CN106165196A

CN106165196A - 用于电路设计的超材料基板

Info

Publication number: CN106165196A
Application number: CN201580019470.5A
Authority: CN
Inventors: C·W·王
Original assignee: Kasp Co
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-04-18
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2016-11-23
Also published as: US9748663B2; US20170033468A1; EP3132497A4; EP3132497A1; WO2015161323A1

Abstract

本发明实现了频率选择表面(“FSS”)和人工磁导体(“AMC”)，其在从封装中的小且薄系统和子系统至大尺寸PCB的任何基板的层中展现电磁带隙(“EBG”)。超材料基板可与电路部件集成或埋嵌在PCB中用于电路设计，其能够发射、接收并且反射电磁能，更改天然电路材料的电磁性质，增强系统和子系统电路设计中的电气部件(诸如滤波器、天线、平衡‑不平衡变换器(baluns)、功率分配器、传输线、放大器、功率调节器和印刷电路元件)的电气特性。所述超材料基板形成不易用常规电路材料、基板和PCB获得的新电气特性、性质和系统、子系统或部件的技术规格。超材料基板厚度可以小于70μm并且埋嵌至任何PCB层中。

Description

用于电路设计的超材料基板

发明背景

1.优先权要求。

本申请案要求于2014年4月18日提交的标题为“Metamaterial Antenna”的美国临时专利申请案第61/981,680号的优先权，其全文以引用的方式并入。

2.发明领域

本发明提供了一种超材料基板，其可与电路部件集成和/或用作印刷电路板和接线板(统称作“PCB”)中的电路层，其能够发射、接收并且反射电磁能，更改天然电路材料的电磁性质，增强系统和子系统电路设计中的电气部件(诸如滤波器、天线、平衡-不平衡变换器(baluns)、功率分配器、传输线、放大器、功率调节器和印刷电路元件)的电气特性。

3.相关技术。

超材料通过以特定周期性样式重复基本构建块而实现。基本构建块被称作单位元件(“UE”)，且它定义超材料的基础性质。数个不同设计对于UE而言是可能的。例如，一个UE是Sievenpiper蘑菇型UE，如图1中所示。顶部导电贴片100可通过也被称作通孔的短路探针104连接至底部接地平面102。这种构造可示于图2中，其中介电材料200形成用于具有底部接地平面204的导电贴片202的支撑结构。顶部导电贴片202可通过也被称作通孔的短路探针206连接至底部接地平面204。Sievenpiper也指明当在蘑菇型UE中存在薄结构时，带宽也减小。

图3是具有顶部导电贴片300、通孔302、介电基板304和接地平面306的蘑菇型UE的现有技术透视图。图4是简化电模型，其图示分别由短路探针104或206和每一个蘑菇型UE100或202之间的间隙形成的左手性并联电感L_L和左手性串联电容C_L。短路探针104或206提供至少部分形成电磁带隙(“EBG”)接地平面或表面的电感L_L。但是，理想超材料蘑菇型UE由于寄生效应而无法实际/物理实现。相同地，图5描绘针对蘑菇型UE的包括串联LC谐振电路和并联LC谐振电路的一般模型。

对连接装置的需求在快速增长，而天线集成仍是未解决的“最后一英里”问题。小型、离散天线通常由陶瓷介电材料以贴片或芯片形式制成。小型、离散天线也可用金属片、线制成并且也可印刷在印刷电路板(“PCB”)上，例如作为倒F型天线、平坦倒F型天线(“PIFA”)和类似天线。这些天线的大小可通过使用较高相对介电系数(ε_r)材料减小。但是，更高ε_r增大介电损耗，其降低总体天线效率。

小型天线也可能需要大接地平面，并且可能对附近物体非常灵敏。此外，小型天线可能对接地平面的大小灵敏。因此，接地平面设计可能在小型天线的性能中发挥重要作用。当接地平面的大小未满足天线的技术规格时，天线效率可从80％显著减小至仅百分之几或甚至更小。这些小型天线也可具有仅一(1)至两(2)米的非常短的范围。

相比之下，标准陶瓷贴片天线提供改进的性能。但是，它们大且厚的体积性质使得它们对于愈发紧凑的装置而言不切实际。一些天线设计使它们的大小缩减至9×9mm。但是，这些设计遭受不良效率、增益和窄带宽。此外，微型化贴片天线表现得像电容器，需要大的接地平面，因此无法达成微型化的目标。

愈发小尺寸的终端产品采用无线电“同在(cohabitation)”，即，超过一个发射器和接收器。这些设计将多个无线连接技术混合和匹配在一个设计中。除设计内非期望和非有意的干涉外，同在可能遭受不足的接收信号电平、天线之间的高耦合和更高的信号误差。

具有嵌入式电路(例如，LNA、滤波器等)的有源集成电子天线试图减轻由无线电同在导致的劣化。许多有源集成电子天线模块用PCB一侧上的贴片天线和另一侧上的电路(用金属盖屏蔽)制作。这些天线可用用于外部连接和天线分离的同轴电缆和RF连接器组装。但是，结果是大型、笨重且昂贵的天线系统。

与在小型装置中紧密间隔的多个天线相关的其它挑战包括强互耦和交叉极化畸变，其导致畸变的辐射图案和减小的信道容量。实现密集天线元件之间的高度隔离在小型装置中可能是困难的且在天线模块中不切实际。

蘑菇型UE可被制作为元件的平坦二维周期性阵列以形成基于频率选择表面(“FSS”)或人工磁导体(“AMC”)的超材料。基于FSS或基于AMC的超材料可用类似于图5的等效LC电路建模。在较高频率(诸如微波和无线电频带中的频率)下，UE的L&C的分布特性可被设计来在定义的频率范围下形成电磁带隙(“EBG”)，由此抑制规定范围内的表面波传播。这些“禁止运行频率”是其中在天线与接地平面之间产生的表面波形成在电介质内的频率。表面波可与天线的期望辐射异相180°，且所产生的相消干涉可能损及天线效率、增益和带宽。

作为相对于传统金属接地平面的改进，展现EBG特性的FSS或AMC表面(统称EBG表面或EBG接地平面)可作为线天线的低剖面集成的新型接地平面运作。例如，即使当水平线天线极接近EBG表面时，穿过天线的电流和其穿过接地平面的镜像电流是同相(而非异相)，由此有利地增强辐射。EBG接地平面或表面的可用带宽被大致界定为中心频率的任一侧上的+90°至-90°相差。结构可用于诸如微波电路和天线的应用中。

