ES2619685T3 - Metalización monocapa y estructuras de metamaterial sin vía - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo de metamaterial, que comprende: un sustrato dieléctrico que tiene una primera superficie y una segunda superficie diferente: una primera capa de metalización formada sobre la primera superficie; y una segunda capa de metalización formada sobre la segunda superficie, en el que la primera y segunda capas de metalización están estampadas para tener dos o más partes conductoras para formar una estructura de metamaterial compuesto zurdo y diestro (CRLH) que comprende una celda unitaria que está libre de una vía conductora que penetre el sustrato dieléctrico para conectar la primera capa de metalización y la segunda capa de metalización, caracterizado porque las dos o más partes conductoras incluyen: un primer electrodo (5025) de conexión a tierra formado sobre la primera superficie; un parche (5008) de celda formado sobre la primera superficie; una línea (5012) de vía formada sobre la primera superficie, acoplando la línea de vía el parche de celda con el primer electrodo de conexión a tierra; y una línea (5016) de alimentación formada sobre la segunda superficie, acoplada electromagnéticamente la línea de alimentación al parche de celda a través de una parte del sustrato dieléctrico intercalada entre la línea de alimentación y el parche de celda para dirigir una señal de antena a o desde el parche de celda.
Description
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DESCRIPCION
Metalizacion monocapa y estructuras de metamaterial sin via Antecedentes
La presente solicitud se refiere a estructuras de metamaterial.
La propagacion de las ondas electromagneticas en la mayor parte de los materiales obedece a la regla de la mano derecha para los campos vectoriales (E, H, p), en el que E es el campo electrico, H es el campo magnetico, y p es el vector de onda. La direccion de la velocidad de fase es la misma que la direccion de propagacion de la energfa de la senal (velocidad de grupo) y el mdice de refraccion es un numero positivo. Dichos materiales son materiales “diestros” (RH). La mayor parte de los materiales naturales son materiales RH. Los materiales artificiales tambien pueden ser materiales RH.
Un metamaterial (MTM) tiene una estructura artificial. Cuando se disena con un tamano unitario de celda promedio estructural p mucho mas pequeno que la longitud de onda de la energfa electromagnetica guiada por el metamaterial, el metamaterial puede comportarse como un medio homogeneo para la energfa electromagnetica guiada. A diferencia de los materiales RH, un metamaterial puede presentar un mdice de refraccion negativo siendo la permitividad £ y la permeabilidad p simultaneamente negativas, y la direccion de la velocidad de fase es opuesta a la direccion de propagacion de energfa de la senal en la que las direcciones relativas de los campos vectoriales (E, H, p), siguen la regla de la mano izquierda. Los materiales que soportan solo un mdice de refraccion negativo siendo la permitividad £ y la permeabilidad p simultaneamente negativas son metamateriales “zurdos” (LH) puros.
Muchos metamateriales son mezclas de metamateriales LH y materiales RH y son asf metamateriales compuestos zurdos y diestros (CRLH). Un metamaterial CRLH puede comportarse como un metamaterial LH a bajas frecuencias y como un material RH a altas frecuencias. Los disenos y propiedades de varios metamateriales CRLH se describen en, por ejemplo, Caloz e Itoh, “Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications", John Wiley & Sons (2006). Los metamateriales CRLH y sus aplicaciones en antenas se describen por Tatsuo Itoh en “Invited paper: Prospects for Metamaterials’’, Electronics Letters, Vol. 40, n.° 16 (agosto, 2004).
Los metamateriales CRLH pueden estructurarse y disenarse para presentar propiedades electromagneticas que se adaptan para aplicaciones espedficas y pueden usarse en aplicaciones en donde puede ser diffcil, impractico o inviable usar otros materiales. Ademas, los materiales CRLH pueden usarse para desarrollar nuevas aplicaciones y para construir nuevos dispositivos que pueden no ser posibles con materiales RH.
El documento de SIMION, S. et al.: “CPW Antenna Fabricated on Silicon Substrate, Based on Transmission Line Metamaterial Approach’’, 2007 International Conference on Electromagnetics in Advance Applications, 17-21 de septiembre de 2007, Turin, Italia, paginas 488-491, divulga una antena de metamaterial con una estructura de grna ondas coplanaria.
El documento de SANADA A et al.: “A planar zeroth-order resonator antenna using a left-handed transmission line", 34th European Microwave Conference, 12-14 de octubre de 2004, Amsterdam, PISCATAWAY, NJ, Estados Unidos, IEEE, 14 de octubre de 2004 (2004-10-14), paginas 1341-1344, divulga una antena y un procedimiento tal como se expone en el preambulo de las reivindicaciones 1 y 9.
Sumario
Tecnicas y aparatos basados en estructuras de metamaterial proporcionados para dispositivos de antena y lmea de transmision, incluyendo metalizacion monocapa y estructuras de metamaterial sin via.
En un aspecto, se presenta un metamaterial en la reivindicacion 1.
En otro aspecto, un procedimiento de formacion de un dispositivo de metamaterial se presenta en la reivindicacion 9.
Estos y otros aspectos e implementaciones y sus variaciones se describen en detalle en los dibujos adjuntos, las descripciones detalladas y las reivindicaciones.
Breve descripcion de los dibujos
La FIG. 1 muestra un ejemplo de una TL de MTM CRLH 1D basado en cuatro celdas unitarias.
La FIG. 2 muestra un circuito equivalente de la TL de MTM CRLH 1D mostrada en la FIG. 1.
La FIG. 3 muestra otra representacion del circuito equivalente de la TL de MTM CRLH 1D mostrada en la FIG. 1. La FIG. 4A muestra una representacion de una matriz de red de dos puertos para el circuito equivalente de la TL CRLH 1D mostrada en la FIG. 2.
La FIG. 4B muestra otra representacion de una matriz de red de dos puertos para el circuito equivalente de la TL CRLH 1D mostrada en la FIG. 3.
La FIG. 5 muestra un ejemplo de una antena de MTM CRLH 1D basada en cuatro celdas unitarias.
La FIG. 6A muestra una representacion de una matriz de red con dos puertos del circuito equivalente de la
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antena CRLH 1D analoga al caso de la TL mostrada en la FIG. 4A.
La FIG. 6B muestra otra representacion de una matriz de red con dos puertos del circuito equivalente de la antena CRLH 1D analoga al caso de la TL mostrada en la FIG. 4B.
La FIG. 7A muestra un ejemplo de una curva de dispersion para el caso equilibrado.
La FIG. 7B muestra un ejemplo de una curva de dispersion para el caso desequilibrado.
La FIG. 8 muestra un ejemplo de una TL de MTM CRLH 1D con una tierra truncada basada en cuatro celdas unitarias.
La FIG. 9 muestra un circuito equivalente de la TL de MTM CRLH 1D con la tierra truncada mostrada en la FIG. 8.
La FIG. 10 muestra un ejemplo de una antena de MTM CRLH 1D con una tierra truncada basada en cuatro celdas unitarias.
La FIG. 11 muestra un ejemplo de una TL de MTM CRLH 1D con una tierra truncada basada en cuatro celdas unitarias.
La FIG. 12 muestra un circuito equivalente de la TL de MTM CRLH 1D con la tierra truncada mostrada en la FIG. 11.
Las FIGS. 13(a) - 13(c) muestran un ejemplo de una estructura de antena de MTM de SLM de una celda, ilustrando la vista en 3D, la vista superior de la capa superior y la vista lateral, respectivamente.
La FIG. 14(a) muestra la perdida de retorno simulada de la antena de MTM de SLM de una celda mostrada en las FIGS. 13(a) -13(c).
La FIG. 14(b) muestra la perdida de retorno simulada de la antena de MTM de SLM de dos celdas mostrada en la FIG. 14.
La FIG. 14(c) muestra la perdida de retorno medida de la antena de MTM de SLM de una celda fabricada tal como se muestra en las FIGS. 13(a) - 13(c).
La FIG. 15 muestra la vista en 3D de un ejemplo de una antena de MTM de SLM de dos celdas.
La FIG. 16(a) muestra la impedancia de entrada simulada de la antena de MTM de SLM de dos celdas mostrada en la FIG. 15.
La FIG. 16(b) muestra la impedancia de entrada simulada de la antena de MTM de SLM de dos celdas mostrada en la FIG. 15.
La FIG. 17 muestra un ejemplo de una TL de MTM de tres celdas.
La FIG. 18 muestra la perdida de retorno simulada de la TL de MTM de tres celdas mostrada en la FIG. 17.
Las FIGS. 19(a) y 19(b) muestran las longitudes de onda guiadas electromagneticas correspondientes a la resonancia de 1,6 GHz y resonancia de 1,8 GHz, respectivamente.
Las FIGS. 20(a) - 20(d) muestran un ejemplo de una estructura de antena de MTM de TLM-VL de una celda, ilustrando la vista en 3D, vista lateral, vista superior de la capa superior y vista superior de la capa inferior, respectivamente.
La FIG. 21(a) muestra un circuito equivalente simplificado para una estructura de MTM bicapa con una via.
La FIG. 21(b) muestra un circuito simplificado equivalente para una estructura de MTM bicapa sin una via y con una lmea de via sobre la capa inferior.
La FIG. 22(a) muestra la perdida de retorno simulada de la antena de MTM de TLM-VL de una celda mostrada en las FIGS. 20(a) -20(d).
La FIG. 22(b) muestra la perdida de retorno simulada de la antena de MTM de TLM-VL de una celda mostrada en las FIGS. 20(a) - 20(d) con una via anadida que conecta el centro del parche de celda y el centro de la tierra truncada inferior.
La FIG. 23 muestra el patron de radiacion de la antena de MTM de TLM-VL de una celda mostrada en las FIGS. 20(a) -20(d) a 2,4 GHz.
Las FIGS. 24(a) - 24(d) muestran un ejemplo de una estructura de antena de MTM de TLM-VL con una lmea de via conectada a un electrodo de conexion a tierra extendido, ilustrando la vista en 3D, vista lateral, vista superior de la capa superior y vista superior de la capa inferior, respectivamente.
La FIG. 25 muestra la perdida de retorno simulada de la antena de MTM de TLM-VL mostrada en las FIGS. 24(a) -24(d).
Las FIGS. 26(a) y 26(b) muestran fotos de la antena de MTM de TLM-VL fabricada tal como se muestra en las FIGS. 24(a) -24(d).
La FIG. 27 muestra la perdida de retorno medida de la antena de MTM de TLM-VL mostrada en las FIGS. 26(a) y 26(b).
Las FIGS. 28(a) - 28(d) muestran otro ejemplo de una estructura de antena de MTM de SLM de una celda, ilustrando la vista en 3D, vista lateral, vista superior de la capa superior y vista superior de la capa inferior, respectivamente.
La FIG. 29(a) muestra la perdida de retorno simulada de la antena de MTM de SLM de una celda mostrada en las FIGS. 28(a) -28(d).
La FIG. 29(b) muestra la impedancia de entrada simulada de la antena de MTM de SLM de una celda mostrada en las FIGS. 28(a) -28(d).
Las FIGS. 30(a) y 30(b) muestran la eficiencia medida de la antena de MTM de SLM de una celda fabricada tal como se muestra en las FIGS. 28(a) - 28(d), trazando la eficiencia de la banda de celda y la eficiencia PCS/DSC, respectivamente.
La FIG. 31 muestra otro ejemplo de una estructura de antena de MTM de SLM de una celda con modificaciones. Las FIGS. 32(a) y 32(b) muestran la eficiencia medida de la antena de MTM de SLM de una celda fabricada tal
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como se muestra en la FIG. 31, trazando la eficiencia de la banda celular y la eficiencia PCS/DSC, respectivamente.
Las FIGS. 33(a) y 33(b) muestran el efecto de un electrodo de conexion a tierra extendido sobre la eficiencia, trazando la eficiencia de la banda celular y la eficiencia PCS/DSC, respectivamente, mediante la comparacion de los casos con y sin el electrodo de conexion a tierra extendido.
Las FIGS. 34(a) - 34(d) muestran otro ejemplo de una estructura de antena TLM-VL, ilustrando la vista en 3D, vista lateral, vista superior de la capa superior y vista superior de la capa inferior, respectivamente.
La FIG. 35(a) muestra la perdida de retorno simulada de la antena TLM-VL mostrada en las FIGS. 34(a) - 34(d). La FIG. 35(b) muestra la impedancia de entrada simulada de la antena TLM-VL mostrada en las FIGS. 34(a) - 34(d).
Las FIGS. 36(a) -36(d) muestran un ejemplo de una estructura de antena de MTM de semi-monocapa, ilustrando la vista en 3D, vista lateral, vista superior de la capa superior con la capa inferior superpuesta y la vista superior de la capa inferior con la capa superior superpuesta, respectivamente.
La FIG. 37(a) muestra la perdida de retorno simulada de la antena de semi-monocapa mostrada en las FIGS. 36(a) -36(d).
La FIG. 37(b) muestra la impedancia de entrada simulada de la antena de semi-monocapa mostrada en las FIGS. 36(a) -36(d).
La FIG. 38 muestra otro ejemplo de una estructura de antena de MTM de SLM, ilustrando la vista superior de la capa superior.
La FIG. 39 muestra otro ejemplo de una estructura de antena de MTM de SLM (con serpenteo), ilustrando la vista superior de la capa superior.
La FIG. 40 muestra las perdidas de retorno simuladas de la antena de MTM de SLM mostrada en la FIG. 38 y de la antena de MTM de sLm (con serpenteo) mostrada la FIG. 39.
La FIG. 41 muestra una foto de la antena de MTM de SLM (con serpenteo) fabricada tal como se muestra en la FIG. 39.
La FIG. 42 muestra la perdida de retorno medida de la antena de MTM de SLM fabricada mostrada en la FIG. 41. Las FIGS. 43(a) y 43(b) muestran la eficiencia medida de la antena de MTM de SLM mostrada en la FIG. 41, trazando la eficiencia de la banda celular y la eficiencia de la banda PCS/DCS, respectivamente.
