DE602005002187T2

DE602005002187T2 - Medium mit steuerbaren refraktiven Eigenschaften

Info

Publication number: DE602005002187T2
Application number: DE602005002187T
Authority: DE
Inventors: Eric D. Isaacs; Carsten Metz
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2025-02-23
Also published as: EP1596470A1; DE602005002187D1; EP1596470B1; JP4648041B2; JP2005260965A; US7015865B2; US20050200540A1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft brechende Metamaterialien sowie Vorrichtungen und Verfahren, die solche Materialien verwenden.
Beschreibung des Standes der Technik
Medien, die einen negativen Brechungsindex aufweisen, werden als Metamaterialien bezeichnet. Der Brechungsindex weist ein negatives Vorzeichen auf, wenn sowohl die Dielektrizitätskonstante, ε, als auch die magnetische Permeabilität, μ, bei einer besonderen Frequenz negative Realteile aufweisen. Der negative Brechungsindex bewirkt, dass sich elektromagnetische Strahlung der besonderen Frequenz an Grenzflächen zwischen dem Metamaterial und Medien mit positiven Brechungsindizes anormal bricht. Bei einer anormalen Brechung sind die einfallenden und die gebrochenen Lichtstrahlen auf derselben Seite der Oberflächennormalen der Grenzfläche in der Einfallsebene angeordnet.
Metamaterialien sind aus räumlich regelmäßigen Feldern von Schaltelementen künstlich gestaltet worden. Einige dieser künstlichen Metamaterialien weisen regelmäßige Felder von Spaltringresonatoren und Drahtstreifen auf wie in den 1-4 abgebildet.
1 zeigt einen Abschnitt eines Metamaterials, das eine Platte 12 aufweist. Die Platte 12 ist aus einem würfelförmigen zweidimensionalen (2D-) Gitter aus rechteckigen Glasfaserplatten 14 gebildet.
2 zeigt eine Elementarzelle des würfelförmigen 2D-Gitters der Platte. Die Elementarzelle weist zwei Glasfaserplatten 14 auf. Die Glasfaserplatten 14 weisen die folgenden Abmessungen auf: eine Dicke von 0,25 Millimetern (mm), eine Länge von 10 mm und eine Breite von 5 mm.
3 zeigt eine der Glasfaserplatten 14 der Elementarzelle. Die Glasfaserplatte 14 weist auf einer Mittelachse der Rückseite der Platte 14 einen Drahtstreifen 16 und entlang derselben Mittelachse auf der Vorderseite der Platte 14 drei Spaltringresonatoren (SRR) 18 auf. Die Drahtstreifen 16 sind aus einer 0,03 mm dicken Kupferschicht gebildet. Die übrigen Abmessungen der Drahtstreifen sind: eine Länge von 10 mm und eine Breite von 0,25 mm.
4 zeigt einen SRR 18 der Glasfaserplatte 14. Der SRR 18 weist zwei konzentrische Spaltringe 20, 22 auf, die aus 0,03 mm dicken Kupferschichten gebildet sind. Die Abmessungen, welche die Spaltringe 20, 22 kennzeichnen, sind bezeichnet mit a, c, d, g und w, und erfüllen die folgenden Vorgaben: c = 0,25 mm, d = 0,30 mm, g = 0,46 mm und w = 2,62 mm.
Im beispielhaften Metamaterial der 1-4 erzeugt das regelmäßige Feld der SRR 18 den negativen Realteil für μ, und das regelmäßige Feld von Drahtstreifen 16 erzeugt den negativen Realteil für ε.
U.S.-Patentschrift 5,598,172 beschreibt zum Beispiel eine Mikrowellenlinse, die dafür geeignet ist, mit zwei gekreuzten Polarisationen zu arbeiten. Dieses Dokument offenbart den Oberbegriff von Anspruch 1.
KURZDARSTELLUNG
Verschiedene Ausführungsformen stellen eine Brechung elektromagnetischer Strahlung durch Medien, die imstande sind, zwischen einem Metamaterialzustand und einem normal brechenden Zustand zu wechseln, bereit. Dabei befindet sich ein Medium in einem normal brechenden Zustand, wenn sich Strahlung einer ausgewählten Frequenz im Medium fortpflanzt, als ob der Realteil des Brechungsindex positiv sei. Ein normal brechendes Medium kann die sich fortpflanzende Strahlung geringfü gig abschwächen.
Anspruch 1 definiert eine Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung weist entweder einen drahtlosen Sender oder einen drahtlosen Empfänger auf. Das 3D-Feld ist ein brechendes Medium, das so angeordnet ist, dass es Bündel elektromagnetischer Strahlen, die entweder vom drahtlosen Sender gesendet oder vom drahtlosen Empfänger empfangen werden, einfängt. Das brechende Medium ist so gestaltet, dass es eines der eingefangenen Bündel aus einer ersten Richtung entweder zum drahtlosen Sender oder zum drahtlosen Empfänger lenkt, wenn sich der 3D-Bereich im ersten Zustand befindet. Das brechende Medium ist so gestaltet, dass es eines der eingefangenen Bündel aus einer anderen, zweiten Richtung entweder zum drahtlosen Sender oder zum drahtlosen Empfänger lenkt, wenn sich der 3D-Bereich im zweiten Zustand befindet.