对于2.4GHz的工业、科学和医学(“ISM”)频带中的天线应用，EBG接地平面可被制作来覆盖从约2GHz至3GHz的频率范围。根据特性用微波级介电材料制作的蘑菇型UE的典型大小示于表1中。

表1

存在克服由天然介电材料对系统级封装(“SiP”)设计者强加的电和磁极限，由此超越小型封装设计中固有的电和磁性质的限制。如上所述的UE可用于更容易地，以较低成本且以更大的功能性和可靠性形成适用于集成天线、电力线、噪声抑制滤波器、无线电频率(“RF”)功率分配器、电感器、表面声波(“SAW”)滤波器、振荡器和其它电路的SIP设计的超材料层。克服由小型封装设计的电和磁性质的限制带来的挑战将导致SiP设计者的有源集成电子天线和滤波器技术的发展并且实现对无线连接技术的快速增长的大预期，诸如蓝牙v4.0、Wi-Fi、近场通信、GPS、超宽带(“UWB”)、ISM无线调制解调器、802.15.4/ZigBee和无线充电(例如，Qi/A4WP)和这些技术和标准的未来衍生物。

发明概要

本发明提供一种可针对电路设计与电路部件集成或嵌入于PCB中的超材料基板，其能够发射、接收并且反射电磁能，更改天然电路材料的电磁性质，增强系统和子系统电路设计中的电气部件(诸如滤波器、天线、平衡-不平衡变换器、功率分配器、传输线、放大器、功率调节器和印刷电路元件)的电气特性。

这种超材料基板通常与传统印刷电路介电层一样薄或比它们薄，且因此可被并入至装置的基板积层中以及用作通过依序层压和图案化或批量层压预图案化介电层而构建的多层、大尺寸印刷电路板(“PCB”)中的离散层。超材料基板也可被制作小至足以与小型电气部件、模块和系统级封装(“SiP”)装置组合以形成不易用传统的电路材料、基板和PCB获得的新电气特性、性质和系统、子系统或部件技术规格。超材料基板厚度可以小于70μm且位于印刷电路板的任意层上。具体地，本发明形成了频率选择表面(“FSS”)和人工磁导体(“AMC”)，其在用于小型和薄电子系统和子系统以及系统级封装和大尺寸PCB中的互连基板的一个或更多个层上产生电磁带隙(“EBG”)。

在检查下列附图和详细描述时，对于本领域的技术人员来讲，本发明的其它系统、方法、特征和优点将是显而易见的或是将变得显而易见。所有这些额外系统、方法、特征和优点旨在被包括在本描述中，在本发明的范围内，且由所附权利要求保护。

