DE102005020326B4 - Ring resonator antenna - Google Patents
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Abstract
Ring-Resonator, welcher als Antenne verwendet wird (10; 60) – umfassend wenigstens zwei in Reihe geschaltete Einheitszellen in Form von Zweitoren mit jeweils einem Eingangstor und einem Ausgangstor, – wobei jede Einheitszelle wenigstens zwei voneinander unabhängige magnetische sowie wenigstens zwei voneinander unabhängige elektrische Energiespeicher bereitstellt und – wobei jede Einheitszelle eine Reihenschaltung eines ersten elektrischen Speichers und eines ersten magnetischen Speichers in der ersten Leitung (12) und eine Parallelschaltung eines zweiten elektrischen Speichers und eines zweiten magnetischen Speichers zwischen der ersten Leitung (12) und der zweiten Leitung (14) aufweist. dadurch gekennzeichnet, daß – 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 erste Leitungen (12) und jeweils zweite Leitungen (14) der gekoppelten Einheitszellen miteinander verbunden sind, – wobei genau zwei Resonanzverteilungen angeregt werden, bei denen die Resonanzfrequenzen {fse, fsh} unterschiedlich oder gleich und nicht von der Anzahl der Einheitszellen im Ring abhängig sind, wobei bei der durch die Serienresonanz fse bestimmten Stromverteilung ein konstanter Strom (ungleich 0) zwischen alle Toren fließt, und wobei bei der durch die Parallelresonanz fsh bestimmten Spannungsverteilung eine konstante Spannung (ungleich 0) an jedem Tor anliegt, – wobei genau zwei weitere Resonanzverteilungen angeregt werden, wobei eine Resonanzfrequenz f+1 > max{fse, fsh} und eine Resonanzfrequenz f–1 < min{fse, fsh} dieselbe örtliche Strom-/Spannungsverteilung entlang der Tore der Einheitszellen in der Ringanordnung erzeugen.Ring resonator, which is used as an antenna (10; 60) - comprising at least two series-connected unit cells in the form of two ports, each with an input port and an output port, - each unit cell having at least two independent magnetic and at least two independent electrical energy stores and - wherein each unit cell is a series connection of a first electrical memory and a first magnetic memory in the first line (12) and a parallel connection of a second electrical memory and a second magnetic memory between the first line (12) and the second line (14) having. characterized in that - the unit cells are arranged and coupled one behind the other in a ring structure such that each unit cell is coupled to a unit cell preceding in the ring direction and a unit cell following in the ring direction, with first lines (12) and second lines (14) in each case coupled unit cells are connected to each other, - exactly two resonance distributions are excited, at which the resonance frequencies {fse, fsh} are different or the same and do not depend on the number of unit cells in the ring, with the current distribution determined by the series resonance fse a constant current (not equal to 0) flows between all gates, and with the voltage distribution determined by the parallel resonance fsh, a constant voltage (unequal to 0) is applied to each gate, - exactly two further resonance distributions are excited, with a resonance frequency f + 1> max {fse , fsh} and a resonance frequency f– 1 <min {fse, fsh} generate the same local current / voltage distribution along the gates of the unit cells in the ring arrangement.
Description
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft einen Ring-Resonator für elektromagnetische Energie, welcher als Antenne verwendet wird und der aus wenigstens zwei zu einer Ringanordnung verbundenen Einheitszellen gebildet wird.The invention relates to a ring resonator for electromagnetic energy, which is used as an antenna and which is formed from at least two unit cells connected to a ring arrangement.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF 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 is known to construct resonators from so-called unit cells. The term "unit cells" is understood to mean generally consisting of an input port and an exit port existing two ports, each unit cell provides energy storage. The term "energy storage" is understood here to mean in general all types of structures that are capable of forming an electric or magnetic field and thus to store energy. An energy store in this sense can thus z. B. a coil or a capacitor, in the simplest case, but only a piece of pipe.