Anspruch 7 definiert ein Verfahren zum drahtlosen Senden oder zum drahtlosen Empfangen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schiefe Projektion eines Abschnitts eines herkömmlichen Metamaterials;
2 ist eine schiefe Projektion einer Elementarzelle im Metamaterial von 1;
3 ist eine Querschnittdarstellung von oben einer Leiterplatte von 2;
4 ist eine Vorderansicht eines Spaltringresonators (SRR) der 2-3;
5 zeigt eine Vorrichtung, die ein brechendes Medium mit regelbaren Brechungseigenschaften aufweist;
5A veranschaulicht eine Anordnung des brechenden Mediums von 5, bei der sich ein keilförmiger Bereich wie ein Metamaterial verhält;
5B veranschaulicht eine Anordnung des brechenden Mediums von 5, bei der sich ein konkav geformter Bereich wie ein Metamaterial verhält;
6 ist eine Querschnittdarstellung einer Ausführungsform des brechenden Mediums von 5;
7 ist eine schiefe Projektion einer Platte des Stapelaufbaus, der in 6 gezeigt ist;
8 ist eine schiefe Projektion einer Elementarzelle des regelmäßigen 2D-Gitters von 7;
9 ist eine Querschnittdarstellung von oben einer Leiterplatte von 8;
10 ist eine Vorderansicht eines regelbaren Drahtstreifens der 8-9;
11A ist eine Vorderansicht einer Ausführungsform eines regelbaren SRR der 8-9;
11B ist eine Vorderansicht einer alternativen Ausführungsform eines regelbaren SRR der 8-9;
12A ist eine Querschnittdarstellung einer lichtelektrischen schalterartigen Ausführungsform einer elektronischen Steuereinrichtung der 9, 10, 11A und 11B;
12B ist eine Querschnittdarstellung einer elektronischen schalterartigen Ausführungsform einer elektronischen Steuereinrichtung der 9, 10, 11A und 11B;
12C ist eine Querschnittdarstellung einer mikroelektromechanischen schalterartigen Ausführungsform einer elektronischen Steuereinrichtung der 9, 10, 11A und 11B;
13 zeigt, wie elektrische und magnetische Eigenschaften eines beispielhaften Mediums zwischen dem Metamaterialzustand und dem normal brechenden Zustand wechseln;
14 ist eine Querschnittdarstellung eines drahtlosen Senders basierend auf einem regelbaren brechenden Medium; und
15 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines drahtlosen Senders oder Empfängers, zum Beispiel des Senders von 14, veranschaulicht.
In den Figuren und Texten bezeichnen dieselben Bezugsziffern in funktioneller Hinsicht ähnliche Elemente.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG ALS BEISPIEL DIENENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Hierin sind verschiedene Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren ausführlicher beschrieben.
5 zeigt eine Vorrichtung 30, die veränderbare und regelbare Brechungseigenschaften bereitstellt. Die Vorrichtung 30 weist einen brechenden Aufbau 32, eine Steuereinrichtung 34 und Steuerleitungen 36, welche die Steuereinrichtung 34 mit dem brechenden Aufbau 32 verbinden, auf. Der brechende Aufbau 32 ist ein dreidimensionales (3D-) Medium, das in einem ausgewählten Wellenlängenbereich regelbare Brechungseigenschaften aufweist. Einzelne 3D-Unterbereiche des brechenden Aufbaus 32 sind imstande, sich für elektromagnetische Strahlung im ausgewählten Wellenlängenbereich entweder wie Metamaterialien oder wie normal brechende Medien zu verhalten. Die Brechungszustände dieser 3D-Bereiche werden durch Spannungs- oder optische Steuersignale, die dem 3D-Medium über die Steuerleitungen 36 zugeführt werden, umkehrbar geregelt. Die Steuereinrichtung 34 wechselt die Brechungseigenschaften der 3D-Bereiche, indem sie die Steuersignale, die an die Steuerleitungen 36 angelegt sind, verändert.
Zwei beispielhafte Brechungsanordnungen für den brechenden Aufbau 32 sind in den 5A und 5B gezeigt.
5A zeigt eine Anordnung, in der sich ein keilförmiger Bereich 38A des brechenden Aufbaus 32 als Metamaterial und der übrige Bereich 39A als normal brechendes Medium verhält. In diesem Zustand bricht der brechende Aufbau 32 einen einfallenden Strahl, I, um einen gebrochenen Strahl, R, zu erzeugen. An der Grenzfläche zwischen dem Metamaterial 38A und den normal brechenden Medien 39A sind der einfallende und der gebrochene Strahl I, R in der Einfallsebene angeordnet, und sind auf derselben Seite des Normalvektors, N, auf die brechende Grenzfläche angeordnet.
5B zeigt eine zweite Anordnung, in der sich ein konkav geformter Bereich 38B des brechenden Aufbaus 32 als Metamaterial und der übrige Bereich 39B als normal brechendes Medium verhält. In diesem Zustand bricht der brechende Aufbau 32 einen einfallenden Strahl, I, um einen gebrochenen Strahl, R, zu erzeugen. In diesem Zustand konvergieren die gebrochenen Strahlen, R, zu einem Brennpunkt.
Eine beispielhafte Ausführung eines homogenen Mediums für den brechenden Aufbau 32 der 5, 5A und 5B ist in den 6-10 und 11A-11B veranschaulicht. Die Ausführung weist ein räumlich regelmäßiges 3D-Gitter aus Spaltringresonatoren (SRR) und Drahtstreifen auf. Die Ausführung verhält sich wie ein 3D-Medium, da das regelmäßige Gitter des 3D-Felds Gitterabmessungen, die im Vergleich zur Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, die darin gebrochen werden soll, klein sind, aufweist. Als Beispiel dienende elektromagnetische Strahlung können zum Beispiel Mikrowellen, Millimeterwellen oder Submillimeter-Wellen sein.
Unter Bezugnahme auf 6 weist der brechende Aufbau 32 einen regelmäßigen Stapel identischer ebener Platten 42 auf. Die ebenen Platten 42 des Stapels sind so ausgerichtet, dass der brechende Aufbau 32 entlang der Stapelrichtung, z, räumlich gleichmäßig ist.