附图简述

图中的部件未必按比例绘制，将重点放在说明本发明的原理上。在图中，在不同视图内，相同参考数字标注相应零件。

图1是蘑菇型UE的现有技术侧视图。

图2是多个蘑菇型UE的现有技术FSS。

图3是蘑菇型UE的现有技术透视图。

图4是蘑菇型UE的简化电模型。

图5是蘑菇型UE的复合电模型。

图6是具有周期性UE结构的超材料的基本结构的透视图。

图7是具有形成从972MHz至3.698GHz的EBG的来自表2的超薄UE A的超材料基板的曲线图。

图8是具有形成从756MHz至2.64GHz的EBG的来自表2的超薄UE B的超材料基板的曲线图。

图9是具有形成从1.5GHz至3.1GHz的EBG的来自表2的超薄UE C的超材料基板的曲线图。

图10是图示螺旋UE的俯视图，其图示3×3周期性EBG方形结构。

图11是螺旋超薄且超小UE的俯视图。

图12是螺旋超薄且超小UE的横截面侧视图。

图13是针对UE在相反方向上回转的两个线圈的俯视图。

图14是对称四臂环形线圈UE的俯视图。

图15是弯曲螺旋形线圈UE的俯视图。

图16是双层线圈UE的透视图。

图17是双层线圈UE的横截面侧视图。

图18是构造为具有基板嵌入式芯片电感器的蘑菇型UE的横截面侧视图。

图19是由方形贴片样式取代的螺旋元件样式的俯视图。

图20是小型天线的俯视图。

图21是小型天线的俯视图，其具有小型天线下方的EBG接地平面。

图22是覆盖于EBG接地平面上的微型天线的透视图。

图23是使用EBG接地平面构造且具有传统接地平面的微型天线的曲线图。

图24是制作为具有螺旋EBG的超材料基板天线的横截面侧视图。

图25是制作为具有嵌入式芯片电感器EBG的超材料基板天线的横截面侧视图。

图26是具有集成超材料基板天线和基板嵌入式部件的倒BGA封装天线(“AiP”)模块(统称作3D AiP)的横截面侧视图。

图27是具有集成超材料基板天线和基板嵌入式部件的LGA AiP模块(统称作3DAiP)的横截面侧视图。

图28是具有侧向超材料基板天线结构，具有顶层上的部件和基板嵌入式部件的混合LGA AiP模块(统称3D AiP)的横截面侧视图。

图29是具有侧向超材料天线结构而无顶层上的部件和基板嵌入式部件的混合LGAAiP模块(统称3D AiP)的横截面侧视图。

图30是集成有超材料基板天线的顶部上的磁介电上覆结构和基板嵌入式部件的倒BGA超AiP模块(统称作3D AiP)的横截面侧视图。

图31是集成有超材料基板天线的顶部上的磁介电上覆结构和基板嵌入式部件的LGA AiP模块(统称作3D AiP)的横截面侧视图。

图32是具有在侧向超材料基板天线结构的顶部上的磁介电上覆结构且具有顶层上的部件和基板嵌入式部件的混合LGA AiP模块(统称作3D AiP)的横截面侧视图。

图33是具有在侧向超材料基板天线结构的顶部上的磁介电上覆结构而无顶层上的部件和基板嵌入式部件的混合LGA AiP模块(统称作3D AiP)的横截面侧视图。

图34是在接地平面上构造的携载1GHz至6GHz的微带传输线的透视图。

图35是在接地平面上构造的携载1GHz至6GHz的微带传输线的横截面图。

图36是范围从-0.07dB至-0.14dB功率损耗的常规微带传输线的S21传输系数的图形曲线。

图37是常规微带传输线的S11反射系数的史密斯圆图，S11跨从1GHz至6GHz的频率范围具有靠近中心的50欧姆的阻抗散布。

图38是构造在埋嵌EBG接地平面上的携载1GHZ至6GHz信号的三层结构的微带传输线的透视图。

图39是构造在埋嵌EBG接地平面上的携载1GHz至6GHz信号的三层微带传输线的透视图。

图40是单个背面EBG的四层带线传输线的横截面图。

图41是双重EBG五层带线传输线的横截面图。

图42是携载1GHz至6GHz信号的背面EBG的传输线的功率损耗的曲线图，其示出范围从-0.009dB至-0.03dB的几乎无损耗性能。

图43是三层结构的微带传输线的S11反射系数的史密斯圆图，S11跨从1GHz至6GHz的频率范围居中于50欧姆阻抗处。

图44是超材料结构的组成和制造方法的步骤的流程图。

图45是超材料基板结构的组成和制造方法的步骤1的横截面图。

图46是超材料基板结构的组成和制造方法的步骤2的横截面图。

图47是超材料基板结构的组成和制造方法的步骤3的横截面图。

图48是超材料基板结构的组成和制造方法的步骤4的横截面图。

图49是超材料基板结构的组成和制造方法的步骤5的横截面图。

图50是超材料基板结构的组成和制造方法的步骤6的横截面图。

图51是超材料基板结构的组成和制造方法的步骤7的横截面图。

图52是超材料基板结构的组成和制造方法的步骤8的横截面图。

具体实施方式

超材料基板是展现超薄介电厚度的新型有序人工复合材料，其具有在用作SiP模块和多层PCB中的接地、参考或反射平面的传统电路材料中不易观测到的非同一般的电磁性质。它们的精确形状、几何形状、大小、定向和布置可能以超出印刷电路中使用的传统介电材料的能力的方式影响电磁波。例如，它们的超薄且超小结构展现电磁带隙(“EBG”)，其可集成在微波装置和SiP模块中以改进性能。它们可用作电路材料来设计放大器、滤波器、功率分配器、平衡-不平衡变换器等。它们可用在小轮廓和大尺寸PCB中以在传输线结构中提供减小的损耗。除微波装置外，超材料基板也可用在天线的设计中。由于它们可提供EBG，所以超材料基板可用来增强密集多入多出(“MIMO”)天线系统之间的隔离。它们也用来微型化天线并且修改天线的特性。

此外，超材料基板可用来制作在定义的运行频率范围下具有用户设计的电磁响应的材料。这实现新颖的电磁行为，诸如负折射率、透镜效应、吸收体和隐身斗篷。这些超材料可被分类为频率选择表面(“FSS”)或人工磁导体(“AMC”)。

超材料基板可通过以特定周期性样式重复基本构建块而实现。图6和图10图示具有周期性结构的超材料基板的结构。周期性结构的基本构建块被称作UE，且它定义超材料的基本性质。

在天线中使用超材料基板的优点包括：

1.提供EBG以修改天线的特性。

2.增大天线效率和增益。

3.天线微型化。

4.增强密集MIMO天线系统之间的隔离。

5.加强辐射，其导致非常高度定向波束。

组合超材料基板、天线结构、微型化和形成端对端、混合信号解决方案的电路的异质3D集成可实现天线至基带解决方案。因此，超材料基板的使用通过集成、大小缩减、效率改进和规模经济性而提供无线连接技术的大规模采用的可能性且缩短紧凑产品设计的设计周期。

超材料基板的各种应用包括：

1.可通过电路设计的传统层压工艺与电路部件组合或埋嵌于多层PCB的任意层中的超小UE的超薄(例如，薄至17至100μm)超材料激发的PCB叠层复合材料，其能够发射、接收并且反射电磁能，更改天然电路材料的电磁性质，增强系统和子系统电路设计中的电气部件(诸如滤波器、天线、平衡-不平衡变换器、功率分配器、传输线、放大器、功率调节器和印刷电路元件)的电气特性。超小UE可意指从1mm×1mm和以上的UE且接着在超材料基板的整个制作面板(例如，24”×18”、18”×12”、12”×10”等)内或在UE阵列(例如，1×2、2×2、3×2、3×3等)中按周期性顺序排列为具有如在图6和图10中所示的间隙d以形成具有在定义的运行频率范围下的EBG的超材料激发的PCB叠层或基板。

2.实现具有小接地平面的实用微型天线。一些实施方案可通过无线连接装置的3D系统级封装(统称作“3D-SiP”)装置或3D封装天线(统称作“3D-AiP”)形式的3D异质集成将微型天线和小接地平面与滤波器、放大器或PCB内的其它电气部件组合。小接地平面可意指针对2.4Hz天线的5mm×5mm或针对1.5GHz天线的13mm×13mm。

3.超材料激发的3D-AiP可进一步利用封装结构的三维体积演变为具有PCB内部或外部的不同部件布置的不同构造。

4.作为上覆结构的磁介电材料可与超材料激发的3D-AiP组合。

超材料激发天线可用用于天线性能增强和天线微型化的下列元件组成。一些实施方案可依据电气部件是嵌入于PCB的外层内或安装在PCB的外层上而实施为3D-SiP或3D-AiP。

1.具有用于基板嵌入或PCB层压工艺的实用尺寸的超薄且超小UE。

2.超薄且超小UE提供期望运行频率下的EBG接地平面或EBG表面。

3.一些实施方案可包括磁介电材料作为超材料激发的天线中的上覆结构。磁介电材料充当上覆材料以增强磁导率(例如，μ_r>1)，其促进天线微型化。

4.天线元件和天线接地平面的大小可通过将天线元件放置在展现EBG接地平面或表面的超材料基板的顶部上而极大地减小。

5.具有磁介电上覆材料的组合和无磁介电上覆材料的组合的EBG表面可提供针对天线微型化的高微型化因子(√∈_r μ_r)且实现3D-SiP或3D-AiP装置的实用尺寸。3D-SiP或3D-AiP的实用尺寸可意指25mm×25mm或更小。3D-SiP或3D-AiP的一些实施方案可小至5mm×5mm或更小。

6.SAW滤波器、集总元件滤波器和放大器中的至少一个可与超材料激发的天线集成以增强无线电同在。

超材料基板可通过以特定周期性样式重复基本构建块而实现。基本构建块被称作UE，且可定义超材料基板的基本性质。图6是超材料基板的结构的透视图。距离D是每一个UE之前的周期且“d”是每一个UE之间的间隙。厚度h是顶部导体与UE元件的底部导电平面之间的分离。0至200μm的介电厚度h可用本发明实现。