La FIG. 44 muestra la antena de MTM de SLM con serpenteo mostrada en la FIG. 39 con un condensador concentrado entre la placa de lanzamiento y el parche de celda.
La FIG. 45 muestra la antena de MTM de SLM con serpenteo mostrada en la FIG. 39 con un inductor concentrado en el trazado de lmea de via acortada.
La FIG. 46 muestra la antena de MTM de SLM con serpenteo mostrada en la FIG. 39 con un inductor concentrado en el trazado de lmea de serpenteo acortada.
La FIG. 47 muestran las perdidas de retorno simuladas de la antena de MTM de SLM con serpenteo para los casos con el condensador concentrado en la FIG. 44, con el con inductor concentrado en la FIG. 45, con el inductor concentrado en la FIG. 46, y sin ningun elemento concentrado en la FIG. 39.
Las FIGS. 48(a) - 48(f) muestran un ejemplo de una estructura de antena de MTM tricapa con un acoplamiento vertical, ilustrando la vista en 3D, vista superior de la capa superior, vista superior de la capa media, vista superior de la capa inferior, vista superior de las capas superior y media superpuestas, y la vista lateral, respectivamente.
La FIG. 49(a) muestra la perdida de retorno simulada de la antena de MTM tricapa con el acoplamiento vertical mostrado en las FIGS. 48(a) - 48(f).
La FIG. 49(b) muestra la impedancia de entrada simulada de la antena de MTM tricapa con el acoplamiento vertical mostrado en las FIGS. 48(a) - 48(f).
Las FIGS. 50(a) - 50(c) muestran una realizacion de una antena de MTM de TLM-VL con el acoplamiento vertical, ilustrando la vista en 3D, vista superior de la capa superior y vista superior de la capa inferior, respectivamente.
La FIG. 51(a) muestra la perdida de retorno simulada de la antena de MTM de TLM-VL con el acoplamiento vertical mostrada en las FIGs. 50(a) - 50(c).
La FIG. 51(b) muestra la impedancia de entrada simulada de la antena de MTM de TLM-VL con el acoplamiento vertical mostrada en las FIGS. 50(a) - 50(c).
Descripcion detallada
Las estructuras de metamaterial (MTM) pueden usarse para construir antenas y otros componentes y dispositivos electricos, permitiendo un amplio intervalo de avances tecnologicos tal como reduccion de tamano y mejoras de rendimiento. Las estructuras de antena de MTM pueden fabricarse sobre varias plataformas de circuitos, incluyendo tarjetas de circuitos tales como una tarjeta de circuito impreso (PCB) FR-4 o una tarjeta de circuito impreso flexible (FPC). Ejemplos de otras tecnicas de fabricacion incluyen tecnicas de fabricacion de pelmula delgada, tecnicas de sistema sobre chip (SOC), tecnicas de ceramica co-cocida a baja temperatura (LTCC), y tecnicas de circuitos integrados de microondas monoltticos (MMIC).
Los ejemplos e implementaciones de estructuras de MTM descritas en el presente documento incluyen estructuras de antena de MTM de Metalizacion Monocapa (SLM) que situan los componentes conductores de una estructura de MTM, incluyendo un electrodo de conexion a tierra en una unica capa de metalizacion conductora formada sobre un
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lado del sustrato dielectrico o tarjeta, y estructuras de antena de MTM de Metalizacion Bicapa Sin V^a (TLM-VL) en las que se usan dos capas de metalizacion conductoras sobre dos superficies paralelas de un sustrato dielectrico o tarjeta para formar una estructura de MTM sin que tenga una via conductora para conectar un componente de la estructura de MTM sobre una capa de metalizacion conductora del sustrato dielectrico o tarjeta a otro componente de la estructura de MTM sobre la otra capa de metalizacion conductora del sustrato dielectrico o tarjeta. Dichas estructuras de MTM de SLM y de MTM de TLM-VL pueden estructurarse en diversas configuraciones y pueden acoplarse con otros circuitos de MTM o no MTM y elementos de circuitos sobre tarjetas de circuitos.
Por ejemplo, dichas estructuras de MTM de SLM y de MTM de TLM-VL pueden usarse en dispositivos que tengan sustratos delgados o materiales en los que no puedan taladrarse y/o platearse orificios de via. Como por ejemplo, dichas estructuras de antena de MTM de SLM y TLM-VL pueden envolverse en el interior o alrededor de un recinto de una envolvente de producto. Las antenas basadas en dichas estructuras de MTM de SLM y de MTM de TLM-VL pueden fabricarse conformantes con la pared interna de una carcasa de un producto, la superficie exterior de un portador de antena o un contorno de un empaquetado de dispositivo. Ejemplos de sustancias delgadas o materiales en los que no pueden taladrarse y/o platearse orificios de via incluyen sustratos FR4 con un grosor menor de 0,254 mm, materiales de vidrio delgado, pelfculas Flex, y sustratos de pelfcula delgada con un grosor de 0,0762 mm - 0,127 mm. Algunos de estos materiales pueden doblarse facilmente con buena capacidad de manipulacion. Ciertos materiales FR-4 y vidrio pueden requerir doblado por calor u otras tecnicas para conseguir las formas curvadas o dobladas deseadas.
Las estructuras de antena de MTM descritas en el presente documento pueden configurarse para generar multiples bandas de frecuencia incluyendo una “banda baja” y una “banda alta”. La banda baja incluye al menos una resonancia de modo zurdo (LH) y la banda alta incluye al menos una resonancia de modo diestro (RH). Las estructuras de antena de MTM multibanda descritas en el presente documento pueden usarse en aplicaciones de telefonos celulares, aplicaciones de dispositivos portatiles (por ejemplo, PDA y telefonos inteligentes) y otras aplicaciones de dispositivos moviles, en los que se espera que la antena soporte multiples bandas de frecuencia con un rendimiento adecuado bajo restricciones de espacio limitado. Los disenos de antena de MTM divulgados en el presente documento pueden adaptarse y disenarse para proporcionar una o mas ventajas sobre otras antenas, tales como tamano compacto, multiples resonancias basandose en una unica solucion de antena, resonancias que son estables e insensibles a desviaciones provocadas por la interaccion del usuario, y frecuencias de resonancia que son sustancialmente independientes del tamano ffsico. La configuracion de elementos en una estructura de antena de MTM puede estructurarse para conseguir las bandas y anchos de banda deseables basandose en una unica solucion de antena con las propiedades CRLH.
Las antenas de MTM descritas en el presente documento pueden disenarse para operar en varias bandas, incluyendo bandas de frecuencia para telefonos celulares y aplicaciones de dispositivos moviles, aplicaciones Wi-Fi, aplicaciones WiMax y otras aplicaciones de comunicacion inalambrica. Ejemplos para las bandas de frecuencia para telefonos celulares y aplicaciones de dispositivos moviles son: la banda celular (824 - 960 MHz) que incluye dos bandas, bandas CDMA y GSM; y la banda PCS/DCS (1710 - 2170 MHz) que incluye tres bandas: las bandas PCS, DCS y WCDMA. Puede usarse una antena tetra-banda para cubrir una de las bandas CDMA y GSM en la banda celular y las tres bandas en la banda PCS/DCS. Puede usarse una antena penta-banda para cubrir todas las cinco bandas con dos en la banda celular y tres en la banda PCS/DCS. Ejemplos de bandas de frecuencia para aplicaciones WiFi incluyen dos bandas: una que va desde 2,4 a 2,48 GHz, y la otra que va desde 5,15 GHz a 5,835 GHz. Las bandas de frecuencia para aplicaciones WiMax implican tres bandas: 2,3 - 2,4 GHz, 2,5 - 2,7 GHz, y 3,5 -3,8 GHz.
Una antena de MTM o una lmea de transmision (TL) de MTM es una estructura de MTM con una o mas celdas unitarias de MTM. El circuito equivalente para cada celda unitaria de MTM incluye una inductancia en serie diestra (LR), una capacidad en derivacion diestra (CR), una capacidad en serie zurda (CL), y una inductancia en paralelo zurda (LL). Las LL y CL estan estructuradas y conectadas para proporcionar propiedades zurdas a la celda unitaria. Este tipo de TL o antenas CRLH pueden implementarse mediante el uso de elementos de circuito distribuidos, elementos de circuito concentrados o una combinacion de los mismos. Cada celda unitaria es menor de ~A/4 en la que A es la longitud de onda de la senal electromagnetica que se esta transmitiendo en la TL o antena CRLH.
Un metamaterial LH puro sigue la regla de la mano izquierda para la terna de vectores (E, H, p), y la direccion de la velocidad de fase es opuesta a la propagacion de energfa de la senal. Tanto la permitividad £ como la permeabilidad |j del material LH son negativas. Un metamaterial CRLH puede presentar modos de propagacion electromagneticos tanto zurdos como diestros dependiendo del regimen o frecuencia de operacion. Bajo ciertas circunstancias, un metamaterial CRLH puede presentar una velocidad de grupo no cero cuando el vector de onda de una senal es cero. Esta situacion ocurre cuando estan equilibrados ambos modos zurdo y diestro. En un modo desequilibrado, hay una banda prohibida en la que se prohfbe la propagacion de la onda electromagnetica. En el caso equilibrado, la curva de dispersion no muestra ninguna discontinuidad en el punto de transicion de la constante de propagacion p(Wo) = 0 entre los modos zurdo y diestro, en la que la longitud de onda guiada es infinita, es decir, Ag = 2n/|p| ^ <», mientras la velocidad de grupo es positiva:
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Este estado corresponde al modo de orden cero m = 0 en una implementacion de TL en la region LH. La estructura del CRLH soporta un espectro fino de bajas frecuencias con la relacion de dispersion que sigue a la region parabolica p negativa. Esto permite que se construya un dispositivo ffsicamente pequeno que sea electromagneticamente grande con capacidades unicas en capacidad de manipulacion y control de los patrones de radiacion del campo cercano. Cuando se usa esta TL como un Resonador de Orden Cero (ZOR), permite una resonancia de amplitud y fase constantes a traves de todo resonador. El modo ZOR puede usarse para construir, basados en MTM, combinadores de potencia y repartidores o divisores, a compradores direccionales, redes de adaptacion y antenas de fuga de onda.
En el caso de resonadores de TL RH, la frecuencia de resonancia corresponde a las longitudes electricas 0m = pm = mn (m = 1, 2, 3...), En la que 1 es la longitud de la TL. La longitud de la TL deberia ser larga para alcanzar un espectro de frecuencias de resonancia bajo y mas ancho. Las frecuencias de operacion de un material LH puro estan en las bajas frecuencias. Una estructura de MTM CRLH es muy diferente de un material RH o LH y puede usarse para alcanzar regiones espectrales tanto alta como baja en los intervalos de un espectro de RF. En el caso de CRLH, 0m = pml = mn, en el que 1 es la longitud de la TL CRLH y el parametro m = 0, ±1, ±2, ±3... ±<».
Se describen a continuacion ejemplos de estructuras de antena de MTM espedficas. Cierta informacion tecnica asociada con estos ejemplos se describe en la solicitud de patente de Estados Unidos n.° 11/741.674 titulada “Antennas, Devices, and Systems Based on Metamaterial Structures", presentada el 27 de abril de 2007, y la solicitud de patente de Estados Unidos n.° 11/844.982 titulada “Antennas Based on Metamaterial Structures", presentada el 24 de agosto de 2007, que se incorporan por referencia como parte de la especificacion del presente documento.
La FIG. 1 ilustra un ejemplo de una lmea de transmision (TL) de MTM CRLH mono-dimensional (1D) basada en cuatro celdas unitarias. Una celda unitaria incluye un parche de celda y una via, que es un bloque de construccion para la construccion de una estructura de MTM deseada. El ejemplo de la TL ilustrada incluye cuatro celdas unitarias formadas en dos capas de metalizacion conductora de un sustrato en donde se forman cuatro parches de celda conductora sobre la capa de metalizacion conductora superior del sustrato y el otro lado del sustrato tiene una capa de metalizacion como el electrodo de conexion a tierra. Se forman cuatro vfas conductoras centradas para penetrar a traves del sustrato para conectar los cuatro parches de celda al plano de tierra, respectivamente. El parche de celda unitaria en el lado izquierdo se acopla electromagneticamente a la primera lmea de alimentacion y el parche de celda unitaria sobre el lado derecho se acopla electromagneticamente a una segunda lmea de alimentacion. En algunas implementaciones, cada parche de celda unitaria se acopla electromagneticamente a un parche de celda unitaria adyacente sin estar directamente en contacto con la celda unitaria adyacente. Esta estructura forma la lmea de transmision de MTM para recibir una senal de RF desde una lmea de alimentacion y para producir la salida de la senal de RF en la otra lmea de alimentacion.
La FIG. 2 muestra un circuito de red equivalente de la TL de MTM CRLH 1D en la FIG. 1. Los ZLin' y ZLout' corresponden a la impedancia de carga de entrada de la TL y la impedancia de carga de salida de la TL, respectivamente, y se deben al acoplamiento de la TL en cada extremo. Este es un ejemplo de una estructura bicapa impresa. La LR se debe al parche de celda sobre el sustrato dielectrico, y la CR se debe al sustrato dielectrico que esta intercalado entre el parche de celda y el plano de tierra. La CL se debe a la presencia de dos parches de celda adyacentes, y la via induce la LL.
Cada celda unitaria individual puede tener dos resonancias wse y wsh correspondientes a la impedancia Z serie (SE) y a la admitancia Y en paralelo (SH). En la FIG. 2, el bloque Z/2 incluye una combinacion serie de LR/2 y 2CL, y el bloque Y incluye una combinacion paralelo de LL y CR. La relacion entre estos parametros se expresa como sigue:
1 1 1 1
wsh----, ; wse----, ; wr----. ; wl-----,
Vllcr Vlrcl Vlrcr Vllcl
en las que, Z = jwLR +
1
jwCL
e Y = jwCR +
1
jwLL
Ec. (1)
Las dos celdas unitarias en los bordes de entrada/salida en la FIG. 1 no incluyen CL, dado que CL representa la capacidad entre dos parches de celda adyacentes y faltan en estos bordes de entrada/salida. La ausencia de la parte de CL en el borde de las celdas unitarias impide que la frecuencia wse resuene. Por lo tanto, solo aparece wsh como una frecuencia de resonancia m = 0.
