CN103620870A - 小型电气垂直式裂环谐振器天线 - Google Patents

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Abstract

公开了一种垂直式裂环谐振器天线，包括：具有上表面和下表面的衬底；耦合到衬底的上表面的交叉指状电容器；以及，耦合到下表面的接地。交叉指状电容器包括第一平面部分和第二平面部分，各自具有通过布置在第一平面部分和第二平面部分之间的间隙分隔开的交叉指状物。交叉指状电容器被耦合到衬底，以形成垂直式裂环谐振器。

Description

小型电气垂直式裂环谐振器天线
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年6月23日提交的美国临时专利申请序列号61/500,569的优先权，该美国临时专利申请的全部内容通过引用结合于此。
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发明背景
1.发明领域
本发明一般地涉及紧凑型天线，更具体地涉及小型电气裂环（split-ring）天线。
2.相关技术描述
电磁天线的一般用途是将能量发射到自由空间。众所周知，小物理尺寸、低成本、宽广带宽和良好辐射效率是系统中的集成天线所希望的特征。同样众所周知的是，通常，天线的品质因数（Q）和辐射损耗与天线尺寸反相关。因此，这些要求常常是矛盾的，并且，传统的电小天线（ESA）被认为表现出差的辐射性能。现有的小型天线设计不能为实际应用提供良好的性能。
一些天线设计通过加载（load）超材料（metamaterial）来改进其性能，这是很难实现的。例如，为实现尺寸缩减已经提出了PIFA型或四分之一波长微带贴片天线。
因此，本发明的一个目的是使用作为超材料微粒的垂直式裂环谐振器来减小天线尺寸。
发明内容
本发明的一方面是一种具有交叉指状电容器（interdigitalcapacitor）的垂直式裂环谐振器环型结构，以允许小型化和有效辐射。该结构采用非常紧凑的馈送网络和小的电抗性阻抗表面（reactiveimpedance surface），从而带来非常小的封装尺寸。
在一优选实施例中，本发明包括一种小型贴片天线，其具有加载有小的电抗性阻抗表面（RIS）的垂直式裂环谐振器构造，包括减小的接地尺寸。RIS用于降低谐振频率。强的电场在交叉指状电容器周围产生，该电容器辐射准全向波。天线是电小天线，在2.4GHz处表现出小于12mm*6mm*3mm的尺寸，并具有大约70％的辐射效率。损耗主要是介电损耗所致，其中，呈现出高损耗角正切（0.009）（损耗角正切对于典型材料仅为0.001）。天线还表现出约2％-3％的良好的带宽性能。
在一个实施例中，天线包括在开放裂口位置处的交叉指状电容器以降低谐振频率。
在另一实施例中，小的电抗性阻抗表面附在交叉指状电容器的略下方，其用来降低谐振频率并提高辐射性能。
在一个实施例中，本发明的天线可集成在用于无线通信系统的小型手机部件上。天线包括可以容易地与其它电路集成的平坦结构。例如，本发明的电小天线可以安装在笔记本计算机上用于无线（例如蓝牙）通信。
本发明的天线有利地组合了小尺寸、良好的辐射效率和带宽性能。此外，发射的全向辐射方向图（pattern）对于手机通信是有利的。
本发明的天线还具有内部匹配网络，其可容易地从同轴探针匹配到天线。不需要额外的匹配电路，这减小了整体尺寸。
本发明的另一个方面是具有平坦结构并可通过标准PCB工艺以低成本制造的天线。在一个实施例中，天线可被配置为用于2.4GHz无线局域网（LAN）应用。可替代地，天线可以容易地放大或缩小，并在其它通信系统中应用。例如，本发明的VSRR天线可缩放并适用于较低或较高的频率范围，例如UHF RFID应用。小的RIS——其优选为用两单元单体（two unit-cell）构成——也可被用于提供进一步的小型化。
可达到任意的小型化因子，但可能为特别小的尺寸牺牲辐射效率。还可实现不同的馈送配置。此外，通过改变接地构造，VSRR天线——其被认为是等效磁偶极子天线——可表现为小型化的电偶极子型天线。这种偶极子天线可容易地匹配到50Ω的源。
本发明的其它方面在说明书下面的部分中给出，其中，详细描述是为了充分公开本发明的优选实施例，而不是对之进行限制。
附图说明
参照附图，将会更加充分地理解本发明，附图仅仅用于说明性目的：
图1示出本发明的电感馈送（inductively-fed）垂直式裂环谐振器（VSRR）天线的几何布局的透视图。
图2示出具有尺寸的图1的电感馈送VSRR天线的几何布局的平面图。
图3示出图1的电感馈送VSRR天线的几何布局的侧视图。
图4示出图1的电感馈送VSRR天线的代表性电路模型的示意图。