基于EBG的超材料基板也被称作人工磁导体(“AMC”)。人工磁材料是超材料的分支，其被设计来提供非自然发生的期望磁性质。这些人工结构被设计来提供例如负或增强的正(例如，高于1)相对磁导率。增强的正相对磁导率μr>l对于天线微型化非常有用。

此外，入射波的反射项是AMC的一个特性。反射电场的相位具有垂直入射，其与冲击在反射表面的界面处的电场同相。反射相的变动相对于频率在+180°至-180°之间是连续的。零在其中发生谐振的单频下发生。AMC的可用带宽大致在中心频率的任一侧上的+90°至-90°之间。在这个边界条件下，与传统金属接地平面的情况相比，AMC表面可充当适用于无线通信系统的低剖面线天线的新型接地平面。例如，当水平线天线极接近AMC表面时，天线上的电流和其在接地平面上的镜像电流是同相而非异相的，由此有利地增强辐射。

较小实体大小、较宽带宽和较高频率是无线通信中的天线的期望参数。考虑贴片天线作为实例，贴片的大小与基板中的波长成比例，其与因子负相关：

\sqrt{μ_{r} ϵ_{r}}

其中ε_r和μ_r是基板的相对介电系数和磁导率。因此，通过使用高介电材料(具有高介电系数ε_r的材料)，可通过因子√∈_r实现微型化。但是，由于波阻抗，Z与μr和ε_r的比率成比例：

Z = \sqrt{\frac{μ}{ϵ}} = \sqrt{\frac{μ_{r}}{ϵ_{r}}} Z_{0}

在这种情况下，可能存在空气与基板之间的高阻抗失配。由于这种失配，多数能量将被捕集在基板中，导致窄带宽和低效率。为了解决这个问题，取代使用高介电材料(例如，ε_r＞1)，可使用具有磁介电材料(ε_r>1且μ_r>1)的基板。通过选择ε_r和μ_r的适度值，可达成高微型化因子(例如，√∈_r μ_r)，同时将波阻抗保持为接近空气的波阻抗，导致较小失配。

图7是具有形成从972MHz至3.698GHz的EBG的来自表2的超薄且超小UE A的超材料基板的曲线图。

图8是具有形成从756MHz至2.64GHz的EBG的来自表2的超薄且超小UE B的超材料基板的曲线图。

图9是具有形成从1.5GHz至3.1GHz的EBG的来自表2的超薄且超小UE C的超材料基板的曲线图。

超薄(例如，1/4000λo@2.45GHz)和超小超材料基板可被设计用于3D-SiP或3D-AiP装置中。重新参考图4和图5，如图10和图11中所示的单臂螺旋UE可形成来增大左手性并联电感L_L。图10是图示螺旋UE的阵列的俯视图，其图示3×3周期性EBG方形结构，而图11是包括图10的UE中的一个的螺旋超小UE的俯视图。螺旋UE之间的间距的范围可在0至500μm之间，其在当前已知参数下具有175μm的间距。

图11图示具有50μm的线宽1100和线之间50μm或更小的空间1102的非常小且薄的印刷线导电线圈的使用，其可使用具有高(例如，17～25的数量级)的介电系数ε_r(通常也被称作“介电常数”(“Dk”)的超薄(≤30μ)电介质放置在UE结构的顶部上，由此增大期望运行频率的所需左手性电感L_L。相比之下，现有技术UE使用较厚介电材料上的通孔以形成所需L_L。

超材料基板是人工电路材料，并且可被称作左手性超材料(“LHM”)。在一些实施方案中，超材料基板是超小且超薄的且被设计用于批量生产的、低成本产品中。作为实用尺寸的实例，一些实施方案可实用地用具有30μm至300μm的厚度的有机PCB预浸料(例如，具有加固织物的B阶段树脂片)构造。在一些实施方案中，具有5至18μm的厚度的铜导电层是可能的。超薄EBG表面或超材料基板可使用一层PCB叠层制造。多层PCB中的每层PCB叠层通常可具有30至200μm的厚度。使用一层介电材料制造的超薄EBG表面或超材料基板可集成至3D-SiP或3D-AiP SiP中或集成至多层PCB中。

举例来说且非限制，传统UE的大小(x,y,z或W,L,h)可为几毫米或甚至大于10mm的尺度，但是较大尺寸对于3D-SiP、3D-AiP和多层PCB层压工艺而言可能不切实际。如图10和11中图示，使用一层介电材料制造的超小UE的实用尺寸在x和y维度上可为1.75mm至2.4mm。如图12中图示，厚度(z或h)可为0至200μm。大于这同时在本发明的范围内的尺寸在所述应用中可能不切实际。上述尺寸参考表1和2描述。

如图10中图示，在UE具有1.75×1.75mm的尺寸的情况下，3×3阵列将为6.5×6.5mm。这种3×3阵列可为设计3D-SiP或3D-AiP装置或标准多层PCB(例如，针对紧凑应用)中的EBG接地平面或表面的实用大小。6.5×6.5mm EBG接地平面实现这个表面顶部上的微型天线的设计。天线可集成至3D-SiP设计或多层PCB(例如，高度紧凑应用)中。天线大小和天线接地平面可大致为3D-SiP或3D-AiP装置的大小。

超材料基板可具有相对介电系数和磁导率的高有效值。这些特性实现更高微型化因子(见，例如微型化因子的等式)。超材料基板可因为更高微型化因子而允许导电元件(诸如天线和滤波器和传输线元件)的实体长度的减小。一些实施方案通过减小或甚至消除天线元件与EBG接地平面之间的内反射(例如，表面波)而改进辐射效率。超材料基板结构传统上可为导电元件提供非常高的Q因子。超材料基板结构可提供频带滤波功能，其例如通常将由通常在RF前端所见的其它部件提供。至导电元件的高Q因子可提供几乎无损耗的传输线元件，使得运行频率范围中的损耗极小。

在由线圈形成的左手性并联电感L_L增大的情况下，UE的W和L可减小以形成微型化UE 1.75mm×1.75mm，如图11中所示。每一个UE之间的边缘形成如参考图1、图2、图4和图5说明的左手性串联电容C_L。左手性电容C_L由于UE的W和L上的超小尺寸而显著减小。电感L_L的增大可补偿C_L的减小。替代地或作为补充，可使用具有较高相对介电系数(ε_r)的介电材料来增大C_L。在一些实施方案中，可使用具有εr 17至25的介电材料。但是，介电厚度h可能需在200μm或更小的尺度上超薄，而非具有如传统UE的1mm或更大的尺度。且每一个UE之间的间隙d应在500μm或更小的尺度上超小，而非具有如传统UE的1mm或更大的尺度。