Para simplificar el analisis computacional, una parte del condensador serie de ZLin' y ZLout' se incluye para compensar la parte de CL faltante, y las impedancias de carga de entrada y salida restantes se indican como ZLin y ZLout, respectivamente, tal como se ve en la FIG. 3. En esta condicion, todas las celdas unitarias tienen identicos
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parametros como se ha representado por los dos bloques serie Z/2 y un bloque Y paralelo en la FIG. 3, en la que el bloque Z/2 incluye una combinacion en serie de LR/2 y 2CL, y el bloque Y incluye una combinacion en paralelo de LL y CR.
La FIG. 4A y la FIG. 4B ilustran una representacion de matriz de red de dos puertos para circuitos de TL sin la impedancia de carga tal como se muestra en la FIG. 2 y la FIG. 3, respectivamente.
La FIG. 5 ilustra un ejemplo de una antena de MTM CRLH 1D basada en cuatro celdas unitarias. A diferencia de la TL de MTM CRLH 1D en la FIG. 1, la antena en la FIG. 5 acopla la celda unitaria sobre el lado izquierdo a una lmea de alimentacion para conectar la antena a un circuito de antena y la celda unitaria sobre el lado derecho es un circuito abierto de modo que las cuatro celdas se interrelacionan con el aire para transmitir o recibir una senal de RF.
La FIG. 6A muestra la representacion de una matriz de red de dos puertos para el circuito de la antena de la FIG. 5. La FIG. 6B muestra una representacion de una matriz de red de dos puertos para el circuito de la antena de la FIG. 5 con la modificacion en los bordes para tener en cuenta la parte de CL faltante para tener todas las celdas unitarias identicas. Las FIGS. 6A y 6B son analogas a los circuitos de TL mostrados en las FIGS. 4A y 4B, respectivamente.
En rotacion matricial, la FIG. 4B representa la relacion dada como se muestra continuacion:
- Vin'
- 1 = 1 AN BN 1 ( Vout
- Iin
- 1 CN anI Iout
Ec. (2)
en la que AN = DN debido a que el circuito de la TL de MTM CRLH en la FIG. 3 es simetrico cuando se ve desde los extremos Vin y Vout.
En las FIGS. 6A y 6B, los parametros GR' y GR representan una resistencia a la radiacion, y los parametros ZT' y ZT representan una impedancia de terminacion. Cada uno de los ZT', ZLin' y ZLout' incluyen una contribucion desde el 2CL adicional como se expresa a continuacion:
ZLin' = ZLin +
2
jwCL
ZLout' = ZLout +
2
jwCL
ZT' = ZT +
2
jwCL
Ec. (3)
Dado que la resistencia de radiacion GR o GR' puede deducirse mediante bien la construccion o bien la simulacion de la antena, puede ser diffcil optimizar el diseno de la antena. Por lo tanto, se prefiere adoptar la aproximacion de la TL y a continuacion simular sus antenas correspondientes con diversas terminaciones ZT. La relacion en la Ec. (1) es valida para el circuito de la FIG. 2 con los valores modificados AN', BN', y CN', lo que refleja la parte de CL faltante en los dos bordes.
Las bandas de frecuencia pueden determinarse a partir de la ecuacion de dispersion deducida dejando a la estructura de la celda CRLH N resonar con una longitud de fase de propagacion nn, en la que n = 0, ±1, ±2,... ±N. En este caso, cada una de las N celdas CRLH esta representada por Z e Y en la Ec. (1), que es diferente de la estructura mostrada en la FIG. 2, en la que CL falta en las celdas del extremo. Por lo tanto, se podna esperar que las resonancias asociadas con estas dos estructuras fueran diferentes. Sin embargo, amplios calculos muestran que todas la resonancias son la misma excepto para n = 0, en la que tanto u>se como wsh resuenan en la estructura de la FIG. 3, y solo wsh resuena en la estructura de la FIG. 2. Los desplazamientos de fase positivos (n > 0) corresponden a las resonancias de la region RH y los valores negativos (n < 0) se asocian con resonancias de la region LH.
La relacion de dispersion de N celdas CRLH identicas con los parametros Z e Y viene dada como sigue:
Npp = cos-1(AN ),^ |An| < 1 ^ 0 < x = -ZY < 4VN en la que AN = 1 con resonancias pares Ini = 2m e
0,2,4,...2 x Inti
N -1 2
y an = -1 con resonancias impares n = 2m +1 e ■{1,3
2xInti ^ |-1
Ec. (4),
en la que Z e Y vienen dadas en la Ec. (1), AN se deduce de la cascada lineal de N celdas unitarias CRLH identicas, en la FIG. 3, y p es el tamano de celda. Las resonancias impar n = (2m+1) y par n = 2m se asocian con AN = -1 y AN = 1, respectivamente. Para AN' en la FIG. 4A y la FIG. 6A, el modo n = 0 resuena a W0 = wsh solamente y no tanto a u>se como a wsh debido a la ausencia de CL en las celdas del extremo, independientemente del numero de celdas. Las frecuencias de orden mas alto se dan en las siguientes ecuaciones para diferentes valores de x especificados en la Tabla 1:
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Para n > 0, w2n
2 2 2 ^SH + ^SE +
2
±
2 2 2
( ^Sh + ^Se + xwR
ill 2
- wshwse
Ec. (5)
La Tabla 1 proporciona valores de x para N = 1, 2, 3 y 4, debena tomarse nota de que las resonancias de orden mas alto |n| > 0 son las mismas independientemente de si esta presente la CL completa en las celdas del borde (FIG. 3) o ausente (FIG. 2). Adicionalmente, las resonancias proximas a n = 0 tienen valores de x pequenos (cerca del lfmite inferior 0 de x), mientras que las resonancias de orden mas alto tienden a alcanzar el lfmite superior 4 de x como se establece en la Ec. (4).
Tabla 1: resonancias para N = 1, 2, 3 y 4 celdas
- N\Modos
- |n| = 0 |n| = 1 |n| = 2 |n| = 3
- N = 1
- X (1,0) = 0; wq = wsh
- N = 2
- X (2,0) = 0; wq = wsh X (2,1) = 2
- N = 3
- X (3, o) = 0; wq = wsh X (3,1) = 1 X (3,2) = 3
- N = 4
- X (4,o) = 0; wq = wsh x (3,1) = 2 --\/2 X (4,2) = 2
La curva de dispersion p en funcion de la frecuencia w se ilustra en las FIGS. 7A y 7B para los casos de wse = wsh (equilibrado, es decir, LR CL = LL CR) y wse £ wsh (desequilibrado), respectivamente. En el ultimo caso, hay una banda de frecuencia entre mm(wsE, wsh) y max(wsE, wsh). Los valores de las frecuencias lfmite u>mm y Wmax vienen dados por las mismas ecuaciones de resonancia de la Ec. (5) alcanzando x su lfmite superior x = 4 como se establece en las siguientes ecuaciones:
w:
wsh + w|E + 4w2 2
+
r wSh+wsE+4wR
ill 2
2
- WSHWSE
w;
+ w2E + 4w2 2
+
r wSh + wsE + 4wR
ill 2
2
- wsHwSE
Ec. (6)
Ademas, las FIGS. 7A y 7B proporcionan ejemplos de la posicion de resonancia a lo largo de las curvas de dispersion. En la region Rh (n>0) el tamano de estructura 1 = Np, en la que p es el tamano de celda, aumenta con la disminucion de frecuencia. Por el contrario, en la region LH, se alcanzan frecuencias mas bajas con valores mas pequenos de Np, de ah la reduccion de tamano. Las curvas de dispersion proporcionan alguna indicacion del ancho de banda alrededor de estas resonancias. Por ejemplo, las resonancias lH tienen el ancho de banda estrecho debido a que las curvas de dispersion son casi planas. En la region RH, el ancho de banda es mas ancho debido a que las curvas de dispersion estan escalonadas. Por ello, la primera condicion para obtener amplios anchos de banda, 1a condicion BB, puede expresarse como sigue:
COND1: ia condicion BB
dP
dw
res
d(AN)
dw
V(1 - AN2)
res
<< 1 cerca de w
wres = wq, w±1, w±2,...
- dP
- ^X dw << 1 con p = tamano de celda y dw
- dw
- res 2pJxf1-X J
- \ l 4 J res
2w ±n
wR
_ wSEwSH "1
- w 4n J
Ec. (7)
En la que x se da en la Ec. (4) y wr se define en la Ec. (1). La relacion de dispersion de la Ec. (4) indica que las resonancias ocurren cuando |AN| = 1, lo que conduce a un denominador cero en la 1a condicion BB (COND1) de la Ec. (7). Como recordatorio, AN es la primera entrada de la matriz de transmision de las N celdas unitarias identicas (FIG. 4B y FIG. 6B). El calculo muestra que COND1 es realmente independiente de N y viene dado por la segunda ecuacion en Ec. (7). Son los valores del numerador y x en las resonancias, lo que se muestra en la Tabla 1, que define las pendientes de las curvas de dispersion, y por ello los posibles anchos de banda. Las estructuras objetivo son como mucho Np = A/40 en tamano con el ancho de banda superando el 4 %. Para estructuras con tamanos p de celda pequenos, la Ec. (7) indica que altos valores de wr satisfacen la COND1, es decir, bajos valores de CR y LR, dado que para n<0 la resonancias ocurren a valores de x proximos a 4 en la Tabla 1, en otros terminos (1-x/4 ^ 0).
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Como se ha indicado previamente, una vez que las pendientes de la curva de dispersion tienen valores escalonados, entonces la siguiente etapa es identificar la adaptacion adecuada. Las impedancias de adaptacion tienen valores fijos y pueden no requerir grandes superficies ocupadas de redes de adaptacion. En este caso, la expresion “adaptacion de impedancia” se refiere a una lmea de alimentacion y terminacion en el caso de un unico lado de alimentacion tal como en las antenas. Para analizar la red de adaptacion de entrada/salida, pueden calcularse Zin y Zout para el circuito de la TL de la FIG. 4B. Dado que la red de la FIG. 3 es simetrica, es directo demostrar que Zin = Zout. Puede demostrarse que Zin es independiente de N tal como se indica en la ecuacion a continuacion:
Zin2 =
BN
CN
B1 = Z ( X
C1 Y l 4
Ec. (8)
que tiene solo valores reales positivos. Una razon por la que B1/C1 es mayor que cero se debe a la condicion de |AN| <1 en la Ec. (4), que conduce a la siguiente condicion de impedancia:
0 < -ZY = x < 4.
La 2a condicion de banda ancha (BB) es que Zin vane ligeramente con la frecuencia cerca de las resonancias para mantener la adaptacion constante. Recuerdese que la impedancia de entrada real Zin' incluye una contribucion de la capacidad en serie CL como se establece en la Ec. (3). La 2a condicion BB se da a continuacion:
COND2: 2a condicion BB: cerca de las resonancias
dZin
du>
cerca res
<< 1.
Ec. (9)
A diferencia del ejemplo de lmea de transmision de la FIG. 2 y la FIG. 3, los disenos de antena tienen un lado de extremo abierto con una impedancia infinita que diffcilmente se adapta a la impedancia del borde de la estructura. La terminacion de la capacidad se da por la ecuacion a continuacion:
v _ an
Zt = ----
CN
Ec. (10)
que depende de N y es puramente imaginaria. Dado que las resonancias LH son tfpicamente mas estrechas que las resonancias RH, los valores de adaptacion seleccionados estan mas proximos a los deducidos en la region n < 0 que en la region n > 0.
Un procedimiento para incrementar el ancho de banda de las resonancias LH es reducir el condensador CR en paralelo. Esta reduccion puede conducir a valores de wr mas altos de las curvas de dispersion escalonadas tal como se explica en la Ec. (7). Hay varios procedimientos para disminuir CR, incluyendo, pero sin limitarse a: 1) incrementar el grosor del sustrato, 2) reducir el area del parche de celda, 3) reducir el area de tierra bajo el parche de celda superior, dando resultado una “tierra truncada”, o combinaciones de las tecnicas anteriores.
Las estructuras de TL y antena de MTM en las FIGS. 1 y 5 usan una capa conductora para cubrir toda la superficie inferior del sustrato como todo el electrodo de conexion a tierra. Puede usarse un electrodo de conexion a tierra truncado que haya sido estampado para exponer una o mas partes de la superficie del sustrato para reducir el area del electrodo de conexion a tierra a menos de toda la superficie del sustrato. Esto puede incrementar el ancho de banda de resonancia y sintonizar la frecuencia de resonancia. Los ejemplos de una estructura de tierra truncada se explican con referencia a las FIGS. 8 y 11, en las que se ha reducido la cantidad de electrodo de conexion a tierra en el area en la superficie ocupada de un parche de celda sobre el lado del electrodo de conexion a tierra del sustrato, y la lmea de la tira (lmea de via) restante se usa para conectar la via del parche de celda a un electrodo de conexion a tierra principal fuera de la superficie ocupada del parche de celda. Esta aproximacion de tierra truncada puede implementarse en diversas configuraciones para conseguir resonancias de banda ancha.
La FIG. 8 ilustra un ejemplo de un electrodo de conexion a tierra truncado para una lmea de transmision de MTM tetra-celda en la que el electrodo de conexion a tierra tiene una dimension que es menor que el parche de celda a lo largo de una direccion por debajo del parche de celda. La capa conductora de tierra incluye una lmea de via que se conecta a las vfas y pasa a traves y por debajo de los parches de celda. La lmea de via tiene un ancho que es menor que una dimension del parche de celda de cada celda unitaria. El uso de una tierra truncada puede ser una eleccion preferida sobre otros procedimientos en implementaciones de dispositivos comerciales en los que el grosor del sustrato no puede incrementarse o el area del parche de celda no puede reducirse debido a la disminucion asociada en las eficiencias de antena. Cuando se trunca la tierra, se introduce otro inductor Lp (FIG. 9) por la tira de metalizacion (lmea de via) que conecta las vfas a la tierra principal tal como se ilustra en la FIG. 8. La FIG. 10 muestra una antena de cuadruple celda equivalente con la tierra truncada analoga a la estructura de la TL de la FIG. 8.
