DE102005020326A1 - Ring-resonator e.g. for radio technology, has two unit cells in form of two-ports such as input port and output port and row switched with each unit cell independently magnetic from each other and stores independent electrical energy - Google Patents
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Abstract
Description
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft einen Ring-Resonator für elektromagnetische Energie, der aus wenigstens zwei zu einer Ringanordnung verbundenen Einheitszellen gebildet wird.The The invention relates to a ring resonator for electromagnetic energy, the at least two unit cells connected to a ring arrangement is formed.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND THE INVENTION
Es ist bekannt, Resonatoren aus sogenannten Einheitszellen aufzubauen. Unter dem Begriff "Einheitszellen" werden dabei allgemein aus einem Eingangstor und einem Ausgangstor bestehende Zweitore verstanden, wobei jede Einheitszelle Energiespeicher bereitstellt. Unter dem Begriff "Energiespeicher" werden hier allgemein alle Arten von Strukturen verstanden, die in der Lage sind, ein elektrisches oder magnetisches Feld auszubilden und somit Energie zu speichern. Ein Energiespeicher in diesem Sinne kann also z.B. eine Spule oder ein Kondensator sein, im einfachsten Fall aber auch nur ein Stück Leitung.It It is known to construct resonators from so-called unit cells. The term "unit cells" are general consisting of an entrance gate and an exit gate existing two-aisle understood, each unit cell provides energy storage. The term "energy storage" is general here understood all kinds of structures that are capable of one form electric or magnetic field and thus energy save. An energy store in this sense can thus e.g. a coil or a capacitor, in the simplest case but also only one piece Management.
Das tatsächliche physikalische Verhalten einer Einheitszelle kann durch eine sogenannte Ersatzschaltung nachgebildet werden. Eine solche Ersatzschaltung ist ein lineares Netzwerk bestehend aus konzentrierten Elementen wie Kapazitäten und Induktivitäten und/oder verteilten Leitungen, welche die Energiespeicher der physikalischen Realisierung modellieren und das Hochfrequenzverhalten zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangstor der Einheitszelle beschreiben. Die Topologie der Ersatzschaltung einer solchen Einheitszelle weist gemeinhin einen sogenannten Längszweig und einen sogenannten Querzweig auf.The actual physical behavior of a unit cell can be determined by a so-called Replacement circuit to be simulated. Such an equivalent circuit is a linear network of concentrated elements like capacities and inductors and / or distributed lines, which are the energy stores of the physical Realization model and the high-frequency behavior between describe the input and output gates of the unit cell. The topology of the equivalent circuit of such a unit cell has commonly a so-called longitudinal branch and a so-called shunt branch.
Es ist ferner bekannt, Resonatoren aus sogenannten "Metamaterialien", auch als "linkshändige Materialien" oder kurz "LH-Materialien" bezeichnet, aufzubauen (siehe z.B. A. Sanada, et al., "Zero'th order resonance in composite right/left-handed transmission line resonators", Asia-Pacific Microwave Conference, Vol. 3, S. 1588-1592, Seoul, Nov. 2003).It It is also known to construct resonators of so-called "metamaterials", also called "left-handed materials" or "LH materials" for short See, e.g., A. Sanada, et al., Zero'th order in composite right / left-handed transmission line resonators ", Asia-Pacific Microwave Conference, Vol. 3, pp. 1588-1592, Seoul, Nov. 2003).
Unter dem Begriff "Metamaterialien" werden dabei Strukturen verstanden, die besondere, ungewöhnliche elektromagnetische Eigenschaften, sogenannte "linkshändische" Eigenschaften, oft kurz als "LH-Eigenschaften" bezeichnet, aufweisen. Insbesondere können derartige Strukturen unter geeigneten Bedingungen gleichzeitig negative Permittivität und negative Permeabilität zeigen, was zu antiparallelen (gegengerichteten) Gruppen- und Phasengeschwindigkeiten der die Materialien durchlaufenden elektromagnetischen Wellen führt.Under The term "metamaterials" becomes structures understood, the special, unusual electromagnetic properties, so-called "left handed" properties, often referred to as "LH properties" for short. In particular, you can such structures under suitable conditions simultaneously negative permittivity and negative permeability show, resulting in antiparallel (counteracting) group and phase velocities which passes the materials passing electromagnetic waves.