图12是螺旋超薄UE的横截面侧视图，其中螺旋EBG UE 1200被放置在介电结构1202的顶部上。短路探针或通孔1204将螺旋EBG UE 1200与铜接地平面1206连接。在一些实施方案中，电介质的厚度可减小为薄至0至200μm，其在当前已知参数下具有23μm、25μm和30μm的厚度h。螺旋UE在W和L上可小至1/70λo，且厚度可小于1/4000λo。λo是参考2.45GHz的运行频率的自由空间波长。电介质1202也可包括一定数量的钛酸钡BaTiO₃或其它微晶和纳米晶有机填料用于介电系数调整。

样本螺旋UE的不同尺寸和自由空间波长示于表2中。超薄且超小螺旋UE可形成大约1至3GHz的EBG表面。

表2

展现在从最低756MHz至最高3.698GHz的期望频带中运行的EBG的超材料基板图示在图7至图9中所示的散布图中。这种类型的EBG接地平面或表面可用于1.5GHz的GPS和2.4GHz的ISM频带收发器和3.2GHz的WLAN的应用的天线微型化设计。

用表2中描述的UE A和AA形成的EBG示于图7中。用表2中描述的UE B形成的EBG示于图8中。用表2中描述的UE C形成的EBG示于图9中。宽度(W)、长度(L)、间隙(d)、线圈接线宽度和空间、介电厚度和相对介电系数ε_r的属性可更改以调整带隙的运行频率和Q因子。

在一些实施方案中，UE的两个单独线圈在相反方向上回转以增大电感L_L。这样一种布置示于图13中，其中铜线圈1300置于高Dk且超薄介电基板1302的顶部上。在图14中，对称四臂环形线圈UE1400具有其来自通孔1404且覆盖高Dk且超薄介电基板1406的多个铜线圈1402，其从中心分开且向外旋转。图15是弯曲螺旋形线圈UE的俯视图，其具有在通孔处开始的弯曲螺旋形线圈UE和置于高Dk且超薄介电基板上的向外辐射铜线圈。

在相反方向上回转的两个螺旋UE可堆叠以形成双层螺旋UE，如图16中所示。图16是双层线圈UE的透视图，其中上层是右手性定向的线圈1600。高Dk且超薄介电基板1602将上层右手性定向线圈1600与左手性定向铜线圈1604分开。通孔1606从左手性定向铜线圈1604连接上层右手性定向线圈1600。图17是图16中所示的双层线圈UE的横截面侧视图。

嵌入于PCB内的表面安装芯片电感器可用于取代如图18中所示的线圈结构以为UE提供足够L_L。蘑菇型UE被图示为具有嵌入于PCB内的芯片电感器。UE 1800的方形导电贴片定位于高Dk且超薄介电材料(ε_r>10，h<200μm)1802上方。接着高Dk且超薄电介质1802覆盖额外导电层1804和介电结构1806。短路探针通孔1808穿过导电平面1804上的开口将方形导电贴片UE 1800连接至嵌入于层1806内的PCB内的芯片电感器。芯片电感器的另一侧连接至导电平面1804。图19是如图18中图示的UE的俯视图，其示出由方形导电贴片样式取代的顶部螺旋元件样式。

图20描绘按2.6GHz的频率运行的4.8×5.5mm的天线。在一些实施方案中，图20的天线可依据天线和EBG接地平面设计减小至约3×3mm。

具有约5mm×5mm的几何形状的贴片天线2000可覆盖在如图20和图21中所示的EBG接地平面或表面2102的顶部上。当小型5x5mm天线2100被构造为具有传统接地平面2102时，天线如图23的实线2300中所示无法在2GHz下运行。在小型5x5mm天线2100定位在具有EBG接地平面或表面2102的超材料基板的顶部上后，小型天线2100在约1.87GHz下谐振，其具有大于14dB回波损耗，如图23的虚线2302中所示。各种实施方案可被实施用于构造期望超材料基板激发的天线，其实现无线连接SiP装置的实用封装天线集成。

相比之下，相当的传统微型天线设计将必定大得多而在2.4GHz下运行。与传统天线相比在天线大小上的减小可相对于天线主体本身超过80-90％。传统的微型天线需要大的接地平面来运行，例如50×50mm的接地平面。因此，如果接地平面的大小也被考虑在内，那么在这个实例中天线大小的减小超过98％。在超材料基板上方构造的小型天线在大小和厚度上可实用地集成至3DSiP或3D-AiP中，或被集成至具有其它嵌入式电路和部件的紧凑PCB中。

图22是小型天线元件2200的透视图，其覆盖于提供EBG接地平面或表面的超薄且超小超材料基板上。超薄且超小超材料基板被构造为具有导电接地平面2206，其定位在高Dk介电材料2202的底侧上。螺旋UE 2204的3×3阵列定位在超薄且高Dk介电材料2202的顶部上以按顶部上的小型天线元件2200的期望运行频率提供EBG接地平面。

图24是用螺旋超材料基板制作的超材料天线的横截面侧视图。顶层可用作天线、滤波器或传输线2400。FR4或其它介电材料(ε_r＝1至17)2402位于顶层2400下方。螺旋EGB接地平面或超材料基板2404位于介电材料2402下方，所述螺旋EGB接地平面或超材料基板2404还可包括螺旋EBG UE 2406；通孔2408；高Dk且超薄(h<200μm)介电材料(ε_r>10)2410；和导电层2412。结构也可包括FR4电介质2414以及另一导电层2416。

图25是被制作为具有如图18和图19中图示的嵌入式芯片电感器超材料基板的超材料天线的横截面侧视图。顶层可用作天线、滤波器或传输线2500。FR4或其它电介质(ε_r＝1至17)2502位于顶层2500下方。螺旋EBG接地平面或超材料基板2504位于介电材料2502下方，所述螺旋EBG接地平面或超材料基板2504还可包括螺旋EBG UE 2506；通孔2508；高Dk且超薄(h<200μm)介电材料(ε_r>10)2510；芯片电感器2518和导电层2512。结构也可包括FR4电介质2514以及另一导电层2516。

微型化超材料基板(例如，EBG接地平面或表面)的3D嵌入式技术和集成的组合和排列提供超材料激发的3D-AiP(Meta-AiP)。Meta-AiP可因由于超材料天线的内在本质和嵌入式滤波器、平衡-不平衡变换器和高线性LNA中的至少一个与Meta-AiP内的超材料天线的集成而增大的隔离而增强无线电同在。