La FIG. 11 ilustra otro ejemplo de una antena de MTM que tiene una estructura de tierra truncada. En este ejemplo, la capa conductora de tierra incluye lmeas de via y una tierra principal que se forma fuera de la superficie ocupada
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de los parches de celda. Cada lmea de via se conecta a la tierra principal en un primer extremo distal y se conecta a la via en un segundo extremo distal. La lmea de via tiene un ancho que es menor que una dimension del parche de celda de cada celda unitaria.
Las ecuaciones para la estructura de tierra truncada pueden deducirse. En los ejemplos de tierra truncada, la capacidad en paralelo CR se hace pequena, y las resonancias siguen las mismas ecuaciones que en las Ecs. (1), (5) y (6) y Tabla 1. Se presentan dos aproximaciones. Las FIGS. 8 y 9 representan la primera aproximacion, Aproximacion 1, en la que las resonancias son las mismas que en las Ecs. (1), (5) y (6) y la Tabla 1 despues de sustituir LR por (LR + Lp). Para |n| £ 0, cada modo tiene dos resonancias que corresponden a (1) w ± n para LR que es sustituida por (LR + Lp) y (2) w ± n para LR que es sustituida por (LR + Lp/N) en la que N es el numero de celdas unitarias. Bajo esta Aproximacion 1, la ecuacion de impedancia se convierte en:
Zin2 =
BN
CN
B1 = Z X + Xp ^ (1- X - Xp )
C1 Y t 4 J(1 - X - Xp/N)
en la que x = -YZ y x = -YZp
Ec. (11)
en la que Zp = jwLp y Z, Y se definen en la Ec. (2). La ecuacion de impedancia en la Ec. (11) aporta que las dos resonancias w y w' tienen impedancias alta y baja, respectivamente. Por ello, es facil sintonizar cerca de la resonancia w en la mayor parte de casos.
La segunda aproximacion, Aproximacion 2, se ilustra en las FIGS. 11 y 12 y las resonancias son las mismas que las Ecs. (1), (5) y (6) y la Tabla 1 despues de sustituir LL por (LL + Lp). En la segunda aproximacion, el inductor paralelo combinado (LL + Lp) aumenta mientras el condensador paralelo CR disminuye, lo que conduce a frecuencias LH mas bajas.
Las estructuras de MTM ejemplares anteriores se forman sobre dos capas de metalizacion y una de las dos capas de metalizacion se usa como el electrodo de conexion a tierra y se conecta a la otra capa de metalizacion a traves de una via conductora. Dichas TL y antenas de MTM CRLH bicapa con una via pueden construirse con un electrodo de conexion a tierra completo tal como se muestra en las FIGS. 1 y 5 o un electrodo de conexion a tierra truncado como se muestra en las FIGS. 8 y 10.
Las estructuras de MTM de SLM y TLM-VL descritas en este caso simplifican el diseno anterior de vfa-bicapa mediante la reduccion del diseno bicapa a un diseno de capa simple de metalizacion o al proporcionar un diseno bicapa sin las vfas de interconexion. Las estructuras de MTM de SLM y TLM-VL pueden usarse para reducir el coste del dispositivo y simplificar la fabricacion. Se describen a continuacion ejemplos espedficos e implementaciones de dichas estructuras de MTM de SLM y estructuras de MTM de TLM-VL.
Una estructura de MTM de SLM, a pesar de su estructura mas simple, puede implementarse para realizar funciones de una estructura de MTM CRLH bicapa con una via conectada a una tierra truncada. En una estructura MTM CRLH bicapa con una via que conecta las dos capas de metalizacion, la capacidad CR en paralelo se induce en el material dielectrico entre el parche de celda sobre la capa superior y la metalizacion de tierra sobre la capa inferior y el valor de CR tiende a ser pequeno con el electrodo de conexion a tierra truncado en comparacion con un diseno que tenga un electrodo de conexion a tierra completo.
Puede formarse una estructura de MTM de SLM en una unica capa conductora para tener diversos componentes de circuito y el electrodo de conexion a tierra. En una implementacion, una estructura de MTM de SLM incluye un sustrato dielectrico que tiene una primera superficie de sustrato y una superficie de sustrato opuesta, una capa de metalizacion formada sobre la primera superficie del sustrato y estampada para tener dos o mas partes de metalizacion para formar una estructura de metamaterial monocapa dentro de la capa de metalizacion sin una via conductora que penetre en el sustrato dielectrico. Las partes de metalizacion en la capa de metalizacion incluyen un primer parche metalico como un parche de celda unitaria de la estructura de MTM de SLM, un segundo parche metalico como un electrodo de conexion a tierra para la celda unitaria y especialmente separado del parche de celda unitaria, una lmea metalica de via que interconecta el electrodo de conexion a tierra y el parche de celda unitaria, una lmea de alimentacion de senal que acopla electromagneticamente el parche de celda unitaria sin estar directamente en contacto con el parche de celda unitaria.
Por lo tanto, no hay material dielectrico verticalmente intercalado entre dos partes de metalizacion en esta estructura de MTM de SLM. Como resultado, la capacidad CR en paralelo de la estructura de MTM de SLM es insignificantemente pequena con un diseno apropiado. Una capacidad en paralelo pequena puede inducirse aun entre el parche de celda y el electrodo de conexion a tierra, ambos de los cuales estan en la unica capa de metalizacion. La inductancia LL en paralelo en la estructura de MTM de SLM es insignificante debido a la ausencia de la via que penetra en el sustrato, pero la inductancia Lp puede ser relativamente grande debido a la lmea de metal de via en la capa de metalizacion conectada al electrodo de conexion a tierra.
Las FIGS. 13(a) - 13(c) muestran un ejemplo de una antena de MTM de SLM de una celda, mostrando la vista en 3D, vista superior de la capa superior y vista lateral, respectivamente. Esta antena de MTM de SLM de una celda se forma sobre el sustrato 1301. Se forma una capa de metalizacion superior sobre la superficie superior del sustrato 1301 y se estampa para formar componentes de la celda SLM y el electrodo de conexion a tierra para la celda SLM.
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Mas espedficamente, la capa de metalizacion superior se estampa en varias partes metalicas: un electrodo 1324 de conexion a tierra superior, un parche 1308 metalico y un parche de celda que esta separado del electrodo 1324 de conexion a tierra superior, una placa 1304 de lanzamiento separada del parche 1308 de celda mediante un espacio 1328 de acoplamiento, y una lmea 1312 de via que interconecta el electrodo 1324 de conexion a tierra superior y el parche 1308 de celda. Se forma una lmea 1316 de alimentacion en la capa de metalizacion superior y se conecta a la placa 1304 de lanzamiento para dirigir una senal o para recibir una senal desde el parche 1308 de celda. Este diseno de capa de metalizacion simple elimina la necesidad de una tierra truncada formada sobre la superficie inferior del sustrato 1301 y una via conductora que penetre a traves del sustrato 1301 para conectar el parche 1308 de celda y la tierra truncada.
En el ejemplo ilustrado, la superficie inferior del sustrato 1301 tiene una capa de metalizacion inferior que no se usa para construir un componente de la estructura de MTM de SLM. Esta capa de metalizacion inferior se estampa para formar un electrodo 1325 de conexion a tierra inferior que ocupa una parte del sustrato 1301 mientras expone otra parte de la superficie inferior del sustrato 1301. El parche 1308 de celda de la estructura de MTM de SLM formada en la capa de metalizacion superior se localiza por encima de la parte de la superficie inferior que esta libre de la metalizacion inferior y no esta por encima del electrodo 1325 de conexion a tierra inferior para eliminar o minimizar la capacidad en paralelo asociada con el parche 1308 de celda. El electrodo 1324 de conexion a tierra superior se forma por encima del electrodo 1325 de conexion a tierra inferior de modo que puede formarse una alimentacion 1320 de grna ondas coplanaria (CPW) en la tierra 1324 del electrodo superior. Esta alimentacion 1320 de CPW se conecta a la lmea 1316 de alimentacion para dirigir una senal a, o recibir una senal desde, el parche 1308 de celda. Por lo tanto, en este ejemplo particular, la tierra de CPW se forma mediante los planos o electrodos 1324 y 1325 de conexion a tierra superior e inferior y el electrodo 1325 de conexion a tierra inferior se proporciona para lograr el diseno de CPW para la lmea de alimentacion. En otras implementaciones en las que no se usa el diseno de CPW particular anterior, el electrodo 1325 de conexion a tierra inferior puede eliminarse. Por ejemplo, la antena formada por la estructura de MTM de SLM puede alimentarse con una lmea de CPW que no requiera un electrodo 1325 de conexion a tierra inferior y esta soportada por el electrodo 1324 de conexion a tierra superior solamente, o un parche con sonda, o un conector de cable.
Hasta un cierto grado, la antena de MTM de SLM puede verse como una estructura de MTM en la que la via y la lmea de via en una antena de MTM bicapa se sustituye por una lmea de via localizada sobre la capa de metalizacion superior. La posicion y longitud de la lmea 1312 de via pueden disenarse para producir las condiciones de adaptacion de impedancia deseadas y para producir una o mas bandas de frecuencia deseadas.
Notablemente, en esta estructura de antena de MTM de SLM de celda simple, la parte de la superficie inferior del sustrato 1301 por debajo del parche 1308 de celda esta libre de una parte metalica y no hay tierra truncada o areas de metalizacion directamente por debajo del parche 1308 de celda sobre la capa inferior del sustrato 1301. La lmea 1316 de alimentacion proporciona la potencia de una senal electromagnetica desde la alimentacion 1320 de CPW a la placa 1304 de lanzamiento, que acopla capacitivamente la senal electromagnetica al parche 1308 de celda a traves de un espacio 1328 de acoplamiento. La dimension del espacio 1328 puede fijarse basandose en el diseno, tal como unas pocas centesimas de milfmetro (unas pocas milesimas de pulgada) en una implementacion. El parche 1308 de celda se conecta al electrodo 1324 de conexion a tierra a traves de la lmea 1312 de via. El circuito equivalente de la antena de MTM de SLM es similar al circuito equivalente para la antena de MTM CRLH bicapa con una via conectada a una tierra truncada, analizada en las secciones anteriores, excepto que la capacidad paralelo CR y el inductor paralelo LL son despreciables pero Lp es grande en la antena de MTM de SLM.
La Tabla 2 es un sumario de los elementos de la estructura de antena SLM de una celda mostrada en las FIGS. 13(a), 13(b) y 13(c).
Tabla 2
- Parametro
- Descripcion Localizacion
- Elemento de antena
- Cada elemento de antena comprende una celda SLM conectada a la alimentacion 1320 de CPW a traves de una placa 1304 de lanzamiento y la lmea 1316 de alimentacion.
- Lmea de alimentacion
- Conecta la placa 1304 de lanzamiento con la lmea 1320 de CPW de alimentacion. Capa superior
- Placa de lanzamiento
- Forma rectangular que conecta un parche 1308 de celda a la lmea 1316 de alimentacion. Hay un espacio 1328 de acoplamiento entre la placa 1304 de lanzamiento y el parche 1308 de celda. Capa superior
- Celda SLM
- Parche de celda Forma rectangular. Capa superior
- Lmea de via Lmea que conecta el parche 1308 de celda con el electrodo 1324 de conexion a tierra superior. Capa superior
La estructura de antena SLM de una celda mostrada en las FIGS. 13(a), 13(b) y 13(c) puede implementarse para
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varias aplicaciones. Por ejemplo, los parametros de diseno asociados con la antena de MTM de SLM espedficamente para aplicaciones Wi-Fi pueden seleccionarse como sigue: el sustrato 1332 tiene un ancho de 20 mm y un grosor de 0,787 mm; el material es FR4 con una constante dielectrica de 4,4; la lmea 1316 de alimentacion tiene 0,4 mm de ancho; el espacio entre la placa 1304 de lanzamiento y el borde del electrodo 1324 de conexion a tierra es de 2,5 mm; la placa 1304 de lanzamiento tiene 3,5 mm de ancho y 2 mm de longitud; el parche 1308 de celda es de 8 mm de largo y 5 mm de ancho y se localiza separada 0,1 mm de la placa 1304 de lanzamiento; y la parte de la lmea 1312 de via que conecta al parche 1308 de celda esta desplazada 2 mm respecto a la longitud media de la celda.
Los analisis para estructuras de MTM bicapa se describen en las secciones anteriores. Pueden llevarse a cabo analisis similares para el caso de una tierra truncada con una capacidad CR en paralelo despreciable para la antena de MTM de SLM de una celda (N = 1). Esta antena ejemplar con los valores de parametros anteriores tiene dos bandas de frecuencia como se ilustra en la perdida de retorno simulada en la FIG. 14(a) y la perdida de retorno medida en la FIG. 14(b). La banda mas baja tiene contribuciones LH y se centra en 2,45 GHz. Esta banda tiene un ancho de banda de aproximadamente 100 MHz a -10 dB tal como se muestra en la FIG. 14(a). La adaptacion a 50 Q ocurre en el borde de la alta frecuencia de la banda LH tal como se ilustra en la FIG. 14(c), que muestra la impedancia de entrada simulada.
