被构造为大致平行于并接近装置外壳的平坦段，

其中所述至少一个导电部形成复合右手和左手(CRLH)超材料结构，该复合右手和左手(CRLH)超材料结构支持与天线段相关联的第一天线信号中的至少一个频率谐振。

23.根据权利要求22所述的无线装置，其中所述至少一个导电部包括：

单元小片；

馈线，所述馈线具有邻近并电容地耦合至单元小片的远端，并且馈线具有耦合至馈送端口的近端，馈送端口用于将天线信号导向单元小片和引导来自单元小片的天线信号；和

将单元小片耦合至接地的通路线。

24.根据权利要求23所述的无线装置，其中

通路线沿着第二平坦基板和第三平坦基板的边缘延伸。

25.根据权利要求22所述的无线装置，其中

第三平坦基板包括空气。

26.根据权利要求22所述的无线装置，其中电元件包括无源电元件或有源电元件。

27.根据权利要求26所述的无线装置，其中无源电元件包括电感器。

28.一种无线装置，包括：

装置外壳；

位于装置外壳内部的基板结构，基板结构具有第一表面和不同于第一表面的第二表面；

由基板结构的第一表面和第二表面支撑的接地电极；

由基板结构的第一表面支撑的第一金属板和第二金属板；

第一电元件，用于将第一金属板连接至接地电极，其中RF频率源确定与第一电元件相关联的阻抗；

第二电元件，用于将第二金属板连接至接地电极，其中RF频率源确定与第二电元件相关联的阻抗；和

由基板结构支撑的多个导电部，

其中接地电极、基板结构的至少一部分、以及所述多个导电部被构造为形成呈现与天线信号相关联的一个或多个频率谐振的复合左手和右手(CRLH)超材料天线结构。

29.根据权利要求28所述的无线装置，其中所述多个导电部包括：

单元小片；

馈线，所述馈线具有邻近并电容地耦合至单元小片的远端，并且馈线具有耦合至馈送端口的近端，馈送端口用于将天线信号导向单元小片和引导来自单元小片的天线信号；和

将单元小片耦合至接地的通路线。

30.根据权利要求29所述的无线装置，其中单元小片包括：

耦合至通路线的第一单元板，第一单元板突出到第一金属板之上；

第二单元板，邻近第一单元板并突出到第二金属板之上。

31.根据权利要求30所述的无线装置，其中第一单元板和第二单元板由缝隙隔开。

32.根据权利要求30所述的无线装置，其中第二金属板的一个角部被构造为具有L形切口。

33.一种无线装置，包括：

装置外壳；

位于装置外壳内部的第一平坦基板，第一平坦基板具有第一表面和不同于第一表面的第二表面；

接地平面，形成在第一平坦基板的第一表面和第二表面上；

第一金属板，形成在第一平坦基板的第一表面上；

第二金属板，形成在第一平坦基板的第二表面上；

形成在第一平坦基板中的多个通路，用于连接第一金属板和第二金属板；

形成在第一平坦基板的第一表面上的、用于将第一金属板连接到接地平面的电元件，其中与电元件相关联的阻抗能够由外部RF频率源确定；

第一天线段，被构造为大致平行于和接近装置外壳的第一平面段，第一天线段包括：

第一平坦基板，和

与第一平坦基板相关的至少一个第一导电部；

第二天线段，被构造为大致平行于和接近装置外壳的第二平面段，第二天线段包括：

第二平坦基板，和

与第二平坦基板相关的至少一个第二导电部；和

连接第一天线段和第二天线段的天线连接段；

第三天线段，被构造为大致平行于和接近装置外壳的第一平面段，第三天线段包括：

第一平坦基板，和

与第一平坦基板相关的至少一个第三导电部；

第四天线段，被构造为大致平行于和接近装置外壳的第四平面段，第四天线段包括：

第四平坦基板，和

与第四平坦基板相关的至少一个第四导电部；和

连接第三天线段和第四天线段的天线连接段，

其中所述至少一个第一导电部和所述至少一个第二导电部形成复合右手和左手(CRLH)超材料结构，该复合右手和左手(CRLH)超材料结构被构造为支持与第一天线段和第二天线段相关联的第一天线信号中的至少一个频率谐振，并且

所述至少一个第三导电部和所述至少一个第四导电部形成另一个复合右手和左手(CRLH)超材料结构，所述另一个复合右手和左手(CRLH)超材料结构被构造为支持与第三天线段和第四天线段相关联的第二天线信号中的至少一个频率谐振。

34.根据权利要求33所述的无线装置，其中所述至少一个导电部包括：

单元小片；

馈线，所述馈线具有邻近并电容地耦合至单元小片的远端，并且馈线具有耦合至馈送端口的近端，馈送端口用于将天线信号导向单元小片和引导来自单元小片的天线信号；和

将单元小片耦合至接地的通路线。

35.根据权利要求34所述的无线装置，其中装置外壳包括USB加密狗。

36.一种无线装置，包括：

一个或多个天线，所述一个或多个天线以一个或多个射频(RF)天线频率发送或接收一个或多个天线信号；

与所述一个或多个天线连通的天线电路，天线电路产生用于由所述一个或多个天线传输的所述一个或多个天线信号或接收来自所述一个或多个天线的所述一个或多个天线信号；

接地电极结构，天线电路连接至接地电极结构，接地电极结构提供用于天线电路和用于所述一个或多个天线的电接地；

导电元件，该导电元件与接地电极结构隔开而不与接地电极结构直接接触；和

频率相关连接器，该频率相关连接器将导电元件连接至接地电极结构，并被构造为产生低阻抗以允许DC信号在导电元件和接地电极结构之间的传输以及在所述一个或多个RF天线频率处产生高阻抗以阻止所述一个或多个天线信号在导电元件和接地电极结构之间的传输。

37.根据权利要求36所述的装置，其中：

每个天线包括超材料结构。

38.根据权利要求36所述的装置，其中：

每个天线包括复合右手和左手(CRLH)超材料结构。

39.根据权利要求36所述的装置，其中：

频率相关连接器包括电感器。

40.根据权利要求36所述的装置，其中：

频率相关连接器包括晶体管。

41.根据权利要求36所述的装置，其中：

频率相关连接器包括二极管。

42.根据权利要求36所述的装置，其中：

频率相关连接器包括电容器。

43.根据权利要求36所述的装置，包括：

电部件，连接至导电元件并在所述一个或多个RF天线频率处与所述一个或多个天线电隔离。

44.根据权利要求41所述的装置，其中：

电部件包括一个或多个键帽。

45.根据权利要求41所述的装置，其中：

电部件包括麦克风。

46.根据权利要求36所述的装置，包括：

金属化层，该金属化层被图案化以形成所述一个或多个天线和接地电极结构。

47.根据权利要求36所述的装置，包括：

多个金属化层，所述多个金属化层被图案化以形成所述一个或多个天线和接地电极结构。

48.根据权利要求36所述的装置，其中：

接地电极结构包括单个接地电极。

49.根据权利要求36所述的装置，其中：

接地电极结构包括两个或更多个接地电极。

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