图5示出具有或不具有RIS的图1所示电感馈送VSRR天线的仿真复输入阻抗。
图6示出图1的电感馈送VSRR天线的仿真电流分布。
图7示出具有RIS的图1的电感馈送VSRR天线的仿真反射系数。
图8A示出对具有RIS的图1的电感馈送VSRR天线的仿真和测量反射系数进行比较的曲线图。
图8B示出对不具有RIS的图1的电感馈送VSRR天线的仿真和测量反射系数进行比较的曲线图。
图9示出对于图1的电感馈送VSRR天线的仿真3D辐射方向图。
图10示出在图1的电感馈送VSRR天线的衬底的x-y平面内的磁场分布。
图11示出本发明的电容馈送（capacitively-fed）垂直式裂环谐振器（VSRR）天线的几何布局的透视图。
图12示出具有尺寸的图11的电容馈送VSRR天线的几何布局的平面图。
图13示出图11的电容馈送VSRR天线的代表性电路模型的示意图。
图14示出本发明的非对称电容馈送垂直式裂环谐振器（VSRR）天线的几何布局的透视图。
图15示出图14的非对称电容馈送VSRR天线的代表性电路模型的示意图。
具体实施方式
图1示出本发明的电感馈送垂直式裂环谐振器（VSRR）天线10的几何布局的透视图。图2示出具有尺寸的图1的电感馈送VSRR天线10的几何布局的平面图。图3示出图1的电感馈送VSRR天线10的几何布局的侧视图。包括同轴馈送探针20的输入端被直接连接到形成裂环谐振器（SRR）的上表面14，其可用串联电感器来表示。交叉指状电容器25——其是VSRR的裂口——是天线10的主辐射器。交叉指状电容器25裂开成第一平面侧18a和第二平面侧18b，并经由一系列平行的交叉指状物（interdigitated finger）24交界。第一平面侧18a和第二平面侧18b的两个端部短接到接地16（通过通孔26），从而使天线10用作开环结构，其看上去也像垂直式裂环谐振器结构。上表面14和在第一平面侧18a及第二平面侧18b的两个端部处的多个金属化通孔26与接地16一起构成形成SRR构造的、电容器负载的（capacitor-loaded）半波长环路谐振器。
天线10可包括电抗性阻抗表面（RIS）22，它是由在PEC支持的介电衬底12上印刷的两个金属方形贴片构成的，并在上表面14的下方引入。如图1和图2可见，两个矩形孔28和圆形孔（未示出）在RIS22上被切去，以便使通孔26和馈送探针20穿过到达上表面14和交叉指状电容器25。虽然将两单元单体结构看作“表面”可能不完全准确，但是因为波只与辐射槽下方的特定表面区域密集相互作用，所以其仍被示出为能够与二维周期性表面类似地提供特性的小的表面。
虽然RIS22为天线10提供了有益的特征，但也可理解，天线可在不受益于RIS22的情况下工作。尽管这样的构造在某些方面可能不是最优的，但可理解，在没有它的情况下配置的VSRR天线10仍可提供超越当前天线设计的显著益处。
天线10是三层结构（对于没有RIS的情况，两层），其中，上部14和下部12介电衬底优选为包括这样的“MEGTRON6”：其在2.4GHz处具有4.02的相对介电常数和0.009的损耗角正切。应当指出，相比于表现出0.0009-0.002左右的损耗角正切的例如Rogers衬底的其他低损耗材料，这种衬底被认为是损耗稍大的。RIS22、交叉指状电容器25和接地16优选包括铜金属（约35-40μm厚），其被假定为具有5.8x107西门子/米的电导率。可以理解，也可考虑其他的材料。
电感馈送VSRR天线10用图4所示的电路模型30概略表示。VSRR天线10被建模为高Q的LC谐振器，其具有与部件的组合相关联的并联辐射电阻（Rrad）40以及与交叉指状电容器25相关联的电容器Cr32。串联电感器Lin38表示探针20（来自端口42）和VSRR10之间的直接连接或耦合。电感器Lr34表示从环路金属通孔26和接地16（36）产生的电感。
电路30通过简单地跨电容器25施加电压差而受到激励，该电压差沿环路产生电流并辐射能量，并且，更具体地，在环路内侧感生出轴向磁场。以这种方式，电路30等效于在PEC表面上方沿y方向放置的磁偶极子。通过增大Lr或Cr的值，谐振频率降低。通过加载电感性RIS22，总体Lr值可增强，这带来天线10尺寸的小型化。
在具有和不具有RIS22的情况下制造并测试了根据图1-图3的天线10的几何形状的电感馈送天线。天线的尺寸是a1=8.0mm，a2=8.15mm，h1=0.4mm，h2=2.6mm，s1=0.22mm，l1=28.6mm，w1=20mm，l2=11.94mm，w2=5.38mm，l3=2.42mm，w3=0.48mm，d1=6.56mm，d3=2.29mm，d3=1.28mm且d4=3.4mm。18a和18b的两个端部的每一个上有七个通孔26，其具有0.15mm的半径和0.75mm的间距。天线十分紧凑，分别具有0.096λ0×0.043λ0×0.024λ0以及0.112λ0×0.051λ0×0.028λ0（具有RIS）的电气尺寸（λ0是在仿真谐振频率处的自由空间波长）。注意，没有RIS22的天线具有除RIS22之外完全相同的参数值。