La antena de MTM de SLM de una celda formada en la estructura de metamaterial monocapa puede usarse para construir antenas de MTM de SLM con dos o mas celdas acopladas electromagneticamente. Dicha antena de MTM de SLM incluye al menos un primer parche metalico de celda formado en una primera localizacion sobre una primera superficie del sustrato de un sustrato y un segundo parche de metal de celda formado en una segunda localizacion sobre la primera superficie del sustrato, un electrodo de conexion a tierra formado en una tercera localizacion sobre la primera superficie del sustrato que esta separada de la primera y segunda localizaciones como la tierra para el primer y segundo parches metalicos de celda, y al menos una lmea de alimentacion formada sobre la primera superficie del sustrato y acoplada electromagneticamente a uno del primer y segundo parches metalicos de celda. Para cada parche metalico de celda, se forma una lmea de via sobre la primera superficie del sustrato para incluir un primer extremo que se conecta al electrodo de conexion a tierra y un segundo extremo que se conecta al parche metalico de celda. Sobre la segunda superficie de sustrato en el lado opuesto de la primera superficie del sustrato, no se forma ninguna parte metalica en la localizacion que corresponde al parche metalico de celda sobre la primera superficie del sustrato.
La FIG. 15 ilustra un ejemplo de una antena de MTM de SLM de dos celdas, que es similar en estructura a la antena de MTM de SLM de una celda de la FIG. 13(a), excepto en que el electrodo de conexion a tierra superior se extiende al frente de los parches 1508-1 y 1508-2 de dos celdas para conectar los dos parches 1508-1 y 1508-2 de celda mediante dos lmeas 1512-1 y 1512-2 de via al electrodo de conexion a tierra superior. De modo similar a la FIG. 13(a), la superficie inferior del sustrato de la antena de MTM de SLM de dos celdas de la FIG. 15 tiene una capa de metalizacion inferior que se estampa para formar un electrodo de conexion a tierra inferior que forma la tierra de CPW con el electrodo 1524 de conexion a tierra superior y no se usa para construir un componente de la estructura de MTM de SLM. Esta capa de metalizacion inferior se estampa con el electrodo de conexion a tierra inferior para ocupar una parte de la superficie inferior del sustrato mientras expone otra parte de la superficie inferior del sustrato. El electrodo 1524 de conexion a tierra superior y las dos celdas 1508-1 y 1508-2 de SLM se forman sobre la superficie superior del sustrato. Los parches 1508-1 y 1508-2 de celda unitaria en la capa de metalizacion superior se localizan por encima de la parte de la superficie inferior que esta libre de la metalizacion inferior para eliminar o minimizar la capacidad en paralelo asociada con los parches 1508-1 y 1508-2 de celda unitaria. El electrodo de conexion a tierra inferior y el electrodo 1524 de conexion a tierra superior se usan para formar la tierra de CPW para soportar la alimentacion 1520 de CPW. En otras implementaciones en las que no se usa el diseno de CPW particular anterior que requiere el electrodo de conexion a tierra inferior, la capa de metalizacion inferior puede eliminarse y puede usarse una lmea de CPW que no requiere un plano de tierra inferior, o un parche con sonda, o un conector de cable para suministrar senales a, o recibir senales desde, la antena de dos celdas.
Espedficamente, el parche 1 (1508-1) de celda y el parche 2 (1508-2) de celda de la antena SLM de dos celdas se localizan para estar proximos entre sf y separados por un espacio 2 (1528-2) de acoplamiento para proporcionar acoplamiento electromagnetico entre ellas. Una placa 1504 de lanzamiento en la capa de metalizacion superior acopla a la senal electromagnetica a, o desde, el parche 1 (1508-1) de celda a traves de un espacio 1 (1528-1) de acoplamiento. Una lmea 1516 de alimentacion formada en la capa de metalizacion superior conecta una alimentacion 1520 de CPW puesta tierra, una tira metalica que esta separada del electrodo 1524 de conexion a tierra por un estrecho espacio, con la placa 1504 de lanzamiento. El electrodo 1524 de conexion a tierra superior tiene una parte extendida o resalte 1536 localizada en el frontal de los dos parches 1508-1 y 1508-2 de celda. Esta configuracion permite que las dos lmeas 1512-1 y 1512-2 de via que conectan los dos parches 1508-1 y 1508-2 de celda al electrodo de conexion a tierra superior sean sustancialmente iguales en longitud.
Los analisis de las dos estructuras de MTM bicapa se describen en las secciones previas. Pueden llevarse a cabo analisis similares para el caso de una tierra truncada con una capacidad CR en paralelo despreciable para la antena de MTM de SLM de dos celdas (N = 2). La perdida de retorno simulada para la antena de MTM de SLM de dos celdas se muestra en la FIG. 16(a). La comparacion de las perdidas de retorno entre el diseno de una celda de la FIG. 13(a) y el diseno de dos celdas de la FIG. 15 muestra que la resonancia mas baja y estrecha de la antena de
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MTM de SLM de dos celdas de la FIG. 16(a) corresponde a los modos LH de orden mas alto. La impedancia de entrada simulada se muestra en la FIG. 16(b).
La FIG. 17 muestra un ejemplo de una lmea de transmision (TL) de tres celdas en una configuracion de MTM de SLM en la que solo se muestra la plantilla de la capa de metalizacion superior. Los valores de las longitudes de onda electromagneticas guiadas que corresponden a las dos resonancias en la region de baja frecuencia de esta TL confirma que las resonancias de baja frecuencia estan realmente en la region LH. Esta estructura de TL comprende tres parches 1728-1, 1728-2 y 1728-3 de celda colocados en una fila con un espacio de acoplamiento entre dos parches de celda adyacentes para proporcionar acoplamiento electromagnetico sin contacto directo. Los parches 1728-1, 1728-2 y 1728-3 de celda se conectan al electrodo 1724 de conexion a tierra a traves de tres lmeas 1712-1, 1712-2 y 1712-3 de via, respectivamente. Dos lmeas 1716-1 y 1716-2 de alimentacion se acoplan electromagneticamente a dos parches 1708-1 y 1708-3 de celda del extremo como la entrada y la salida de la TL. Se conectan dos alimentaciones 1720-1 y 1720-2 de CPW a las lmeas 1716-1 y 1716-2 de alimentacion, respectivamente para proporcionar alguna potencia de senal en ambos extremos de la serie de tres celdas, respectivamente. El resto de la potencia de la senal se radia. El primer parche 1708-1 de celda esta acoplado capacitivamente sobre un espacio 1 (1728-1) de acoplamiento a una placa 1 (1704-1) de lanzamiento, que se acopla a la alimentacion 1 (1720-1) de CPW a traves de la lmea 1 (1716-1) de alimentacion. El segundo parche 2 (1708-2) de celda se acopla capacitivamente al primer parche 1 (1708-1) de celda sobre un espacio 1728-2 de acoplamiento, y el tercer parche 1708-3 de celda se acopla capacitivamente al segundo parche 1708-2 de celda sobre un espacio 1728-3 de acoplamiento. El otro extremo del tercer parche 1708-3 de celda se acopla a la alimentacion 2 (1720-2) de CPW a traves de una placa 2 (1704-2) de lanzamiento y la lmea 2 1716-2 de alimentacion, con un espacio 4 (17284) de acoplamiento entre la placa 2 (1704-2) de lanzamiento y el tercer parche (1708-3) de celda.
Los parametros de diseno se eligen para generar las resonancias de 1,6 GHz y 1,8 GHz en la perdida de retorno simulada tal como se muestra en la FIG. 18. Las longitudes de onda electromagneticas guiadas que corresponden a estas dos resonancias se representan en las FIGS. 19(a) y 19(b), respectivamente. En los circuitos de RF convencionales no de MTM diestros (RH), la longitud de onda guiada aumenta cuando disminuye la frecuencia, haciendo por ello las estructuras de RF RH mayores para frecuencias mas bajas. Por otro lado, en los circuitos de RF de MTM zurdos (LH), la longitud de onda guiada disminuye cuando disminuye la frecuencia. Por ello, las FIGS. 19(a) y 19(b) confirman que estas resonancias bajas estan realmente en la region LH.
Ademas de las estructuras de MTM de SLM, las estructuras de MTM de TLM-VL tambien simplifican la estructura de la antena de MTM CRLH bicapa con una via conectada a una tierra truncada inferior mediante la eliminacion de la via como una estructura de MTM sin via (VL). Dicha estructura de MTM de TLM-VL puede incluir un sustrato dielectrico que tiene una primera superficie de sustrato y una superficie de sustrato opuesta, y una primera capa de metalizacion formada sobre la primera superficie de sustrato y estampada para comprender una parte de electrodo de conexion a tierra y una parte metalica de celda que estan separadas entre sf Se forma una lmea de alimentacion sobre la primera superficie del sustrato y se acopla electromagneticamente a un extremo del parche metalico de celda. Esta estructura de MTM de TLM-VL incluye una segunda capa de metalizacion formada sobre la segunda superficie del sustrato y estampada para incluir un parche metalico localizado por debajo del parche metalico de celda sin estar conectado al parche metalico de celda mediante una via conductora que penetre a traves del sustrato dielectrico. El parche metalico por debajo del parche metalico de celda superior puede ser una tierra truncada. Cuando se configura apropiadamente, dicha estructura de MTM de TLM-VL puede operarse para lograr las funciones de una antena de MTM CRLH bicapa con una via conectada a una tierra truncada. A diferencia de la estructura de MTM de SLM, una estructura de MTM de TLM-VL presenta una capacidad en paralelo CR pequena pero finita entre un parche de celda sobre una capa de metalizacion y una segunda capa de metalizacion debido al material dielectrico intercalado entre el parche de celda sobre la capa superior y la tierra truncada sobre la capa inferior. La inductancia del inductor Lp asociado con la lmea de via metalica es relativamente grande, y la lmea de via esta en serie con el condensador paralelo CR. La inductancia en paralelo LL en la MTM de TLM-VL es despreciable debido a la ausencia de la via. La resonancia LH pueden excitarse en la region de frecuencia por debajo del mmimo de [u>sh = 1/V (LL CR), u>se = 1/V (LR CL)], en la que LL se define como (LL + Lp) como en la Aproximacion 2 anterior.
Un ejemplo de una antena TLM-VL de una celda se representa en las FIGS. 20(a) - 20(d), que muestran la vista en 3D, vista lateral, vista superior de la capa superior y vista superior de la capa inferior, respectivamente. Esta estructura de antena TLM-VL de una celda incluye componentes en capas de metalizacion superior e inferior. Con referencia a la FIG. 20(c), los componentes en la capa de metalizacion superior incluyen un electrodo 2024 de conexion a tierra superior, una alimentacion 2020 de CPW formada en un espacio en el electrodo 2024 de conexion a tierra superior, una placa 2004 de lanzamiento, una lmea 2016 de alimentacion que conecta la alimentacion 2020 de CPW y la placa 2004 de lanzamiento, y un parche 2008 de celda separado de la placa 2004 de lanzamiento por un espacio 2028 de acoplamiento. La capa de metalizacion inferior se estampa para formar el electrodo 2025 de conexion a tierra inferior por debajo del electrodo 2024 de conexion a tierra superior, una tierra 2036 truncada inferior por debajo del parche 2008 de celda y una lmea 2012 de via que conecta la tierra 2036 truncada inferior y el electrodo 2025 de conexion a tierra inferior. La lmea 2016 de alimentacion en este ejemplo se conecta a la alimentacion 2020 de CPW que requiere un plano de tierra inferior. Por ello, la tierra de CPW comprende ambos electrodos 2024 y 2025 de conexion a tierra superior e inferior en este ejemplo. En otras implementaciones, la antena puede alimentarse con una lmea de CPW convencional que no requiere una tierra inferior, con un parche de
sonda, o simplemente con un conector de cable o una TL de microtira. A diferencia del diseno sin via (VL) en las estructuras de MTM de SLM, se forma una tierra 2036 truncada inferior que corresponde al parche de celda sobre la superficie superior del sustrato sobre la superficie inferior del sustrato para crear una estructura resonante. La senal se acopla a traves del material dielectrico entre el parche 2008 de celda y la tierra 2036 truncada inferior. La placa 5 2004 de lanzamiento acopla la senal electromagnetica al parche 2008 de celda a traves de un espacio 2028 de
acoplamiento. La dimension del espacio 2008 puede ser de unas pocas centesimas de milfmetro (unas pocas milesimas de pulgada). Debido a la presencia de la tierra 2036 truncada inferior por debajo del parche 2008 de celda, se hace efectivo un condensador CR en paralelo entre el parche 2008 de celda y la tierra 2036 truncada inferior. La lmea 2012 de via que conecta la tierra 2036 truncada inferior con el electrodo 2025 de conexion a tierra 10 inferior induce una inductancia (Lp) que esta en serie con el condensador CR en paralelo como se muestra en la FIG. 21(b). En este ejemplo, el inductor LL en paralelo es despreciable debido a que no hay implicadas vfas en la estructura. En la FIG. 21(b), la notacion LL representa LL + Lp como en la Aproximacion 2. En una estructura de MTM bicapa con una via, CR esta en paralelo con LL, que es inducida por la via, como se ha explicado en las secciones previas con referencia a las FIGS. 2, 3, 9 y 12. El circuito equivalente simplificado se reproduce para este 15 ultimo caso en la FIG. 21(a) para comparacion.
Para la estructura de antena TLM-VL de las figuras 20(a) - 20(d), debido a que LL (es decir, Lp) es grande y CR es
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finito, la frecuencia u>sh = , es siempre menor que Wse = , . Las resonancias LH ocurren por debajo del
VLlCr
VLrCl
mmimo de u>sh y ww La permitividad y permeabilidad efectivas vienen dadas por las siguientes ecuaciones, respectivamente:
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£ =
k - w2) kpk)
< 0
M LR
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^2e - W w2
2
< 0.
Las resonancias se deducen en una forma similar como se ha explicado para una estructura de MTM bicapa con una via, excepto por la modificacion explicada anteriormente e ilustrada en las FIGS. 21(a) y 21(b).