Durch solche Metamaterialien realisierte elektrische Schaltungsanordnungen verhalten sich anders als herkömmliche Schaltungsanordnungen aus üblichen sog. "rechtshändigen" (RH) Materialien, deren Eigenschaften als "rechtshändisch" oder kurz "RH-Eigenschaften" bezeichnet werden und bei denen die Gruppen- und Phasengeschwindigkeiten der die Materialien durchlaufenden elektromagnetischen Wellen gleichgerichtet sind.By such metamaterials realized electrical circuitry behave differently than conventional ones Circuitry of usual so-called "right-handed" (RH) materials, their properties are referred to as "right-handed" or "RH properties" for short and where the group and phase velocities of the materials are rectified by continuous electromagnetic waves.
Aufgrund parasitärer Effekte (die durchaus erwünscht sein können), können Metamaterialen sowohl LH-Eigenschaften als auch RH-Eigenschaften aufweisen. Diese Arten der Materialien werden dann als CRLH-(Composite-Right-Left-Handed)-Materialien bezeichnet.by virtue of parasitic Effects (which are quite desirable could be), can Metamaterials have both LH properties and RH properties exhibit. These types of materials are then called CRLH (Composite Right-Left-Handed) materials designated.
Unter Ausnutzung beider Arten von Eigenschaften (linkshändisch, rechtshändisch) sind auf dem Gebiet der Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik Konzeptionen und Realisierungen neuartiger Einrichtungen und Geräte möglich.Under Utilization of both types of properties (left-handed, right manually) are concepts in the field of high-frequency and microwave engineering and realizations of novel facilities and equipment possible.
Bei der Untersuchung und dem Vergleich von realisierten Schaltungen mit Modellrechnungen hat es sich gezeigt, daß reine Metamaterialien und insbesondere auch CRLH-Materialien sinnvoll mit Hilfe einer erweiterten Leitungstheorie analysiert und modelliert werden können. Dazu werden Ersatzschaltungen verwendet, die einzelne Einheitszellen modellieren. Damit kann dann das Verhalten eines aus realen Einheitszellen aufgebauten Netzwerkes mit gängigen Verfahren und Hilfsmitteln berechnet werden (siehe C. Caloz und T. Itoh, "Application of the Transmission Line Theory of Left-Handed (LH) Materials to the Realization of a Microstrip LH Transmission Line", IEEE APS Int'I Symp., Vol. 2, S. 412-415, San Antonio, TX, Juni 2002).at the investigation and comparison of realized circuits with model calculations, it has been shown that pure metamaterials and In particular, CRLH materials make sense with the help of an extended Leadership theory can be analyzed and modeled. To Spare circuits are used, the single unit cells model. This can then be the behavior of a built from real unit cells Network with popular Methods and tools are calculated (see C. Caloz and T. Itoh, "Application of the Transmission Line Theory of Left-Handed (LH) Materials to the Realization of a Microstrip LH Transmission Line ", IEEE APS Int'I Symp., Vol. 2, P. 412-415, San Antonio, TX, June 2002).
Auch im Bereich der Funktechnik werden Metamaterialien verwendet. Der allgemein zunehmende Einsatz von Funktechnologien im Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich insbesondere bei Konsumentenanwendungen wie z.B. WLAN oder BluetoothTM erfordert immer bessere Sende- und Empfangsantennen für verschiedene Frequenzen.Also in the field of radio technology metamaterials are used. The generally increasing one Radio frequency and microwave technology, especially in consumer applications such as WLAN or Bluetooth TM, requires ever better transmit and receive antennas for different frequencies.
Bei entsprechenden Geräten sind jedoch bislang relativ aufwendige und/oder mehrere Antennenanordnungen erforderlich, um eine qualitativ hochwertige Verbindung in verschiedenen Frequenzbändern bereitzustellen.at corresponding devices However, so far are relatively complex and / or multiple antenna arrangements required to have a high quality connection in different frequency bands provide.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNGEPIPHANY THE INVENTION
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Qualität von Hochfrequenz- bzw. Mikrowellenverbindungen zu verbessern. Ein Aspekt der Erfindung ist insbesondere die Verbesserung der Kommunikationsqualität von Hochfrequenz- bzw. Mikrowellenverbindungen durch Ermöglichen eines Dual-Band Betriebs einer Antenne mit einer flexiblen und vielfachen Polarisierbarkeit (horizontal, vertikal, zirkular und Mischformen) bei zwei unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen.Of the Invention is based on the object, the quality of high-frequency or microwave connections to improve. One aspect of the invention is in particular the improvement the communication quality of Radio frequency or microwave connections by enabling a dual-band operation of an antenna with a flexible and multiple Polarizability (horizontal, vertical, circular and mixed forms) at two different operating frequencies.