图5示出加载或不加载RIS22的情况下对于所设计的天线的仿真输入阻抗。可以看出，通过加载RIS22，初始谐振频率已经从2.83GHz向下移动到2.4GHz。由于电感馈送，观察到的电抗差不多是正的。引起关注的是，注意到可以通过改变馈送探针20的x位置以及通孔26的数目和间隔来最优化匹配。图6示出具有RIS22的天线的电流分布。
具有RIS22的模型由在接地衬底12上印刷的二维周期性金属贴片构成。贴片22的周期比波长小很多。考虑用TEM平面波照射单个单体，PEC（理想电导体）和PMC（理想磁导体）边界可以在单体周围建立。PMC是呈现出+1的反射率的表面，而PEC是呈现出-1的反射率的表面。所得到的结构可被建模为并联LC电路。方形贴片22的边缘耦合提供了分路（shunt）电容器，且短路的介电加载传输线可被建模为分路电感器。贴片尺寸a1和间隙宽度（a2-a1）的变动主要改变电容值，而衬底厚度h2主要影响电感值，所有这些可用于控制谐振频率。180°反射相位对应于PEC表面，而0°反射相位对应于PMC表面。取决于几何形状和工作频率，可获得电感性RIS22（低于PMC表面频率）或电容性RIS22（高于PMC表面频率）。
由于匹配难度和损耗问题，PMC表面通常不是最佳的选择。电感性RIS22能够存储磁能，这进而增大电路的电感。因此，它可用于使VSRR天线10的尺寸小型化，VSRR天线10本质上是RLC并联谐振器。电感性RIS22还能够提供较宽的匹配带宽，因此更适合于天线应用。
然而，由于被测试的天线非常小（仅11.94mm×5.38mm），所以两单元单体足以覆盖顶面电路，而此两单元单体表面远不是周期性的、因此不是真正的“表面”。使用等效电路和单元单体分析来对在超表面（meta-surface）（RIS）22上方的辐射元件进行构造只是一种近似，用来定性地说明其工作原理。然而，由于近场相互作用主要发生在辐射孔（指状物24之间的交叉指状槽27）周围，所以两单元单体表面仍然能够实现周期性RIS的主要功能。可以理解，使用交叉指状槽27下方的盖（cap）（未示出）还可提高电容器值，从而致使谐振频率降低。
为了验证其影响，改变并仿真RIS22的配置。所获得的不同反射系数响应表明两单元单体表面具有完全不同的特性，这证实了其更像二维的RIS那样工作。
谐振频率可以通过调整贴片尺寸a1而变化。当方形贴片22的尺寸a1小时，对应的电容器减小，这增大天线10的谐振频率。注意，当a1等于5时，RIS22完全被顶部金属18a和18b覆盖，如图2所示。在这种情况下，相比于未加载（无RIS22）的情况，仍实现可观的频率降低。
通过减小贴片22之间间隙（a2–a1）的宽度，也可将谐振频率下推。通过增大底部衬底的厚度h2——这将增大RIS22的等效电感器——谐振频率显著地向下移动。
通信系统中的典型天线只具有有限的接地尺寸。当这种有限的接地尺寸足够大时，天线的性能被认为是与接地尺寸无关的。然而，对于本发明的VSRR天线10，包括接地16在内的所要求的尺寸是指定且有限的，而不是具有这样的大尺寸。
对于未加载天线上的接地16的尺寸进行了参数研究。注意，这里提到的“无限接地”实际上具有1.2λ0×1.2λ0（150mm×150mm）的有限尺寸，其中λ0是在谐振频率处的自由空间波长。与仅为0.112λ0×0.051λ0（11.94mm×5.38mm）的天线尺寸相比，它大到足以被认为是无限接地。已发现，接地的长度l1不太影响谐振频率。然而，接地的宽度w1对谐振频率有更容易感知的影响。基本原因是，宽度影响图4所示电路30的电感值Lr34，因为接地16也是环路的一部分。狭窄的接地将对于较大的电感有利。特别地，当w1减小至6mm时，谐振频率移动到低得多的频率。
对H平面（y-z平面）的方向图进行仿真，并将结果示于表1。为方便起见，方向性、辐射效率和前后比（front-to-back ratio）也示于表1。可以看出，接地16的宽度越小，方向图变得越全向。对于w1=6mm的情况，方向图几乎是全向的。此外，方向性是2.257dBi，这非常接近于半波长偶极子的方向性（2.15dBi）。于是，在谐振频率处检查电场分布。3D辐射方向图示于图9。
对于w1=6mm的情况，VSRR天线10完全演进为小型化电偶极子型天线。对于w1=20mm的情况，场表明它仍然是SRR型谐振。图10示出对于w1=20mm的情况，在图1的电感馈送VSRR天线的衬底的x-y平面内的磁场分布。有意义的关注点在于，通过简单地改变接地宽度w1，类似磁偶极子的天线已经被切换到类似电偶极子的天线。
