TW200832812A

TW200832812A - Antennas based on metamaterial structures

Info

Publication number: TW200832812A
Application number: TW096131468A
Authority: TW
Inventors: Maha Achour; Marin Stoytchev; Ajay Gummalla
Original assignee: Rayspan Corp
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2008-08-01
Also published as: US7847739B2; US20110039501A1; KR101236313B1; WO2008024993A3; EP2070157A4; US8604982B2; CN101542838A; CN101542838B; US7592957B2; US20100238081A1; KR20100051136A; KR20110040952A; EP2070157B1; KR20090055002A; EP2070157A2; US20080048917A1; KR101086743B1; JP2010502131A; KR20100051883A; TWI449257B

Description

200832812 九、發明說明：【發明所屬之技術領域】疋有關於瀏覽本無明係有關於圖形使用者介面，特別動態資訊集合。【先前技術】大部分材料的電磁波傳播遵循（E，H，点）旦3 y四里場的右手法則（right handed rule)，其中E為電場，H炎、 η 場，冷為波向量（wave vect〇r)。相速（hase c1〇city)方向與尨號能量傳播（群速，gr〇up vel〇city)的方向相同，且其折射率（refractive index)為正數。這樣的材料為右手系（Hght handed，RH)。大部分的天然材料為四材料。人造材料亦可以為RH材料。、、超穎材料為人造結構。當與遠小於由超穎材料導入之電磁能量波長的構造平均單格單元尺寸設計時，超穎材料可表現為導入電磁能量的均勻介f加㈣咖咖 medium)。不同於RH材料，超穎材料可顯示負折射率，其相速方向與信號能量傳播方向相反，且（E，H，幻向量場的相對方向遵循左手定則。僅支援負折射率的超顆材料為左手（LH)超穎材料。 …2多超穎材料LH超穎材料與RH材料的混合物，又叫 <複口右/左手（(:〇1111)〇311^1^1^^^的士^11(16(1，（：孔11) 超穎材料。CRLH超穎材料於低頻時可表現為LH超穎材料於网須日守可表現為RH材料。Caloz與I toh在2006

1057D-9092-PF 5 200832812 ^的二ohn Wlley & S〇ns所發表的” f磁超賴材料：傳輸、、在理淪與微波應用，，中說明不同c , 特一。—_年八月所=:= 中—超穎材料及其在二= ⑽超賴材料可顯示適用於特定應且可使用於不容易、不音行f生並 “ 易不貫用或是不可能使用其他材料的盆 ±奢 &穎材料可用來建立新的應用並且用來建立無法使用RH材料之新裘置。用【發明内容】本發明說明使用至少一種複人來虛理雷成必户Α 左/右手超穎材料結構末處理電磁波信號的技術、裝置以及系統。天 = 列以及其他RF裝置得以ρρτ u如、、、車赤… 係以CRLH超穎材料結構為基礎而形成。例如，期望的CRLH超額材前端以及天線子系統。訂用於無線通訊卯單元係揭露—種天線裝置，包括介電基底、接料電電極、主要接地電極、單元 V電"貝連接器、導電饋有設置於第-側之第線。介電基底具二侧的第二表面。單元導雷h 序對於弟-侧之第姑m 導電插線係形成於第-表面。罩一接“電電極係形成於第二表面，並且設置電插線投射之第二表雷：由早-導二表面，並且與單元接地導電電二接?電極形成於第夺孓電極分離。單元導電介質連

1057D-9092-PF 6 200832812 接器形成於基底中，用來將單元導電插線連接至單元接地導電電極。導電鑛線形成於第一表面，並且具有接近且電磁耦合至單元導電插線的末端’以將天線信號指向單元導電㈣或是將單元導電插線指向天線信號。導電條紋線形成於第二表面，並且將單元接地導電電極連接至主要接地電極。其中將單元導電插線、基底、單元導電介質連接器、單元接地導電電極以及電磁柄合導電饋線組織而形成複 :左:右手咖)超穎材料結構。單元接地電極具有大於單7L導電介質連接器的區域，且該區域係小於單元導電插線的區域。單元接地電極亦可大於單元導電插線的區域。本發明另-實施例係揭露一種天線裝置，包括介電基底、複數單元導電插線、主要接地電極、複數單元接地電極、複數導電介質連接器以及至少一導電條紋線。介電美底具有設置於第一侧之第一表面以及設置相對於第一：之第二側的第二基底。複數單元導電插線覆蓋於第一表面。複數單元導電插線彼此相鄰並且分隔’以允許兩相鄰早兀導電插線之間的電容耗合。主要接地導電插線共同投射至第二表面之覆蓋區外部：第= 面:複數單元接地電極形成於第二表面，以部分對應兀導電插線’分別為一單元接地電極對應至一單元導電插線’其—中每個單元接地電極係位於個別單元導電插線所投射至第二表面之覆蓋區内’且其中單元接地電極係盥主要接地電極部分分離。複數導電介質連接器形成於基底中，

以分別將單元導電插線連接至單元接地電極，以形成建構 1057D-9092-PF 7 200832812 複合左/右手（CRLH)超賴材料電條紋線形成於第_ # & 稷數早秸。至少一導主要接地電極面’以將複數單元接地電極連接至本發明另一實施例係揭露—種天線裝置電基底、第二介電基底、複 —括第地電極、第二主要接士、几v電插線、第—主要接 ^ , 電極、複數單元接地電極、複數τ 接地電極、複數接地導设數下停纹蝮。笸人中貝連接态以及複數下表面導電 !及：介電基底具有設置於第-側之第-上表面，置相對於第一側之第二側的第一下表基底具有設置於第一側〜’電 -側之第二側的第二下声…表面…置相對於第相雄聶，姑π# ~表面，弟一與第二介電基底彼此互插绫：点#第—上表面作為第一下表面。複數單元導電鄰數早兀蛉電插線係彼此互相相允許兩相鄰單元導電插線之間的電容耗合。二 =接地電極形成於第一表面，並且與單元導電插線第—主要接地電極被圖案化為形成電磁轉合至電插線之選取單元導電插線的共平面波導，以將天 2戒指向選取單元導電插線或是將選取單元導電插線才曰向天線信號。第二主要接地電極形成於第一與第二基底並且設置於第二上表面以及第—下表面。複數單元土電極形成於第二下表面’以部分對應至單元導電插線’ ^別為一單元接地電極對應至一單元導電插線，其中 π°元接地電極係位於個別單元導電插線所投射至第 —下表面之覆蓋1内。複數下接地電極形成於帛三主要接 1057D-9092-PF 8 200832812 地電極下方的第二下表面。 ^ ^ - A ^ ,ν , 數接地導電介質連接器形成、弟-基底’分別將下接地電極連接^ 數下表面導電條紋線形成於第-主要電極。復接地電極連接至下接地電極。、，分別將複數單元本發明另一實施例係揭露天線單元導雷if# ' ，匕括介電基底、早兀V電插線、全磁導（PMC)結以及導雷早70導電介質連接器、“電鎮線。介電基底具有設置於第— 以及設置相對於第一 _ 笛— 々、線俜覆芸第矣 -M'的第二表面。單元導電插 '、艮係傻现第一表面。全磁導（面並且使Mm P 磁導（PMC)表單元…：著對著第二表面之PMC表面。電"貝連接器形成於基底，用來 — Μ 5 pur ^ 用木將早兀導電插線連接至PMC表面。導電饋線形成；接近並且電磁耦合至單奸、、’且具有攻置線或是使單元導電插線指向天線信號。其 Μ、基底、I元導電介質連接器、電磁鵪口 ¥電饋線以及矣；奋表面建構而形成複合左/右手（CRLH) 超穎材料結構。這些或其他實施例可用來達成各種應用的至少一優 f :例如’可建構緊實的天線裝置，以提供較寬的寬頻共振以及多模式天線操作。 J 式方施實 ^為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能爱顯易懂’下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，竹

