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Allgemeiner Stand der
Technik
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Antennen und Mikrowellen-Sendeempfänger.
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Beschreibung des Stands
der Technik
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Übliche Antennen
weisen oft lineare Abmessungen auf, die in der Größenordnung
der Wellenlänge
der Strahlung liegen, die empfangen und/oder gesendet wird. Beispielsweise
benutzt ein üblicher Funksender
eine Dipolantenne, deren Länge
etwa ½ der
Wellenlänge
der gesendeten Wellen beträgt. Eine
solche Antennenlänge
bietet eine effiziente Kopplung zwischen dem elektrischen Antrieb
der Antenne und dem Strahlungsfeld.
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Trotzdem
sind Antennen, deren lineare Abmessungen in der Größenordnung
der Wellenlänge der
Strahlung liegen, in vielen Situationen unpraktisch. Insbesondere
sind Mobiltelefone und drahtlose Handgeräte klein. Geräte dieser
Art bieten Antennen begrenzten Raum. Andererseits koppeln kleine
Antennen bei Wellenlängen,
die oft von Mobiltelefonen und drahtlosen Handgeräten benutzt
werden, in ineffizienter Weise an die Strahlung an.
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Der
Artikel „'Metamaterial' holds promise for antennas,
optics" von R. Colin
Johnson, EE Times (11. Mai 2001) beschreibt eine Ankündigung
von Forschern an der University of California, San Diego (UCSD),
der physikalischen Realisierung von Materialien mit einem negativen
Brechungsindex, die theoretisch vorhergesagt worden war.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Verschiedene
Ausführungsformen
benutzen Antennen, die auf Kommunikationsfrequenzen resonant an äußere Strahlung
koppeln. Aufgrund der resonanten Kopplung sind die Antennen für die Strahlung
hoch empfindlich, auch wenn ihre linearen Abmessungen wesentlich
geringer als ½ der Strahlungswellenlänge sind.
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Eine
Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist in dem unabhängigen
Anspruch aufgeführt,
auf den der Leser hiermit verwiesen wird.
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Kurze Beschreibung der
Figuren
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1 zeigt
einen Empfänger
der eine resonante dielektrische Antenne aufweist;
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2 ist
eine Aufzeichnung der Antwort einer beispielhaften dielektrischen
Kugelantenne, gemessen von zwei Elektroden, die benachbart zu entgegengesetzten
Polen der Antenne angeordnet sind; und
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3 zeigt
einen Empfänger,
der eine resonante, magnetisch durchlässige Antenne aufweist; und
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Empfangen von drahtloser
Kommunikation mit Empfängern
aus 1 oder 3 zeigt.
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Genaue Beschreibung der
Erfindung
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Verschiedene
Ausführungsformen
weisen Antennen auf, die aus künstlich
hergestellten Metamaterialien hergestellt sind, für die die
dielektrische Konstante (ε)
und/oder magnetische Durchlässigkeit (μ) über einen
Bereich von Mikrowellenfrequenzen negativ ist. Die Metamaterialien
werden ausgewählt, um
die Antennen dazu zu veranlassen, resonant an äußere Strahlung mit Kommunikationsfrequenzen
zu koppeln. Aufgrund der resonanten Kopplungen weisen die Antennen
eine hohe Empfindlichkeit gegenüber
der Strahlung auf, obwohl ihre linearen Abmessungen wesentlich geringer
sind als die Wellenlänge der
Strahlung.
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Die
resonante Kopplung ergibt sich daraus, dass das Metamaterial derart
ausgewählt
wird, dass es geeignete ε-
und/oder μ-werte
aufweist. Eine geeignete Auswahl des Metamaterials hängt von
der Form des Objekts und von dem Frequenzbereich ab, in dem eine
Resonanzantwort gewünscht
wird. Bei Kugelantenne müssen ε und/oder μ reelle Teile
aufweisen, die annähernd
gleich „-2" in dem Frequenzbereich
sind, d.h. den Kommunikationsfrequenzen. Bei solchen Werten von ε und/oder μ ist eine
Kugelantenne sehr empfindlich gegenüber äußerer Strahlung, auch wenn
ihr Durchmesser wesentlich geringer ist als ½ der Wellenlänge der
Strahlung.