现参考图11，在衬底12内侧的平面处仿真并绘制对于w1=20mm的情况的磁场。清楚地看出，w1=20mm的情况表现为PEC表面上方的磁偶极子天线，而w1=6mm的情况可被认为是自由空间中的小型化电偶极子天线。这被认为是小型化的，是因为它的总长度l1在谐振频率处仅为0.249λ0，而传统电偶极子天线具有半波长左右的长度。还可理解，当接地16的尺寸被设计为形成类似电偶极子的天线时，接地的长度变得重要，这是因为它成为电流路径的一部分并参与辐射。
改变对于w1=6mm的情况的接地长度l1，并记录仿真的反射系数。观察到谐振频率依赖于l1。与传统的电偶极子天线相比，这种小型化的类似偶极子的天线显示出一些有利特征。首先，它自动匹配到同轴馈送探针20而不需要匹配网络。其次，通过改变电容器的值，这种天线可以很方便地小型化。举例来说，如果改变交叉指状电容器25的指状物24的长度l3，则也可改变所得到的反射系数。这种配置可被设计成对于某些特殊的紧凑型系统用作传统偶极子天线的有用替代。
总之，小的接地16可以用来降低天线10的品质因数，然后增大天线的带宽。接地16也参与辐射，这对于增大辐射效率是有利的。
传统的电小天线（ESA）的缺点通常在于效率低。当然，损耗依赖于所使用的材料，且无损材料不会施加任何损耗。从这个观点来看，空气和银是优选的，因为它们具有较少的损耗。但是，对于集成电路而言，该电路通常被印刷在衬底上，因此，空气难以适用。银较为昂贵，因此，铜被广泛使用。
除了材料问题外，天线的工作原理是决定辐射效率的最重要的因素。例如，应避免强电流以减小导体损耗。工程师了解整体损耗及其构成是有帮助的。
为此目的，对于具有或不具有RIS的电感馈送VSRR天线，将损耗分析示于表2。接地16的长度对于最初的四种情况是固定的：l1=28.6mm。另外，无限接地仅仅是近似。接地尺寸实际上是150mm×150mm，其与其他情况相比非常大。它的行为非常接近于真实无限接地。为了消除匹配的影响，这里计算的增益是天线增益本身，而不是所实现的增益。对于加载RIS情况的效率较小，主要是由于降低的谐振频率。将未加载（无RIS）天线作为例子，可以看出，基于所选择的材料，总体辐射效率是67.3％。如果使用具有低损耗的衬底，例如Rogers衬底，效率可以得到实质性的提高，最高大于90％。还还可看出，与介质损耗相比，导体损耗不是十分关键。整体而言，作为集成ESA，这种天线提供了优秀的辐射效率。
图7示出对于具有RIS22的电感馈送VSRR天线的仿真的反射系数的曲线图。图8A示出对于具有RIS22的电感馈送VSRR天线将仿真的反射系数和测量的反射系数进行比较的曲线图。图8B示出对于不具有RIS22的电感馈送VSRR天线将仿真的反射系数和测量的反射系数进行比较的曲线图。
在图8A和图8B的曲线图中，观察到小的频率移动。为了找到这种差异的原因，对衬底的特性进行测试，并发现测量得到的介电常数降低了一点（3.8-3.9左右）。衬底的测量到的损耗角正切是0.005-0.008左右（在仿真中它被设置为0.009）。因此，测得的谐振频率上移了一点。
也可对于两个天线在E平面和H平面二者中进行仿真和测量，以得出增益方向图。由于谐振频率的上移和介电损耗角正切的降低，测得的增益对于两种天线中的每一个略高，且前后比增大。还看出，交叉极化电平很低。
电感馈送VSRR天线的性能值示于表3中，包括电气尺寸、带宽和辐射效率。并且，在这里，ka表示电气天线尺寸，其中，k是波数，a是包围天线的最小球体的半径。注意，对于具有RIS22的天线，ka在不考虑由于RIS引起的尺寸增大的情况下计算，这是由于它是不辐射元件且它可以小型化。（如果RIS被包含在内，ka=0.47）。仿真与测量得到的增益是已经将不匹配考虑在内的所实现的增益。关于结果，根据ka<1的标准，两个天线都是电小天线。基本上，测量结果与仿真一致，且天线示出有前景的性能。
图11示出本发明的电容馈送垂直式裂环谐振器（VSRR）天线50的几何布局的透视图。图12示出具有尺寸的图11的电容馈送VSRR天线50的几何布局的平面图。与在前的天线相比，同轴馈送探针20被电容耦合到VSRR表面52a，这是通过切割在探针位置20和上表面52a之间的圆环形槽54实现的。如同电感馈送天线10的情况，电容馈送天线包括具有交叉指状电容器55的VSRR，交叉指状电容器55包括具有匹配的交叉指状物24的第一和第二平面部分52a和52b。
类似地，天线50可加载有或没有RIS贴片22。为了改善匹配，只有三个金属通孔26连接由衬底12分隔的接地16和上表面14。几个参数可用来对匹配进行最优化：沿x轴的探针20的定位，环形槽54以及通孔26的尺寸和宽度。这里所用的衬底12的材料与前面的图1-图3的天线10的大体相同。