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 simulated by a so-called equivalent circuit. Such an equivalent circuit is a linear network consisting of concentrated elements such as capacitances and inductances and / or distributed lines, which model the energy stores of the physical realization and describe the high-frequency behavior between the input and the output gates of the unit cell. The topology of the equivalent circuit of such a unit cell commonly has 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., "novel zeroth-order resonance in composite right/left-handed transmission line resonators”, Asia-Pacific Microwave Conference, Vol. 3, S. 1588–1592, Seoul, Nov. 2003).It is also known to construct resonators of so-called "metamaterials", also referred to as "left-handed materials" or "LH materials" for short (see, for example, Sanada, et al., "Novel zeroth-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.The term "metamaterials" are understood to mean structures which have special, unusual electromagnetic properties, so-called "left-handed" properties, often referred to for short as "LH properties". In particular, under suitable conditions, such structures may simultaneously exhibit negative permittivity and negative permeability, resulting in antiparallel (counteracting) group and phase velocities of the electromagnetic waves passing through the materials.
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.Electrical circuit arrangements realized by such metamaterials behave differently from conventional so-called "right-handed" (RH) materials, whose properties are referred to as "right-handed" or "RH properties" for short, and in which 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.Due to parasitic effects (which may be desirable), metamaterials can have both LH properties and RH properties. These types of materials are then referred to as CRLH (Composite Right-Left-Handed) materials.
Unter Ausnutzung beider Arten von Eigenschaften (linkshändisch, rechtshändisch) sind auf dem Gebiet der Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik Konzeptionen und Realisierungen neuartiger Einrichtungen und Geräte möglich.Utilizing both types of properties (left-handed, right-handed), concepts and realizations of novel devices and devices are possible in the field of high-frequency and microwave technology.
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'l Symp., Vol. 2, S. 412–415, San Antonio, TX, Juni 2002).In the investigation and comparison of realized circuits with model calculations, it has been shown that pure metamaterials and in particular also CRLH materials can be usefully analyzed and modeled with the help of an extended theory of conduct. For this purpose, equivalent circuits are used which model individual unit cells. In this way, the behavior of a network built up from real unit cells can be calculated using common methods and tools (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'l Symp., Vol. 2, pp. 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 use of radio technology in the high-frequency and microwave range, especially in Consumer applications such. B. WLAN or Bluetooth TM requires ever better transmitting and receiving 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.In the case of corresponding devices, however, relatively expensive and / or multiple antenna arrangements have hitherto been required in order to provide a high-quality connection in different frequency bands.
Ein Hochfrequenz-Volumenresonator für magnetische Kernresonanz ist aus der Patentschrift
Ein Temperatur Kompensier-Mechanismus für einen mikromechanischen Ring-Resonator ist in der Patentanmeldungsschrift
Aus der internationalen Veröffentlichung von Sanada et al mit dem Titel: ”Novel Zeroth-Order Resonance in Composite Right/Left-Handed Transmission Line Resonators Arbitrary”, veröffentlicht in: 2003 Asia-Pacific Microwave Conference Vol. 03, 2003, Seoul, Seite 1588–1591 sind geradlinige, lineare Leitungsresonatoren bekannt, welche ebenfalls mit CRLH-Material aufgebaut sind. Diese Resonatoren können entweder mit offenem oder mit kurzgeschlossenem Ende betrieben werden und haben dem entsprechend eine konstante Spannungsverteilung beziehungsweise Stromverteilung über die gesamte Leitungsstruktur. Zur Ankopplung der Signale werden ebenfalls Kapazitäten mit interdigitalen Strukturen verwendet.From the international publication of Sanada et al entitled: "Novel Zeroth Order Resonance in Composite Right / Left-Handed Transmission Line Resonators Arbitrary", published in: 2003 Asia-Pacific Microwave Conference Vol. 03, 2003, Seoul, page 1588 -1591 linear straight line resonators are known, which are also constructed with CRLH material. These resonators can be operated either with open or short-circuited end and accordingly have a constant voltage distribution or current distribution over the entire line structure. Capacitors with interdigital structures are also used to couple the signals.
