CN103999286B - 使用超材料的天线隔离 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种包括晶胞的阵列的超材料，每个晶胞由至少一个导电轨道形成。至少一个晶胞的至少一个导电轨道具有与其它晶胞的至少一个导电轨道不同的长度或宽度或厚度。超材料可置于两个或更多个天线之间以改善天线之间的隔离。

Description

使用超材料的天线隔离
技术领域
本发明涉及通过使用超材料来改善天线之间的隔离的技术，涉及超材料本身，并且涉及包括这样的超材料的天线装置。
背景技术
超材料是设计成具有自然中不存在的性质的人造材料。天然存在的材料表现出由其原子和分子结构决定的电磁特性。利用超材料，通过向材料中引入比传播通过该材料的电磁波的波长更小的结构特征来改变电磁特性。通常，这些特征将具有λ/10至λ/20的尺寸。在其最简单的形式中，这些结构特征是在诸如FR4(通常在印刷电路板(PCB)中使用)的介电基板上制造的分布式电容和电感元件。更复杂的结构是可能的，并且诸如商用电容器的分立部件的使用也已被探索过。
从天线设计者的角度来看，超材料的潜在地最有用的性质之一是具有负折射率的结构的设计。负折射率材料不是天然存在的，因为所有天然材料的介电常数ε和磁导率μ两者都具有正值。负折射率材料有许多有趣的性质，包括对衍射的正常几何规则的改变、多普勒频移的反转等。然而，无线电和天线工程师通常最感兴趣的性质是具有负ε或负μ(但不是两者)的材料对于电磁辐射不透明。透明材料的电磁性质完全由参数ε和μ指定，但通常的做法是指从n = ±确定的折射率n。当n变为负数时，诸如FR4的普通的介电基板材料(其在微波射频下为自然地半透明的)可以变得对无线电波不透明。这可以具有用于使天线免受附近的导电表面的影响和用于改善天线之间的隔离的应用。
可以在微波频率下使用设计成具有适当的电容C和电感L的导电元件的阵列来构造负折射率超材料。最早和最常使用的元件之一是开口环式谐振器(SRR) [Pendry, J B.;AJ Holden, DJ Robbins, and WJ Stewart. "Magnetism from Conductors andEnhanced Nonlinear Phenomena" IEEE Trans. Microwave Theory Tech 47 (11):2075-2084, 1999]。每个SRR元件包括两个或更多个同心环，每个同心环都具有开口。每个元件的电容由同心环之间的近间距产生，并且电感由用来形成环的细印刷迹线产生。
已知提供具有双L形谐振器包含物的左手超材料[J. H. Lv, X. W. Hu, M.H.Liu, B. R. Yan and L. H. Kong.: "Negative refraction of a double L-shapedmetamaterial", J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 11 085101, 2009]。这里，L形谐振器由在FR4基板上的铜线形成，其中每个晶胞(unit cell)包括一对布置成彼此相对地旋转180°的L形谐振器。
还从Hsu, C-C等人已知["Design of MIMO Antennas with Strong Isolationfor Portable Applications"; IEEE Antennas and Propagation SocietyInternational Symposium, 2009, pp 1-4]提供具有由周边轨道围绕的背对背L形导电构件的超材料。超材料可以置于MIMO天线对之间以改善隔离。
其它超材料包括具有开口环式谐振器晶胞的那些，如例如在Moser, H O等人的文献中所述["Electromagnetic metamaterials over the whole THz range -achievements and perspectives"; ELECTROMAGNETIC MATERIALS Proceedings of theSymposium R, ICMAT 2005 (World Scientific Publishing Co.): 18]。