Die Aufgabe wird gelöst von einem Ring-Resonator, der wenigstens zwei in Reihe geschaltete Einheitszellen in Form von Zweitoren mit jeweils einem Eingangstor und einem Ausgangstor umfaßt,
- – wobei jede Einheitszelle wenigstens zwei voneinander unabhängige magnetische sowie wenigstens zwei voneinander unabhängige elektrische Energiespeicher bereitstellt und
- – wobei das Eingangstor der ersten in Reihe geschalteten Einheitszelle mit dem Ausgangstor der letzen in Reihe geschalteten Einheitszelle so verbunden ist, daß eine Ringanordnung gebildet wird.
- - Each unit cell provides at least two independent magnetic and at least two independent electrical energy storage and
- - wherein the input port of the first series-connected unit cell is connected to the output port of the last series-connected unit cell so that a ring assembly is formed.
Die Aufgabe wird ferner gelöst von einem Ring-Resonator für elektromagnetische Wellen, der aus einer Mehrzahl jeweils durch eine Ersatzschaltung mit konzentrierten Elementen in Form von Kapazitäten und Induktivitäten darstellbarer identischer Einheitszellen gebildet ist,
- – wobei jede Einheitszelle wenigstens zwei voneinander unabhängige magnetische sowie wenigstens zwei voneinander unabhängige elektrische Energiespeicher bereitstellt,
- – wobei jede Einheitszelle so ausgebildet ist, daß ihre Ersatzschaltung eine Reihenschaltung einer ersten Kapazität und einer ersten Induktivität in einer ersten Leitung und eine Parallelschaltung einer zweiten Kapazität und einer zweiten Induktivität zwischen der ersten Leitung und einer zweiten Leitung aufweist, und
- – wobei die Einheitszellen derart hintereinander in einer Ringstruktur angeordnet und gekoppelt sind, daß jede Einheitszelle jeweils mit einer in Ringrichtung vorangehenden und einer in Ringrichtung nachfolgenden Einheitszelle gekoppelt ist, wobei jeweils die ersten Leitungen und jeweils die zweiten Leitungen der gekoppelten Einheitszellen miteinander verbunden sind.
- Each unit cell providing at least two independent magnetic and at least two mutually independent electrical energy stores,
- - Wherein each unit cell is formed so that its equivalent circuit comprises a series connection of a first capacitance and a first inductance in a first line and a parallel connection of a second capacitance and a second inductance between the first line and a second line, and
- Wherein the unit cells are arranged and coupled in a ring structure one behind the other in such a way that each unit cell is coupled in each case to a unit cell preceding in the direction of the ring and in the direction of the ring, wherein the first lines and respectively the second lines of the coupled unit cells are connected to each other.
Bei solchen Ring-Resonatoren weist das Zusammenwirken der magnetischen und elektrischen Energiespeicher im Längszweig der Ersatzschaltung der Einheitszelle zwischen Ein- und Ausgangstor ein Reihenschwingkreis-Verhalten auf, während das Zusammenwirken der magnetischen und elektrischen Energiespeicher im Querzweig der Ersatzschaltung der Einheitszelle ein Parallelschwingkreis-Verhalten aufweist.at such ring resonators, the interaction of the magnetic and electrical energy storage in the longitudinal branch of the equivalent circuit the unit cell between input and output gate a series resonant circuit behavior on, while the interaction of the magnetic and electrical energy storage in the shunt branch of the equivalent circuit of the unit cell a parallel resonant circuit behavior having.
Durch das Verbinden der Einheitszellen zu einer geschlossenen Ringstruktur (oder anders ausgedrückt zu einer Kette, wobei betont sei, daß die Ringstruktur nicht notwendigerweise kreisförmig sein muß) lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Ring-Resonator periodische Randbedingungen in nahezu idealer Weise erfüllen. Dadurch können die Eigenschaften eines Metamaterials hervortreten, so daß ein Resonatortyp entsteht, der dann mit Hilfe der CRLH-Leitungstheorie an gewünschte Anforderungen angepaßt werden kann.By connecting the unit cells to a closed ring structure (or in other words to a chain, it being understood that the ring structure is not necessarily circular have to be) can be periodic with the ring resonator according to the invention Fulfill boundary conditions in a nearly ideal way. This allows the Characteristics of a metamaterials emerge, so that a resonator type then, with the help of the CRLH-line theory, to the desired requirements customized can be.