1057D-9092-PF 9 200832812 明如下：貫施例·· 純LH材料可遵循適用於則，且其相it方向金作於〇值里、、且（E，H，石）的左手法以及導磁係數皆為播方向相反。其介面係數頻率顯示…右超穎材料可根據操作狀態與向量為零時™H , 模式。在某些情況下，當波 :’ 超穎材料可顯示非零群速，此情況係於右手模式達到平衡時發生。在未平衡模式中呈有孥下波的能帶隙（b㈣卿）。在達到平衡的情況 ^ persioncurve)於左右手模式之間的轉 f來)=。處不會顯現任何的不連續性，其中當群速為正時’所^入的波長為無限大七=2,〜： 1^=0 άβ 此狀悲對應至在LH手區所實現傳輸線⑽

Line，TL)的零 p白模式（zer〇th 〇rcjer mode) m = 0。CRHL 結構支援具有遵循負沒拋物線（parab〇Uc)區域散頻關係的低頻精細光譜，胃負㈣物線區域可形成實體的小裝置’该裝置的大電磁在操作與控制近場輻射場型 (radiation pattern)具有相同的能力。當此TL作為零階共振器（Zeroth Order Resonator，Z0R)時允許橫跨整個共振器的常數振幅與相位共振（res〇nance)。模式可用末建立以MTM為基礎的功率合併器（com]3iner) /分配器 (splitter)、定向耗合器（directi〇nal couplers)、匹配 l〇57D-9092—PF 10 200832812 wave 網路（matching network)以及漏波天線（law antenna) ° 在RH TL共振器中，共振頻率係對應至電長产 (electrical length)Wm/ =騰，其中 i 為 tl 的長度: m=1，2’3.··。TL *度應該足以到達共振頻率的低與寬頻譜。純LH材料的操作頻率為低頻。CRHL超穎材料結構與與LH材料有相當的差異’並且可用來達到抑與則料之RF頻譜範圍的高低頻譜區。第1圖顯示平衡CRLH超穎材料的散頻示意圖。crlh 結構可支援低頻的精細頻譜並且產生較高的鮮，包括對應至無線波長具有m=0的傳輸點。此結構允許具有定向耦合器、匹配網路、放大器、濾波器以及功率合併器/分配器之CRLH天線元件的無縫整合（s_iess migration)。在某些應用中，奵或微波電路舆裝置可由 CRLHMTM結構所組成’例如定向耦合器、匹配網路、放大器、濾波器以及功率合併器/分配器。以CRLH為基礎的超頭材料可建立電子控制漏波天線作為傳送漏波的單一大天線元件。此單一大天線元件包括分開設置的多細胞，用來產生可以被操縱的窄光束。第2圖顯示具有4 MTM單格之一維陣列CRLH MTM裝置200的示思圖。介電基底2〇1用來支援該MTM單格。四個導電插線（conductive patch)211形成於基底2〇1的上表面並且彼此分離沒有直接的接觸。兩個相鄰插線2丨〗之間的間隙220係允許發生於兩者之間的電容耦合。相鄰插 1057D-9092-PF 11 200832812 β 線211在不同的幾何形狀皆彼此有接口。例如，每個插線 211的邊緣互成角度配置形狀而與另一插線21〗的個別互成角度配置邊緣交錯，以提升插線間的耦合作用。在基底 2〇1的下表面形成接地導電層2〇2並且提供適用於不同單格的一般電子接頭（electrical c〇ntact)。可以對接地導電層202執行圖案化以達到對裝置2〇〇所期望特性或是效旎。導電通孔連接器（c〇nductive via c〇nnect〇r)2i2 係形成於基底201而分別將導電插線211連接至接地導電層 202。在此設計令，每個MTM單格包括具有分別設置於I 表面之導電插線211的體積，以及分別將導電插線211連接至接地導電層202的個別通孔連接器212。在此例子中，導電饋線（feedline)230係形成於上表面並且具有設置於貼近導電插線211但是與一維單袼陣列一端的一個單尨個別的末碥（distal end)。形成於接近單格與饋線23〇處的‘電發射台係連接至發射台並且與該單格電磁耦合。此裝置200的結構係從該單格形成複合左/右手超穎 =料結構。此裝置200可以為藉由插線211來傳送或接收信號的CRLH MTM天線。CRlh MTM傳輸線亦可以將此結構與該MTM 一維單格陣列另一端的第二饋線耦合而形成。第2A、2B與2C圖顯示第2圖中每個MTM單格的特性與功能及其對應的等效電路。第2A圖顯示每個插線2ιι 與接地導電層202之間的電容輕合，以及沿著插線2ιι上部執行傳輸所產生的感應（inducti〇n)。第2β圖顯示兩個相鄰插線211間的電容耦合。第孔圖顯示通孔連接器212 1057D-9092-PF 12 200832812 所產生的感應躺合（inductive coupling)。第3圖顯示根據本發明另一實施例所述之以mtm單袼 31 0之二維陣列為基礎的crlh MTM裝置300的示意圖。可以將每個單格31 9建構為第2圖中的單袼。在此例子中，單格310具有不同的單元結構並且包括在金屬—絕緣體一金屬（meta卜insulator-metal, MIM)結構中上插線211下方的其他導電層350，以提升兩相鄰單格31〇之間左手系電容Cl的電容耦合。此單元設計可藉由使用兩個基底與三個金屬層來實現。如上所述，該導電層350具有對稱環繞的導電插接帽（cap)，並且與該通孔連接器212隔開。兩條饋線331與332形成於基底201的上表面而分別沿著兩陣列的正交方向耦接至該CRLH陣列。饋送發射台341與342 形成於基纟201的上表面並且分別與單元的插線2ιι隔開’其中饋線331肖332分別轉接至插線。此二維陣列可以作為不同應用的CRLH MTM天線，包括雙頻天線。除了 ^述MIM結構設計之外’當藉由使用指狀組合電容設計或是其他曲線形狀來增加兩相鄰單元上插線之間的接口區域以維持單元的小尺寸時，兩相鄰單⑽的電容搞合可能會增加。第4圖顯示天線陣列彻的示意圖，包括形成於一維 :及/或二維陣列上支援基底4〇1的天線元件WO。每個天

單格412，每個單格皆為特―括至少—MTM 的…、〜白為特…結構(例如第2或3圖中的早兀）。母個天線元件仟41U中的CRLH MTM單格412可直

1057D-9092-PF 13 200832812 接形成於天線陣列400的基底401上，或是形成於與基底 401結合之個別的介電基底411上。每個天線元件中二】少兩個CRLH MTM單格412可有許多不同的配置方式，包括一維或二維的配置。第4圖亦顯示適用於每個單元的= 效電路。CRLH MTM天線元件可支援天線陣列4〇〇中期望的功能或是特性，例如寬頻、多頻或超寬頻操作。Μ· 天線元件也可用來建立多重輸入多重輸出（muitip卜 input multiple output, MIM〇)天線，其中藉由使用多傳送器/接收器所致能的多重不相關通訊路徑可同時於同樣的頻帶傳送或接收多重申流。，當降低各種天線元件間的不期“合及其對應的射頻鏈路（RFchain)時，CRLHMTM天線可以用來降低天線元件的尺寸並且允許相鄰天線元件間的設置更接近。例如，每個MTM單格的尺寸可小於與CRLH超穎材料結構共振之信號波長的六分之-或十分之―，且兩相鄰m單格可彼此分隔波長的四分之一或更少。這樣的天線可用來達到下列之至少一者：1}降低天線尺寸，2)最佳匹配，3)藉由使用定向耗合器以及匹配網路來降低相鄰天線間的耦合以及回翻案正交性的裝置，4地波器、雙訊器⑷心㈣/ 雙工器（duplexer)以及放大器的潛在整合。各種適用於無線通訊的無線裝置包括類比績位轉換器，振蓋器（對於直接轉換來說為單一振盈器，對於多位射頻轉換來說為多振盪器）’匹配網路，耦合器，濾波器，雙訊器，雙工器，相位調節器 ^ vjjnase snifter)以及放大