常用的微波射频为2.4GHz，该频率用于Bluetooth™链路、无线局域网(WLAN)等。在2.4GHz下的波长为约120mm，并且这样阵列中的每个LC元件可能预计具有典型地大约6-12mm的尺寸。
发明内容
现代无线电通信系统常常利用天线分集或MIMO(多输入多输出)天线技术。分集系统和MIMO系统两者都需要在相同时间且在相同频率下操作的不止一个天线，并且这样天线之间的良好隔离就变得重要。差的隔离导致天线效率的损失，因为来自一个天线的功率结束于其它天线中，而不是被辐射。差的隔离还导致分集和MIMO性能的损失，因为天线之间的耦合意味着它们没有充分独立地接收无线电多径环境的样本。
从第一方面来看，提供了一种包括各自由至少一个导电轨道形成的晶胞的阵列的超材料，其中至少一个晶胞的至少一个导电轨道具有与其它晶胞的至少一个导电轨道不同的长度或宽度或厚度。
超材料可包括形成于介电基板上或介电基板中的晶胞的2D阵列。
在一些实施例中，超材料可包括晶胞的2D阵列的叠堆，晶胞的每个2D阵列形成于相应的介电基板上或介电基板中。叠堆中的至少一个介电基板可由具有与叠堆中的至少一个其它介电基板不同的介电常数的材料制成。这可以帮助改善超材料在两个或更多个天线之间提供隔离的带宽。
超材料可包括在介电基板的第一表面上的晶胞的第一2D阵列，以及在介电基板的相对的第二表面上的晶胞的第二2D阵列。晶胞的至少一个另外的2D阵列可以形成为在第一和第二2D阵列之间的介电基板内的填隙层中。
至少一个2D阵列的晶胞可以各自由至少一个导电轨道形成，该至少一个导电轨道具有与至少一个其它2D阵列中的晶胞的至少一个导电轨道不同的长度或宽度或厚度。这可以帮助改善超材料在两个或更多个天线之间提供隔离的带宽。
至少一个且通常每个晶胞可包括配置为开口环式谐振器的至少一个导电轨道。开口环式谐振器可以是关于镜面对称的或者可以是非对称的。在本文的上下文中，非对称表示不具有垂直于导电轨道的平面的镜面对称平面的开口环式谐振器。非对称布置可以在比对称布置更宽的带宽上提供隔离。
至少一个晶胞可包括第一和第二L形导电构件，其背对背设置在平面中且在构件之间具有间隙，并且由周边导电轨道连接在一起，该周边导电轨道从第一L形导电构件的臂延伸至第二L形导电构件的臂，以便基本上围绕平面中的两个L形导电构件。
优选地，L形导电构件、开口环式谐振器和/或周边导电轨道形成于介电基板(例如，诸如Duroid®或FR4的印刷电路板(PCB)基板)上或诸如用于柔性电路的柔性塑料基板上。在一些实施例中，L形导电构件、开口环式谐振器和/或周边导电轨道可以印刷或形成于胶带形式的介电基板上，该介电基板可以接着根据需要施加到PCB基板上。
在一些实施例中，周边导电轨道可以是轮廓上大体矩形的。备选地，可以采用大体圆形、椭圆形、卵形或其它多边形的轮廓。
间隙可以限定在周边导电轨道中，其对应于背对背L形导电构件之间的间隙。换言之，周边导电轨道可以在两个L形构件之间开裂。
备选地，周边导电轨道不在两个L形构件之间开裂，而是形成连续的周边。
元件的阵列可被配置为具有大体2D配置的n×m阵列。备选地，元件的阵列可被配置为具有大体3D配置的l×n×m阵列。在另一些实施例中，若干层超材料可以彼此上下堆叠，其中在每个层上形成有相同或不同的2-D阵列元件。
在任何给定的阵列内的元件可以大体上具有相同的形状和尺寸。备选地，在任何给定的阵列内的一个或多个元件可具有略微不同的尺寸或形状，以使得元件在略微不同的频率下谐振。备选地或除此之外，至少一个元件中的一个L形导电构件可以在尺寸和/或形状上不同于另一个L形导电构件。这些布置可以帮助改善带宽。
元件的每个阵列不一定是填满的阵列。实际上，一个或多个元件可以从阵列中被省略，并且已经发现这样改善了在更宽的带宽上隔离的程度。此外，可以通过改变一个或多个元件在通过未填满阵列而变得可用的空间中的位置来提供一定程度的调谐。例如，未完全填满的阵列可包括具有两个元件的左手列、具有两个元件的右手列、以及具有仅一个元件的中间列。通过使中间列中的元件沿该列向上或向下移动，超材料的带宽可根据需要被微调。
超材料可用来改善两个或更多个天线之间的隔离。这在使用天线分集或MIMO技术的天线系统中特别具有优势，因为这些系统采用在小的空间内同时操作的若干个天线。
从第二方面来看，本发明提供了包括设置在基板上的至少两个天线和设置在该至少两个天线之间的第一方面的超材料的一部分的天线系统。