Unter Bezugnahme auf 7 weist jede Platte 42 ein räumlich regelmäßiges Feld identischer, dielektrischer Platten 44 und eine Schicht von Steuerleitungen 36 auf. Die dielektrischen Platten 44 bilden ein regelmäßiges 2D-Gitter, zum Beispiel ein würfelförmiges Gitter mit einer Gitterlänge von ungefähr 5 mm. Beispielhafte dielektrische Platten 44 bestehen aus 0,25 mm dickem Faserglas und sind ungefähr 10 mm hoch und ungefähr 5 mm breit. Steuerleitungen 36 verbinden zu Steuereinrichtungen, zum Beispiel Schaltern oder Varaktordioden (nicht abgebildet) auf den dielektrischen Platten 44. Die Steuerleitungen 36 sind entweder Lichtleitfasern oder elektrische Drähte. Sind die Steuerleitungen 36 Drähte, so sind diese vorzugsweise derart angeordnet, dass ihre Auswirkung auf elektromagnetische Flächenstrahlung, die sich im brechenden Aufbau 32 fortpflanzt, möglichst gering gehalten ist. Zum Beispiel können die Drähte im Wesentlichen parallel zur Fortpflanzungsrichtung einer solchen Strahlung verlaufen, um eine störende Beeinflussung der Strahlung zu verringern.
Unter Bezugnahme auf 8 weist eine Elementarzelle 45 des würfelförmigen Gitters zwei dielektrische Platten 44 auf. Jede dielektrische Platte 44 weist einen Drahtstreifen 48 und drei Spaltringresonatoren (SRR) 50 auf. Der Drahtstreifen 48 ist auf einer Mittelachse der Plattenrückseite angeordnet. Die SRR 50 sind gleichmäßig verteilt und zentriert auf derselben Mittelachse der Plattenvorderseite angeordnet. Die Drahtstreifen 48 und die SRR 50 sind Schaltelemente, deren Schaltzustände vom Zustand von 2- oder 3-poligen, elektronischen Steuereinrichtungen 46 abhängen.
Als Beispiel dienende elektronische Steuereinrichtungen 46 sind regelbare Schalter und Varaktordioden. In schalterartigen Steuereinrichtungen 46 weist der Schalter zwei Zustände auf, das heißt, einen offenen und einen geschlossenen Zustand. Bei Steuereinrichtungen 46 der Varaktordiodenart weist die Varaktordiode zwei oder mehr Zustände mit unterschiedlichen kapazitiven Widerständen auf. Die Zustände mit unterschiedlichen kapazitiven Widerständen werden durch unterschiedliche, über die Varaktordioden angelegte Vorspannungen, erzeugt. Diese unterschiedlichen Vorspannungen können Sperrspannungen unterschiedlicher Größe oder eine Sperrspannung und eine Durchlassvorspannung sein.
Unter Bezugnahme auf 9 wird der Zustand einer elektronischen Steuereinrichtung 46, bei Schaltern zum Beispiel ob diese geöffnet oder geschlossen sind, durch die Form von optischen oder Spannungs-Steuersignalen bestimmt. Die Steuersignale werden mit Hilfe von Steuerleitungen 36, das heißt Lichtleitfasern oder Drähten, an die elektronischen Steuereinrichtungen 46 angelegt.
Unter Bezugnahme auf 10 weist jeder Drahtstreifen 48 eine Abfolge metallischer, leitender Segmente 52, die durch einen oder mehrere kapazitive Zwischenräume 54 getrennt sind, auf. Als Beispiel dienende leitende Segmente 52 sind Kupferschichten, die eine Dicke von ungefähr 0,03 mm und eine Breite von ungefähr 0,25 mm aufweisen. Die Gesamtlänge einer Abfolge der leitenden Segmente 52 ist ungefähr gleich der Höhe einer dielektrischen Platte 44. Die leitenden Segmente 52 auf gegenüberliegenden Seiten jedes kapazitiven Zwischenraums 54 sind über eine elektronische Steuereinrichtung 46, das heißt einen Schalter oder eine Varaktordiode, verbunden. Eine elektronische Steuereinrichtung 46 überlagert jeden Zwischenraum 54. Sind die elektronischen Steuereinrichtungen 46 Schalter, so bilden die leitenden Segmente 52 einer Abfolge Schaltelemente, deren elektrische Eigenschaften bei geschlossenen Schaltern gleich denen durchgehender metallischer Streifen derselben Gesamtlänge, Breite und Dicke sind. Desgleichen bilden die leitenden Segmente 52 einer Abfolge ein Schaltelement, dessen elektrische Eigenschaften bei geöffneten Schaltern gleich denen einer Reihe kurzer Bandleiter, die durch Zwischenräume mit geringem kapazitivem Widerstand 54 gekoppelt sind, sind. Ebenso bilden die leitenden Segmente 52 einer Abfolge Schaltelemente, deren elektrische Eigenschaften sich in Abhängigkeit des kapazitiven Zustands der Varaktordioden ändern, falls die Steuereinrichtungen 46 Varaktordioden sind.