1057D-9092-PF 200832812 ί 器。這些組件傾向高價元件，難以透過近似法執行整合，並且通常會顯著的耗損信號功率。通常可以建立以ΜΤΜ為基礎的濾波器以及雙訊器/雙工器，並且於形成該鏈路時與天線以及功率合併器、定向轉合器以及匹配網路社合。只有直接連接至RFIC的外部連接埠需要遵循如的規則。為了這些RF元件之間的最佳匹配，天線、濾波器、雙訊器、雙工器、功率合併器、定向轉合器以及匹配網路間的内部連接埠可能與50Ω不同。因此，m結構可透過有效並且具經濟效益的方式與這些組件結合。 MTM技術可用來設計與開發目前尺寸°為°目前尺寸之八數的射頻元件以及效能與傳統RF結構相同或更好的子：二例如：線尺寸降低為卿各種m天線與共振器的 -工、限：是在皁頻或多頻天線中的窄頻會環繞共振頻率。在化方面，此應用說明了設計用於RF組件以及子二頻 '多頻或是超寬頻傳輸線結構的技術。當維持高效能、增益以及小尺時，本技術可用來辨識低成本且容易製造的適當結構。此結構係使用全波模擬（fuU_wave 子，例如HFSS。，、马例 ::本發明貫施例’該設計演算法包括⑴辨識 f!頻率，以及⑺判斷接近共振的散頻曲線斜率來分析頻覓。此方法不僅提供TL以芬甘析 ,L TL以及其他MTM結構更提供m 在其共振頻率處執行頻帶擴展的導引。…法 )當判定M尺寸為可以實現的時，尋找適用於饋

1057D-9092-PF 200832812 線以及邊緣終端（當顯現時）的匹配機制，如此便會呈現圍繞共振之寬頻帶的常數匹配負載阻抗ZL(或是匹配網路）。藉由使用此機制，、MB以及/或UWB MTM設計可透過傳輸線分析而被最佳化，並且接著藉由全波模擬工具 (例如HFSS)用於天線設計。 MTM結構可用來提升並且擴展RF組件、電路以及子系統的设计與性能。在複合左右手（CRLH)TL結構中RH與LH 共振皆有可能發生，顯示的期望對稱係提供了設計的彈性亚且可以指出特定的應用需求，例如操作頻率與頻寬。在此應用中，MTM 一維與二維傳輸線的設計可用來建構適用於天線以及其他應用的一維與二維寬頻（bb)、多頻 (mb)以及超見頻（UWB)TL結構。在設計的應用中藉由解決 N一單=散頻關係以及輸入/輸出阻抗來設定頻帶及其對應的頻見。在本發明實施例中，戶斤設計的二維謂陣列包括、准各向異性圖案（anis〇tr〇pic pattern)，並且當其他的單元被中斷時使用兩冑TL連接埠沿著陣列的兩個^同方向激發不同的共振。對具有一輸入端與一輪出端的傳輸線（TL)執行二維各向異性分析。在方程式顯示矩陣表示法。值得注意的是’藉由執行偏中心^饋送分析而將沿著《與y

(V.、 in ’Αβ、 DJ K^OUt J

CII-1-D MTM陣列的設計可以顯示寬頻共振並且包列特徵之至少十⑴在該結構下方具有縮小接地面

1057D-9092-PF 200832812 (GND)的一維與二維結構，⑵在該結構下方具有全接地面偏置饋(。―⑷的二維各向異性結構，(3)改= 端以及饋送阻抗匹配。根據此應用所述之技術與實施例可以f立不同的一維與二維CRLHMTM η結構與天線，以提供寬頻、多頻以及超寬頻能力。在具有並聯（LL，CR)與串聯（LR，CL)參數的線性陣列中的維CRLH MTM it件可包括N個相同的單元。這五個參數可判定這些共振周圍的N個共振頻率、對應的頻寬以及輸入與輸出TL阻抗變化。因此必須仔細考量尺寸為义/40的目標小型設計，其中乂為自由空間的傳播波長。在 TL以及天線的例子中，當接近共振的散頻曲線斜率比較陡、肖的日守候共振頻I會擴展。在一維的例子中已經證明了斜率方耘式與單元N的數量無關，單元N數量的多寡會造成不同的方法來擴展頻寬。具有高RH頻率％CRLH MT結構（也就疋f並％電谷CR以及串聯電感)顯示較大的頻寬。藉由截斷透過通孔連接至接地面插線下方的接地區域便可達到低CR值。一旦指定了頻帶、頻寬以及尺寸，下一步就是考慮將、’、"構匹配至饋線以及邊緣單元的適當終端以達到目標頻帶與頻寬。特定的例子為具有較寬饋線的BW增加並且於期望頻率增加具有接近匹配值得終端電容。設計CRLH MTM 、、Ό構的挑戰在於辨識與期望頻率無關或是隨著期望頻率緩改變的適當饋送/終端匹配阻抗。全面分析是用來選擇共振周圍具有相同阻抗值的結構。

1057D-9092-PF 17 200832812 執行分析以及FEM模擬係顯示頻率間隙中的不同模式。一般的LH(n$ 〇)以及RH(n- 0)為TEM模式，其中介於LH與RH之間的模式為被視為結合RIi與LH模式的TE 模式。與純LH模式相比，這些TE模式具有較高的Bw，並且可以刼控使其達到適用於相同結構之較低頻率。在此應用的某些例子中係呈現顯示混合模式的結構。在某些方面分析與設計二維CRLH MTM結構與分析與設計一維結構相同但是通常具有較高的複雜度。二維的優點在於提供超過一維結構的自由度。在設計二維結構時，可根據下列相同於一維設計的步驟來擴展頻寬，且可以將沿著X與y方向的多重共振結合來擴展裝置的頻寬。一維CRLH MTM結構沿著x與y方向分別包括行與 Ny列個單元，並且一共提供個單元。每個單元的特徵在於分別沿著x與y軸的串聯阻抗Ζχ (⑽，仏）以及 ^y(LRy，CLy)以及並聯導納（admiUance)Y(u，cR)。每個單元係透過具有^條沿著轴的分支以及兩條沿著丫轴的分支的四分1 RF網路呈現。在—維結構中，單格係由二分支I網路來表示’分析二分支RF網路比二維結構更佳^ 單。這些單元透過四個内部分支内連為樂高結構。在一維單元中係藉由兩個分支進行内連。在二維結構中，外部八支（又叫做邊緣分支）不是外部來源激發而作為輸出連i

蜂就是被”終端阻括”由L 止。在二維結構中總共有Ny*Nx 個邊緣分支。在一維έ士椹占、、°集中’只有兩個邊緣分支可作為輸入’輸出，輸入/輸出或是終端連接璋。例如，用於天線