Ein ringförmiger Resonator ist aus der Druckschrift
Aus der internationalen Veröffentlichung von Lin et al mit dem Titel: ”Arbitrary dual-band components using composite right/left-handed transmission lines”, veröffentlicht in: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.52, No.4, Seite 1142–1149, April 2004, doi: 10.1109/TMTT.2004.825747 sind ringförmige Koppler bekannt, welche ebenfalls mit CRLH-Material aufgebaut sind. Diese als Kopplerstrukturen verwendeten Bauteile ermöglichen einen Betrieb als Ringkoppler bei zwei unterschiedlichen Frequenzen. Dabei sind die jeweiligen galvanisch verbundenen Anschlüsse, die verwendeten konzentrierten Bauelemente und die Transmissionsleitungen so konstruiert, dass eine möglichst verlustarme gezielte Verteilung der eingespeisten Leistung auf die jeweiligen Ausgangstore erfolgt.From Lin et al International Publication entitled "Arbitrary dual-band components using composite right / left-handed transmission lines", published in: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.52, No.4, page 1142 -1149, April 2004, doi: 10.1109 / TMTT.2004.825747 annular couplers are known, which are also constructed with CRLH material. These components used as coupler structures allow operation as a ring coupler at two different frequencies. In this case, the respective galvanically connected terminals, the used concentrated components and the transmission lines are constructed so that a low-loss targeted distribution of the power fed to the respective output ports.
Bei den in dieser Veröffentlichung präsentierten ringförmigen Koppler-Topologien finden sich daher stets sowohl ein galvanisch mit der Ringstruktur verbundenes Eingangstor zur Einspeisung der zu verteilenden Leistung, als auch zwei galvanisch mit der Ringstruktur verbundene Ausgangstore sowie ein ebenfalls galvanisch mit der Ringstruktur verbundenes sogenanntes Isolationstor, welches zur Absorption eventuell fehlerhaft geführter Leistungsanteile stets mit einem angepassten Abschlusswiderstand versehen ist.In the presented in this publication annular coupler topologies are therefore always both an electrically connected to the ring structure input gate for feeding the power to be distributed, as well as two galvanically connected to the ring structure output ports and a likewise Galvanically connected to the ring structure so-called Isolationstor, which is always provided for the absorption of possibly erroneously performed performance shares with an adapted terminating resistor.
Im Gegensatz zu der in dieser Veröffentlichung beschriebenen Ringkoppler-Struktur, welche für den bestimmungsgemäßen Betrieb des ringförmigen Kopplers hier stets vier mit der Ringstruktur verbundene Anschlüsse benötigt, kommt eine ringförmige Antenne dagegen lediglich mit einem einzigen Anschluss zur Einspeisung der elektromagnetischen Leistung aus, weil die eingespeiste Leistung bei einer Antenne nicht auf diverse Tore verteilt, sondern bestimmungsgemäß in den umgebenden Freiraum abgestrahlt werden soll.In contrast to the ring coupler structure described in this publication, which always requires four connections connected to the ring structure for the intended operation of the annular coupler, an annular antenna only has a single connection for feeding in the electromagnetic power, because the injected one Power at an antenna not distributed to various goals, but intended to be emitted in the surrounding space.
Wegen der Verwendung von CRLH-Material, der ringförmigen Topologie und wegen der Möglichkeit des Betriebes bei unterschiedlichen Frequenzen zeigt die in dieser Veröffentlichung beschriebene Kopplerstruktur Ähnlichkeiten zu der hier beschriebenen Antenne und stellt somit den am nächsten kommenden Stand der Technik dar.Because of the use of CRLH material, the annular topology, and the ability to operate at different frequencies, the coupler structure described in this publication is similar to the antenna described herein, and thus represents the closest prior art.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION
Der Erfindung hegt 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.The invention has the object to improve the quality of high-frequency or microwave connections. In particular, one aspect of the invention is to improve the communication quality of radio frequency (RF) links by enabling dual band operation of an antenna with flexible and multiple polarizability (horizontal, vertical, circular, and hybrid) at two different operating frequencies.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Ring-Resonator gemäß Anspruch 1.This object is achieved with a ring resonator according to
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.In such ring resonators, the interaction of the magnetic and electrical energy storage in the longitudinal branch of the equivalent circuit of the unit cell between input and output port on a series resonant behavior, while the interaction of the magnetic and electrical energy storage in the transverse branch of the equivalent circuit of the unit cell has a parallel resonant behavior.
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 does not necessarily have to be circular), periodic boundary conditions can be fulfilled in a nearly ideal manner with the ring resonator according to the invention. As a result, the properties of a metamaterials can emerge, so that a resonator type is created, which can then be adapted to desired requirements by means of the CRLH conduction theory.