Zum Anpassen eines solchen Ring-Resonators an gegebene Anforderungen wird für die die Einheitszellen repräsentierende Ersatzschaltung mit den konzentrierten Elementen CL, LR, CR und LL folgende Dispersionsrelation verwendet: For adapting such a ring resonator to given requirements, the following dispersion relation is used for the equivalent circuit representing the unit cells with the lumped elements C L , L R , C R and L L :
Die
Dispersionsrelation zeigt bei geeigneter Wahl der Parameter eine
Bandlücke.
Diese Bandlücke trennt
einen ersten Frequenzbereich von einem zweiten Frequenzbereich (siehe
hierzu auch
In
dem anderen (in
Der Ring-Resonator ist in einem LH-Frequenzbereich und einem RH-Frequenzbereich anregbar, wobei nach einer beide Frequenzbereiche zumindest partiell umfassenden Anregung mit elektromagnetischer Energie durch die Länge der Ringanordnung bestimmte Resonanzmoden mit einer allgemein auch als n·λ-Verteilung bezeichneten Feldverteilung entlang des Ringes (wobei n ϵ N+, N+ = Menge der positiven natürlichen Zahlen, λ = Wellenlänge des Resonanzmodes) im RH-Frequenzbereich und gleichzeitig Resonanzmoden mit der gleichen n·λ-Verteilung im LH-Bereich ausgebildet werden.The ring resonator is excitable in an LH frequency range and an RH frequency range, wherein after a two frequency ranges at least partially comprehensive excitation with electromagnetic energy through the length of the ring assembly certain resonance modes with a generally also referred to as n · λ distribution field distribution along the Ring (where n ε N + , N + = amount of positive natural numbers, λ = wavelength of the resonance mode) in the RH frequency range and simultaneously resonant modes are formed with the same n · λ distribution in the LH range.
Vorteilhaft ist der Ring-Resonator so ausgebildet, daß nach der Anregung gleichzeitig zu den Resonanzmoden auch ein Strommode nullter Ordnung ausbreitungsfähig ist, der durch einen zugehörigen entlang des Ringes örtlich konstanten Strom und eine zugehörige Spannung, die entlang des Ringes überall gleich null ist, beschrieben ist.Advantageous the ring resonator is designed so that after the excitation simultaneously to the resonance modes also a zero-order current mode is capable of propagation, by an associated Locally along the ring constant current and an associated one Stress that is zero everywhere along the ring is described is.
Vorteilhaft ist der Ring-Resonator so ausgebildet, daß nach der Anregung gleichzeitig zu den Resonanzmoden und ggf. auch gleichzeitig zu dem Strommode nullter Ordnung ein Spannungsmode nullter Ordnung ausbreitungsfähig ist, der durch eine zugehörige entlang des Ringes örtlich konstante Spannung und einen zugehörigen Strom, der entlang des Ringes überall gleich null ist, beschrieben ist.Advantageous the ring resonator is designed so that after the excitation simultaneously to the resonance modes and possibly also simultaneously to the current mode zeroth order a zero-order voltage mode is capable of propagation, by an associated Locally along the ring constant voltage and an associated current flowing along the Ringes everywhere is zero, is described.
Eine Speisung des Ring-Resonators kann über einen oder mehrere an den Ring aus Einheitszellen gekoppelte Speiseanschlüsse erfolgen. Je nach Speisestrategie bildet sich dann ein Spannungs- oder ein Strommaximum am Speisepunkt aus.A Powering the ring resonator can be via one or more of the Ring made of unit cells coupled feed connections. Depending on the food strategy then forms a voltage or a maximum current at the feed point out.
Eine Entkopplung von zwei Speisepunkten kann bei um 90° versetzten Speisepunkten mit gleicher Speisung (Spannungsmaximum-Spannungsmaximum) oder (Strommaximum-Strommaximum) und bei um 180° versetzen Speisepunkten mit unterschiedlicher Speisung (Spannungmaximum-Strommaximum) erreicht werden.A Decoupling of two feed points can be offset by 90 ° Feeding points with the same supply (voltage maximum voltage maximum) or (current maximum current maximum) and offset by 180 ° feed points with different supply (voltage maximum current maximum) can be achieved.