1057D-9092-PF 18 200832812 設計的-維u結構的-個終端作為輸人/輸出連接崞，而其他終端會被zt阻抗中斷，代表延伸天線基底的&阻抗在大部分的例子中為無線大的。在二維結構中，具有不同值之集總元件（lUmpelement) ZxUx’ny)，Zy(nx，ny)，γ(ηχ，ηγ)，所有的終端如（κ ztx(Nx，^y)，Ζΐ(ηχ，υ，zt(nx，Ny)以及饋送的每個單元為不同質的。即使这樣的結構具有適合某些應用的獨特特性2然而其分析相當複雜並且比對稱結構更不容易實作。這是為了探查共振頻率周圍的頻帶擴展。本發明實施例的二維結構適用於分別沿著x方向，y方向以及經由並聯而具有相同zx，Zy以及γ的CRLHMTM單格。具有不同⑶值的結構亦可使用用於不同的應用中。 f二維結構中，該結構可以被沿著該輸入與輸出連接埠之最佳化阻抗匹配的任何阻抗ztx與Zty中止。為了簡見，無限大阻抗ztx與zty係用於模擬並且對應至二著這些終端邊緣的基底/接地面。藉由使用此應用中所提及的分析法以及選擇性的匹配限制可分析具有非無限大Ztx肖zty值的二維結構。這樣非無限大終端的例子係使用表面電流來包含二維結構内的電磁（EM)波’使得其他的相鄰二維結構不會造成任何的干擾。特別是當輸入饋送設置於距離沿著χ或y方向的邊緣單元其中-者中心之偏移位置時。即使饋送僅延著這些方向之-者，電磁波在χ與y方向仍為非對稱的傳遞。在Nx-1且Ny = 2的二維結構中，輸入可沿著（u)單元且 19 200832812 輸出可沿著（2，1)單元。藉由解開傳送矩陣[A，B，C，D]可計 t 政射係數（sca1:1：ering c〇efficient) !與 S12。相同

的運异可用於截斷接地面，混合RH/LH TE模式以及完美H 取代E場接地面。一維與二維設計皆藉由通孔打印於基底 (2層）的兩面或是打印於具有設置於上下金屬層間的額外金屬層之多層結構上。 _!；頻（UWB)共据的 MTM TL以及天轉第5圖提供設置於四個單格上並且以一維crlh材料 TL為基礎的例子。四個插線係設置於具有連接至接地面之中央通孔的介電基底之上。帛6圖顯示顯示第u圖中裝置的等效網路電路類比。由於每個終端的几麵合，因此 ⑴:’與乩〇肘’係、分別對應至輸入與輸出負載阻抗。這就疋打印2層結構的例子。參照第2A_2C圖，圖中顯示第 5圖與第6圖之間的對應，在⑴中該RH串聯電感以及並聯電谷係由於a又置於插線與接地面之間的介電質。在⑺ 中，串聯LH電容係由於所示之相鄰兩插線，且通孔係引起並聯LH電感。個別内部單元具有對應至串聯阻抗z與並聯導磁丫的兩共振^與〜。其值可藉由下列關係式而得： ~Jll cr 4lr~~cl ωη = ~τ ; r·、一 1 l'7lT=cl (II-1-2) 由於在第6圖中兩㈣人/輪出邊緣單元描述在輸入/輸出 1057D-9092-PF 20 200832812 連接埠處所消失的兩相鄰MTM單元之M从$ ^ ^ 平70之間的電容值，因此在弟6圖中兩個輸入/輸出邊緣單卜巴括CL電容的部分。缺少邊緣單元處的CL·部分可避备,电奋I刀丨刀』避免⑺肪頻率產生共振。因此，只有會顯現n = 〇的共振頻率。為了簡化運算分析，我們白人* 7T , ^ 衩們包含部分的.ZLin，與 ZLout串聯電容來補償第δ圖中所请 ^ > Τ所迅失的CL部分，其中斤有的N單元皆具有相同的參數。第7A圖與第9A圖分別提供 ^ 』捉1八了代表弟6圖與第8圖中不有負載阻抗之電路的2 一;查姐+会連接埠網路矩陣。當TL今古十用於天線時，第7B圖盥第叫岡坦似 ° 圖提供適用於第6圖與第8 圖的類比天線電路。此矩陳矣_ ^ 少陣表不法相同於方程式II-1 -1，广 AN ΒΝ、( Vout fVin Ιίη 第9Α圖係顯示下列關係釋·· (Τ/4^\ / Α Τ^Λ r\ Χτ ^ \ CN ΑΝ lout (II-1-3) 由於從Vin與Vout端看來第8 ^ , 口 Τ的crlh電路為對稱電路，因此假設ΛΝ=Ι)Ν。參數（JR A ^ _ θ 7Τ ^Λ 数GR為對應至輻射電阻的結構，且ZT為終端阻抗。基本上丹土尽上，終端阻抗ZT為第有額外2CL·串聯電容之社 °中八 7ΐ ^ θ , 您、，。構的期望終端。ZLin，與 ZLout也^ 一樣，其表示法如下： ZLin^ZLin + ~— , ZLout^ZLin+ 2 〇 J〇>CL 疋，ΖΓ，=ΖΓ+圭⑴+ 4) 由於參數GR係藉由建構心傅大線或是以HFSS Μ^曰到，因此難以與天線結構牡人杈擬而侍較佳為採用几逼近法，並Γ著透Γ計最佳化。因此，對應的天線。方程式叫2者=過不同的終端ζτ來模擬的表示法亦可用於篦岡由具有修正值AN，，BN，I CN，^ ㈣弟6圖中 N的電路，上述修正值代表兩

1057D-9092-PF 21 200832812 個邊緣單元處的目標CL部分二維CRLH MTM瘦中的顏帶頻帶係藉由將_CRLH單元結構與進行共振而得的散頻方程式來决，相位長度 n = 〇，±l，±2, ...，±N。每個N CRLH單元係由，，其中中的2與Y來表示，其不同於第6圖令所；/式Π —卜2 末轉元中沒有CL。因此會假設與這兩個結振疋不同的。然而’擴充運算係顯示〖、共共振皆為相同的，其中*皆會在第二振’而在第二結構中只有^會產生共振（如第生共正相位偏移㈣）係對應至即區域共振，值斤= 與LH區域有關聯。貝值Cn<〇)係在方程式n+2中係定“個具有2與同單元的散頻關係，關係式如下·· / 才 Νβρ = cos \AN\ < 1 zz> 0 < ^ = ^ζγ ^ 4V5n ’N — \、 ---- 2 ^here AN = lat even resonances\n\= 2m e |〇A4v..2x/^/ 其中從方程式I I -1 一2中可敌猓7扣v A ^ TT取付2與Y’A“系從N個相同線性串接CRLHt z路或是第8圖的電路而取得，且p為單元尺寸。積數n=(2m+1)以及偶數心的共振係分別與 A--1與Ad有關。由於第6圖與第7A圖中的AN，不旦有位於末端單元的CL，因此n = 0握彳說认上 ’ 此n U杈式僅於％ =〜處產生共振’且不論單元的數量為何皆不會於〜與~處產生共振。 1057D-9092-PF 22 200832812 對表1中所指定不同的z而言’下列方程式係給定較高的頻率：對n>0來說， _ ω se + Μω2 2 • 土‘ ω Λ- co se + Μω2 2 SH 0) SE (方程式II-：l - 6) 表1係提供當N = l，2,3與4時的之值。感興趣的是，不論全CL顯示於邊緣單元（第8圖）或是缺少cl時（第6 圖），具有相同較高的共振ln I >0。再者，接近n = 0的共振具有小的z值（接近；r的下限〇)’其中較高的共振傾向於到達；r的上限4(如方程式II —1 — 5)。 N/模式 1 n | =0 1 n 丨=1 Ιη|=2 ----—ι |η|=3 N=1 Z(\,Q) = 〇 5 ω0 = COSH N = 2 Z(2,0) =〇； CO〇 =C〇sH 疋(1，〇) =〇 — … -〆，'入 Υ ,γ , N = 3 ^(3,0) = 〇； =C〇SH /(1，0) = 〇 ^(1,0) = 〇，：、、 : N = 4 /(〗，0)=〇 — _^(1，0) = 〇。」μ及⑺证# 未隙 …當共振方程式π+6㈣z到達其上限Μ時可 2 co1 sh + ω2 sb + Αω7 2 nax之值，方程式如下： SH + CO2 SB + 4-0)2 R 2 --- rn2 2 ω SHC^se \ 2 ^ ^SH +0)2 SB + 4〇)2 R T --- ① SH CO1 SE VV 2 , 平衡(第⑴的情況時，散頻曲線赠心函式的示意圖。在之後的例子中，min(tt)與max(^)之間具有頻率間限頻率〜in以及 ω —ω2 sh + ω2 SB +4ω2κ