Los parametros de diseno para una antena de TLM-VL de una celda mostrada en las FIGS: 20(a) - 20(d) se determina para producir una resonancia a 2,4 GHz, que sea ancha tal como se ve a partir de la perdida de retorno 25 simulada en la FIG. 22(a). Para verificar que la resonancia es activada realmente por un modo LH, se anade una via para conectar el centro del parche 2008 de celda y el centro de la tierra 2036 truncada inferior. Este procedimiento se usa para determinar la localizacion del modo lH mas bajo que corresponde a la estructura de antena con la via anadida. La antena con la via tiene una resonancia LH proxima a 2,4 GHz, como se evidencia en la FIG. 22(b). Ademas, la FIG. 22(a) muestra que, debido a la presencia de un modo RH cerca de 3,6 GHz, se puede lograr una 30 banda ancha que cubra las bandas tanto de Wi-Fi como de WiMax usando esta estructura de antena de MTM de TLM-VL. La FIG. 23 muestra el patron de radiacion de una antena de TLM-VL de una celda de las FIGS. 20(a) - 20(d) a 2,4 GHz. El patron es sustancialmente omnidireccional en el plano X-Z dado que la forma de la antena es simetrica con respecto al eje Y.
Las FIGS. 24(a) - 24(d) ilustran un ejemplo de una antena de MTM de TLM-VL con una lmea 2412 de via conectada 35 a un electrodo 2440 de conexion a tierra extendida inferior mientras que otros elementos de esta estructura en la capa de metalizacion superior son similares a los de las FIGS. 20(a) - 20(d). Con referencia a la FIG. 24(d), la capa de metalizacion inferior se estampa para formar el electrodo 2025 de conexion a tierra inferior con dos partes 2440 de tierra extendida integral. En el ejemplo ilustrado, la parte 2440 de electrodo de conexion a tierra extendida son extensiones simetricas en ambos lados de la tierra 2036 truncada inferior y la lmea 2412 de via conecta una parte 40 2440 extendida a la tierra 2036 truncada inferior. Son posibles tambien otros disenos de las extensiones de
electrodo de conexion a tierra inferior.
La FIG. 25 muestra la perdida de retorno simulada y las resonancias de banda ancha similares al resultado de la FIG. 22(a) para un dispositivo sin el electrodo de conexion a tierra extendido. A diferencia de la antena de MTM de TLM-VL de las FIGS. 20(a) - 20(d), la resonancia LH mas baja en este caso se genera alrededor de 1,3 GHz, y se 45 generan dos resonancias RH cerca de 2,8 GHz y 3,8 GHz. Las resonancias RH altas producen juntas una banda ancha que cubre las bandas Wi-Fi y WiMax, y la resonancia LH mas baja puede usarse para cubrir una banda GPS, por ejemplo.
Las FIGS. 26(a) y 26(b) muestran fotos de una antena TLM-VL fabricada basandose en el diseno de las FIGS. 24(a) - 24(d) con el electrodo 2440 de conexion a tierra extendido. La perdida de retorno medida para esta antena se 50 representa en la FIG. 27, que muestra tendencias similares que en el resultado de simulacion de la FIG. 25.
Las FIGS. 28(a) - 28(d) proporcionan otro ejemplo de una antena de MTM de SLM de una celda, mostrando la vista en 3D, vista lateral, vista superior de la capa superior y vista superior de la capa inferior, respectivamente. Esta antena se disena espedficamente para producir resonancias en tetra-banda para aplicaciones de telefonos celulares tetra-banda y se forma mediante el uso de dos capas de metalizacion superior e inferior sobre dos superficies del 55 sustrato 2832. La antena se forma en la capa de metalizacion superior que se estampa para formar varios
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componentes.
Con referencia a la FIG. 28(c), la capa de metalizacion superior se estampa para incluir un electrodo 2824 de conexion a tierra superior, una alimentacion 2820 de CPW formada en un espacio dentro del electrodo 2824 de conexion a tierra superior, una lmea 2816 de alimentacion conectada a la alimentacion 2820 de CPW, una placa 2804 de lanzamiento conectada a la lmea 2816 de alimentacion, un parche 2808 de celda separado de la placa de lanzamiento mediante un espacio 2828 de acoplamiento, y una lmea 2812 de via que conecta el parche 2808 de celda al electrodo 2824 de conexion a tierra superior. La antena se alimenta mediante una alimentacion 2820 de CPW puesta a tierra que puede configurarse para tener una impedancia caractenstica de 50 Q. La lmea 2816 de alimentacion conecta la alimentacion 2820 de CPW a la placa 2804 de lanzamiento. Las localizaciones de un orificio 2840 del PCB y un componente 2844 del PCB se indican en las FIGS. 28(a) - 28(d) para referencia.
Con referencia a la FIG. 28(d), la capa de metalizacion inferior se estampa para incluir el electrodo 2825 de conexion a tierra inferior, una punta 2836 metalica de ajuste extendida desde el electrodo 2825 de conexion a tierra inferior y uno o mas componentes 2844 de la tarjeta PCB. El patron de la capa de metalizacion inferior proporciona una region libre de metal por debajo del parche 2808 de celda.
En este ejemplo la lmea 2816 de alimentacion tiene 0,5 mm x 14 mm. La placa 2804 de lanzamiento tiene en total 0,5 mm x 10 mm. El parche 2808 de celda se acopla capacitivamente a la placa 2804 de lanzamiento a traves de un espacio 2828 de acoplamiento de 0,1 mm (4 milesimas de pulgada). El parche 2804 de celda tiene 4 mm x 20 mm con un corte en una esquina. El parche 2808 de celda cortocircuita al electrodo 2824 de conexion a tierra a traves de la lmea 2812 de via. El ancho de la lmea de via es de 0,3 mm (12 milesimas de pulgada) y la longitud es de 27 mm en total con dos dobleces. La forma del electrodo 2824 de conexion a tierra se optimiza e incluye la punta 2836 de ajuste para una mejor adaptacion tanto en la banda celular (890-960 MHz) como en la banda pCs/dCs (1700-2170 MHz). La antena cubre un area de 17 mm x 24 mm. En general, la adaptacion a altas frecuencias puede mejorarse llevando al electrodo 2824 de conexion a tierra superior mas proximo a la placa 2804 de lanzamiento. Por otro lado, en este ejemplo, se anade la tierra proxima a la placa de lanzamiento sobre la capa inferior, como se indica por la punta 2836 de ajuste. Este tamano es de 2,7 mm x 17 mm. El sustrato es un material FR4 standard con una constante dielectrica de 4,4.
Se usa el software de simulacion HFSS EM para simular el rendimiento de la antena. Ademas, se fabrican y caracterizan algunas muestras mediante mediciones. La perdida de retorno simulada se muestra en la FIG. 29(a), que indica una buena adaptacion tanto en la banda celular como en la PCS/DCS. Cuatro puntos representativos en esta figura son: punto 1 = (0,94 GHz, -2,94 dB), punto 2 = (1,02 GHz, -6,21 dB), punto 3 = (1,75 GHz, -7,02 dB) y punto 4 = (2,20 GHz, -5,15 dB). La impedancia de entrada simulada se traza en la FIG. 29(b).
La eficiencia medida para la antena fabricada se traza en las FIGS. 30(a) y 30(b), que corresponden a la eficiencia en la banda celular y la eficiencia en la banda PCS/DCS, respectivamente. La antena es altamente eficiente teniendo un pico del 52 % en la banda celular y del 78 % en la banda PCS/DCS.
Los telefonos celulares y dispositivos portatiles tienden a ser compactos y por ello tienen complejas propiedades electromagneticas, haciendo diffcil la integracion de la antena. Pueden realizarse algunas verificaciones de la antena en la presente implementacion para permitir una operacion estable de la antena en el interior del dispositivo.
La FIG. 31 muestra una estructura de antena de MTM de SLM modificada ejemplar basada en la antena de MTM de SLM de las FIGS. 28(a) - 28(d). La capa de metalizacion superior se estampa para incluir el electrodo 2824 de conexion a tierra superior, la alimentacion 2820 de CPW, la lmea 3116 de alimentacion, la placa 3152 de lanzamiento extendida, el parche 3108 de celda y el parche 3148 de celda extendido, y la lmea 3112 de via que conecta el parche 3108 de celda al electrodo 2824 de conexion a tierra superior. La primera modificacion es aumentar el tamano de la placa de lanzamiento para proporcionar la placa 3152 de lanzamiento extendida para mejorar el componente capacitivo de la impedancia de la antena. Esto hace el bucle mayor en la carta Smith, desadaptando deliberadamente la antena en el espacio libre. Cuando la antena se integra en el dispositivo, el lazo se estrecha debido a la carga de los componentes alrededor de el. Asf, este esquema hace a la antena mejor adaptada cuando se integra. La segunda modificacion es anadir un parche 3148 de celda extendido con forma de L al parche 3108 de celda. Esto incrementa el acoplamiento capacitivo entre el parche 3108 de celda y el parche 3152 de celda extendido debido a la longitud incrementada del espacio 3128 de acoplamiento, disminuyendo de ese modo la frecuencia de resonancia de la banda baja.
Otro parametro de ajuste en el dispositivo de la FIG. 31 es el punto de contacto 3114 entre la lmea 3112 de via y el electrodo 3124 de conexion a tierra superior sobre la capa de metalizacion superior. Este punto 3114 de contacto puede moverse mas proximo a la lmea 3116 de alimentacion para mejorar la adaptacion en la banda baja mientras aumenta la desadaptacion en la banda alta. El efecto opuesto se ve cuando el punto 3114 de contacto se mueve separandose de la lmea 3116 de alimentacion. Las localizaciones de un orificio 3140 del PCB y un componente 3144 del PCB en la capa de metalizacion inferior se indican en la FIG. 31 para referencia.
Se fabrico la antena con las modificaciones anteriores. La eficiencia medida de la antena se muestra en las FIGS. 32(a) y 32(b). La antena es altamente eficiente con picos en el 51 % de la banda celular y 74 % en la banda
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PCS/DCS. Para analizar el efecto de reduccion de la holgura alrededor de la antena, el electrodo de conexion a tierra de la FIG. 31 se extiende por debajo de la celda de antena y sobre el lateral. Las FIGS. 33(a) y 33(b) resumen el efecto sobre las eficiencias, para la banda celular y la banda pCs/DCS, respectivamente. Puede verse a partir de estas figuras que el rendimiento de la antena esta afectado por la extension de la tierra.
Las FIGS. 34(a) - 34(d) muestran un ejemplo de una antena de MTM de TLM-VL de banda cuadruple para aplicaciones de telefonos celulares, mostrando la vista en 3D, vista lateral, vista superior de la capa superior y vista superior de la capa inferior, respectivamente. Esta antena de MTM de TLM-Vl incluye una placa 3404 de lanzamiento y un parche 3408 de celda sobre la capa superior sin tener una lmea de via que conecte el parche 3408 de celda al electrodo 3424 de conexion a tierra superior. En la capa de metalizacion inferior, esta antena de MTM de TLM-VL incluye una tierra 3436 truncada inferior y una lmea 3412 de via que conecta la tierra 3436 truncada inferior al electrodo 3425 de conexion a tierra inferior. La antena se alimenta mediante una alimentacion 3420 de CPW puesta a tierra formada en el electrodo 3424 de conexion a tierra superior y una lmea 3416 de alimentacion que conecta la alimentacion 3420 de CPW a la placa 3404 de lanzamiento. La alimentacion puede configurarse para tener una impedancia caractenstica de 50 Q. Tambien se indican en las figuras para referencia las localizaciones de un orificio 3440 del PCB y un componente 3444 del PCB.
En una implementacion de este diseno, la lmea 3416 de alimentacion se compone de dos secciones con finalidades de adaptacion. La primera seccion es de 1,2 mm x 17,3 mm y la segunda seccion es de 0,7 mm x 5,23 mm. La placa 3404 de lanzamiento con forma de L se usa para proporcionar suficiente acoplamiento al parche 3408 de celda y una mejor adaptacion de impedancia. Un brazo de la placa 3404 de lanzamiento con forma de L tiene 1 mm x 5,6 mm y el otro brazo es de 0,4 mm x 3,1 mm. El parche 3408 de celda se acopla capacitivamente a la placa 3404 de lanzamiento con espacios de 0,4 mm en el brazo mas largo y de 0,2 mm en el brazo mas corto. El parche 3408 de celda es de 5,4 mm x 15 mm, y la tierra 3436 truncada inferior es de 5,4 mm x 10,9 mm. El condensador CR en paralelo se reduce debido a la presencia de la tierra 3436 truncada inferior por debajo del parche 3408 de celda. La lmea 3412 de via que conecta la tierra 3436 truncada inferior con el electrodo 3425 de conexion a tierra inferior induce una inductancia (Lp) que esta en serie con CR tal como se muestra en la FIG. 21(b). El inductor LL en paralelo es despreciable debido a que no hay vfas implicadas en la estructura. En la FIG. 21(b), la notacion LL representa LL + Lp como en el Analisis 2. La dimension de la lmea de via es de 0,3 mm x 40,9 mm. La ruta de la lmea de via se optimiza para adaptarse tanto a la banda celular (824-960 MHz) como a la banda PCS/DCS (17002170 MHz). La antena cubre el area de 15,9 mm x 22 mm. El sustrato es un material FR4 con una constante dielectrica de 4,4.
La Tabla 3 proporciona un sumario de los elementos de la estructura de antena TLM-VL en este ejemplo.
Tabla 3
- Parametro
- Descripcion Localizacion
- Elemento de antena
- Cada elemento de antena comprende una celda conectada a la alimentacion 3420 de CPW de 50 Q a traves de una placa 3404 de lanzamiento y una lmea 3416 de alimentacion. Tanto la placa 3404 de lanzamiento como la lmea 3416 de alimentacion se localizan sobre la capa superior del sustrato 3432.
- Lmea de alimentacion
- Conecta la placa 3404 de lanzamiento con la alimentacion 3420 de CPW de 50 Q. Capa superior
- Placa de lanzamiento
- La forma de L que acopla un parche 3408 de celda a la lmea 3416 de alimentacion. Hay un espacio 3428 de acoplamiento entre la placa 3404 de lanzamiento y el parche 3408 de celda. Capa superior
- Celda
- Parche de celda superior Forma rectangular Capa superior
- Tierra truncada inferior
- Forma rectangular Capa inferior
- Lmea de via
- Conecta a la tierra 3436 truncada inferior con el electrodo 3425 de conexion a tierra inferior. Capa inferior
Se usa el software de simulacion HFSS EM para simular el rendimiento de la antena. La perdida de retorno simulada se muestra en la FIG. 35(a) y muestra una buena adaptacion tanto en la banda celular como en la PCS/DCS. La impedancia de entrada simulada se muestra en la FIG. 35(b).