Die den Ring bildende Kette von gekoppelten Einheitszellen kann je nach Anforderungen kreisförmig, oval oder beliebig anders geformt sein.The The ring-forming chain of coupled unit cells may vary depending on Requirements circular, oval or be shaped differently.
Bei Verwendung des Ring-Resonators als Antenne können durch gleichzeitige Speisung (ggf. mit einem Phasenversatz) an mehreren geeignet gewählten Speisepunkten des Ringes verschiedenste Polarisationen des Signals erreicht werden. So kann ein und derselbe Ring-Resonator verwendet werden, um bei zwei unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen horizontal, vertikal, 45°-gerichtet und rechtshändig- bzw. linkshändig-zirkular polarisierte Strahlung zu erzeugen. Eine Ausnutzung dieser verschiedenen Polarisationen auf Sender- und Empfängerseite verbessert die Verbindungsqualität bei Hochfrequenz- bzw. Mikrowellen-Funkverbindungen erheblich (siehe hierzu auch P.S. Neelakanta, et al., "Making of a robust indoor Microwave Wireless Link: A novel scheme of polarization-sense diversity", Microw. J., Aug. 2004).at Use of the ring resonator as an antenna can be achieved by simultaneous feeding (possibly with a phase shift) at several suitably selected feed points of the ring various polarizations of the signal can be achieved. Thus, one and the same ring resonator can be used to two different operating frequencies horizontal, vertical, 45 ° -directed and right-handed or left-handed circular to produce polarized radiation. An exploitation of these different ones Polarizations on the transmitter and receiver side improves the connection quality in high frequency or microwave radio links considerably (see also P.S. Neelakanta, et al., "Making of a robust indoor Microwave Wireless Link: A novel scheme of polarization-sense diversity, "Microw. J., Aug. 2004).
Vorzugsweise sind die Einheitszellen in zwei Dimensionen verteilt angeordnet. Diese Ausführung begünstigt einerseits die Symmetrie des Ring-Resonators, wie auch eine Vorzugsrichtung der Abstrahlung bei Verwendung des erfindungsgemäßen Ring-Resonators als Antenne. Ein derartiger Ring-Resonator kann ferner wegen der guten Zugänglichkeit aller Einheitszellen einfach gefertigt werden.Preferably the unit cells are distributed in two dimensions. This execution favored on the one hand, the symmetry of the ring resonator, as well as a preferred direction the radiation when using the ring resonator according to the invention as an antenna. Such a ring resonator can further because of the good accessibility All unit cells are easily manufactured.
Eine besonders flexible und leistungsfähige Ausführung des erfindungsgemäßen Ring-Resonators wird erzielt, wenn die Energiespeicher, also Leitungen, Induktivitäten und/oder Kapazitäten, in einer Mehrlagenstruktur (Multilayer) ausgebildet sind. In diesem Fall stehen verschiedenste Möglichkeiten zur Realisierung der Kapazitäten und Induktivitäten der Einheitszelle zur Verfügung.A particularly flexible and efficient embodiment of the ring resonator according to the invention is achieved when the energy storage, so lines, inductors and / or Capacities, are formed in a multi-layer structure (multilayer). In this Case are various possibilities for the realization of capacities and inductors the unit cell available.
Die Kapazitäten können als Plattenkondensatoren innerhalb der Mehrlagenstruktur aufgebaut sein. Die Induktivitäten können als dreidimensionale Strukturen, z.B. als Helix-Spulen ausgebildet sein, womit große Induktivitätswerte realisiert werden können. Vorteilhaft ist wenigstens ein magnetischer und/oder elektrischer Energiespeicher als Hochfrequenzübertragungsleitung ausgebildet.The capacities can constructed as plate capacitors within the multilayer structure be. The inductors can as three-dimensional structures, e.g. designed as helical coils be, with which large inductance values can be realized. At least one magnetic and / or electrical energy store is advantageous as a high-frequency transmission line educated.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Mehrlagenstruktur als keramischer Verdrahtungsträger im Mehrlagenaufbau, gemeinhin als "LTCC" bezeichnet (Low Temperature Cofired Ceramic), realisiert ist. Die Vorteile der LTCC-Technologie ermöglichen es, den erfindungsgemäßen Ring-Resonator in rascher und günstiger Weise, bei gleichzeitiger hervorragender Kontrolle der einzelnen Lagen zu fertigen.Especially It is advantageous if the multilayer structure as a ceramic wiring substrate in multilayer construction, commonly referred to as "LTCC" (Low Temperature Cofired Ceramic). Allow the benefits of LTCC technology it, the ring resonator according to the invention in a quick and favorable way, with simultaneous excellent control of the individual layers to manufacture.