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1 zeigt
einen Mikrowellenempfänger 10, der
auf einer dielektrischen Antennen 14 beruht. Der Empfänger 10 weist
ein Verstärkermodul 12 und
die dielektrische Antenne 14 auf. Das Verstärkermodul 12 misst
die Spannung zwischen Elektroden 16, 18, die benachbart
zu den entgegengesetzten Polen der dielektrischen Antenne 14 angeordnet
sind. Die Spannung, die von den Elektroden 16, 18 gemessen wird,
stellt die Intensität
des Felds in der dielektrischen Antenne 14 dar, da die
Spannung in demselben Frequenzbereich resonant auf äußere Felder
reagiert, in dem die Antenne 14 resonant reagiert. Beispielhafte
Elektroden 16, 18 sind dünne oder Drahtgittervorrichtungen,
die das elektrische Feld in der dielektrischen Antenne 14 geringfügig stören. Der Durchmesser
der Antenne 14 beträgt
vorzugsweise das 0,2-fache oder geringere der Wellenlänge der Strahlung,
bei einer Frequenz, für
deren Verstärkung das
Verstärkermodul 10 konfiguriert
ist.
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Für die kleine
Antenne 14 definiert die Standardtheorie der Elektrostatik,
wie die Antenne auf von außen
angewandte Strahlung reagiert. Bei Distanzen D, die wesentlich größer sind
als der Durchmesser S der Antenne, und wesentlich geringer als ¼ der Strahlungswellenlänge, ist
das äußere elektrische Feld
Eweit räumlich
annähernd
konstant und parallel. Das Feld Eweit ist
deshalb bei Distanzen D konstant und parallel, weil die Strahlungswellenlänge wesentlich
größer ist
als D, und das äußere elektrische
Feld Eweit nur bei solchen Distanzen wesent lichen
variiert, die so groß wie
oder größer als ¼ der Strahlungswellenlänge sind.
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Bei
der Antenne 14 bestimmt die Elektrostatiktheorie, wie der
Wert des elektrischen Felds Einnen im Inneren
der Antenne 14 von dem Wert des räumlich konstanten äußeren elektrischen
Felds Eweit abhängt, d.h. dem Feld bei Distanzen,
die im Vergleich zu D groß und
im Vergleich zu der Wellenlänge
gering sind. Wenn die Antenne 14 eine dielektrische Konstante ε aufweist,
die nahe der relevanten Strahlungsfrequenz im Wesentlichen konstant
ist, impliziert die Elektrostatik, dass: Einnen = (3/[ε + 2]) Eweit.
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Aus
diesem elektrostatischen Ergebnis geht hervor, dass Einnen → ∞ da ε → –2. Auch
ein kleines äußeres elektrisches
Feld Eweit erzeugt also an den Elektroden 16, 18 eine
große
Spannung, wenn das ε der
Antenne nahe bei –2
liegt. Ein solcher Wert von ε erzeugt
eine Resonanzantwort in der Antenne 14, und macht den Empfänger äußerst empfindlich
gegenüber äußerer Strahlung.
Auf diese Weise erfordert die Herstellung einer Resonanzantenne 14 die Ausbildung
eines Metamaterials, dessen ε einen
geeigneten Wert auf dem gewünschten
Kommunikationsband aufweist.
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Verfügbare Materialien
weisen keine dielektrischen Konstanten gleich –2 auf. Stattdessen können Verbundmaterialien
erzeugt werden, die ein ε aufweisen,
dessen reeller Teil für
einen begrenzten Frequenzbereich nahe bei –2 liegt. Die geeigneten Metamaterialien
weisen für
eeignete Frequenzen in einem Mikrowellenbereich negative εs auf, z.B.
von etwa 1 Gigahertz (GHz) bis etwa 100 GHz.