Unter Bezugnahme auf 11A ist eine Form 50A für den SRR 50 der 8-9 ein Schaltelement, das durch zwei konzentrische metallische Spaltringe 56 und eine Steuereinrichtung 46 gebildet ist. Als Beispiel dienende Spaltringe 56 sind aus einer 0,03 mm dicken Kupferschicht hergestellt, und können verschiedene ringähnliche Formen aufweisen. Der als Beispiel dienende SRR 50A weist Strukturabmessungen auf, welche die folgenden Vorgaben erfüllen: c = 0,25 mm, d = 0,30 mm, g = 0,46 mm und w = 2,62 mm. Im SRR 50A bildet die elektronische Steuereinrichtung 46 eine Brücke zwischen dem inneren und dem äußeren Spaltring 56 desselben SRR 50A. Für Steuereinrichtungen 46 der Varaktordiodenart bilden die konzentrischen metallischen Spaltringe 56 ein Schaltelement, dessen kapazitiver Widerstand vom Kapazitätszustand der Varaktordioden abhängt. Desgleichen bilden bei schalterartigen Steuereinrichtungen 46 die konzentrischen metallischen Spaltringe 56 ein Schaltelement mit einem sehr niedrigen kapazitiven Widerstand, wenn der Schalter geschlossen ist, und einen Kondensator mit einem mäßigen kapazitiven Widerstand, wenn der Schalter geöffnet ist. Das Erhöhen des kapazitiven Widerstands der elektronischen Steuereinrichtung 46 senkt die magnetische Resonanzfrequenz, ω_m0, des SRR 50A, da die magnetische Resonanzfrequenz, ω_m0, in annähernd gleichem Maße zunimmt, wie der kapazitive Widerstand zwischen den metallischen Spaltringen 56 sinkt.
Unter Bezugnahme auf 11B ist eine alternative Form 50B für den SRR 50 der 8-9 ein Schaltelement, das durch zwei konzentrische metallische Spaltringe 56' und eine oder mehrere schalterartige Steuereinrichtungen 46 gebildet ist. Als Beispiel dienende metallische Spaltringe 56' weisen dieselbe Zusammensetzung und dieselben Abmessungen auf, wie die metallischen Spaltringe 56 von 11A. Die eine oder die Mehrzahl von Steuereinrichtungen 46 überbrückt/überbrücken den Zwischenraum, g, der die Enden der inneren und/oder der äußeren metallischen Spaltringe 56' trennt. Für schalterartige Einrichtungen 46 bilden die konzentrischen metallischen Ringe 56' geschlossene Schaltelemente, wenn die Schalter geschlossen sind. Diese geschlossenen Elemente weisen deutlich höhere magnetische Resonanzfrequenzen, ω_m0, auf, als die geöffneten Schaltelemente, die bestehen, wenn diese Steuerschalter geöffnet sind.
Die 12A, 12B und 12C zeigen verschiedene schalterartige Ausführungsformen 46A, 46B, 46C der elektronischen Steuereinrichtungen 46 der 9-10, 11A und 11B.
Unter Bezugnahme auf 12A weist die lichtempfindliche, elektronische, schalterartige Steuereinrichtung 46A einen Halbleiter-Kanal 60 auf, der einen Zwischenraum zwischen den Leiterbahnen 62, das heißt zwischen den leitenden Segmenten 52 von 10 oder Abschnitten der metallischen Spaltringe 56, 56' der 11A oder 11B, überbrückt. Der lichtempfindliche Schalter 46A schließt sich in Reaktion auf Licht, das von einem Ende der Steuerleitung 36, das heißt einer Lichtleitfaser, zugeführt wird. Das Licht aus der Lichtleitfaser erregt Träger im Halbleiter-Kanal 60, wodurch sich die Leitfähigkeit des Kanals erhöht und somit der Steuerschalter 46A schließt. Ist kein Steuerlicht vorhanden, ist der Halbleiter-Kanal 60 ein geöffneter Schalter mit großem Widerstand zwischen den Leiterbahnen 62.
Unter Bezugnahme auf 12B ist die elektronische, schalterartige Steuereinrichtung 46B ein Feldeffekttransistor (FET), der einen Zwischenraum zwischen den Leiterbahnen 62, das heißt zwischen den leitenden Segmenten 52 von 10 oder Abschnitten der metallischen Spaltringe 56, 56' von 11A oder 11B, überbrückt. Der FET 64 weist eine Steuerelektrode 66, eine dielektrische Steuerschicht 68, einen Halbleiter-Kanal 60 sowie Quellen- und Abzugselektroden, die durch die Leiterbahnen 62 gebildet sind, auf. Die Steuerleitung 36, das heißt ein Draht, legt Steuerspannungen an, die bewirken, dass sich der Schalter 46B öffnet und schließt.
Unter Bezugnahme auf 12C weist die elektromechanische, schalterartige Steuereinrichtung 46C eine Vorrichtung mit mikroelektromechanischem System (MEMS) 70 und Leiterbahnen 62, das heißt die leitenden Segmente 52 von 10 oder Abschnitte der metallischen Spaltringe 56, 56' von 11A oder 11B auf. Die MEMS-Vorrichtung 70 weist einen biegbaren Arm 72 und einen leitenden Streifen 74, der auf einer Fläche des beweglichen Arms 72 angeordnet ist, auf. Die Steuerleitung 36, das heißt ein Draht, legt eine Spannung an, welche die Stellung des beweglichen Arms 72 zum Beispiel durch die Colomb'sche Kraft zwischen einer geladenen Kondensatorplatte an der MEMS-Vorrichtung 70 und einer geladenen Kondensatorplatte an der Platte 44 steuert. Die Herstellung solcher MEM-Vorrichtungen 70 ist Fachleuten wohlbekannt. Die angelegten Spannungen können bewirken, dass sich der Arm 72 verbiegt, so dass der leitende Streifen 74 mit den Leiterbahnen 62 in Kontakt kommt. Diese mechanische Bewegung schließt die elektronische, schalterartige Steuereinrichtung 46C. Die Entladung des Kondensators bewirkt, dass sich der Arm 72 wieder gerade biegt, so dass sich der leitende Streifen 74 aus dem Kontakt mit den Leiterbahnen 62 löst, wodurch sich die schalterartige Steuereinrichtung 46C öffnet.