举例来说且非限制，下文图示用于构造超材料AiP的各种方法。例如，图26示出倒BGA形式的结构。这免除用在许多SiP装置的顶层上的树脂执行的传统囊封方法。这适于从天线至基带模块的高度紧凑无线系统集成。基带模块通常是最大芯片组且可在Meta-AiP是混合信号装置的情况下附接至底部。

其它组合是可能的。例如，图26中的结构可修改，如图27和图28中所示。所选择的封装类型至少部分基于应用的复杂度和功能。此外，超材料基板可包括如图24中图示的微型化螺旋UE和/或如图25中图示的微型化嵌入式电感器UE。简言之，图27-29中的图被简化并且一般化为Meta-AiP。

图26是具有集成超材料天线的倒BGA Meta-AiP模块的横截面侧视图。倒BGA的优点包括：

1.通过省略用于塑料囊封或金属屏蔽的探针组合件而免除封装和制造工艺成本。

2.RF屏蔽可在PCB制造工艺期间嵌入3D结构内。

3.超材料天线可嵌入于封装的顶部表面上。

4.所有被动装置、滤波器、晶体和主动部件可嵌入。

5.优异的RF性能。

6.用现成焊球方便SMT工艺。

7.x-y维度上的最小占用空间。

图26具有可用作天线、滤波器或传输线2600的顶层。FR4或其它电介质(ε_r＝1至17)2602位于顶层2600下方。螺旋EBG接地平面或超材料基板2604位于介电材料2602下方，所述螺旋EBG接地平面或超材料基板2604还可包括螺旋EBG UE 2606；通孔2608；高Dk且超薄(h<200μm)介电材料(ε_r>10)2610；和导电层2612。顶层2600可具有阻焊覆盖件2614。另一介电或树脂层2616可连同其它部件2618、集成电路2620和焊球2622一起存在。

图27描绘具有布置在顶部上的超材料天线的LGA封装Meta-AiP。这个封装适于但不限于有源天线模块，诸如全球导航卫星系统(“GNSS”)天线和无线前端模块(“FEM”)，诸如蓝牙低功耗(“BLE”)/WiFi FEM。

在模块顶部上具有天线的岸面栅格阵列(“LGA”)封装的优点包括：

1.免除封装和制造工艺成本(无用于塑料封装或金属屏蔽的探针组合件)。

2.RF屏蔽可在PCB制造工艺期间嵌入3D结构内。

3.超材料天线可嵌入于封装的顶部表面上。

4.LNA、SAW、滤波器、天线开关和被动装置可嵌入。

5.优异的RF性能。

6.x-y维度上的最小占用空间。

7.从例如0.6mm～1mm的低剖面。

图27是LGA封装Meta-AiP的横截面侧视图。图27具有可用作天线、滤波器或传输线2700的顶层。FR4或其它电介质(ε_r＝1至17)2702位于顶层2700下方。螺旋EBG接地平面或超材料基板2704位于介电材料2702下方，所述螺旋EBG接地平面或超材料基板2704还可包括螺旋EBG UE 2706；通孔2708；高Dk且超薄(h<200μm)介电材料(ε_r>10)2710；和导电层2712。顶层2700可具有阻焊覆盖件2714。FR4或其它电介质(ε_r＝1至17)2716位于超材料基板2704下方。另一介电或树脂层2717可连同其它部件2718、集成电路2720一起存在。

图28描绘具有侧向布置的超材料天线的混合LGA Meta-AiP。超材料天线可集成在一侧上且嵌入式部件可集成在另一侧上。EBG接地平面或表面可被放置在最低层上，而天线可被放置在最高层上。EBG接地平面与天线之间的增大的分离帮助修改天线参数。混合LGAMeta-AiP可用于所有类型的完整无线SiP模块、有源天线模块和无线FEM。

具有侧向天线的混合LGA Meta-AiP的优点包括：

1.超材料天线的厚度可增大以增强性能。

2.可选的无线芯片组和盖可添加至顶部以形成完整无线模块。

3.RF屏蔽可在PCB制造工艺期间针对内部结构嵌入。

4.LNA、SAW、滤波器、天线开关和被动装置可嵌入。

5.优异的RF性能。

6.低剖面针对有源天线和FEM应用可例如从0.6mm至1mm。

图28是具有侧向天线结构，具有顶层上的部件的混合LGA Meta-AiP的横截面侧视图。图28具有可用作天线、滤波器或传输线2800的顶层。顶层2800可包括超过一个层，如图28中所示。FR4或其它电介质(ε_r＝1至17)2802位于顶层2800下方。螺旋EBG接地平面或超材料基板2804位于介电材料2802下方，所述螺旋EBG接地平面或超材料基板2804还可包括螺旋EBG UE 2806；通孔2808；高Dk且超薄(h<200μm)介电材料(ε_r>10)2810；和导电层2812。顶层2800可具有阻焊覆盖件2814。另一FR4或其它电介(ε_r＝1至17)层2816可连同其它嵌入式部件2818一起存在。焊垫2820可通过通孔2822连接至内部层。集成电路2824可被囊封2826。

图29是具有侧向天线结构而无顶层上的部件的混合LGA Meta-AiP的横截面侧视图。图29具有可用作天线、滤波器或传输线2900的顶层。顶层2900可包括超过一个层，如图29中所示。FR4或其它电介质(ε_r＝1至17)2902位于顶层2900下方。螺旋EBG接地平面或超材料基板2904位于介电材料2902下方。螺旋EGB接地平面2904还可包括螺旋EBG UE 2906；通孔2908；高K电介质(ε_r＞10)2910；和导电层2912。顶层2900可具有阻焊覆盖件2914。另一FR4或其它介电(ε_r＝1至17)层2916可连同其它嵌入式部件2918一起存在。焊垫2920可通过通孔2922连接至内部层。

磁介电材料也可针对各种类型的Meta-AiP结构作为上覆材料与Meta-AiP集成，如图30-33中所示。磁介电材料提供高微型化因子(√∈r μr)，其具有2至12的相对介电系数εr和2至8的相对磁导率μr。微型化因子(√∈r μr)可具有范围从4至10的值。磁介电上覆材料可通过更改至少一个性质(诸如天线的增益、带宽和/或效率)而进一步增强超材料天线的参数。