图13示出图11的电容馈送VSRR天线50的代表性等效电路模型70的示意图。电路70类似于图4所示的电路模型30，除了根据探针20（来自端口80）与VSRR50之间的耦合产生的耦合电容器Cin78外。VSRR50仍建模为具有与部件的组合相关联的辐射电阻器（Rrad）72以及与交叉指状电容器55相关联的电容器Cr74的并联LC谐振器。电感器Lr76表示从环路金属通孔26和接地16产生的电感。天线电路70通过跨电容器Cr74施加电压差来激励。由于电容输入耦合78，天线50的电抗主要是负的并在其谐振频率处接近于零。
具有以及不具有RIS22的电容馈送VSRR天线用标准PCB工艺制造和测试。返回参考图12，对于不加载（无RIS22）情况的几何参数是：a1=9.0mm，a2=9.15mm，R1=1.63mm，R2=1.5mm，s1=0.23mm，l1=27.8mm，w1=20mm，l2=13.43mm，w2=5.77mm，l3=2.83mm，w3=0.52mm，d1=5.47mm，d3=1.95mm且d4=5.5mm。52a和52b的两个端部的每一个上的三个通孔26具有0.15mm的半径和2mm的间距。对于加载（包括RIS22）的情况：l2=16.03mm，w2=5.77mm，l1=26.5mm，w1=20mm，a1=9.0mm且a2=9.15mm。对于包括RIS的实施例，切去部分58可用于允许通孔26通过的间隙。
获得了仿真和测量得到的反射系数。由于介电常数的移动，电容馈送VSRR天线的谐振频率也向上移动，这类似于在天线10后建模的天线（参见图8A和图8B）。获得了天线的辐射方向图以及仿真和测量得到的增益和效率。观察到良好的一致性。实现了低的交叉极化。表4示出总结的天线特性，包括分数带宽、增益和辐射效率。测量得到的增益高于仿真数据，这也是由于材料损耗角正切的降低和谐振频率的上升所致。通过加载RIS22，可以看出，谐振频率已经被可观地下推，且ka从0.397变到0.347，同时，测量得到的辐射效率也从45.0％降低到22.5％。可以看出，对于这些ESA，尺寸减小可使辐射效率显著劣化。与表2和3相比较可以发现，电感馈送天线提供了与电容馈送天线相比相对更好的辐射性能。
图14示出本发明的不对称电容馈送垂直式裂环谐振器（VSRR）天线100的透视图。同轴馈送探针20被电容耦合到VSRR表面106a，这是通过切割在探针位置20和上表面106a之间的圆环形槽54来实现的。电容馈送天线100包括具有交叉指状电容器105的VSRR，交叉指状电容器105包括具有匹配的交叉指状物24的第一和第二平面部分106a和106b。使用与前面所示的实施例类似的衬底，其具有下衬底层12、上衬底层14和接地16。类似地，天线100可加载或不加载RIS贴片102、104。第一侧106a上的通孔26被去除（仅剩106b一侧上的三个通孔），因此，同轴馈送探针20成为电流回路的一部分。
图15示出图14的非对称电容馈送VSRR天线100的代表性电路模型120的示意图。电路模型120包括与部件的组合相关联的辐射电阻器（Rrad）122以及与交叉指状电容器105相关联的电容器Cr124。电感器Lr126代表从环路金属通孔26和接地16产生的电感。由于一侧是开放的，所以波可从此开放的边界辐射出去。注意，电路120仅仅是一种简化的近似，其用来概略地说明工作原理。事实上，还应将小的辐射电阻器并联施加到电容器Cg128。电容器Cin130表示探针20与上表面106a之间的电容耦合。应当指出，由于VSRR的总电容由于Cr124和Cg128的串联连接而减小，所以谐振频率与前面两个实施例相比较高。换句话说，它们的电气尺寸较大。此外，由于边缘辐射，主波束方向可从z方向移动，从而引起E平面中不对称的波束方向图。
在具有和不具有RIS22的情况下，用标准PCB工艺制造并测试不对称电容馈送VSRR天线。在加载RIS的情况下，看出谐振频率由于RIS加载从2.764GHz下推到2.44GHz。由于电容耦合，电抗主要是负的，并在两个匹配点处接近于零。注意，匹配也可通过改变探针20的位置和环形槽54的尺寸或宽度而容易地获得。
所测试的不对称电容馈送VSRR天线的几何参数是：a1=9.0mm，a2=9.15mm，R1=1.1mm，R2=0.7mm，s1=0.23mm，l1=26.5mm，w1=20mm，l2=16.33mm，w2=6.89mm，w3=0.66mm，l3=3.73mm，d1=3.22mm，d2=2.35mm，d3=3.4mm，且d4=5.5mm。端部106b上有3个通孔26，其具有0.15mm的半径和1.5mm的间距。
获得了仿真和测量得到的反射系数，其显示出良好匹配的结果，由于介电常数的变化，具有小的频率移动。还获得了仿真与测量得到的增益方向图。已发现，E平面中的主波束方向移动离开宽侧，这是因为开放的边界或不对称的构造所致。因此，天线100的构造对于某些特殊的方向图多样化天线系统可能是有用的。