L CO max

1057D-9092-PF 23 200832812 第1〇圖與帛u圖係顯示（方程式卜7) 的共振位置。第i。圖顯示當J。二塔曲線(beta curve) 而第11圖顯示當LH與區域之n CR %平衡的例子’ 的例子。在區域（n>0)中，^間距有間隙時之未平衡一、、、σ構尺寸l=Np，其中D為輩兀尺寸，會隨著頻率的減少而拇 …、小的NP值會產生較低的頻率，曰::』區域相比，較因此會降低單元的尺寸。^ 曲線顯不出圍繞這些共振頻率在LH區域幾乎是平的，报明顯的；如，由於々曲線響。由於歸線在RH區域中比較陡/因#此交到窄頻帶的影頻帶應該比較高。 Η區域中的狀態1 : d(AN) άβ _ ------- άω άω res Vg-浙2) «1接近 1st ΒΒ狀態 :⑦〇，必±1，必±2· :> άβ_ άω lp\ dx_ άω 1- «1其中ρ=單元尺寸变 dco 2〇κ 其中在方程式II-1 — 5中已給定了，且在方程二Η卜;）定義了㈣據方程式U + 5中的散頻關”；-二振發生於丨人則爿時，因而導致方程式ΙΜ〜δ*二^現八態（狀態1)的分母為零。AN為N個相同單 1 BB狀以及第9A圖）之第一傳輸矩陣項目。計算顯示4 =弟8圖與N無關並且可藉由方程式h — u的第二個弋。1的確分子與共振處之ζ係定義於表丨中，其定子取侍我Γ政頻曲線的

l〇57D-9092—PF 24 200832812 CR與LR值。斜率以及可能的頻寬。當Bw超過4%時，目標結構為最大尺寸冲=洲。對具有小單元尺寸p的結構來說，由於n<0 的共振發生於之值接近4時（另一種說法為（卜之/4今〇))，方程式II+8清楚的顯示高〜值滿足狀態】，也就是低士上所述，一旦散頻曲線的斜率具有較陡的值，下一步則是辨識適當的匹配。理想的匹配阻抗具有固定值，並且不需要大的匹配網路覆蓋區（f〇〇tprint)。在此，，，阻抗匹配”這個術語代表在單邊饋送（single side feedK例如天線）中的饋線以及終端。為了分析輸入/輸出匹配網路，因此必須計算適用於第9A圖中tl電路的Zb 與Zout。由於第8圖中的網路是對稱網路，因而滿足下列狀態：zin=zout。再者，如下列方程式，2匕與n沒有關

Zirr BN Bl Ζ γ c# —a"·/1 —7)，其只具有正的實質 (方程式11-1-9) B1/C1大於零的原因是因為在方程式π —卜5中的會導致下列阻抗狀態： o<-zr=z<4 為了維持固定匹配，因此yBB狀態係適用於zin，使其與接近共振的頻率有些微的不同。必須記住實際匹配zin，包括方程式π-l-4中所描述的部分CL串聯電容。狀態2 : 1057D-9092-PF 25 200832812 2ndBB狀態：接近共振，㉙《1 (方程式II-1-1〇) near res 和第5圖與第7圖中的TL範例不同的是，天線設計具有通常與結構邊緣阻抗弱匹配之無窮阻抗可擴充側。藉由下列方程式可取得電容終端·· ’其取決於N並且為純虛數（方程式II-1-11) 由於LH共振通常比RH共振窄，與從n>〇所取得之值相比，所選取匹配值較接近從n<〇所取得之值。在此應用中一維與二維CRLIi MTM天線的例子係顯示各種阻抗匹配之技術。例如，藉由適當的選取饋線終端的尺寸與外型以及形成於饋線與單格之間發射墊的尺寸與外型便可控制饋線與單格之間的耦合，以助於阻抗匹配。可以將發射墊的維度以及來自單格之發射墊的間隙設定為提供阻抗匹配，使得天線中的目標共振頻率被激發。對其他例子來說，使用形成於MTM天線末端的終端電阻可有助於阻抗匹配。也可以將上述兩個例子中的技術合併來提供適當的阻抗匹配。另外，其他事當的RF阻抗匹配技術可用來達成適用於至少一目標共振頻率之期望阻抗匹配。差接地電極之CRLH MTM妥畔在CRLH ΜΤΜ結構中，可降低並聯電容CR以增加LH 共振頻寬。如方㈣Π+8巾所描述，降低並聯電容CR ^導致較陡貝塔曲線之較高的％值。降低CR的方法有很多種，包括1)增加基底厚度，2)降低上單元插線區域，或是3)降低上單元插線下方的接地電極。在設計crlh mtm 1057D-9092-PF 26 200832812 裝置時可使用這三種、禋方法之其中一種或是結合其中一種或兩種方法來產生具有期望特性之m結構。、以及5圖的设計中係使用一導電層來覆蓋作：全接地電極之ΜΤΜ裝置基底的整個表面。具有圖案可 +路基底纟®的至少_部分之截斷接地電才虽可用來將接地電極的尺寸降低至小於全基底表面，以增加共振頻寬並 :調整共振頻率。第12圖以及第U圖中的截斷接地電極 :為兩個例子中基底之接地電極側上謂單元之覆盍时之接地電極數量會被降低，且條紋線係藉由謹單元來連接單元’以維持# MT"元覆蓋區外侧的接地電極。此截斷接地電極的方法可用於各種不同的設^，以達成寬頻共振。斤例如，CRU MTM共振裝置可包括介電基底，具有設置於第一側之第一表面以及設置於相對於第一側之第二側的第二表面，設置於第一表面的單元導電插線彼此隔離，以使兩相鄰單元導電插線電容耦合，形成於第二表面並且分別設置於上插線下方的單元接地電極，形成於第二表面上的主要接地電極，形成於基底的導電介質連接器，分別將導電接線連接至導電接線下方分別的單元接地電極，以及至夕接電導電線連接於每個單元接地電極與主要接㈣極之間。該裝置可包括設置於第一表面並且電容耦合至早兀導電接線之一者的饋 '線’以提供該裝i的輸入與輸出此裝置的結構是用來形成複合右/左手（CRlh)超穎材料結構。根據本發明實施例，單元接地電極係等於或大於 1057D-9092-PF 2Ί 200832812 介質橫截面區域祐B 4 連接至主要接地面/ 介質下方使其藉由該接地線於或大^=。在其他實施例中，單元接地電極係等瓦汊大於早几導電接線。第12圓顯示截斷接小於沿著該上單元接…的例+其中接地面的維度早凡接線下方的一個方向之上接