图30是图示集成有顶层磁介电上覆材料3024的倒BGA Meta-AiP的横截面侧视图。用作天线、滤波器或传输线3000的另一层位于磁介电上覆材料3024下方。层3000可包括超过一个层。FR4或其它电介质(ε_r＝1至17)3002位于层3000下方。螺旋EBG接地平面或超材料基板3004位于介电材料3002下方，所述螺旋EBG接地平面或超材料基板3004还可包括螺旋EBG UE 3006；通孔3008；高Dk且超薄(h<200μm)介电材料(ε_r>10)3010；和导电层3012。层3000的顶部可具有阻焊覆盖件3014。另一FR4或其它介电(ε_r＝1至17)层3016可连同其它嵌入式部件3018一起存在。焊垫3020可通过通孔3022、集成电路3026和焊球3028连接至内部层。

图31是集成有顶层的磁介电上覆结构3124的LGA Meta-AiP的横截面侧视图。可用作天线、滤波器或传输线3100的另一层位于磁介电上覆材料3124下方。层3100可包括超过一个层。FR4或其它电介质(ε_r＝1至17)3102位于层3100下方。螺旋EBG接地平面或超材料基板3104位于介电材料3102下方，所述螺旋EBG接地平面或超材料基板3104还可包括螺旋EBGUE 3106；通孔3108；高Dk且超薄(h<200μm)介电材料(ε_r>10)3110；和导电层3112。层3100的顶部可具有阻焊覆盖件3114。另一FR4电介质或其它介电(ε_r＝1至17)层3116可连同其它嵌入式部件3118一起存在。焊垫3120可通过通孔3122连接至内部层。磁介电材料上覆材料3124定位在顶部阻焊材料3114的顶部上。

图32是集成有顶层的磁介电上覆结构3224和顶层上的部件的混合LGA Meta-AiP的横截面侧视图。可用作天线、滤波器或传输线3200的另一层位于磁介电上覆材料3224下方。层3200可包括超过一个层。FR4或其它电介质(ε_r＝1至17)3202位于层3200下方。螺旋EBG接地平面或超材料基板3204位于介电材料3202下方，所述螺旋EBG接地平面或超材料基板3204还可包括螺旋EBG UE 3206；通孔3208；高Dk且超薄(h<200μm)介电材料(ε_r>10)3210；和导电层3212。层3200的顶部可具有阻焊覆盖件3214。另一FR4或其它介电(ε_r＝1至17)层3216可连同其它嵌入式部件3218一起存在。焊垫3220可通过通孔3222连接至内部层。磁介电材料上覆材料3224定位在顶部阻焊材料3214的顶部上。集成电路3226可被囊封3228。

图33是集成有顶层的磁介电材料结构3324和顶层上的部件的混合LGA Meta-AiP的横截面侧视图。可用作天线、滤波器或传输线3300的另一层位于磁介电上覆材料3324下方。层3300可包括超过一个层，如图33中所示。FR4或其它介电材料(ε_r＝1至17)3302位于层3300下方。螺旋EBG接地平面或超材料基板3304位于介电材料3302下方，所述螺旋EBG接地平面或超材料基板3304还可包括螺旋EBG UE 3306；通孔3308；高Dk且超薄(h<200μm)介电材料(ε_r>10)3310；和导电层3312。层3300的顶部可具有阻焊覆盖件3314。另一FR4电介质或其它介电(ε_r＝1至17)层3316可连同其它嵌入式部件3318一起存在。焊垫3320可通过通孔3322连接至内部层。磁介电材料上覆材料3324定位在顶部阻焊材料3314的顶部上。

图34是在导电接地平面上构造的携载1GHz至6GHz信号的微带传输线的透视图。从1GHz至6GHz运行的传输线3400置于具有底层的导电接地平面3404的低损耗介电基板3402上。

图35是在导电接地平面上构造的携载1GHz至6GHz信号的微带传输线的横截面图。传输线3500定位在具有底层的导电接地平面3504的低损耗介电基板3502的顶部上。图36是图示范围从-0.07dB至-0.14dB的常规微带传输线的功率损耗的S21传输系数曲线的图形曲线。

图37是常规微带传输线的S11反射系数的史密斯圆图的曲线图，其中S11跨1GHz至6GHz频率范围具有靠近中心的50欧姆的散布阻抗，使得其不会跨频率范围完美地处于50欧姆阻抗。

图38是在埋嵌超材料基板或EBG接地平面上构造的携载1GHz至6GHz的三层结构的微带传输线的透视图。

图39是在埋嵌超材料基板或EBG接地平面上构造的携载1GHz至6GHz信号的三层微带传输线的横截面图。传输线3900定位在介电基板3902的顶部上，所述介电基板3902可包括FR4或一些其它低Dk和低介电损耗材料，所述介电基板3902接着定位在超材料基板或EBG接地平面3906上方，所述超材料基板或EBG接地平面3906还可包括螺旋EBG UE 3904；通孔3908；高Dk且超薄(h＜200μm)介电材料(ε_r＞10)3908；和导电层3912。

图40是四层带线的横截面图的替代构造，其中接地一侧被超材料基板或EBG接地平面取代。图40是单个背面EBG的四层带线传输线的横截面图。在单个背面EBG带线(四层结构)中，带线4000嵌入基板4002内，其中导电平面4004定位在基板4002的顶部上。超精细图案化螺旋UE 4006定位在基板4002中以及超薄、高ε_r介电材料4008的顶部上。短路探针或通孔4010通过穿过超薄、高ε_r介电材料4008而将超精细图案化螺旋UE 4006连接至导电平面4012。超材料基板被示为层4014。

图41是双重背面EBG五层带线传输线的横截面图。在这个五层实施方案中，带线4100嵌入于基板4102内，其中超精细图案化螺旋UE 4104定位于基板4102中。基板4102的顶部上的是超薄、高ε_r介电材料4106。短路探针或通孔4008通过穿过超薄、高ε_r介电材料4106而将超精细图案化螺旋UE 4104连接至导电平面4110。同样地，在基板4102的底部上，超精细图案化螺旋UE 4112定位在基板4102中以及超薄、高ε_r介电材料4114的顶部上。短路探针或通孔4116通过穿过超薄、高ε_r介电材料4120而将超精细图案化螺旋UE 4112连接至导电平面4118。超材料基板被示为层4114。

图42是图示具有在底部导电平面上而非传统的导电接地平面上的螺旋超材料基板的3层微带传输线的新结构的功率损耗的曲线图。背面超材料基板的微带传输线展示范围从-0.009至-0.03dB的几乎无损耗性能。改进比常规微带传输线低超过五倍。