还可以使用包括具有第一和第二相对表面的介电基板的超材料，其中第一图案的元件形成于第一表面上，并且第二图案的元件形成于第二表面上。第一和第二图案的元件可被调谐至不同频率或频带，并且双表面超材料在设置于一对双频带天线之间时可以改善两个频带上的天线隔离。
类似的结果可通过以下方式实现：形成包括具有第一图案元件的介电基板的第一超材料；形成包括具有第二图案元件的介电基板的第二超材料；并且然后在一对天线之间将第二超材料定位在第一超材料的顶部上。
该原理可以推广到多个超材料层或表面，以便改善在若干频带中两个天线之间的隔离。
超材料也可用来改善若干（多于两个）天线(包括以共面方式和以除共面之外的几何形状设置的若干天线)之间的隔离。
在一些实施例中，超材料的导电结构被印刷或以其它方式形成于介电基板材料(例如，FR4)的一个或两个表面上。在其它实施例中，导电结构被印刷或以其它方式形成于介电基板材料(例如，FR4)的填隙层上。应当理解，也可以使用包括Duroid®的其它普通的PCB基板材料。可以使用具有相同或不同介电常数的多层介电基板。
其它低或高介电常数的材料(典型地在1至90的范围中)可以被用作超材料的基板。
某些实施例的新型超材料结构可用来增加一对紧密地间隔开的天线之间的隔离。一些实施例的超材料结构可以是低成本的，因为它可以被印刷在一层FR4(无线电工业中常用的低成本基板材料)上。一些实施例具有另外的优点：对于双频带天线和天线布置来说，超材料可被设计成改善两个频带之间的隔离。这可以通过在第一层之上或之下引入印刷有LC元件的不同阵列的介电基板的附加层来实现。实际上，在更多个频带之间的隔离通过引入更多个层是可能的。
附图说明
下面参照附图进一步描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出包括在PCB上的一对紧密地间隔开的双频带WLAN天线的现有技术布置；
图2是示出图1的布置的两个WLAN天线之间的隔离的图线；
图3示出包括PCB上的超材料的第一实施例；
图4示出包括PCB上的超材料的第二实施例；
图5示出包括双频带复合超材料的第三实施例，其包括图3实施例的第一层和图4实施例的第二层；
图6示出设置在类似于图1中所示那样的一对WLAN天线之间的图5的超材料；
图7是示出图6的布置的两个WLAN天线之间的隔离的图线；
图8示出如何可以通过移动一层超材料上的中间元件来调谐图5实施例的超材料；
图9是示出当一层超材料上的中间元件被移动时图6的布置的两个WLAN天线之间的隔离的图线；
图10示出包括介电基板上的开口环式谐振器的2D阵列的超材料，其中开口环式谐振器中的一个或多个具有与其它不同的尺寸；
图11示出包括介电基板上的开口环式谐振器的2D阵列的超材料，其中开口环式谐振器中的一个或多个具有与其它不同的形状；
图12示出超材料，其包括在介电基板的一个表面上的具有第一配置的开口环式谐振器的2D阵列、以及在介电基板的另一个表面上的具有第二不同配置的开口环式谐振器的2D阵列；以及
图13示出超材料，其包括在介电基板的一个表面上的具有第一配置的开口环式谐振器的2D阵列、在介电基板的另一个表面上的具有第二不同配置的开口环式谐振器的2D阵列、以及在介电基板的表面之间的具有第三不同配置的开口环式谐振器的填隙2D阵列。
具体实施方式
图1示出两个共面的2.4/5GHz双频带四分之一波长单极子天线1、2以大体上平行的布置在PCB 3上紧密地间隔开，该PCB包括介电基板4(带有在基板4的一部分之上的导电接地面5)和天线1、2所处的不带有接地面5的区域6。应当理解，这只是示例性布置，并且在适当调整超材料设计的情况下，其它类型的天线和其它频带可与本申请的实施例一起使用。在图1中，PCB 3的宽度为20mm，并且不带有接地面5的天线区域6为15mm长。天线的长下部7通常负责2.4GHz的辐射，并且升高部分1、2负责5GHz辐射。天线在其最高部分处的高度为3.2mm。
在2.40-2.48GHz WLAN频带中，单极子天线1、2仅间隔开约λ/6，并且因此它们之间的隔离是差的约-6dB，参见图2。在4.9-5.9GHz WLAN频带中，单极子天线1、2被进一步电气隔离，但即使这样，仍出现隔离保持在差的约-8dB的最坏情况。