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Künstlich
hergestellte Metamaterialien, die geeignete Eigenschaften in Teilen
des oben genannten Frequenzbereichs aufweisen, sind im Stand der Technik
gut be kannt. Einige dieser Metamaterialien sind in „Experimental
Verification of a Negative Index of Refraction" von R.A. Shelby et al, Science, Band 292
(2001) 77 beschrieben. Verschiedene Auslegungen für solche
Metamaterialien sind in „Composite Medium
with Simultaneously Negative Permeability and Permeability", D.R. Smith et al,
Physical Review Letters, Band 84 (2000) 4184 und „Microwave
transmission through a two-dimensional, isotropic, left-handed metamaterial" von R.A. Shelby
et al, Applied Physics Letters, Band 78 (2001) 489 beschrieben.
Beispielhafte Auslegungen erzeugen Metamaterialien, die ε und/oder μ mit negativen
Werten bei Frequenzen im Bereich von 4,7 bis 5,2 GHz und etwa 10,3
bis 11,1 GHz aufweisen.
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Verschiedene
Auslegungen für
2- und 3-dimensionale künstliche
Objekte von Metamaterialien umfassen 2- und 3-dimensionale Arrays
von leitenden Objekten. Verschiedene Ausführungsformen der Objekte umfassen
Ein- und Mehrdrahtschleifen, Split-Ring-Resonatoren, Leiterstreifen,
und Kombinationen dieser Objekte. Die beispielhaften Objekte, die
aus Ein- oder Mehrdrahtschleifen hergestellt sind, weisen Resonanzfrequenzen
auf, die in bekannter Weise von den Parametern abhängig sind,
die die Objekte definieren. Die dielektrische Konstante und die
magnetische Durchlässigkeit
der Metamaterialien hängen
sowohl von den physikalischen Merkmalen der Objekte in ihnen, als
auch von der Auslegung der Objektarrays ab. Bei Drahtschleifenobjekten
hängen die
Resonanzfrequenzen von der Drahtstärke, den Schleifenradien, der
Anzahl der Schleifen, und der Beabstandung der Drähte auf,
welche die Schleifen ausmachen. Siehe z.B. „Loop-wire medium for investigating
plasmons at microwave frequencies", D.R. Smith et al, Applied Physics
Letters, Band 75 (1999) 1425.
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Nach
der Auswahl von einem Frequenzbereich und von ε und/oder μ sind die geeigneten Parameterwerte
für die
Objekte und Arrays, die das Metamaterial ausmachen, leicht von Fachleuten
zu bestimmen. Siehe z.B. die oben zitierten Referenzen. Die nützlichen
Metamaterialien weisen eine dielektrische Konstante und/oder magnetische
Durchlässigkeit
auf, deren reeller Teil bei den gewünschten Mikrowellenfrequenzen
negativ ist.
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Da
reelle Materialien Verluste verursachen, weisen Metamaterialien üblicherweise
ein ε und/oder μ auf, das
einen imaginären
Nichtnull-Teil aufweist. Für
ein solches Resonanzverhalten muss der imaginäre Teil der dielektrischen
Konstante und/oder magnetischen Durchlässigkeit klein genug sein,
um die Resonanzantwort der Antenne nicht zu zerstören, und
groß genug,
um eine angemessene Breite der Resonanzantwort bereitzustellen. Üblicherweise
wird eine Resonanzantwort für
ein Frequenzband gewünscht.
Verfahren zum Einbringen von Verlusten in die Metamaterialien sind
Fachleuten ebenfalls bekannt. Siehe z.B. die oben zitierten Referenzen.
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Bei
Frequenzen, die in Antenne 14 Resonanzantworten erzeugen,
reduziert der imaginäre Nichtnull-Teil
von ε die
unendliche Antwort auf ein äußeres elektrisches Feld auf eine endliche Spitze
mit einer Frequenzspreizung, wie in 2 zu sehen.
Bevorzugte Empfänger 10 verwenden
Metamaterialien, deren ε einen
ausreichend größeren imaginären Teil aufweist,
um sicherzustellen, dass das gewünschte Kommunikationsband
eine Resonanzantwort in der Antenne 14 erzeugt. Bekannte
Metamaterialien erzeugen Werte von Im[ε(ω)]/Re[ε(ω)] = Δω/ω ≥ 0,03 – 0,05 und ≤ 0,1.