非对称电容馈送VSRR天线的辐射性能示于表5中。测得的辐射效率为：对于未加载的情况，52％；以及对于加载的情况，38.9％。仿真和测量值之间的微小差异也可来自材料的损耗角正切的变化。将表5与表2、表3以及表4进行比较，已发现，电感馈送天线在辐射效率和带宽两方面具有最佳性能。
总之，电感馈送VSRR天线具有最佳的性能。从本质上讲，本发明的受超材料启示的天线的行为表现类似于PEC表面上方的磁偶极子天线。通过改变接地尺寸，还实现了小型化电偶极子型天线，这示出一些有利的特征，例如自匹配能力和小尺寸。尽管使用了损耗相对较大的衬底，但这些电小天线仍然能够提供高达68％的良好效率。它们是低成本、紧凑型的，可以容易地在2.4GHz无线LAN系统中应用，且可容易地扩大或缩小并在其它通信系统中应用。例如，本发明的VSRR天线是可缩放的，且适应于较低或较高的频率范围，例如用于UHF RFID应用。
从上面的讨论可以理解，本发明可以以多种方式实现，包括以下方式：
1.一种天线，包括：具有上表面和下表面的衬底；以及，交叉指状电容器，耦合到衬底的上表面；交叉指状电容器包括第一平面部分和第二平面部分；第一平面部分和第二平面部分包括通过布置在第一平面部分和第二平面部分之间的间隙分隔开的一个或多于一个交叉指状物；其中，交叉指状电容器被耦合到衬底，以便作为垂直式裂环谐振器运转。
2.任一前述实施例的天线，其中，天线作为具有并联辐射电阻的垂直式高Q LC谐振器运转。
3.任一前述实施例的天线：其中，天线被配置为在相对于衬底的垂直朝向上辐射能量；且其中，所述辐射能量以全向辐射方向图发射。
4.任一前述实施例的天线：其中，衬底包括PEC支持的介电衬底；且其中，天线作为衬底的PEC表面上方的磁偶极子天线运转。
5.任一前述实施例的天线，其中，天线包括具有小于约12mm的最大尺寸的、基本上平坦的小型电气结构。
6.任一前述实施例的天线，进一步包括：接地；以及，多个通孔，将衬底的上表面耦合到接地。
7.任一前述实施例的天线，其中，所述多个通孔电气耦合到交叉指状电容器的第一平面部分和第二平面部分二者，使得天线作为开环（open loop）结构运转。
8.任一前述实施例的天线，其中，接地的尺寸被设置为使得天线作为自由空间中的小型化电偶极子天线运转。
9.任一前述实施例的天线：其中，天线包括布置在衬底的上表面下方的电抗性电感表面（RIS）；且其中，RIS被配置为降低天线的谐振频率。
10.任一前述实施例的天线，进一步包括：耦合到交叉指状电容器的馈送探针。
11.任一前述实施例的天线，其中，馈送探针包括同轴馈送探针。
12.任一前述实施例的天线，其中，裂环谐振器自动匹配到馈送探针而不需要匹配网络。
13.任一前述实施例的天线，其中，馈送探针电感耦合到交叉指状电容器。
14.任一前述实施例的天线，其中，馈送探针电容耦合到交叉指状电容器。
15.任一前述实施例的天线，其中，馈送探针电气耦合到第一平面部分并且通孔耦合到第二平面部分，以形成非对称电容性裂环谐振器。
16.一种被配置用于辐射能量的设备，包括：具有上表面和下表面的衬底；以及，耦合到衬底的上表面的电容器；电容器包括通过间隙与第二平面部分分隔开的第一平面部分；其中，电容器耦合到衬底，以便作为垂直式裂环谐振器运转；且其中，垂直式裂环谐振器被配置为在相对于衬底的垂直朝向上辐射能量。
17.任一前述实施例16的设备：第一平面部分和第二平面部分包括通过间隙分隔开的一个或多于一个交叉指状物，以形成交叉指状电容器。
18.任一前述实施例的设备，其中，垂直式裂环谐振器作为具有并联辐射电阻的高Q LC谐振器运转。
19.任一前述实施例的设备，其中，裂环谐振器被配置为以全向辐射方向图辐射能量。
20.任一前述实施例的设备：其中，衬底包括PEC支持的介电衬底；且其中，设备作为衬底的PEC表面上方的磁偶极子天线运转。
21.任一前述实施例的设备，其中，设备包括具有小于约12mm的最大尺寸的、基本上平坦的小型电气结构。
22.任一前述实施例的设备，进一步包括：接地；以及，多个导通孔，将衬底的上表面耦合到接地。
23.任一前述实施例的设备，其中，所述多个通孔电气耦合到交叉指状电容器的第一平面部分和第二平面部分二者，使得设备作为开环结构运转。
24.任一前述实施例的设备，其中，接地的尺寸被设置为使得天线作为自由空间中的小型化电偶极子天线运转。
25.任一前述实施例的设备，其进一步包括：布置在衬底的上表面下方的电抗性电感表面（RIS）；其中，RIS被配置为降低设备的谐振频率。
26.任一前述实施例的设备，进一步包括：耦合到交叉指状电容器的馈送探针。
27.任一前述实施例的设备，其中，馈送探针包括同轴馈送探针。