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: wobei 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 : in which
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 ∈ 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 ∈ N + , N + = set 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.Advantageously, the ring resonator is designed so that after excitation simultaneously to the resonant modes and a zeroth order current mode is propagatable, which is described by an associated along the ring locally constant current and an associated voltage, which is everywhere equal to zero along the ring 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.Advantageously, the ring resonator is designed so that after excitation simultaneously to the resonant modes and possibly also simultaneously to the zero-order current mode, a zeroth-order voltage mode is capable of propagation, by an associated along the ring locally constant voltage and an associated current, the along the ring is zero everywhere 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 feed of the ring resonator may be via one or more coupled to the ring of unit cells feeder connections. Depending on the feed strategy, a voltage or maximum current then forms at the feed point.
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 achieved at 90 ° offset feed points with the same supply (maximum voltage maximum) or (maximum current maximum) and 180 ° offset feed points with different supply (voltage maximum current maximum).
Die den Ring bildende Kette von gekoppelten Einheitszellen kann je nach Anforderungen kreisförmig, oval oder beliebig anders geformt sein. 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).The chain of coupled unit cells forming the ring may be circular, oval or any other shape as required. When using 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 a variety of polarizations of the signal. Thus, one and the same ring resonator can be used to generate horizontal, vertical, 45 ° -directed, and right-handed or left-handed circularly polarized radiation at two different operating frequencies. Utilization of these different polarisations on the transmitter and receiver side considerably improves the connection quality in high-frequency or microwave radio links (see also PS Neelakanta, et al., "Making 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 arranged distributed in two dimensions. This embodiment on the one hand favors the symmetry of the ring resonator, as well as a preferred direction of the radiation when using the ring resonator according to the invention as an antenna. Such a ring resonator can also be easily manufactured because of the good accessibility of all unit cells.
Eine besonders flexible und leistungsfähige Ausführung des erfindungsgemäßen Ring-Resonators wird erzielt, wenn die Energiespeicher, also Leitungen, Induktivitäten und/oder Kapazitäten, in einer Mehrlagenstruktur (Multilager) 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, ie lines, inductors and / or capacitances, in a multi-layer structure (multilayer) are formed. In this case, various possibilities for realizing the capacities and inductances of the unit cell are 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 capacitances can be constructed as plate capacitors within the multilayer structure. The inductors can be used as three-dimensional structures, for. B. be designed as helical coils, which can be realized with high inductance values. Advantageously, at least one magnetic and / or electrical energy store is designed as a high-frequency transmission line.
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.It is particularly advantageous if the multilayer structure is realized as a ceramic wiring carrier in multilayer construction, commonly referred to as "LTCC" (Low Temperature Cofired Ceramic). The advantages of the LTCC technology make it possible to manufacture the ring resonator according to the invention in a quick and favorable manner while at the same time providing excellent control of the individual layers.
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.In a particularly simple structure of the ring resonator is provided that the lines, inductances and capacitances of the unit cells are formed as a strip conductor (microstrip) on a substrate. In this embodiment, all known and conventional methods for producing printed circuits can be used.
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 circuit board, the strip conductors can be applied such that the capacitance C L is formed by a suitable flat stripline assembly.
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 occupying a circular area corresponding to a uniform distribution of the circular area under the unit cells.
Die Kreisfläche eines Substrates kann symmetrisch in n (n ∈ 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 + ) identical circular 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 the inductance as spur line is the conceptually and manufacturing technically simplest realization of an inductance. A meeting of the stubs in a center in which there is a coupling between the lines, in turn favors the symmetry of the individual unit cells, since no separate coupling of each individual stub is required and an associated potential deviation of individual coupling points is excluded. The type of coupling of the stubs can be arbitrary and, for example, consist in a simple conductive connection.
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.In a preferred embodiment, a through-hole (a so-called "via hole") of the branch lines to a ground plane is formed in the center. The stub lines then use the common via, whereby possible symmetry disturbances are avoided by individual vias of the stubs.
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 resonance frequency can be influenced by changing the capacitance of the varactor, whereby a tunability of the ring resonator is achieved.