En los ejemplos de estructuras de MTM anteriores, cada celda unitaria tiene un unico parche de celda que se localiza en una localizacion. En algunas implementaciones, un parche de celda puede incluir al menos dos parches metalicos localizados en localizaciones diferentes que se interconectan para hacer efectivo un parche de celda “extendido”.
Las FIGS. 36(a) - 36(d) muestran un ejemplo de una antena de MTM penta-banda con una estructura semi- monocapa, mostrando la vista en 3D, vista lateral, vista superior de la capa superior y vista superior de la capa
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inferior, respectivamente. En este diseno, una celda incluye dos parches metalicos que se forman respectivamente en las capas de metalizacion superior e inferior y se conectan mediante v^as conductoras. De los dos parches metalicos, el parche 3608 de celda en la capa superior es de mayor tamano que el parche 3644 de celda extendida en la capa inferior y por ello es el parche de celda principal. El parche 3644 de celda extendido en la capa inferior no se conecta a un electrodo de conexion a tierra. Se forma una lmea 3612 de via en la capa superior, la misma capa del parche 3608 de celda, para conectar el parche 3608 de celda al electrodo 3624 de conexion a tierra superior. De ese modo, el electrodo 3624 de conexion a tierra superior es el electrodo de conexion a tierra para el parche 3608 de celda. Por lo tanto, este dispositivo no tiene una tierra truncada inferior para la celda en la capa inferior. Por esta razon, este diseno es una “estructura semi-monocapa”.
Mas espedficamente, esta antena de MTM tiene una placa 3604 de lanzamiento con una lmea 3652 con serpenteo anadido y un parche 3608 de celda, todos los cuales estan en la capa superior. El parche 3608 de celda se extiende a una extension 3644 de parche de celda en la capa inferior mediante el uso de una o mas vfas 3648 para conectar el parche 3608 de celda en la parte superior y la extension del parche 3644 de celda en la parte inferior. La placa 3604 de lanzamiento puede extenderse tambien a una extension de placa 3636 de lanzamiento en la capa inferior mediante el uso de una o mas vfas 3640 para conectar la placa 3604 de lanzamiento en la parte superior y la extension de placa 3636 de lanzamiento en la parte inferior. Puede hacerse referencia tambien a la extension de placa 3636 de lanzamiento sobre la capa inferior como una placa 3636 de lanzamiento extendida, y puede hacerse referencia tambien a la extension de parche 3644 de celda sobre la capa inferior como un parche de celda 3644 extendido. Las vfas respectivas se denominan como vfas 3640 de conexion de la placa de lanzamiento y vfas 3648 de conexion de celda en las figuras. Dichas extensiones pueden fabricarse para cumplir con los requisitos de espacio en tanto que mantienen un cierto nivel de rendimiento.
La FIG. 36(c) muestra la capa inferior que se superpone con la capa superior. La FIG. 36(d) muestra la capa superior que se superpone con la capa inferior.
La antena es alimentada por una alimentacion 3620 de CPW puesta a tierra con una impedancia caractenstica de 50 Q. La lmea 3616 de alimentacion conecta la alimentacion 3620 de CPW a la placa 3604 de lanzamiento, que tiene la lmea 3652 de serpenteo anadida. El parche 3608 de celda tiene una forma poligonal, y se acopla capacitivamente a la placa 3604 de lanzamiento a traves de un espacio 3628 de acoplamiento. El parche 3608 de celda se cortocircuita al electrodo 3624 de conexion a tierra superior sobre la capa superior a traves de la lmea 3612 de via. La ruta de la lmea de via se optimiza para adaptacion. El sustrato 3632 puede fabricarse de un material dielectrico adecuado, por ejemplo, un material FR4 con una constante dielectrica de 4,4.
La Tabla 4 proporciona un sumario de los elementos de la estructura de antena de MTM penta-banda monocapa en este ejemplo.
Tabla 4
- Parametro
- Descripcion Localizacion
- Elemento de antena
- Cada elemento de antena comprende una celda conectada a la alimentacion 3620 de CPW de 50 Q a traves de una placa 3604 de lanzamiento y una lmea 3616 de alimentacion. Tanto la placa 3604 de lanzamiento como la lmea 3616 de alimentacion se localizan sobre la capa superior del sustrato 3632.
- Lmea de alimentacion
- Conecta la placa 3604 de lanzamiento con la alimentacion 3620 de CPW de 50 Q. Capa superior
- Placa de lanzamiento
- Con forma rectangular y se acopla a un parche 3608 de celda a traves de un espacio 3628 de acoplamiento. Se fija una lmea 3652 de serpenteo a la placa 3604 de lanzamiento. Capa superior
- Lmea de serpenteo
- Anadida a la placa 3604 de lanzamiento.
- Placa de lanzamiento extendida
- Un parche con forma rectangular que es una extension de la placa 3604 de lanzamiento Capa inferior
- Vfas de conexion de la placa de lanzamiento
- Vfas que conectan la placa 3604 de lanzamiento sobre la capa superior con la placa 3636 de lanzamiento extendida sobre la capa inferior.
- Celda
- Parche de celda Forma poligonal Capa superior
- Parche de celda extendido
- Un parche de forma rectangular que es una extension del parche 3608 de celda. Capa inferior
- Lmea de via
- Lmea que conecta el parche de celda con el electrodo 3624 de conexion a tierra superior. Capa superior
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- Vfas que conectan las celdas Vfas que conectan el parche 3608 de celda sobre la capa superior con el parche 3644 de celda extendida sobre la capa inferior.
Se usa el software de simulacion HFSS EM para simular el rendimiento de la antena. La perdida de retorno simulada se muestra en la FIG. 37(a) y la impedancia de entrada simulada se muestra en la FIG. 37(b). Como se evidencia por estas figuras, la resonancia LH aparece a aproximadamente 800 MHz en este ejemplo.
Las antenas de MTM penta-banda pueden construirse basandose en una unica capa. Un ejemplo de una antena de MTM penta-banda SLM se muestra en la FIG. 38, que muestra la vista superior de la capa superior. La alimentacion de CPW y la tierra de CPW se omiten en esta figura.
Se proporcionan a continuacion ejemplos para varios parametros en una implementacion ejemplar. La placa 3804 de lanzamiento tiene forma rectangular con dimensiones de 10,5 mm x 0,5 mm. La lmea 3816 de alimentacion proporciona potencia para la alimentacion de CPW a la placa 3804 de lanzamiento, y es de 10 mm x 0,5 mm. La placa 3804 de lanzamiento se acopla capacitivamente al parche 3808 de celda, que tiene 32 mm x 3,5 mm. El espacio 3828 de acoplamiento tiene 0,25 mm de ancho. Hay dos cortes en las esquinas del parche 3808 de celda. El primer corte esta proximo a la placa de lanzamiento con dimensiones de 10,5 mm x 0,75 mm. El segundo corte esta en la esquina superior del parche 3808 de celda con dimensiones de 4,35 mm x 0,75 mm. El segundo corte no es crftico para el rendimiento pero se conforma para adaptarse al contorno de tarjeta de un producto para la presente aplicacion. La lmea 3812 de via conecta el parche 3808 de celda a la tierra de CPW. El ancho de la lmea 3812 de via es de 0,5 mm. La longitud total de la lmea de via es de 45,9 mm. La lmea de via tiene siete segmentos de longitudes 0,4 mm, 23 mm, 3,25 mm, 8 mm, 1,5 mm, 8 mm y 1,75 mm, respectivamente, comenzando desde el parche 3808 de celda a la tierra de CPW.
El enrutado de la lmea 3812 de via se muestra en la FIG. 38. En una implementacion, la lmea 3812 de via termina en la tierra de CPW a 1 mm de separacion de la lmea 3816 de alimentacion.
La FIG. 39 muestra otro ejemplo de una antena penta-banda SLM. Solo se presenta la vista superior de la capa superior y se omiten la alimentacion de CPW y la tierra de CPW en esta figura. Se adjunta una lmea 3952 de serpenteo a la placa 3904 de lanzamiento. La longitud total del serpenteo es de 84,8 mm en este ejemplo. La estructura restante puede ser identica a la mostrada en la FIG. 38.
La antena penta-banda SLM mostrada en la FIG. 38 (sin la lmea de serpenteo) crea dos bandas distintas, como se evidencia por la perdida de retorno simulada indicada por la lmea con puntos cruzados en la FIG. 40. La banda inferior tiene un ancho de banda suficiente para satisfacer las aplicaciones de telefono celular tetra-banda pero es demasiado estrecha para satisfacer los requisitos para aplicaciones de telefono celular penta-banda. La antena penta-banda SLM con la lmea 3952 de serpenteo, mostrada en la FIG. 39, puede usarse para aumentar el ancho de banda. La longitud de la lmea 3952 de serpenteo se ajusta para crear una resonancia a una frecuencia mas alta que, pero proxima a, la resonancia LH. El ancho de banda resultante de los dos modos es suficiente para cubrir la banda baja que va desde 824 MHz a 960 MHz, como puede verse por la perdida de retorno simulada indicada por la lmea con cuadrados abiertos de la FIG. 40. Aunque en este ejemplo particular la lmea 3952 de serpenteo se usa para crear el modo adicional en la banda baja, puede usarse para aumentar la banda alta asimismo si es necesario, pero con una longitud de lmea de serpenteo mas corta. Adicionalmente, es posible usar una espiral, lmea de serpenteo multicapa o una combinacion de estas para introducir un modo adicional.
La Tabla 5 proporciona un sumario de los elementos de la estructura de antena de MTM penta-banda SLM con una lmea de serpenteo.
Tabla 5
- Parametro
- Descripcion Localizacion
- Elemento de antena
- Cada elemento de la antena comprende una celda conectada a la alimentacion de CPW de 50 Q a traves de una placa 3904 de lanzamiento y lmea 3916 de alimentacion. Tanto la placa 3904 de lanzamiento como la lmea 3916 de alimentacion se localizan sobre la parte superior del sustrato.
- Lmea de alimentacion
- Conecta la placa 3904 de lanzamiento con la alimentacion de CPW de 50 Q. Capa superior
- Placa de lanzamiento
- De forma rectangular y se acopla a un parche 3908 de celda a traves de un espacio 3928 de acoplamiento. Se fija una lmea 3952 de serpenteo a la placa 3904 de lanzamiento. Capa superior
- Lmea de serpenteo
- Anadida a la placa 3904 de lanzamiento. Capa superior
- Celda
- Parche de celda Forma poligonal Capa superior
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- Lmea de via Conecta el parche 3908 de celda con el electrodo de conexion Capa
- a tierra superior. superior
La FIG. 41 muestra una foto del prototipo de antena de la antena de MTM penta-banda SLM con una lmea de serpenteo de la FIG. 39, fabricada basandose en una tarjeta de FR-4 de 1 mm. La FIG. 42 muestra la perdida de retorno medida del prototipo. Esta antena tiene una perdida de retorno de -6 dB con el ancho de banda de 240 MHz (760 MHz-1000 MHz) en la banda baja y ancho de banda de 600 MHz en la banda alta.
La eficiencia medida se muestra en las FIGS. 43(a) y 43(b) para la banda baja y banda alta, respectivamente. La eficiencia de pico en la banda baja es del 66 %, y se logra una eficiencia casi constante del 60 % en la banda alta.
En muchas situaciones practicas hay restricciones de espacio que requieren un cierto enrutado de trazados en la estructura de la antena. La antena puede compactarse adicionalmente mediante el uso de elementos de circuito concentrados, tales como condensadores o inductores, para aumentar la inductancia y capacitancia implicada en la estructura. Las FIGS. 44, 45 y 46 muestran dichos ejemplos de diseno en los que se usa la antena de MTM penta- banda SLM con una lmea de serpenteo de la FIG. 39.
En la FIG. 44, la capacitancia entre la placa 3904 de lanzamiento y el parche 3908 de celda se mejora mediante el uso de un condensador 4410 concentrado. En este ejemplo, el espacio entre la placa 3904 de lanzamiento y el parche 3908 de celda se incrementa desde 0,25 mm a 0,4 mm, y la capacitancia reducida se compensa mediante la capacitancia concentrada anadida de 0,3 pF. En lugar de incrementar el espacio, puede reducirse la longitud del espacio y la capacitancia reducida puede compensarse mediante la capacitancia concentrada anadida.
En la FIG. 45, se anade un inductor 4510 concentrado al trazado de la lmea de via. La longitud de la lmea 3912 de via se reduce en 24 mm, pero la inductancia reducida debido a la lmea 3912 de via acortada se compensa mediante la inductancia concentrada anadida de 10 nH.
En las FIG. 46, se anade un inductor 4610 concentrado y se reduce la longitud de la lmea 3952 de serpenteo. En este ejemplo, el inductor 4610 se acopla a la union de la lmea 3952 de serpenteo y la placa 3904 de lanzamiento. Mediante la adicion de una inductancia de 23 nH usando el inductor 4610 concentrado, la lmea 3952 de serpenteo impresa requerida para tener la misma resonancia baja igual a la mostrada en la FIG. 40 se reduce ahora de 84,8 mm a 45,7 mm.
Dado que los elementos concentrados no radian, los elementos concentrados pueden localizarse en localizaciones en donde hay poca radiacion para minimizar el impacto sobre la eficiencia de radiacion de la antena. Por ejemplo, es posible obtener la misma resonancia con la lmea de serpenteo anadiendo el inductor 4610 al comienzo o al final de la lmea de serpenteo. Sin embargo, anadir el inductor 4610 al final de la lmea de serpenteo puede reducir significativamente la eficiencia de radiacion debido a que el final de la lmea de serpenteo tiene la radiacion mas alta. Debena tomarse nota de que estas tecnicas de elementos concentrados pueden combinarse para lograr una miniaturizacion adicional.