背面EBG或背面有超材料基板的3层微带传输线可用于在电路设计中连接在天线元件与其它电路元件之间，诸如平衡-不平衡变换器、滤波器或主动半导体芯片中的一个或更多个。这样一种构造可减小每一个互连之间的功率损耗并且改进总体系统性能和功率效率。

图43是背面有超材料基板的三层结构的微带传输线的S11反射系数的史密斯圆图，S11系数跨从1GHz至6GHz的频率范围居中于50欧姆阻抗。请注意这个史密斯圆图中示出的无散布。

图44是超材料基板结构的组成和制造方法的步骤的流程图。广义来说，步骤是首先通常在两侧上形成具有导电片或载体箔片的介电层，但是本发明的实施方案可由介电层和单个导电或载体片组成。介电层通常由环氧树脂形成，其可含有用于修改介电性质的填料，但是可使用本领域中已知的其它树脂(诸如聚酰亚胺、PTFE、氰酸酯等)。第二，在热和压力下使箔片和电介质的组合形成为箔片覆盖叠层中。第三，可接着移除上部导电片或载体，暴露适于无电镀铜附着的粗糙表面。第四，接着使用激光或其它适当处理在电介质中形成开口，可提供从未覆盖表面至底侧导电片的盲孔。第五，形成将导体层连接至导电平面4406的底部的通孔。第六，可用超薄晶种导体层4408涂敷经钻孔叠层。作为一个选项，晶种导体层可使用例如用于晶种层的选择性催化的光敏剂选择性地图案化，之后移除背景催化剂，形成薄的、绝缘导电图案4410。第六，结构可浸没在无电镀或电解铜沉积浴中以使导体层4412的厚度增长。

图45是超材料基板结构的组成和制造方法的步骤1的横截面图。在步骤1中，具有微晶和纳米晶填料或其它粒子4502形式的钛酸钡BaTiO₃且具有期望介电厚度的一半(不包括导体4504)的环氧树脂4500涂敷在导电表面4504上。例如，如果期望介电厚度是25μm，那么将厚度约13μm的环氧树脂涂敷在导体片上作为非固化树脂涂敷的导体片4506。

图46是超材料基板结构的组成和制造方法的步骤2的横截面图。在步骤2中，在高热和高压下组合未固化树脂涂敷导体片4600以形成固化叠层4602。这种方法的优点是实现超材料基板的高ε_r介电层的厚度公差的更好控制。例如，小于在0至50μm介电层范围中的厚度公差的百分之五(5％)形成固化叠层4602。

图47是超材料基板结构的组成和制造方法的步骤3的横截面图。在步骤3中，顶部导体4700可从固化叠层蚀刻掉，实现具有小于百分之五(5％)的公差的环氧树脂的期望介电厚度。

图48和49是超材料基板结构的组成和制造方法的可选步骤4的横截面图。在步骤4中，短路探针或通孔4800从经蚀刻基板表面4802形成以将下文步骤5至6中形成的顶部螺旋图案4804连接至底部导电平面，因此形成超薄且超小超材料基板。这种超材料结构可在传统的层压工艺中进一步埋嵌至PCB的任何层中，或可与电子部件组合。

图50是超材料基板结构的组成和制造方法的步骤5的横截面图。在步骤5中，环氧树脂上的螺旋图案5002的超薄晶种导体层5000通过使用涂敷工艺施敷，例如喷涂、浸涂、辊涂、淋涂、丝网或其它适当工艺。晶种导体层5000的厚度可从0至2μm。且晶种导体层5000可与环氧树脂形成共价或其它分子键，前提是晶种导体层5000由用于无电镀铜沉积的钯或其它适当金属催化剂组成。但是晶种导体层5000无需通过金属形成，而是可为像石墨的其它导电材料或足够湿且渗透树脂表面，从而提供可接受的附着度的其它导电材料形成。这种工艺的好处是在螺旋UE的线和空间公差中实现更高控制，例如，小于百分之五(5％)，而具有螺旋UE的现有技术超材料通常在针对线和空间公差的百分之二十(20％)公差范围中。

图51是超材料基板结构的组成和制造方法的可选步骤6的横截面图。在步骤6中，晶种导体层5100可选择性地光敏化且接着作为可选步骤被移除，仅在环氧树脂5102的顶部上留下极薄导电螺旋图案。剩余导电螺旋图案的厚度可小于1μm(范围从0至1μm)或薄至以埃为单位测量的一个或数个原子层。在未光敏化区域移除后剩余的量可形成至环氧树脂的表面的共价或其它分子键用于导电层的充分附着。因此，这种工艺的好处实现螺旋UE的线和空间公差的例如小于百分之五(5％)的改进控制，而具有螺旋UE的现有技术超材料通常具有百分之二十(20％)的线和空间公差。

图52是超材料基板结构的组成和制造方法的步骤7的横截面图。在步骤7中，可将在步骤5和6中形成的晶种导体图案浸没在铜或其它适当无电镀或电镀溶液中以使厚度5200的导电螺旋图案5202生长在环氧树脂5204的顶部上，而同时使铜或其它适当导电材料沉积在步骤4中形成的通孔中。这帮助维持螺旋UE的例如，小于百分之五(5％)的线和空间公差，而具有螺旋UE的现有技术超材料通常经受百分之二十(20％)的线和空间公差。

虽然已描述本发明的各种实施方案，但是本领域一般技术人员将了解在本发明的范围内的更多的实施方案和实施方式是可能的。

Claims

1.一种超材料基板，其包括：多个单位元件，其布置在具有高Dk的介电基板的顶部上；和短路探针，其将所述多个单位元件中的每一个与导体连接。

2.根据权利要求1所述的超材料基板，其中所述超材料基板充当电磁带隙材料。

3.根据权利要求1所述的超材料基板，其中所述多个单位元件是

4.根据权利要求1所述的超材料基板，其中电介质具有17与25之间的介电常数。

5.根据权利要求1所述的超材料基板，其中所述导体是铜导电层，其具有在30μm至300μm的厚度之间的厚度。

6.根据权利要求1所述的超材料基板，其中所述电介质具有小于200μm的厚度。

7.根据权利要求1所述的超材料基板，其中所述电介质还包括钛酸钡(BaTiO₃)。

8.根据权利要求7所述的超材料基板，其中所述电介质还包括微晶和纳米晶填料中的钛酸钡(BaTiO₃)。