Unter Bezugnahme auf die 5 sowie 6-10 regelt die Steuereinrichtung 34, ob sich ausgewählte 3D-Bereiche des brechenden Aufbaus 32 im Metamaterialzustand oder in normal brechendem Zustand befinden. Bei jeder der beiden Zustandsarten weisen die Realteile von ε und μ bei einer ausgewählten Frequenz, ω, dasselbe Vorzeichen auf, so dass sich die elektromagnetische Strahlung der Frequenz ω mit einem realen Impuls durch den 3D-Bereich fortpflanzt. Da die Realteile von ε und μ in beiden Zuständen dasselbe Vorzeichen aufweisen, erfordert das Wechseln des ausgewählten 3D-Bereichs aus einem der beiden Brechungszustände in den anderen das Ändern der Vorzeichen der Realteile sowohl von ε als auch von μ. Um solche Umwandlungen zu bewirken, ändert die Steuereinrichtung 34 gleichzeitig die Schaltzustände der SRR 50 und der Drahtstreifen 48, um einen ausgewählten 3D-Bereich umzuwandeln. Im ausgewählten 3D-Bereich bestimmt der Schaltzustand der SRR 50 das Vorzeichen des Realteils von μ und der Schaltzustand der Drahtstreifen 48 das Vorzeichen des Realteils von ε. Die Schaltzustände sowohl der Drahtstreifen 48 als auch der SRR 50 hängen von den Zuständen der darin angeordneten elektronischen Steuereinrichtungen 46 ab.
Ein Feld der Drahtstreifen 48 erzeugt zwischen einer elektronischen Plasmafrequenz, ω_ep, und einer elektronischen Resonanzfrequenz, ω_e0, ein ε mit einem negativen Realteil, und erzeugt bei anderen Frequenzen ein ε mit einem positiven Realteil. Die Resonanzfrequenz, ω_e0, hängt vom Zustand einer oder mehrerer Steuereinrichtungen 46 in den Drahtstreifen 48 ab. Sind die Steuereinrichtungen 46 Varaktordioden, so sind die Resonanzfrequenzen, ω_e0, deutlich niedriger, wenn sich die Varaktordioden in einem Zustand niedrigen kapazitiven Widerstands befinden, als wenn sich die Varaktordioden in einem Zustand höheren kapazitiven Widerstands befinden. Insbesondere höhere kapazitive Widerstände zwischen den Segmenten 52 der Drahtstreifen 48 erhöhen den Wert von ω_e0. Ebenso ist die Resonanzfrequenz, ω_e0, deutlich niedriger, wenn sich die Schalter in einem geschlossenen Zustand befinden, als wenn sich die Schalter in einem geschlossenen Zustand befinden, wenn die Steuereinrichtungen 46 Schalter sind.
Ebenso erzeugt ein 3D-Feld der SRR 50 zwischen einer magnetischen Plasmafrequenz, ω_mp, und einer magnetischen Resonanzfrequenz, ω_m0, ein μ mit einem negativen Realteil, und erzeugt bei anderen Frequenzen ein μ mit einem positiven Realteil. Die Resonanzfrequenz, ω_m0, hängt vom Zustand der elektronischen Steuereinrichtungen 46 in den SRR 50 ab. In der Ausführungsform von 11A weist SRR 50 eine niedrigere Resonanzfrequenz, ω_m0, auf, wenn sich die elektronische Steuereinrichtung 46 in einem Zustand niedrigen kapazitiven Widerstands befindet. Für Steuereinrichtungen 46 der Varaktordiodenart erzeugt das Anlegen einer Steuerspannung, die den kapazitiven Widerstand der Varaktordiode senkt, einen solchen Zustand. Bei schalterartigen Steuereinrichtungen 46 erzeugt das Schließen der Schal ter einen solchen Zustand niedrigen kapazitiven Widerstands. In der Ausführungsform von 11B erhöht das Schließen der Zwischenräume, g, in den Spaltringen 56' typischerweise die ω_m0 der SRR 50B. Somit erhöht bei schalterartigen Steuereinrichtungen 46 das Schließen der Schalter die ω_m0 der SRR 50B.
13 veranschaulicht, wie eine Änderung der Resonanzfrequenzen ω_m0 und ω_e0 den Brechungszustand eines 3D-Bereichs verändern kann. Im Metamaterialzustand ist eine ausgewählte Frequenz ω sowohl innerhalb des Bereichs [ω_e0, ω_ep] als auch innerhalb des Bereichs [ω_m0, ω_mp] angeordnet. Für die als Beispiel dienenden Ausführungsformen der 6-11B und der Schaltersteuereinrichtungen 46 bewirkt das Schließen der Steuerschalter 46 der Drahtstreifen 48 und das Öffnen der Steuerschalter 46 der SRR 50, dass ω für ausgewählte Abmessungen der Drahtstreifen 48, der Spaltringe 50 und des 3D-Gitters innerhalb von [ω_e0, ω_ep] und [ω_m0, ω_mp] angeordnet ist. Die als Beispiel dienenden Ausführungsformen sind mit Abmessungen gestaltet, die einen solchen Metamaterialzustand bei einer Frequenz von zwischen 9 und 12 Gigahertz (GHz) erzeugen. Im normal brechenden Zustand ist dieselbe ausgewählte Frequenz ω sowohl außerhalb des Bereichs [ω_e0, ω_ep] als auch außerhalb des Bereichs [ω_m0, ω_mp] angeordnet. Für die Ausführungsformen der 6-11B und die schalterartigen Steuereinrichtungen 46 bewirkt das Öffnen der Steuerschalter 46 der Drahtstreifen 48 und das Schließen der Steuerschalter 46 der SRR 50, dass die ausgewählte Frequenz ω außerhalb von [ω_e0, ω_ep] und [ω_m0, ω] angeordnet ist. Dies ergibt sich aus der Verschiebung von ω_e0, die durch die kapazitiven Widerstände der Zwischenräume 54 verursacht wird, und der Verschiebung von ω_m0, die entweder durch die niedrigen kapazitiven Widerstände der kurzgeschlossenen Ringe 56 oder die Schließung der metallischen Ringe 56' verursacht wird.