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3 zeigt
einen Empfänger 20,
der auf einer magnetisch durchlässigen
Kugelantenne 22 beruht. Der Empfänger 20 weist auch
eine Pickup-Spule 24 und ein Verstärkermodul 26 auf.
Die Antenne 22 ist aus einem magnetischen Metamaterial
ausgebildet, das ein geeignetes μ aufweist.
In der Antenne 22 führt
die magnetische Durchlässigkeit μ, und nicht
die dielektrische Kon stante ε,
zu einer Resonanzantwort auf äußere Strahlung.
Bei der Antenne 22 ermöglicht es
nicht die Elektrostatik, sondern die Magnetostatik, ein Magnetfeld
in der Antenne Binnen in Bezug zu einem äußeren Magnetfeld
Bweit zu setzen. Vorausgesetzt, dass das äußere Magnetfeld
Bweit eine Wellenlänge aufweist, die im Vergleich
zu dem Durchmesser der Antenne 22 groß ist, impliziert die Magnetostatik,
dass: Binnen = (3μ/[μ + 2])Bweit
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Wenn μ einen Wert
in der Nähe
von „–2" in einem gewünschten
Frequenzbereich aufweist, erzeugt die Kugelantenne 22 eine
Resonanzantwort auf von außen
angewandte Strahlung. In einem solchen Fall erhöht die Antenne 22 die
Empfindlichkeit des Empfängers 20 auf
die angewandte äußere Spannung
stark.
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Wiederum
weist das magnetisch durchlässige
Metamaterial ein μ auf,
dessen imaginärer
Teil aufgrund interner Verlust nicht null ist. Der imaginäre Teil
von μ ist
dazu ausgelegt, groß genug
zu sein, um sicherzustellen, dass eine Resonanzantwort der Antenne 22 auf
dem gewünschten
Frequenzband erfolgt. Verfahren zum Einbringen von Verlusten in
Metamaterialien sind Fachleuten bekannt.
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Während die
oben beschriebenen Empfänger 10, 20 Kugelantennen 14, 22 benutzen,
benutzen andere Ausführungsformen
Antennen mit anderen Formen. Zu beispielhaften Antennenformen gehören Ellipsoide,
Zylinder und Würfel.
Für diese
anderen Formen weisen die zugeordneten Antennen eine Resonanzantwort
auf äußere Strahlung
für Werte
des reellen Teils von ε und/oder μ auf, die
von „–2" abweichen. Die Parameter
für das
Metamaterial hängen von
der Geometrie der Antenne ab, und werden ausgewählt, um einen geeigneten negativen
Wert von ε und/oder μ auf einem
geeigneten Mikrowellenband bereitzustellen.
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4 zeigt
ein Verfahren 30 zum Empfangen von Funkdaten oder Sprachkommunikation
mit Empfänger 10 aus 1 oder
Empfänger 20 aus 3.
Das Verfahren 30 beinhaltet das Empfangen von Mikrowellenstrahlung,
die eine elektrische oder magnetische Feldintensität in einer
Antenne resonant erregt (Schritt 32). Die Antenne weist
entweder eine dielektrische Konstante mit einem negativen reellen
Teil bei Mikrowellenfrequenzen, oder eine magnetische Durchlässigkeit
mit einem negativen reellen Teil bei Mikrowellenfrequenzen auf.
Zu beispielhaften Antennen gehören
Objekte, die aus künstlichen
Materialien hergestellt sind. In Reaktion auf die Erregung wird
die Intensität
des elektrischen oder magnetischen Felds in oder benachbart zu der
Antenne gemessen (Schritt 34). Die Feldintensität wird von
einem oder mehreren Sensoren gemessen, die in oder benachbart zu
der Antenne angeordnet sind. Das Verfahren 30 beinhaltet
das Benutzen der gemessenen Feldintensität, um den Daten- oder Sprachinhalt einer Übertragung
zu bestimmen, die in einem zuvor ausgewählten Frequenzbereich übertragen
wird (Schritt 36).