Bei einem besonders einfachen Aufbau des Ring-Resonators ist vorgesehen, daß die Leitungen, Induktivitäten und Kapazitäten der Einheitszellen als Streifenleiter (Microstrip) auf einem Substrat ausgebildet sind. Bei dieser Ausführungsform können alle bekannten und üblichen Verfahren zur Herstellung von gedruckten Schaltungen angewandt werden.at a particularly simple construction of the ring resonator is provided, that the Lines, inductors and capacities the unit cells as a strip conductor (microstrip) on a substrate are formed. In this embodiment, all known and usual Process for the production of printed circuits are applied.
Auf einem Substrat, wie z.B. einer Leiterplatte, können die Streifenleiter derart aufgebracht werden, daß die Kapazität CL von einer geeigneten flächigen Streifenleiteranordnung gebildet ist.On a substrate, such as a printed circuit board, the strip conductors can be applied such that the capacitance C L is formed by a suitable flat stripline arrangement.
Die Induktivität LL kann als länglicher Streifenleiter bzw. als Stichleitung ausgebildet sein. Dabei sind die Kapazität CL und die Induktivität LL für das LH-Verhalten, und dementsprechend eine Kapazität CR und eine Induktivität LR für das RH-Verhalten einer Einheitszelle verantwortlich. Die Kapazität CR und die Induktivität LR können dann durch die Kapazität zwischen den Streifenleitern und einer Masselage bzw. durch den von dem Stromfluß in der Kapazitätsstruktur CL verursachten magnetischen Fluß hervorgerufen werden.The inductance L L may be formed as an elongated strip conductor or as a stub. In this case, the capacitance C L and the inductance L L are responsible for the LH behavior, and accordingly a capacitance C R and an inductance L R are responsible for the RH behavior of a unit cell. The capacitance C R and the inductance L R can then be caused by the capacitance between the strip conductors and a ground layer or by the caused by the current flow in the capacitance structure C L magnetic flux.
Vorzugsweise sind die Einheitszellen auf dem Substrat innerhalb einer Kreisfläche angeordnet, wobei jede Einheitszelle einen einer gleichmäßigen Aufteilung der Kreisfläche unter den Einheitszellen entsprechenden Kreisausschnitt belegt.Preferably the unit cells are arranged on the substrate within a circular area, each unit cell having a uniform distribution of the circular area below occupied the unit cell corresponding circular section.
Die Kreisfläche eines Substrates kann symmetrisch in n (n ϵ N+) gleiche Kreisausschnitte bzw. Flächensegmente unterteilt werden, wobei n die Anzahl der Einheitszellen ist. Jedes Segment wird dann mit einer Streifenleiteranordnung belegt, die gemäß der oben stehenden Beschreibung im Zusammenwirken mit dem Substrat und einer Masse-Ebene jeweils die konzentrierten Elemente einer Einheitszelle realisiert. In diesem Fall ist die Ringanordnung der Einheitszellen kreisrund, wobei ein Höchstmaß an Symmetrie zwischen den Einheitszellen erreicht wird.The circular area of a substrate can be subdivided symmetrically into n (n ∈ N + ) equal sector sections or area segments, where n is the number of unit cells. Each segment is then covered with a stripline arrangement which, in accordance with the above description, in cooperation with the substrate and a ground plane, respectively realizes the lumped elements of a unit cell. In this case, the ring arrangement of the unit cells is circular, whereby a maximum of symmetry between the unit cells is achieved.
Vorteilhaft kann eine der Kapazitäten (CR, CL) jeder Einheitszelle als Interdigitalkondensator ausgebildet sein. Ein derartiger Kondensator ist bei der Herstellung gedruckter Schaltungen leicht zu realisieren. Eine Kammstruktur von Leitungen ragt mit ihren Leitungs-Fingern in die Zwischenräume einer entsprechenden Gegenstruktur, ohne diese zu kontaktieren. Ein durchgehender Zwischenraum-Pfad trennt die Kammstrukturen voneinander, wobei der Zwischenraum-Pfad vorzugsweise mäanderförmig ausgebildet ist.Advantageously, one of the capacitances (C R , C L ) of each unit cell can be formed as an interdigital capacitor. Such a capacitor is easy to realize in the manufacture of printed circuits. A comb structure of lines protrudes with their line fingers in the interstices of a corresponding counter-structure, without contacting them. A continuous gap path separates the comb structures from one another, wherein the gap path is preferably meander-shaped.