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 drawings.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Im folgenden werden unter Bezug auf die Zeichnungen rein beispielhaft und nicht beschränkend zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Ring-Resonatoren beschrieben.In the following, two exemplary embodiments of ring resonators according to the invention will be described with reference to the drawings purely by way of non-limiting example.
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.In this embodiment, a via of the common center of the stub lines to a ground plane can be dispensed with because, due to the symmetrical design of the ring resonator except for a zero-order oscillation mode of the ring resonator, no oscillation mode generated a current flow in the via.
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 zero-order modes, which show a constant voltage or current distribution along the ring resonator. The voltage mode corresponds to an equally distributed voltage along the ring, while the associated current is zero. The current mode corresponds to an equally distributed current along the ring, while the associated voltage is zero. The ring structure allows the simultaneous existence of both zeroth order modes.
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 modeled in voltage mode by an electrical monopole, while the ring resonator in the current mode radiates over ground like a magnetic dipole.
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.Within the scope of the inventive concept, numerous modifications are possible. Thus, the ring resonator can be realized by a variety of known techniques and methods, such. B. also with methods of surface mounting technology, if the desired frequency range allows. In addition, the capacities and inductances required to realize the unit cell network can be realized in any manner, as two- or three-dimensional structures. The shape of the ring of the unit cells is freely selectable taking into account the desired application. It is only essential that the unit cells constructed in the manner described, d. H. show the behavior described, and are connected together to form a closed chain or a ring. The use of corresponding ring resonators for transmitting and / or receiving is likewise provided by the invention.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Ring-ResonatorRing Resonator
- 1212
- Leitungmanagement
- 1414
- Leitungmanagement
- 1616
- Kopplungspunktcoupling point
- 1818
- Kopplungspunktcoupling point
- 2222
- Astbranch
- 2424
- Astbranch
- 2626
- Bandlückebandgap
- 3030
- Stichleitungstub
- 3232
- Stichleitungstub
- 3434
- Stichleitungstub
- 3636
- Stichleitungstub
- 3838
- Stichleitungstub
- 4040
- Stichleitungstub
- 4242
- Stichleitungstub
- 4444
- Stichleitungstub
- 4646
- Zentrumcenter
- 5050
- InterdigitalkondensatorInterdigital capacitor
- 5252
- Übertragungsleitungtransmission line
- 6060
- Ring-ResonatorRing Resonator
- 6161
- Trägercarrier
- 6262
- Stichleitungstub
- 6464
- Stichleitungstub
- 6666
- Stichleitungstub
- 6868
- Stichleitungstub
- 7070
- Fingerfinger
- 7272
- Mikrostreifen-SpeiseleitungMicrostrip feed line
- 7474
- Via-HoleVia hole
Claims (28)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102005020326.4A DE102005020326B4 (en) | 2005-02-27 | 2005-04-30 | Ring resonator antenna |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102005009331.0 | 2005-02-27 | ||
DE102005009331 | 2005-02-27 | ||
DE102005020326.4A DE102005020326B4 (en) | 2005-02-27 | 2005-04-30 | Ring resonator antenna |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102005020326A1 DE102005020326A1 (en) | 2006-09-07 |
DE102005020326B4 true DE102005020326B4 (en) | 2014-08-21 |
Family
ID=36848229
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102005020326.4A Expired - Fee Related DE102005020326B4 (en) | 2005-02-27 | 2005-04-30 | Ring resonator antenna |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102005020326B4 (en) |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5212450A (en) * | 1990-10-25 | 1993-05-18 | Fox Chase Cancer Center | Radio frequency volume resonator for nuclear magnetic resonance |
IL149397A0 (en) * | 1999-11-02 | 2002-11-10 | Ebauchesfabrik Eta Ag | Time base comprising an integrated micromechanical ring resonator |
-
2005
- 2005-04-30 DE DE102005020326.4A patent/DE102005020326B4/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
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NEELAKANTA, P. S.; PREEDALUMPABUT, W.; MORGERA, S. Making of a robust indoor microwave wireless link: "A novel scheme of polarization-sense diversity", Microwave Journal, 2004, 47. Jg., Nr. 8, S. 84-86. |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102005020326A1 (en) | 2006-09-07 |
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