電層包括條紋線1 £ 1 〇 1 V _ “ 連接至至少部分單格之導電介質。、’且通過該單格部分之導電接線下方。條紋線 121 0的寬度小於每個單从 ¥電路仫的尺寸。使用截斷接也面來貫現商業裝置比使用其他方法更實用，其中由於天線效能的關係因此基底严此丞底；度很小且無法降低上插線區或。當下接地面被截斷時，其他來自金屬化條紋的電感器 LPU U圖）係將介質連接至主要接地面（如帛i4A圖所示）。弟14圖與第15圖顯示其他截斷接地面設計的實施例。在此實施例中，接地導電層包括—般接地導電區ΐ4〇ι 以及條紋線1410,條紋線141G的第—末端係連接至—般接地導電區14(Π，條紋線141〇的第二末端係連接至該單格部分之導電接線下方的至少部分單格之導電介質連接器。條紋線的寬度小於每個單格之導電路徑的尺寸。可以取得用於截斷接地面的方程式。共振係遵照方

共振：與方程式11-1-2, 6, 7相同且以i^+Lp取代表i中的LR CR變得非常小 1057D-9092-PF 28 200832812 另外’對卜卜G的每個模式具有對應的兩個共振 1 )當 Li? -> ZJ? + 時為 2)當M — LR + LP/7V且N為單元數哥昧故数里時為方程式II-1-12) 阻抗方程式變為：

Zin2

BN B1 Z Κ±^λ ^χ-χρ) CN C1 4 ’ 其中卜泛且;!：=為方程式ΙΙ + 12中的阻抗方程式顯示兩共振出與^分別具有低阻抗與高阻抗。因此容易調整近仍共振。方法2(第14圖與第15圖）

共振：與方程式IH-2, 6, 7相同且以LL+Lp取代表i中的LL CR變得非常小在第一種方法的例子中，當並聯電容減少時（導致低 LH頻率），已結合的並聯電感（LL + Lp)會增加。在一些貫施例中，以CRLH MTM結構為基礎的天線可包括没置於上層上方的5〇歐姆的共平面波導（Copland waveguide，CPW)饋線，在上層中圍繞cPW饋線周圍的上接地面，上層中的發射墊，以及至少一單元。每個單元可包括上層中的上金屬化單元接線，連接上下層的導電介貝，以及將介質連接至下層中的主要下接地面之窄條紋。藉由使用HFSS EM模擬軟體可以模擬出此天線的一些特徵0 逾2007年4月27號所申請之美國專利申請第 Π/741，674號”超穎材料結構之天線、裝置以及系統，，中祝明了 CRLH MTM結構的不同特徵與設計（其公開為美國專 1057D-9092-PF 29 200832812 利第一一號）。美國專利申請第ii/741，674號中中所揭露的部分係作為本發明的參考文件。第1 6圖顯示具有可調諧端電容之四個CRLH MTM單元之一維陣列的示意圖。四個CRLHMTM單元1621，1 622, 1 623 舆1 624係沿著線性方向（y方向）形成於介電基底1601上並且藉由間隙1 644彼此隔開。CRLH MTM單元 62ι’162^’162ϋ與1624係電容_合而形成天線。在單元陣歹i的具有寬度約等於沿著X方向之每個單元的寬度之導電饋線1620係形成於基底16〇1的上表面，並且藉由間隙1 650與沿著y方向的第一單元1621隔開。饋線 1 620係電容耦合至單元1621。在陣列的另一端，電容調節單元1 630係形成於基底1601中以包含金屬接線ΐ63ι，並且電容耦合至單元1 624以電性地中斷該陣列。下接地電極1610係形成於基底16〇1的下表面上，並且將其圖案化為包括不會與單元162卜1 624重疊的主要接地電極區域，且接地條紋線1 612係細長的沿著並平行y方向，以與單元1 621 -1 624的線性陣列覆蓋區以及電容調節單元之金屬插線1631部分重疊。沿著χ方向的接地條纹線m2之寬度係小於單個寬度，因此接地電極係為截斷接地電極並且小於每個單元的覆蓋區。截斷接地電極設計可增加LH共振頻寬並且降低並聯電完ρρ %Ρ电谷CR。因此，可達到較高的共振頻率％。第17A、17B、17C與17D圖係顯示第彳月1罘16圖中天線設計的詳細示意圖。每個單格包括三個金屬隻鴒層·設置於基底 1057D-9092-PF 30 200832812 1601底部之一般接地條紋線1612，形成於基底ΐ6〇ι上方的上單兀金屬接線1641，以及形成於接近基底16〇1之上表面以及上單元金屬接線1641下方的電容耦合金屬接線 1 643。單儿介質1 642係形成於上單元金屬插線1641中央已將上單元金屬插線1 641連接至接地條紋線1 61 2。單元介貝1 642係與電容耦合元件163〇隔開。參照第ι7β圖，三個電容耦合金屬插線1 643沿著y方向形成金屬插線線性陣列’並且設置於在金屬絕緣金屬（MIM)結構中上單元金屬插線1641的下方，以提升兩相鄰單格間左手電容CL 之電容耦合。相鄰金屬插線丨643係藉由間隙彼此隔開，間隙足以使單元介質1 642在不與單元介質1 642接觸的情況下通過。電容輕合元件1630包括金屬插線1631以及介質 1 642。插線1631至少與該單元1 624之上單元金屬插線 1641的覆蓋區有部分重疊。與金屬插線1 643不同的是，他和單元介質1642沒有直接的接觸，而介質1 632與金屬插線1631有直接接觸，並且將金屬插線1631連接至接地條紋線1612。因此，金屬插線1631與最後單元1 624支上單元金屬插線係形成電容，且耦合至單元1624之電容的強度可藉由將金屬插線1631與最後單元1 624之上單元金屬插線1 643之間設定適當的空間作為設計流程的一部份而被控制。第17A圖顯示上金屬層的示意圖，上金屬層被圖案化來形成上饋線1 620以及上單元金屬插線624。間隙 1057D-9092-PF 31 200832812 1 650與1 644係將這些金屬元件隔開避免彼此直接的接觸，並且允許兩相鄰單元間的電容耦合。第17c圖顯示設置於單兀162卜1 624之覆蓋區外部的下接地電極161〇，以及連接至下接地電極161〇的接地條紋線1612。在第ΐ7β 圖中的電容耦合金屬插線1 643和電容調節單元i63〇之金屬插線1631位於相同的金屬層中。另外，金屬插線i63i 可與華馬合金屬插線1 6 4 3位於不同層中。口此第16圖中的一維天線係使用蕈狀單元結構來形成分散式CRLH MTM。將由電容耦合金屬插線1 643與上單元金屬插線1641所形成的MIM電容設置於微條紋插線 1641之間間隙的τ方來達成高以值。饋線“Μ係藉由門隙1 6 5 G電奋輕合至騰結構，並且可將該間隙1 6 5 〇調整為最佳匹配。電容調節元件163。用來將天線共振微調至期望操作頻率並且達到期望頻寬(BW)。藉由改變元件相對於微條紋插線的高度可達成調節，因而可達到更強或更弱的對地電容耦合（這會影響共振頻率與頻寬）。可以從範’料巾來選取適用於基底16G1的介電材料，該範圍材料包括來自R〇ger公司的材料