Vorzugsweise ist wenigstens eine der Induktivitäten (LR, LL) jeder Einheitszelle als Stichleitung ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese Stichleitungen derart sternförmig um ein Zentrum angeordnet sind, daß in dem Zentrum eine Kopplung zwischen den Stichleitungen besteht.Preferably, at least one of the inductors (L R , L L ) of each unit cell is formed as a stub. It is particularly advantageous if these stub lines are arranged in a star shape around a center in such a way that there is a coupling between the stubs in the center.
Die Ausbildung der Induktivität als Stichleitung ist die konzeptionell und herstellungstechnisch einfachste Realisierung einer Induktivität. Ein Aufeinandertreffen der Stichleitungen in einem Zentrum, in dem zwischen den Leitungen eine Kopplung besteht, begünstigt wiederum die Symmetrie der einzelnen Einheitszellen, da keine separate Kopplung jeder einzelnen Stichleitung erforderlich ist und eine damit verbundene potentielle Abweichung einzelner Kopplungspunkte ausgeschlossen ist. Die Art der Kopplung der Stichleitungen kann beliebig sein und beispielsweise in einer einfachen leitenden Verbindung bestehen.The Formation of inductance as a spur line is the conceptual and manufacturing technology simplest realization of an inductance. A clash of Stub lines in a center where between the lines a Coupling exists, favors Again, the symmetry of the individual unit cells, as no separate Pairing each individual stub is required and one associated potential deviation of individual coupling points is excluded. The type of coupling of the stubs can be arbitrary and, for example, in a simple conductive connection consist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist in dem Zentrum eine Durchkontaktierung (ein sog. "Via-Hole") der Stichleitungen zu einer Masse-Ebene ausgebildet. Die Stichleitungen nutzen dann die gemeinsame Durchkontaktierung, wodurch mögliche Symmetriestörungen durch einzelne Durchkontaktierungen der Stichleitungen vermieden werden.at a preferred embodiment At the center is a via (a so-called "via hole") of the stubs formed to a mass level. The stubs then use the common via, thereby eliminating possible interference due to Individual vias of the stubs are avoided.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführung ist statt der gemeinsamen Durchkontaktierung ein Varaktor im gemeinsamen Zentrum der Stichleitungen vorgesehen. Auf diese Weise kann auf die Resonanzfrequenz durch Veränderung der Kapazität des Varaktors Einfluß genommen werden, wodurch wird eine Abstimmbarkeit des Ring-Resonators erreicht wird.In another advantageous embodiment, a varactor in the common center of the stubs is provided instead of the common via. In this way, the resonant frequency can be influenced by changing the capacitance of the varactor, which becomes a tunable achieved speed of the ring resonator.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden rein beispielhaften und nicht-beschränkenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung.Further Details and advantages of the invention will become apparent from the following purely exemplary and non-limiting description of two embodiments in conjunction with the drawing.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENSHORT DESCRIPTION THE DRAWINGS
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION PREFERRED EMBODIMENTS
Im folgenden werden unter Bezug auf die Zeichnungen rein beispielhaft und nicht beschränkend zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Ring-Resonatoren beschrieben.in the The following will be purely illustrative with reference to the drawings and not restrictive two embodiments inventive ring resonators described.
Die
schematische Darstellung des in
Gemäß der Beschreibung
des Ring-Resonators durch die CRLH-Leitungstheorie sind zwei zentralsymmetrische
Leitungsringe aus jeweils acht Leitungen
Im
Inneren der
Die
Länge p
der zu einer Einheitszelle gehörenden
Leitung
Die
zu dem in
Die
bei diesem Ausführungsbeispiel
realisierten Werte für
die konzentrierten Elemente der Einheitszelle betragen CL = 0,7 pF, LR =
3,4 nH, CR = 1,0 pF und LL =
4,2 nH. Auf den im Diagramm aufgetragenen Ästen
Wie
ausgeführt,
zeigt der Ring-Resonator Eigenschaften eines Metamaterials. Der
untere Ast
Wie
bereits erwähnt
trennt eine Bandlücke
Das
Layout der gedruckten Streifenleiter des in
Der
vom Zentrum
Bei dieser Ausführungsform kann auf eine Durchkontaktierung des gemeinsamen Zentrums der Stichleitungen zu einer Masse-Ebene verzichtet werden, da wegen des symmetrischen Aufbaus des Ring-Resonators bis auf eine Schwingungsmode nullter Ordnung des Ring-Resonators keine Schwingungsmode einen Stromfluß in der Durchkontaktierung erzeugte.at this embodiment may be on a via of the common center of the stubs to be dispensed with to a mass level because of the symmetrical Structure of the ring resonator except for a vibration mode zeroth Order of the ring resonator no vibration mode a current flow in the Through contact generated.