La FIG. 47 muestra los resultados de simulacion para la antena de MTM penta-banda SLM cargada con los elementos concentrados descritos anteriormente. Como se evidencia en esta figura, pueden obtenerse las bandas y anchos de banda similares a los de la FIG. 40 con las tecnicas de carga descritas anteriormente.
En los ejemplos de antena de MTM de SLM o TLM-VL descritos hasta el momento, la estructura de acoplamiento para el acoplamiento capacitivamente de la placa de lanzamiento y el parche de celda se implementan de forma plana, esto es, tanto la placa de lanzamiento como el parche de celda se localizan sobre la misma capa y por ello el espacio de acoplamiento entre los dos se forma en el mismo plano. Sin embargo, el espacio de acoplamiento puede formarse verticalmente, esto es, la placa de lanzamiento y el parche de celda pueden localizarse sobre dos capas diferentes, formato de ese modo un espacio de acoplamiento vertical, no plano entre ellos.
Un ejemplo de una antena de MTM tricapa con el acoplamiento vertical entre un parche de celda y una placa de lanzamiento en diferentes capas se ilustra en las FIGS. 48(a) - 48(f), que muestran la vista en 3D, vista superior de la capa superior, vista superior de la capa media, vista superior de la capa inferior, vista superior de las capas superior y media superpuestas, y la vista lateral, respectivamente. Como se muestra en la FIG. 48(f), esta estructura de MTM tricapa comprende un sustrato 4832 superior y un substrato 4833 inferior que estan apilados uno encima de otro para proporcionar tres capas de metalizacion. La capa superior sobre la superficie superior del sustrato 4832 superior, la capa media entre los dos sustratos 4832 y 4833, y la capa inferior sobre la superficie inferior del sustrato 4833. En una implementacion, la capa media puede ser de 0,76 mm (30 milesimas de pulgada) y la capa inferior es de 1 mm. Esto mantiene el grosor global de 1 mm igual que una estructura bicapa.
La capa superior incluye una lmea 4816 de alimentacion que conecta la alimentacion 4820 de CPW a una placa 4804 de lanzamiento. La alimentacion 4829 de CPW puede formarse en una estructura de CPW que tiene un electrodo 4824 de conexion a tierra superior y un electrodo 4825 de conexion a tierra inferior. Tanto la lmea 4816 de alimentacion como la placa 4804 de lanzamiento tienen una forma rectangular con dimensiones de 6,7 mm x 0,3 mm y 18 mm x 0,5 mm, respectivamente. La capa media incluye un parche 4808 de celda con forma de L que puede, en
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una implementacion, tener una seccion con dimensiones de 6,477 mm x 18,4 mm y la otra seccion con dimensiones de 6,0 mm x 6,9 mm. Se forma un espacio 4852 de acoplamiento vertical entre la placa 4804 de lanzamiento sobre la capa superior y el parche 4808 de celda sobre la capa media. Se forma una via 4840 en el sustrato inferior para acoplar el parche 4808 de celda sobre la capa media a la lmea 4812 de via sobre la capa inferior a traves de una placa 4844 de via. La lmea 4812 de via sobre la capa inferior se cortocircuita con el electrodo 4825 de conexion a tierra inferior con dos dobleces, como puede verse en la FIG. 48(d).
La perdida de retorno simulada de la antena de MTM tricapa con el acoplamiento vertical se traza en la FIG. 49(a), que muestra dos bandas en la perdida de retorno de -6 dB: la banda baja a 0,925-0,99 GHz y la banda alta 1,482,36 GHz.
La impedancia de entrada simulada de la antena de MTM tricapa con el acoplamiento vertical se traza en la FIG. 49(b). Generalmente, una adaptacion perfecta de 50 Q corresponde a Real(Zin) = 50 Q e Imaginaria(Zin) = 0 dentro de la banda de frecuencia de operacion, e implica una buena transferencia de energfa entre la alimentacion de CPW y la antena. La FIG. 49(b) muestra que tiene lugar una buena adaptacion cerca de 950 MHz en la banda baja (modo LH) y cerca de 1,8 GHz en la banda alta (modo RH).
La antena de MTM tricapa con el acoplamiento vertical descrita anteriormente puede modificarse para incluir solo dos capas sin vfas. Un ejemplo de dicha antena de MTM de TLM-VL con el acoplamiento vertical se ilustra en las FIGS. 50(a) - 50(c), que muestran la vista en 3D, vista superior de la capa superior y vista superior de la capa inferior, respectivamente. Esta antena de MTM de TLM-VL incluye una placa 5004 de lanzamiento sobre la capa superior y un parche 5008 de celda sobre la capa inferior. Una lmea 5016 de alimentacion conecta la placa 5004 de lanzamiento a la alimentacion 5020 de CPW formada en el electrodo 5024 de conexion a tierra superior sobre la capa superior. El espacio 5052 de acoplamiento vertical se forma entre la placa 5004 de lanzamiento sobre la capa superior y el parche 5008 de celda sobre la capa inferior. A diferencia de la equivalente tricapa, esta antena de mTm de TLM-VL tiene una lmea 5012 de via sobre la misma capa inferior que el parche 5008 de celda y conecta directamente el parche 5008 de celda al electrodo 5025 de conexion a tierra inferior.
La perdida de retorno simulada de la antena de MTM de TLM-VL con el acoplamiento vertical se traza en la FIG. 51(a), que muestra bandas baja y alta. El ancho de banda de la banda alta es mas estrecho que el equivalente tricapa, como puede verse tras la comparacion de la FIG. 49(a) y la FIG. 51(a).
La impedancia de entrada simulada de la antena de MTM de TLM-VL con el acoplamiento vertical se traza en la FIG. 51(b), que muestra que tiene lugar una buena adaptacion cerca de 950 MHz en la banda baja (modo LH) pero no en la banda alta (modo RH).
Basandose en los ejemplos anteriores, pueden construirse varias estructuras de MTM CRLH. Un ejemplo es un dispositivo de metamaterial que incluye un sustrato dielectrico que tiene una primera superficie y una segunda superficie diferente; y una estructura de metamaterial compuesto zurdo y diestro (CRLH) formada sobre el sustrato. Esta estructura incluye un electrodo de conexion a tierra sobre la primera superficie; un parche de celda sobre la primera superficie y separado del electrodo de conexion a tierra; una lmea de via que acopla el parche de celda con el electrodo de conexion a tierra; y una lmea de alimentacion sobre la primera superficie y electromagneticamente acoplada al parche de celda a traves de un espacio para dirigir una senal a o desde el parche de celda. En una configuracion, esta estructura incluye tambien una extension del parche de celda formada sobre la segunda superficie y una via conductora que penetra en el sustrato para conectar el parche de celda sobre la primera superficie a la extension del parche de celda sobre la segunda superficie. En otra configuracion, esta estructura puede incluir adicionalmente una placa de lanzamiento formada sobre la primera superficie y posicionada entre la lmea de alimentacion y el parche de celda. El parche de lanzamiento se separa de y se acopla electromagneticamente con el parche de celda y se conecta a la lmea de alimentacion. Se forma una extension de la placa de lanzamiento sobre la segunda superficie y una via conductora que penetra en el sustrato para conectar la placa de lanzamiento sobre la primera superficie a la extension de la placa de lanzamiento sobre la segunda superficie.
Otro ejemplo de un dispositivo de metamaterial es una estructura de MTM CRLH formada sobre un sustrato dielectrico que tiene una primera superficie y una segunda superficie diferente. Esta estructura de MTM incluye un parche de celda sobre la primera superficie; un electrodo de conexion a tierra superior separado del parche de celda y localizado sobre la primera superficie; una lmea de via superior sobre la primera superficie que tiene un primer extremo conectado al parche de celda y un segundo extremo conectado al electrodo de conexion a tierra superior; y un electrodo de conexion a tierra de celda inferior formado sobre la segunda superficie por debajo de la parche de celda sobre la primera superficie. El electrodo de conexion a tierra de celda inferior no se conecta directamente al parche de celda a traves de una via conductora que penetre a traves del sustrato. Esta estructura de MTM tambien incluye un electrodo de conexion a tierra inferior formado sobre la segunda superficie separado del electrodo de conexion a tierra de celda inferior; una lmea de via inferior sobre la segunda superficie que tiene un primer extremo conectado al electrodo de conexion a tierra de celda inferior y un segundo extremo conectado al electrodo de conexion a tierra inferior; una placa de lanzamiento sobre la primera superficie separada del parche de celda por un espacio para acoplar electromagneticamente al parche de celda; y una lmea de alimentacion conectada a la placa de lanzamiento para dirigir una senal a, o desde, el parche de celda. La segunda superficie esta libre en un area de
metalizacion por debajo del parche de celda de la primera superficie.
Solo se divulgan unas pocas implementaciones. Sin embargo, se entiende que pueden realizarse variaciones y mejoras.
Claims (14)
- 5101520253035404550REIVINDICACIONES1. Un dispositivo de metamaterial, que comprende:un sustrato dielectrico que tiene una primera superficie y una segunda superficie diferente: una primera capa de metalizacion formada sobre la primera superficie; y una segunda capa de metalizacion formada sobre la segunda superficie,en el que la primera y segunda capas de metalizacion estan estampadas para tener dos o mas partes conductoras para formar una estructura de metamaterial compuesto zurdo y diestro (CRLH) que comprende una celda unitaria que esta libre de una via conductora que penetre el sustrato dielectrico para conectar la primera capa de metalizacion y la segunda capa de metalizacion, caracterizado porque las dos o mas partes conductoras incluyen:un primer electrodo (5025) de conexion a tierra formado sobre la primera superficie; un parche (5008) de celda formado sobre la primera superficie;una lmea (5012) de via formada sobre la primera superficie, acoplando la lmea de via el parche de celda con el primer electrodo de conexion a tierra; yuna lmea (5016) de alimentacion formada sobre la segunda superficie, acoplada electromagneticamente la lmea de alimentacion al parche de celda a traves de una parte del sustrato dielectrico intercalada entre la lmea de alimentacion y el parche de celda para dirigir una serial de antena a o desde el parche de celda.
- 2. El dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el sustrato dielectrico esta conformado para adaptarse a una forma de, y se fija a, otra superficie.
- 3. El dispositivo de la reivindicacion 1, que comprende:una placa (5004) de lanzamiento de celda formada sobre la segunda superficie por debajo del parche (5008) de celda sobre la primera superficie y configurada para acoplar electromagneticamente la lmea (5016) de alimentacion al parche de celda sin que una via conductora que penetre a traves del sustrato este directamente conectada al parche de celda; en el que el parche de celda, el primer electrodo de conexion a tierra, la lmea de via, la placa de lanzamiento de celda y la lmea de alimentacion forman la estructura de metamaterial CRLH.
- 4. El dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que las dos o mas partes conductoras de la estructura de metamaterial estan estructuradas para formar una antena de metamaterial y estan posicionadas y dimensionadas para generar dos o mas resonancias de frecuencia en las que opera la antena de metamaterial.
- 5. El dispositivo de la reivindicacion 1, que comprende un segundo electrodo (5024) de conexion a tierra formado sobre la segunda superficie.
- 6. El dispositivo de la reivindicacion 5, en el que la lmea de alimentacion, el primer electrodo de conexion a tierra y el segundo electrodo de conexion a tierra estan estructurados para proporcionar una estructura de grna de ondas coplanaria (CPW).
- 7. El dispositivo de la reivindicacion 5, en el que el primer electrodo (5025) de conexion a tierra y el segundo electrodo (5024) de conexion a tierra incluyen la misma superficie ocupada.
- 8. El dispositivo de la reivindicacion 5, en el que el segundo electrodo (5024) de conexion a tierra esta localizado fuera de la superficie ocupada del parche (5008) de celda proyectado desde la primera superficie sobre la segunda superficie.
- 9. Un procedimiento de formacion de un dispositivo de metamaterial, que comprende:formar un sustrato dielectrico que tiene una primera superficie y una segunda superficie diferente: formar una primera capa de metalizacion formada sobre la primera superficie; y formar una segunda capa de metalizacion formada sobre la segunda superficie,en el que la primera y segunda capas de metalizacion incluyen dos o mas partes conductoras para formar una estructura de metamaterial compuesto zurdo y diestro (CRLH) que comprende una celda unitaria que esta libre de una via conductora que penetre el sustrato dielectrico para conectar la primera capa de metalizacion y la segunda capa de metalizacion,caracterizado porque la formacion de las dos o mas partes conductoras incluye:formar un primer electrodo de conexion a tierra formado sobre la primera superficie; formar un parche de celda formado sobre la primera superficie;formar una lmea de via formada sobre la primera superficie, acoplando la lmea de via el parche de celda con el primer electrodo de conexion a tierra; yformar una lmea de alimentacion formada sobre la segunda superficie, acoplada electromagneticamente la lmea de alimentacion al parche de celda a traves de una parte del sustrato dielectrico intercalada entre la lmea de alimentacion y el parche de celda para dirigir una serial de antena a o desde el parche de celda.
- 10. El procedimiento de la reivindicacion 9, que comprende formar un segundo electrodo de conexion a tierra sobre la segunda superficie.
- 11. El procedimiento de la reivindicacion 10, que comprende formar una estructura de gma de ondas coplanaria (CPW) que incluye la lmea de alimentacion, el primer electrodo de conexion a tierra y el segundo electrodo de5 conexion a tierra.
- 12. El procedimiento de la reivindicacion 10, en el que el primer electrodo de conexion a tierra y el segundo electrodo de conexion a tierra incluyen la misma superficie ocupada.
- 13. El procedimiento de la reivindicacion 10, en el que la formacion del segundo electrodo de conexion a tierra incluye la localizacion del segundo electrodo de conexion a tierra fuera de una superficie ocupada del parche de10 celda proyectado desde la primera superficie sobre la segunda superficie.
- 14. El procedimiento de la reivindicacion 9, que comprende conformar el sustrato dielectrico a una forma de otra superficie.
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