做”嶋r〇id，，。在本發明一實施例中，基底的厚度可以為3HMTM天線元件的整體尺寸的寬度 8_ ’長度可以為18_ ’且高度可以為314_(如基底厚度的設^)。單位CRLH單元的上插線1641在X方向可以為8_ i在y方向可以為4随長，且兩相鄰單元間距〇」_的單元間間隙。藉由使用MIM插線（可以為8_寬與 1057D-9092-PF 32 200832812 2· 8mm長與兩插線中心等距且高度小於5密耳（mil))可提升相鄰單凡間的耦合。饋線係耦接至與第一單格邊緣具有 0. 1 mm間隙的天線。終端單元上插線的寬度和長度與單位 CRLH單元相同。第四CRLH單元與終端單元之間的間隙為 5密耳。具有下單元接地面連接所有上插線的介質的直徑為0· 8mm ’並且設置於上插線的中心。藉由使用上述裝置參數可使第1 7圖的設計使用全波 HFSS杈擬天線的特性。第18圖顯示第17圖中用於肿％杈擬之對稱裝置一半的模組，且第19A —19E圖係顯示模擬結果。第1 Μ圖顯示天線的回波耗損（return loss)S11。具有j、於1 0dB專級之s 11區域係用來量測天線的頻寬。該 S11頻譜顯示兩個定義完善的頻帶：第一頻帶的中心為 3. 38GHz，頻寬為15〇ΜΗζ(4· 4%相對頻寬），且第二頻帶開始於4.43GHz並且延伸超過具有大於3〇%之相對頻寬的 6GHz 。 ' 苐19B圖與苐19C圖顯示位於χζ與yz平面分別為 3· 38GHz與5· 31GHz的天線輻射圖案。當位於3· 38GHz時，天線具有最大增益（2dBi的G—max)的類雙極輻射圖案。當位於5.31GHz時，天線顯示具有G—max = 4dBi的變形類插線圖形。 HFSS杈擬也可用來評估將饋線匹配至MTM結構的影響以及電容調節終端的影響。第19D圖與第19E圖顯示作為信號頻率函式之天線回波耗損的曲線圖。這樣的曲線圖 1057D-9092-PF 33 200832812 斷共振的位置及其頻寬。第i9D圖顯示藉由改變之度而取得之天線的回波耗損。帛l9E圖顯示藉由改欠、、玄而電阻的高度（例如金屬插線 1fi41 蜀砌琛ibdi與上早兀金屬插線 ^之間的距離）所取得天線之回波耗損來調整該天線。该模擬建議藉由調整終端電阻的寬度或是距離對天線丑振與頻寬會有顯著的效果。因此，可單獨使用參數或是二併使用兩個參數以於設計相位期間調整天線的共振” 與頻寬，使其達到期望或最佳效能。第20圖與第21 A-21D圖顯示具有可調整饋線寬度之兩層三單元天線的例子。與第16圖的天線設計相同，此天線也使用截斷接地電極設計與終端電容設計。具有單元 2021，2022與2023的一維單元陣列與第16圖中具有不同早π數量以及不同單元維度的陣列具有相同的設計。在第 2〇圖中，ΜΤΜ結構的整體維度為15 _*1() _*3」4 _。值得注意的是，第20圖中的饋線設計係使用寬度很窄的饋線2020，且單元202卜2023係使用連接至饋線2〇2〇並且符合單元2021-2023寬度的發射墊2060,使得饋線2〇2〇與單元2021 -2023之間的電容耦合最佳化。因此，為了調整單元的整體寬度與終端電容1 630的間隔，可單獨調整饋線2020的寬度以提供設定天線共振與頻寬的彈性。第22Α圖顯示用於降低接地面方法的HFSS模組，用來增加第20圖中三單元一維MTM天線設計的天線頻寬。該設計的HFSS模組僅顯示天線的x>〇一側。接下來的參數係用於在HFSS模擬中第22A圖的模組。單位crlh單元 1057D-9092-PF 34 200832812 之上插線具有i〇mm寬（x方向）與5mm長（7方向），且兩相鄰單元間距有0 · 1 mm的間隙。藉由使用Μ丨M插線（丨〇匪寬，3· 8mm長，與兩插線中心等距，且高度小於5密耳）可提升相鄰單元之間的耦合。饋線係耦接至具有發射墊的天線，該發射墊係由與第一單格之邊緣具有〇· 〇5mm間隙的上10nnn*5mm插線所組成。連接所有具有下單元接地面之上插線的介質的直徑為〇· 8_並且設置於上插線的中心。第22B圖顯示當此天線作為信號頻率函式時的回波耗損。模擬揭露了兩個以2· 65GHz與5· 30GHz為中心的寬共振分別具有約10%與23%的相對頻寬。第22E圖顯示具有天線回饋寬度的回波耗損變異以及具有天線元件的接地重豐。在所有變化中（除了第一個）皆保留了共振結構。當饋線寬度為1 Omm時具有最佳匹配。調整基底/接地面的尺寸可調查降低強接地面對天線共振以及第20圖中個別三單元一維MTM天線設計的頻寬所造成的影響。在感興趣頻率範圍以及所有設計變異中 (除了顯示介於2與6GHz之間大頻寬之外），su參數會有明顯的變化。較#的轉合至已降低的接地面會造成I頻寬。 22A圖中的天線模組來說位於。除了小接地尺寸，天線輻射圖之輻射元件相關的相同期望類第22G圖顯示對第 2· 5GHz處的天線輻射圖案案具有與延伸超過接地面偶極特徵。

23圖顯示由3*3 MTM單元之二維陣列所形成天線 1057D-9092-PF 35 200832812 的例子。介電基底2 3 01係用來支援該μ τ Μ單元陣列。第 24Α、24Β、24C以及24D圖係顯示此天線的詳細示意圖。參照第3圖的二維陣列，第23圖中的每個單格23〇〇的建構係與第3圖中的單元相同，在3第圖中的電容耦合金屬插線350係位於基底上表面之上單元金屬插線211下方，並且與單元間間隙320重疊，以電容耦合至插線211。與第3圖中基底下方連續均勻的接地電極202不同的是，第 23圖中的接地電極2310被圖案化為具有接地電極孔徑，該孔徑些微的大於ΜΤΜ單元陣列的覆蓋區並且包括連接至下電極2310周邊導電區的平行群組條紋線2312。下接地電極2310的設計提供另一種用來增加CRLH ΜΤΜ天線之共振頻寬的截斷接地電極設計的範例。第24C圖顯示適用於第23圖之二維ΜΤΜ單元陣列的截斷接地電極2310的詳細示意圖。接地條紋線2312彼此互相平行並且分別與三列ΜΤΜ單元23〇〇的中心對齊，使得每個群組條紋線2312與三個不同行的μτμ單元之單元 "貝21 2直接接觸。在此設計中，接地電極23工〇區域會被降低’且圍繞ΜΤΜ單元陣列之輻射部分以及所有讀單凡23 00係連接至一般接地電極231〇。在鄰近的輻射元件中避免部分的接地面以增加天線頻寬(提供顯著的好處）。除了完全排除在輻射元件方向延伸超過回饋點的該部分接地面，當許多信號波導被截斷後，接地電極的方形區域係、大於m結構。窄金 2312仍維持在結構的下方，以將單元介f212連接至舆所