Zwischen
den Stichleitungen sind jeweils Interdigitalkondensatoren
An
der Stichleitungen
Eine Übertragungsleitung
Der
gezeigte Ring-Resonator
Da
die Speisung des Ring-Resonators
In
Die
oberste Lage bilden kreuzförmig
angeordnete Stichleitungen
Eine Besonderheit sind die beiden zusätzlichen Moden nullter Ordnung, die eine konstante Spannungs- bzw. Stromverteilung entlang des Ring-Resonators zeigen. Der Spannungsmode entspricht dabei einer entlang des Ringes gleichverteilten Spannung, während der zugehörige Strom null ist. Der Strommode entspricht einem entlang des Ringes gleichverteilten Strom, während die zugehörige Spannung null ist. Die Ringstruktur ermöglicht dabei die gleichzeitige Existenz beider Moden nullter Ordnung.A Special feature are the two additional ones Zero-order modes that have a constant voltage or current distribution along the ring resonator. The voltage mode corresponds thereby an equally distributed along the ring tension during the associated Current is zero. The current mode corresponds to one along the ring equally distributed electricity while the associated Voltage is zero. The ring structure allows the simultaneous Existence of both modes of zeroth order.
Durch
kombinierte elektrische/magnetische Kopplung kann ein Dual-Band-Betrieb
beider Moden nullter Ordnung erreicht werden. Die Anpassung kann
dabei durch die Speiseleitung
Im
in
Die Fernfeldcharakteristik eines solchen Ring-Resonators kann im Spannungsmode durch einen elektrischen Monopol modelliert werden, während der Ring-Resonator im Strommode wie ein magnetischer Dipol über Masse abstrahlt.The Far field characteristic of such a ring resonator can be in the voltage mode be modeled by an electric monopole while the Ring resonator in current mode like a magnetic dipole over ground radiates.
Die
Eigenschaften des in
In
der Nähe
der Resonanzfrequenz des Spannungsmodes kann der Ring-Resonator durch die
in
Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwandlungen möglich. So kann der Ring-Resonator mit verschiedensten bekannten Techniken und Methoden realisiert werden, wie z.B. auch mit Methoden der Oberflächenmontagetechnik, sofern der gewünschte Frequenzbereich dies erlaubt. Außerdem können die zur Realisierung des Einheitszellen-Netzwerks erforderlichen Kapazitäten und Induktivitäten auf beliebige Weise, als zwei- oder dreidimensionale Strukturen realisiert werden. Auch die Form des Ringes der Einheitszellen ist unter Berücksichtigung der gewünschten Anwendung frei wählbar. Wesentlich ist lediglich, daß die Einheitszellen in der beschriebenen Weise aufgebaut, d.h. das beschriebene Verhalten zeigen, und miteinander zu einer geschlossenen Kette bzw. zu einem Ring verbunden sind. Die Verwendung entsprechender Ring-Resonatoren zum Senden und/oder Empfangen ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.in the Within the scope of the inventive concept, numerous modifications are possible. So For example, the ring resonator can be made by various known techniques and methods are realized, such as e.g. also with methods of surface mounting technology, if the desired Frequency range allows this. In addition, the implementation of the Unit cell network required capacities and inductors any way, as two- or three-dimensional structures realized become. The shape of the ring of the unit cells is also taken into consideration the desired Application freely selectable. It is only essential that the unit cells constructed in the manner described, i. the described behavior show, and together to a closed chain or to a Ring are connected. The use of corresponding ring resonators for sending and / or receiving is also the subject of the invention.
- 1010
- Ring-ResonatorRing Resonator
- 1212
- Leitungmanagement
- 1414
- Leitungmanagement
- 1616
- Kopplungspunktcoupling point
- 1818
- Kopplungspunktcoupling point
- 2222
- Astbranch
- 2424
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-
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Patent Citations (2)
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