In anderen Ausführungsformen können auch Veränderungen der Plasmafrequenzen ω_ep and ω_mp den Brechungszustand eines 3D-Bereichs des brechenden Aufbaus 32 ändern. In 13 ist eine ausgewählte Frequenz ω innerhalb der Bereiche [ω_e0, ω_ep] and [ω_m0, ω_mp] angeordnet, wenn der 3D-Bereich ein Metamaterial ist, und ist außerhalb dieser Bereiche angeordnet, wenn der 3D-Bereich ein normal brechendes Medium ist. Eine Verschiebung der Grenzen der beiden Bereich durch Veränderungen von ω_ep und ω_mp könnte typischerweise wirksame Vergrößerungen der Gitterlängen der 3D-Felder, die aus den Schaltelementen gebildet sind, erfordern.
Die regelbaren Brechungseigenschaften der Vorrichtung 30 sind für passive Strahllenkung sowohl in drahtlosen Sendern als auch in drahtlosen Empfängern nützlich. Die Strahllenkung könnte die Steuerung von Sende- und Empfangsrichtungen der drahtlosen Masten in Mobiltelefonnetzen ermöglichen.
14 zeigt ein als Beispiel dienendes drahtloses Übertragungssystem 100 mit einer passiven Strahllenkungsvorrichtung, zum Beispiel der Vorrichtung 30 von 5 und 5A. Das drahtlose Übertragungssystem 100 weist einen vertikalen Übertragungsmast 102, einen elektrischen drahtlosen Übertragungstreiber 104, Sendeantennen 106, einen regelbaren brechenden Aufbau 32 und eine Steuereinrichtung 34 auf. Der Übertragungsmast 102 hält die Sendeantennen 106, das heißt drahtlose Sender, und den brechenden Aufbau 32 in einer konstanten Höhe über dem Grundniveau 108 sowie in feststehenden Relativlagen. Die Sendeantennen 106 bilden ein räumlich regelmäßiges eindimensionales oder zweidimensionales Feld. Im Betrieb erzeugt der elektrische Treiber 104 ein moduliertes elektrisches Signal auf Kabel 110, und das Signal stellt die Sendeantennen 106 bei einer ausgewählten drahtlosen Übertragungsfrequenz phasenrichtig. Das modulierte elektrische Signal steuert die Sendeantennen 106 derart an, dass das räumliche Feld zum Beispiel bei einer Mikrowellenträgerfrequenz von ungefähr 2 GHz einen Ausgangsstrahl mit einer quasiplanaren Phasenfront erzeugt. Der brechende Aufbau 32 fängt den Ausgangsstrahl mit der quasiplanaren Phasenfront aus dem Feld von Sendeantennen 106 ein. Die Steuereinrichtung 34 erzeugt Steuersignale auf Leitung 36, um den Brechungszustand eines keilförmigen Bereichs 38A des brechenden Aufbaus 32 zu regeln. Der keilförmige Bereich 38A kann sich bei der ausgewählten drahtlosen Übertragungsfrequenz des Treibers 104 in einem normal brechenden Zustand oder in einem Metamaterialzustand befinden.
Im drahtlosen Übertragungssystem 100 stellt der brechende Aufbau 32 die passive und rekonfigurierbare Lenkung des elektromagnetischen Strahlungsbündels, das durch das Feld von Sendeantennen 106 erzeugt wird, bereit. Die Lenkung ist rekonfigurierbar, so dass das Strahlenbündel in verschiedene ausgewählte Zielrichtungen, zum Beispiel die Richtungen A oder B, umgelenkt werden kann. Die ausgewählten Zielrichtungen können zum Beispiel in einer senkrechten oder in einer waagrechten Ebene angeordnet sein. Um die Zielrichtungen des Strahlenbündels, zum Beispiel von A nach B zu ändern, wechselt der Zustand eines keilförmigen Bereichs 38A des brechenden Aufbaus 32 zwischen dem normal brechenden Zustand und dem Metamaterialzustand. Die Umwandlung umfasst die Rekonfiguration der elektronischen Steuereinrichtungen 46 der darin angeordneten Drahtstreifen 48 und SRR 50. In einem Zustand bricht der brechende Aufbau 32 das elektromagnetische Strahlenbündel nicht trivial an einer oder mehreren Grenzflächen zwischen dem Metamaterialmedium 38A und dem angrenzenden normal brechenden Medium, zum Beispiel Luft und/oder dem normal brechenden Bereich 39A.
Aufgrund der gleichen Einfallswinkel lenkt eine Grenzfläche zwischen einem Metamaterial und einem normal brechenden Medium ein einfallendes Strahlenbündel stärker ab als eine Grenzfläche zwischen zwei normal brechenden Medien. Aus diesem Grund kann der brechende Aufbau 32 typischerweise dünner sein, und benötigt typischerweise weniger Raum, als ein herkömmlicher passiver brechender Aufbau, der dasselbe Ausmaß von Strahlablenkung ohne Metamaterialien bereitstellt. Diese Tatsache und die Steuerbarkeit der Strahlrichtung schaffen im Vergleich zu herkömmlichen drahtlosen Sendern und Empfängern, die auf normal brechenden Medien basieren (nicht abgebildet), große Vorteile für drahtlose Sender und Empfänger, welche den brechenden Aufbau 32 umfassen.