28.任一前述实施例的设备，其中，裂环谐振器自动匹配到馈送探针而不需要匹配网络。
29.任一前述实施例的设备，其中，馈送探针电感耦合到交叉指状电容器。
30.任一前述实施例的设备，其中，馈送探针电容耦合到交叉指状电容器。
31.任一前述实施例的设备，其中，馈送探针电气耦合到第一平面部分并且通孔耦合到第二平面部分，以形成非对称电容性裂环谐振器。
32.一种用于辐射能量的方法，包括：具有上表面和下表面的衬底；将电容器耦合到具有上表面和下表面的衬底的上表面；电容器包括通过间隙与第二平面部分分隔开的第一平面部分；其中，电容器被耦合到衬底，以便作为垂直式裂环谐振器运转；并且，跨电容器施加电压以产生磁场；其中，垂直式裂环谐振器在相对于衬底的垂直朝向上辐射与磁场相关联的能量。
33.任一前述实施例的方法：第一平面部分和第二平面部分包括通过间隙分隔开的一个或多于一个交叉指状物，以形成交叉指状电容器。
34.任一前述实施例的方法，其中，裂环谐振器以全向辐射方向图辐射能量。
35.任一前述实施例的方法：其中，衬底包括PEC支持的介电衬底；且其中，所辐射能量被发射，以形成衬底的PEC表面上方的磁偶极子天线。
36.任一前述实施例的方法，进一步包括：将接地耦合到衬底的下表面并且将多个通孔耦合到衬底的上表面和接地。
37.任一前述实施例的方法，其中，所述多个通孔电气耦合到交叉指状电容器的第一平面部分和第二平面部分二者，使得垂直式裂环谐振器作为开环结构辐射能量。
38.任一前述实施例的方法，其中，接地的尺寸被设置为使得所辐射能量被发射以形成自由空间中的小型化电偶极子天线。
39.任一前述实施例的方法，进一步包括：在衬底的上表面下方耦合电抗性电感表面（RIS）；其中，RIS降低垂直式裂环谐振器的谐振频率。
40.任一前述实施例的方法，进一步包括：将馈送探针耦合到交叉指状电容器。
41.任一前述实施例的方法，其中，自动将裂环谐振器匹配到馈送探针而不需要匹配网络。
42.任一前述实施例的方法，其中，馈送探针是不对称的且电容耦合到交叉指状电容器，该方法进一步包括：移动所辐射能量的主波束方向，以发射非对称波束方向图。
尽管上面的描述包含许多细节，但这些细节不应被解释为对本发明的范围进行限制，而应被解释为仅仅是提供对本发明的一些目前优选的实施例的说明。因此，将会明了，本发明的范围充分包含对于本领域技术人员可能变得清楚的其他实施例，且本发明的范围因此仅由所附权利要求限定，在所附权利要求中，以单数提到的元件并非旨在表示“一个且仅一个”（除非明确地如此陈述），而是指“一个或多于一个”。本领域普通技术人员已知的对上述优选实施例的元件的所有结构、化学和功能等同物通过引用明确地结合于此，并旨在由权利要求涵盖。另外，装置或方法不必解决本发明寻求解决的每个及所有问题，因为它由权利要求所涵盖。此外，本公开中没有任何元件、部件或方法步骤旨在奉献给公众，无论该元件、部件或方法步骤是否在权利要求中明确记载。没有任何权利要求要素是根据35U.S.C.112第六段解释的，除非该元素是使用用语“用于……的装置”明确记载的。
表1
Figure BDA0000436667760000181
表2
Figure BDA0000436667760000182
表3
Figure BDA0000436667760000191
表4
Figure BDA0000436667760000192
表5

Claims (42)

1.一种天线，包括：
具有上表面和下表面的衬底；以及
交叉指状电容器，耦合到衬底的上表面；
交叉指状电容器包括第一平面部分和第二平面部分；
第一平面部分和第二平面部分包括通过布置在第一平面部分和第二平面部分之间的间隙分隔开的一个或多于一个交叉指状物；
其中，交叉指状电容器被耦合到衬底，以便作为垂直式裂环谐振器运转。
2.如权利要求1所述的天线，其中，天线作为具有并联辐射电阻的垂直式高Q LC谐振器运转。
3.如权利要求1所述的天线：
其中，天线被配置为在相对于衬底的垂直朝向上辐射能量；并且
其中，所述辐射能量以全向辐射方向图发射。
4.如权利要求1所述的天线：
其中，衬底包括PEC支持的介电衬底；并且
其中，天线作为衬底的PEC表面上方的磁偶极子天线运转。
5.如权利要求1所述的天线，其中，天线包括具有小于约12mm的最大尺寸的、基本上平坦的小型电气结构。
6.如权利要求1所述的天线，进一步包括：
接地；以及
多个通孔，将衬底的上表面耦合到接地。
7.如权利要求6所述的天线，其中，所述多个通孔电气耦合到交叉指状电容器的第一平面部分和第二平面部分二者，使得天线作为开环结构运转。
8.如权利要求6所述的天线，其中，接地的尺寸被设置为使得天线作为自由空间中的小型化电偶极子天线运转。
9.如权利要求6所述的天线：