本申请的实施例的超材料结构在图3中示出。多个导电的LC(电感电容)元件8被印刷在FR4基板9的单个表面上，并且不需要到大地的通路(在一些超材料结构中使用)。在图示实施例中，元件8并未导电地连接到彼此。每个元件8的电感由狭窄的导电轨道10产生，并且电容主要来自紧密地间隔开的背对背L形元件11。双L形超材料的使用已在文献中描述[J. H. Lv, X. W. Hu, M.H. Liu, B. R. Yan and L. H. Kong.: "Negativerefraction of a double L-shaped metamaterial", J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 11085101, 2009]，但这里一个L形相对于另一个倒置，而不是如在本申请中描述的背对背。已经发现使用如图3所示的元件8的未填满阵列是有利的，其中在位置12处没有元件8。已经发现，移除元件能改善带宽，并且上下移动剩余的中心元件13(在该示例中)可用来调谐特定应用的带宽。图3的超材料结构在约2.4GHz下提供了良好的电磁隔离。
备选的超材料设计在图4中示出，并且被调谐到5GHz频带。与图3的实施例一样，多个导电的LC元件8'被印刷在FR4基板9的单个表面上，但在图4的实施例中，元件8'被导电地链接到彼此且布置为一对紧密地间隔开的列。其它布置是可能的。
为了实现实用的双频带装置，两个不同的超材料表面可以组合。例如，图4的实施例的5GHz表面可以安装在图3的实施例的2.4GHz表面上并且与2.4GHz表面适当地配准或对齐，如图5所示，以提供双频带超材料14。
图6示出在PCB 3上的一对单极子天线1、2的完整结构，其中图5的双频带组合超材料14设置在单极子天线1、2之间。
在双频带超材料14就位的情况下，天线1、2之间的隔离在两个频带上得到改善，如图7所示。在较低的2.4GHz频带中，隔离具有非常深的零位(null)，并且甚至在频带边缘处，其为大约-12dB。这可以通过小心调谐超材料14以将零位刚好置于频带中心中来改善。在高频频带中，在5GHz左右的隔离为-20dB。通过再调谐超材料14可以将该凹口移动至4.9-5.9GHz频带的任何部分。
双频带超材料14的下层为未填满的阵列并且在中心列中省去一个元件(参见图3)。在该列内移动元件的位置(参见图8)可用来改变在5GHz频带中隔离的带宽，而不会过多影响2.4GHz的隔离频率。图9中示出了这种效应。
在该示例性布置中，2.4GHz超材料已示出为3×2元件阵列，而5GHz超材料已示出为2×3阵列。应当理解，具有更大或更小数目的元件的其它阵列配置是可能的。还应当理解，可以移除不止一个阵列元件以调谐隔离效应的带宽。
在上述示例性布置中，FR4已被用作基板材料。可以使用包括低和高介电材料的许多其它类型的基板材料。通常，超材料的有益特性随着阵列中元件数目的增加而改善。对于给定的平台尺寸来说，高介电基板的使用可用来缩小元件尺寸并允许在阵列中使用更多元件。
以上示例性布置描述了包括两个层的双频带超材料。通常，可以使用n层基板形成n频带超材料。
虽然已在以上示例性布置中描述了两个天线之间的隔离，但是通过在所有对之间适当地设置超材料元件可能实现更大数目之间的隔离。
以上示例性布置描述了两个共面天线，但是所描述的超材料也可以用来改善使用其它几何形状设置的天线之间的隔离。
图10示出了包括介电基板9上的开口环式谐振器8的2D阵列的超材料，其中开口环式谐振器8中的一个或多个具有与其它不同的尺寸。这可以帮助在更宽的带宽上提供隔离。
图11示出了包括介电基板9上的开口环式谐振器8的2D阵列的超材料，其中开口环式谐振器8中的一个或多个具有与其它不同的形状。这可以帮助在更宽的带宽上提供隔离。
图12示出了包括在介电基板9的一个表面上的具有第一配置的开口环式谐振器8的2D阵列、以及在介电基板9的另一个表面上的具有第二不同配置的开口环式谐振器8'的2D阵列的超材料。这可以帮助在更宽的带宽上提供隔离。
图13示出了包括在介电基板9的一个表面上的具有第一配置的开口环式谐振器8的2D阵列、在介电基板9的另一个表面上的具有第二不同配置的开口环式谐振器8'的2D阵列、以及在介电基板9的表面之间的具有第三不同配置的开口环式谐振器8"的填隙2D阵列的超材料。这可以帮助在更宽的带宽上提供隔离。