In einem als Beispiel dienenden drahtlosen Übertragungssystem 100 erzeugt das Feld von Sendeantennen 106 ein Strahlenbündel, das eine ebene und gleichphasige Wellenfront aufweist, das waagrecht ist, und das senkrecht auf eine erste Fläche 112 des brechenden Aufbaus 32 auftrifft. Im Metamaterialzustand weist der als Beispiel dienende brechende Aufbau 32 einen Brechungsindex von zwischen – [(1 + √2)/(1 – √2)]^1/2 und – [(1 – √2)/(1 + √2)]^1/2 auf, und weist bei der ausgewählten Übertragungsfrequenz vorzugsweise einen Brechungsindex von ungefähr –1 auf. Diese Werte für den Brechungsindex verringern Leistungsverluste durch die Verminderung von Rückreflexionen des einfallenden Bündels elektromagnetischer Strahlung an der Vorderfläche 112.
In Anwendungen für Basisstationen von Mobiltelefonnetzen kann der brechende Aufbau 32 das eingefangene elektromagnetische Strahlenbündel um zwischen 0 bis 8 Grad aus der Waagerechten nach unten zum Grundniveau 108 umlenken. Die steuerbare Lenkung des Bündels elektromagnetischer Strahlung kann dazu verwendet werden, eine Signalverunreinigung in benachbarten Zellen des Mobiltelefonnetzes zu verringern.
Andere Ausführungsformen stellen drahtlose Empfangssysteme basierend auf dem rekonfigurierbaren brechenden Aufbau 32 bereit. Mit den folgenden Ersetzungen können die Anordnungen solcher Systeme ähnlich der des drahtlosen Übertragungssystems 100 von 14 sein. Der elektrische drahtlose Übertragungstreiber 104 ist durch einen elektrischen Empfänger ersetzt, und die Sendeantennen 106 sind durch Empfangsantennen, das heißt drahtlose Empfänger, ersetzt. Im Betrieb empfängt der elektrische Empfänger 104 ein moduliertes elektrisches Signal auf Kabel 110. Das modulierte Signal wird durch ein Bündel elektromagnetischer Strahlung, das in den Empfangsantennen 106 des Felds eingefangen wird, erzeugt. Der brechende Aufbau 32 fängt das Strahlenbündel des empfangenen drahtlosen Übertragungsstrahls ein, und lenkt das Strahlenbündel aus einer ausgewählten Empfangsrichtung, zum Beispiel Richtung A oder B, zum Antennenfeld 106 um. Aus diesem Grund stellt der brechende Aufbau 32 wiederum die passive und rekonfigurierbare Lenkung des elektromagnetischen Strahlungsbündels bereit, so dass Strahlenbündel durch die Antennen 106 des Empfangsfelds wählbar aus unterschiedlichen Richtungen, zum Beispiel den Richtungen A oder B, eingefangen werden können.
15 zeigt ein als Beispiel dienendes Verfahren 120 zum Betrieb eines drahtlosen Senders oder Empfängers, zum Beispiel des Senders 100 von 14. Das Verfahren 120 umfasst das Auswählen einer ersten Sende- oder Empfangsrichtung für eine drahtlose Kommunikation, zum Beispiel eine Richtung einer ausgewählten Zelle eines Mobilfunknetzes (Schritt 122). Das Verfahren 120 umfasst das Senden optischer oder elektrischer Steuersignale zu einem 3D-Medium, um den Zustand eines 3D-Bereich darin aus einem normal brechenden Zustand in einen Metamaterialzustand zu ändern (Schritt 124). Der Umwandlungsschritt umfasst zum Beispiel das Ändern der Zustände elektronischer Steuereinrichtungen 46 von Drahtstreifen 48 und SRR 50 im 3D-Bereich durch Öffnen und/oder Schließen von Schaltersteuereinrichtungen 46 oder durch Verändern der kapazitiven Widerstände der Varaktordioden von Steuereinrichtungen 46 der Varaktor diodenart. Das Verfahren 120 umfasst das Umlenken eines Bündels elektromagnetischer Strahlung aus der ausgewählten ersten Richtung entweder zum drahtlosen Sender oder zum drahtlosen Empfänger (Schritt 126). Die umgelenkte Strahlung weist die ausgewählte Frequenz auf. Der Umlenkungsschritt umfasst das Brechen des Bündels elektromagnetischer Strahlung an einer Grenzfläche zwischen dem umgewandelten 3D-Bereich und einem normal brechenden Medium.
Das als Beispiel dienende Verfahren 120 umfasst das Auswählen einer zweiten Richtung für drahtlose Sendung oder drahtlosen Empfang (Schritt 128). Die zweite Richtung unterscheidet sich von der ersten Richtung. Das Verfahren 120 umfasst das Verändern der Steuersignale, die zum 3D-Medium gesendet werden, um den 3D-Bereich bei der ausgewählten Frequenz in den normal brechenden Zustand zurückzuverwandeln (Schritt 130). Danach umfasst das Verfahren 120 das Umlenken eines zweiten Bündels elektromagnetischer Strahlung aus der ausgewählten zweiten Richtung entweder zum drahtlosen Sender oder zum drahtlosen Empfänger (Schritt 132). Das zweite Bündel elektromagnetischer Strahlung weist wiederum die ausgewählte Frequenz auf. Das Umlenken des zweiten Bündels umfasst den Durchgang des zweiten Bündels durch den umgewandelten 3D-Bereich.