其中，天线包括布置在衬底的上表面下方的电抗性电感表面（RIS）；并且
其中，RIS被配置为降低天线的谐振频率。
10.如权利要求6所述的天线，进一步包括：耦合到交叉指状电容器的馈送探针。
11.如权利要求10所述的天线，其中，馈送探针包括同轴馈送探针。
12.如权利要求10所述的天线，其中，裂环谐振器自动匹配到馈送探针而不需要匹配网络。
13.如权利要求10所述的天线，其中，馈送探针电感耦合到交叉指状电容器。
14.如权利要求10所述的天线，其中，馈送探针电容耦合到交叉指状电容器。
15.如权利要求14所述的天线，其中，馈送探针电气耦合到第一平面部分并且通孔耦合到第二平面部分，以形成非对称电容性裂环谐振器。
16.一种被配置用于辐射能量的设备，包括：
具有上表面和下表面的衬底；以及
耦合到衬底的上表面的电容器；
电容器包括通过间隙与第二平面部分分隔开的第一平面部分；
其中，电容器耦合到衬底，以便作为垂直式裂环谐振器运转；并且
其中，垂直式裂环谐振器被配置为在相对于衬底的垂直朝向上辐射能量。
17.如权利要求16所述的设备：
第一平面部分和第二平面部分包括通过间隙分隔开的一个或多于一个交叉指状物，以形成交叉指状电容器。
18.如权利要求17所述的设备，其中，垂直式裂环谐振器作为具有并联辐射电阻的高Q LC谐振器运转。
19.如权利要求17所述的设备，其中，裂环谐振器被配置为以全向辐射方向图辐射能量。
20.如权利要求17所述的设备：
其中，衬底包括PEC支持的介电衬底；并且
其中，设备作为衬底的PEC表面上方的磁偶极子天线运转。
21.如权利要求17所述的设备，其中，设备包括具有小于约12mm的最大尺寸的、基本上平坦的小型电气结构。
22.如权利要求17所述的设备，进一步包括：
接地；以及
多个通孔，将衬底的上表面耦合到接地。
23.如权利要求22所述的设备，其中，所述多个通孔电气耦合到交叉指状电容器的第一平面部分和第二平面部分二者，使得设备作为开环结构运转。
24.如权利要求22所述的设备，其中，接地的尺寸被设置为使得设备作为自由空间中的小型化电偶极子天线运转。
25.如权利要求22所述的设备，进一步包括：布置在衬底的上表面下方的电抗性电感表面（RIS）；
其中，RIS被配置为降低设备的谐振频率。
26.如权利要求22所述的设备，进一步包括：耦合到交叉指状电容器的馈送探针。
27.如权利要求26所述的设备，其中，馈送探针包括同轴馈送探针。
28.如权利要求26所述的设备，其中，裂环谐振器自动匹配到馈送探针而不需要匹配网络。
29.如权利要求26所述的设备，其中，馈送探针电感耦合到交叉指状电容器。
30.如权利要求26所述的设备，其中，馈送探针电容耦合到交叉指状电容器。
31.如权利要求30所述的设备，其中，馈送探针电气耦合到第一平面部分并且通孔耦合到第二平面部分，以形成非对称电容性裂环谐振器。
32.一种用于辐射能量的方法，包括：
具有上表面和下表面的衬底；
将电容器耦合到具有上表面和下表面的衬底的上表面；
电容器包括通过间隙与第二平面部分分隔开的第一平面部分；
其中，电容器被耦合到衬底，以便作为垂直式裂环谐振器运转；并且
跨电容器施加电压以产生磁场；
其中，垂直式裂环谐振器在相对于衬底的垂直朝向上辐射与磁场相关联的能量。
33.如权利要求32所述的方法：
第一平面部分和第二平面部分包括通过间隙分隔开的一个或多于一个交叉指状物，以形成交叉指状电容器。
34.如权利要求33所述的方法，其中，裂环谐振器以全向辐射方向图辐射能量。
35.如权利要求33所述的方法：
其中，衬底包括PEC支持的介电衬底；并且
其中，所辐射能量被发射，以形成衬底的PEC表面上方的磁偶极子天线。
36.如权利要求33所述的方法，进一步包括：
将接地耦合到衬底的下表面并且将多个通孔耦合到衬底的上表面和接地。
37.如权利要求36所述的方法，其中，所述多个通孔电气耦合到交叉指状电容器的第一平面部分和第二平面部分二者，使得垂直式裂环谐振器作为开环结构辐射能量。
38.如权利要求36所述的方法，其中，接地的尺寸被设置为使得所辐射能量被发射以形成自由空间中的小型化电偶极子天线。
39.如权利要求36所述的方法，进一步包括：
在衬底的上表面下方耦合电抗性电感表面（RIS）；
其中，RIS降低垂直式裂环谐振器的谐振频率。
40.如权利要求36所述的方法，进一步包括：
将馈送探针耦合到交叉指状电容器。
41.如权利要求40所述的方法，自动将裂环谐振器匹配到馈送探针而不需要匹配网络。
42.如权利要求40所述的方法，其中，馈送探针是不对称的并且电容耦合到交叉指状电容器，该方法进一步包括：
移动所辐射能量的主波束方向，以发射非对称波束方向图。
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