贯穿本申请文件的说明书和权利要求书，词语“包括”和“包含”以及这些词语的变型是指“包括但不限于”，并且它们并非意图(并且不)排除其它部分、添加部分、部件、整体或步骤。贯穿本申请文件的说明书和权利要求书，单数涵盖复数，除非上下文另有所指。特别地，当使用不定冠词时，本申请文件应理解为考虑了复数以及单数，除非上下文另有所指。
结合本发明的特定方面、实施例或示例描述的特征、整体、特性、化合物、化学部分或基团应理解为适用于本文所描述的任何其它方面、实施例或示例，除非与其不相容。本申请文件(包括任何所附权利要求、说明书摘要和附图)中公开的所有特征、和/或所公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合结合，但不包括其中这样的特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合。本发明不限于任何前述实施例的细节。本发明延伸至在本申请文件(包括任何所附权利要求、说明书摘要和附图)中公开的特征的任何新颖特征或任何新颖组合，或者延伸至所公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖步骤或任何新颖组合。
读者的注意力被导向所有文章和文献上，这些文章和文献结合本申请与本说明书同时提交或先于本说明书提交，并与本说明书一起公开接受公众检查，并且所有这些文章和文献的内容均以引用方式并入本文中。

Claims (16)

1.一种包括晶胞的阵列的超材料，每个晶胞由至少一个导电轨道形成，其中至少一个晶胞的至少一个导电轨道被配置为不具有垂直于该导电轨道的平面的镜面对称平面的非对称开口环式谐振器，其中所述至少一个晶胞包括第一和第二L形导电构件，所述第一和第二L形导电构件背对背设置在平面中且在所述构件之间具有间隙，并且由周边导电轨道连接在一起，所述周边导电轨道从所述第一L形导电构件的臂延伸至所述第二L形导电构件的臂，以便基本上围绕所述平面中的两个L形导电构件，其中在所述至少一个所述晶胞中的所述第一和第二L形导电构件的尺寸和/或形状彼此不同。
2.根据权利要求1所述的超材料，包括形成于介电基板上或介电基板中的晶胞的2D阵列。
3.根据权利要求1所述的超材料，包括晶胞的2D阵列的叠堆，晶胞的每个2D阵列形成于相应的介电基板上或形成于相应的介电基板中。
4.根据权利要求3所述的超材料，其中所述叠堆中的至少一个介电基板由具有不同于所述叠堆中的至少一个其它介电基板的介电常数的材料制成。
5.根据权利要求1所述的超材料，包括在介电基板的第一表面上的晶胞的第一2D阵列，以及在所述介电基板的相对的第二表面上的晶胞的第二2D阵列。
6.根据权利要求5所述的超材料，还包括形成为在所述第一和第二2D阵列之间的介电基板内的填隙层中的晶胞的至少一个另外的2D阵列。
7.根据权利要求3所述的超材料，其中至少一个2D阵列的晶胞各自由至少一个导电轨道形成，所述至少一个导电轨道具有与至少一个其它2D阵列中的晶胞的至少一个导电轨道不同的长度或宽度或厚度。
8.根据权利要求1所述的超材料，其中每个晶胞包括配置为开口环式谐振器的至少一个导电轨道。
9.根据权利要求1所述的超材料，其中至少一个晶胞的周边导电轨道在轮廓上为大体矩形。
10.根据权利要求1所述的超材料，其中至少一个晶胞的周边导电轨道在轮廓上为大体圆形、椭圆形、卵形或多边形。
11.根据权利要求1所述的超材料，其中对于至少一个晶胞来说，在所述周边导电轨道中限定了间隙，所述间隙对应于所述背对背L形导电构件之间的间隙。
12.根据权利要求1所述的超材料，其中对于至少一个元件来说，所述周边导电轨道在所述两个L形构件之间不开裂，而是形成连续的周边。
13.根据权利要求1所述的超材料，其中一个或多个晶胞具有不同的尺寸或形状，使得所述晶胞以不同的频率进行谐振。
14.根据权利要求1所述的超材料，其中晶胞的阵列不是填满的阵列，一个或多个元件已从其中被省略。
15.根据权利要求1所述的超材料，其中所述至少一个晶胞的所述至少一个导电轨道具有与其它晶胞的至少一个导电轨道不同的长度或宽度或厚度。
16.一种天线系统，其包括设置在基板上的至少两个天线和设置在所述至少两个天线之间的根据权利要求1至15中的任一项所述的超材料的一部分。
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