Claims

Vorrichtung, aufweisend: ein 3D-Feld (32) von Schaltelementen (48, 50); und eine Mehrzahl von Steuerleitungen (36) zum Koppeln einer Fernbedienungsvorrichtung (34) an die Schaltelemente im 3D-Feld; wobei jedes Schaltelement so gestaltet ist, dass es in Reaktion auf eine Änderung eines Steuersignals, das es von einer der Steuerleitungen empfängt, von einem ersten Schaltzustand in einen zweiten Schaltzustand wechselt; und dadurch gekennzeichnet, dass: jedes der Schaltelemente eine erste Resonanzfrequenz im ersten Schaltzustand und eine zweite Resonanzfrequenz im zweiten Schaltzustand aufweist, wobei sich die erste Resonanzfrequenz von der zweiten Resonanzfrequenz unterscheidet; und ein 3D-Bereich (38A) des 3D-Feldes ein Metamaterial ist, das bei einer Frequenz einen negativen Brechungsindex aufweist, wenn sich die Schaltelemente des 3D-Bereichs im ersten Schaltzustand befinden, und das ein normales brechendes Medium ist, das bei derselben Frequenz einen Brechungsindex mit einem positiven Realteil aufweist, wenn sich die Schaltelemente des 3D-Bereichs im zweiten Schaltzustand befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schaltelemente Spaltringresonatoren (50) und Drahtstreifen (48) aufweisen; und wobei ein Abschnitt der Schaltelemente des Feldes Schalter oder Varaktordioden (46) aufweist, die leitende Abschnitte derselben Schaltelemente miteinander verbinden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Abschnitt der einzelnen Schaltelemente Schalter oder Varaktordioden (46) aufweist, wobei die Schalter oder Varaktordioden imstande sind, die entsprechenden Schaltzustände einzelner der mit ihnen verbundenen Schaltelemente zu wechseln; und wobei die Schalter oder Varaktordioden auf die Steuersignale, die sie von einzelnen der mit ihnen verbundenen Steuerleitungen empfangen, reagieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, des Weiteren aufweisend: entweder einen drahtlosen Sender (106) oder einen drahtlosen Empfänger, wobei der drahtlose Sender oder Empfänger eine drahtlose Kommunikationsfrequenz aufweist; und wobei das 3D-Feld ein brechendes Medium ist, das so angeordnet ist, dass es Bündel elektromagnetischer Strahlen, die entweder vom Sender gesendet oder vom Empfänger empfangen werden, einfängt; und wobei das brechende Medium so gestaltet ist, dass es eines der eingefangenen Bündel aus einer ersten Richtung entweder zum drahtlosen Sender oder zum drahtlosen Empfänger lenkt, wenn sich der 3D-Bereich im ersten Zustand befindet, und dass es eines der eingefangenen Bündel aus einer anderen, zweiten Richtung entweder zum drahtlosen Sender oder zum drahtlosen Empfänger lenkt, wenn sich der 3D-Bereich im zweiten Zustand befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 4, des Weiteren aufweisend einen Mast (102), der entweder den drahtlosen Sender oder den drahtlosen Empfänger und das brechende Medium in einem senkrechten Abstand oberhalb des Untergrunds trägt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, des Weiteren aufweisend: die Steuereinrichtung; und wobei die Steuereinrichtung so gestaltet ist, dass sie optische oder elektrische Steuersignale zu den Leitungen sendet, um den Zustand des 3D-Bereichs vom ersten in den zweiten Zustand und umgekehrt zu wechseln.
Verfahren zur drahtlosen Sendung oder zum drahtlosen Empfang, aufweisend: das Auswählen (122) einer ersten Sendungs- oder Empfangsrichtung für eine drahtlose Kommunikation; das Senden optischer oder elektrischer Steuersignale zu Schaltelementen (48, 50) eines Bereichs (38A) eines 3D-Mediums (32), um den Zustand der Schaltelemente von einem ersten Schaltzustand in einen zweiten Schaltzustand derart umzuwandeln, dass sich der Bereich von einem normalen brechenden Medium, das einen Brechungsindex mit einem positiven Realteil bei einer ausgewählten Frequenz aufweist, in ein Metamaterial, das einen negativen Brechungsindex bei der ausgewählten Frequenz aufweist, verwandelt (124), wobei jedes der Schaltelemente im ersten Schaltzustand eine erste Resonanzfrequenz und im zweiten Schaltzustand eine zweite Resonanzfrequenz aufweist, wobei sich die erste Resonanzfrequenz von der zweiten Resonanzfrequenz unterscheidet; und anschließend das Lenken (126) eines Bündels elektromagnetischer Strahlen aus der ersten ausgewählten Richtung entweder zu einem drahtlosen Sender (106) oder einem drahtlosen Empfänger, wobei die Strahlung die ausgewählte Frequenz aufweist, und wobei das Lenken das Brechen des Bündels an einer Grenzfläche zwischen dem Bereich und einem normalen brechenden Medium (39A) umfasst, während der Bereich ein Metamaterial bei der ausgewählten Frequenz ist.
Verfahren nach Anspruch 7, des Weiteren aufweisend: das Auswählen (128) einer zweiten Richtung für drahtlose Sendung oder drahtlosen Empfang, wobei sich die zweite Richtung von der ersten Richtung unterscheidet; das Ändern der Steuersignale, die gesendet werden, um den Bereich in das normale brechende Medium bei der ausgewählten Frequenz zurückzuverwandeln (130); und anschließend das Lenken (132) eines zweiten Bündels elektromagnetischer Strahlen aus der zweiten ausgewählten Richtung entweder zu einem drahtlosen Sender oder einem drahtlosen Empfänger, wobei das zweite Bündel elektromagnetischer Strahlen die ausgewählte Frequenz aufweist, und wobei das Lenken das Durchleiten des zweiten Bündels durch das 3D-Medium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das 3D-Medium ein regelmäßiges 3D-Feld von Schaltelementen (48, 50) aufweist, und der Schritt des Sendens eines Steuersignals die Zustände von Schaltern oder Varaktordioden (46), die im Bereich angeordnet sind, ändert.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Bereich des brechenden 3D-Mediums keilförmig ist.