1057D-9092-PF 36 200832812 有MTM單元2300共用的接地電極231〇。在本發明實施例中，第23圖中的天線可藉由兩基底固定於彼此上方而構成。例如，上基底的厚度可以為 0.25關並且具有介電常數1〇2,且下基底的厚度可以為 3· 〇48並且具有介電常數3.48。三金屬化層(上單元金屬插線2U，中間電容轉合金屬插線35。以及下接地電極 2d〇)分別設置於薄上基底上方、兩基底之間的介面以及下厚基底的下方。藉由使用金屬_絕緣_金屬（μιμ)電容可使中間層增加兩相鄰單元之間以及第一中間單元與饋線之間的電容搞合。單位CRLH單元的上插線的寬度為4mm“ 方向)’長度為4_(y方向)，且兩相鄰單元之間具有〇·2_ 的間隙。饋線係耗接至舆第一單格之邊緣具有〇」_間隙的/ 天線。所有連接至下單元接地面的上單元插線之介質的直徑為〇.34_並且設置於上插線的中心。位於中間的_ 插線對上插線旋轉45度且其尺寸為3.8W3 82m。第25A圖顯示當回波耗損作為適用於第23圖截斷接地電極的不同設計之信號頻率的函式時，HFSS的模擬結调查與接地截斷尺寸有關之天線共振與頻寬的特徵。仗這些模擬所取得的天線回波耗損結果證明第Μ圖中的接地電極β又片為細作天線共振與頻寬的有效方法。四個不同接地截斷的回波耗損係平均地固定於第25Α圖所示之 3 3 ΜΤΜ單兀ρ車列的四侧。當接地截斷僅比隠單元陣列結2大0.5_時的共振係接近具有全接地面的共振並且維持窄（<1/°)的相對頻寬。對接地截斷超過3匪，5. 5mm以及

1057D-9092-PF 37 200832812 8_的0又计來說，共振位移接古安迎季乂同的頻率（〜2· 70GHz)且共振頻寬增加约4 %。相比之下’具有全連續接地電極之同樣的MTM單元陣列天線約具有n^l，2.4GHz的共振，豆 ^ ^ /、為許多無線通訊應用的感興趣頻率，特別是802.爪與g標準下的WiFi網路。然而’具有全連續接地電極之MTM單元陣列天線的共振頻寬小於Ϊ %，並因而在用於需要軔官而要季乂見頻見的不同實際應用時受到限制。第25圖顯示對2.62GHz的天線輻射圖案之Ηί^模擬結果。與其他具有降低接地面的天線設計相比，此設計在接地面具有相對小的清除間隙，因此該輻射圖案更佳的對稱並且在向上且遠離接地層的區域具有較強的輻射電力。第26圖顯示用來產生LH、混合以及RH共振模式之具有一維CRLHMTM單元陣列之多模式傳輸線的例子。如第 27A圖與第27B圖所示，此TL具有兩個金屬層。兩個上饋線2610與2620係電容耦合至一維陣列的兩端。在分散= CRLH MTM結構中具有純LH、純RH以及混合模六、。者w 模式為TE模式（出現於LH與RH模式之間的頻率空間）時， LH與RH模式實際上為TEM。第26圖顯示用來開發所有一種模式的多模式CRLH MTM結構，以覆蓋寬範圍的共振才桑作頻率。在第26圖中，每個單格2600的尺寸盍 4钩〇 mm氺18 _*1· 57 mm。基底Rogers RT 5880材料具有介電常數3 2 以及耗損正切（loss tangent) 0.0009。該基庙炎土尽馮100mm 1057D-9092-PF 38 200832812 長、70mm寬以及丨.57mm厚。介質26〇2係設置於中心並且將上插線連接至下全接地面。饋線262〇係連接至具有 O.lnrn間隙之第—單格。對上述特定結構執行_模擬以取得饋線的S21與S11參數，並且估測等效電路元件α， LL，CR’ LR值。從HFSS模擬以及理論可取得的結果。關於RH模式，理論盥搵糍钍里士 $ 犋擬、、、σ果相§ 一致。對LH側來說，理确結果顯不輕微的偽孩^ $击工平二倣旳偏私至較低頻率（這是正常的現象）’使得LH參數難以估計。混合模式係顯示於顧模擬中並且無法從分析表述而取得。模擬建議不同類型的模式係等同於MTM結構中單元的數量。第28圖顯示根據第26圖中TI訊丄+ +二口口 ^ 口 r δ又叶之兩單元MTM線性陣列的多模式天線。第29Α圖盥、罘圖顯不此天線的 HFSS模擬。天線的回波耗損一一和谓欽顯不兩LH模式（η = 〇盥 :-ι)的存在，且兩混合模式相當接近lh副本。從圖中；看出η二0的LH共振顯示Bw>1%，其糟由較佳的匹配而增加至50歐姆。與不同的CRLH參 % ^ 〃数進订杈擬的模擬結果建議較接近的LH共振出現於混合模办λ 褀式（其頻寬也變得比較見）。此結構與在平衡CRLH ΜΤΜ結構巾_ # 4 口此，猎由刼作LH，RH以及混合模式识八的位置可建立通用 (versatile)多模式天線。藉由模式的位置為零階。拉式截斷頻率判斷混合對天線應用使用混合模式的其他優點為，對小天線來祝，RH共振出現於高頻率（其未、、末 ώΑ . 史用於無線通訊）。在這檨的應用中混合模式是可取得的。、樣 J樣的，由於導體耗損 1057D-9092-PF 39 200832812 (conductor loss)顯示最小的衰減，因此這些模式在天線增益與效率方面提供了額外的好處。在上述許多MTM設計中，接地電極層係設置於基底之一側。然而，接地電極可形成於MTM結構中基底的兩側。在這樣的配置中，可以將MTM天線設計為包括電磁寄生元件。藉由使用至少一寄生元件可使這樣的MTM天線達到某些技術特徵。第30圖顯示具有MTM寄生元件之mtm天線的示意圖。此天線係形成於具有上下接地電極3〇4〇與3〇5〇之介電基底300 1上。在此天線中所形成的兩個MTM單格3〇2ι與 3022具有相同的單元結構。單格3〇21為主動天線單元且其上單元金屬插線係連接至饋線3〇37，用來接收即將傳送的傳輸信號。單格3022之上單元金屬插線以及單元介質係分別連接至上與下接地電極3〇4〇與3〇5〇。如此，單個 3022不具有輻射並且操作為寄生單元。第31A圖與第31B圖分別顯示基底3〇〇1兩侧之上下金屬層的詳細示意圖。除了對上接地面短路之外，寄生元件與天線設計大致相同。每個單袼包括設置於基底上表面之單元金屬插線3G3卜設置於基底麵下表面的接地電極接墊3〇33,以及穿透基底3〇〇1使接地塾3〇33 連接至上早兀插線3031的單元介質3〇32。接地電極條紋線3034係形成於下表面，以將㈣3〇33連接至單元3㈣

與3021覆蓋區外部的下接地電極305◦。上發射塾3〇36 係形成於上表面以藉由間隙3Q35與上單元金屬插線剛 1057D—9092—PF 40 200832812 電容耦合。所形成的上饋線3〇37係將寄生單格之上發射墊3036連接至上接地電極3〇4〇。與單格3〇22不同的是，共平面波導apw)3030係形成於上接地電極3〇4〇中以連接至適用於主動單格3021之上饋線3037。如第3〇圖與第31A圖所示，CPW 303〇係藉由將金屬條紋線與間隙圍繞上接地電極3040而形成，以提供RF波導來將傳輸信號饋送至作為天線的主動MTM單元3021。在此設計中，接地電極接墊3033與接地電極條紋線3〇34的尺寸係小於上單元金屬插線3031之接地電極接墊與接地電極條紋線的尺寸口此，主動單袼302丨具有用來達成寬頻的截斷接地電極。如上述第30圖與第32A圖中特定實施例的設計顯示設置於單1.6_厚FR4基底的天線之介電常數為4 4且其耗損正切為0.02。單位CRLH單元的上插線為5_%(χ = 向)—與5_長（y方向）。饋線為長3_且寬〇·3μ的條紋，其藉由長5mm寬3. 5_的發射墊耦接至主動天線單元。發射墊係耦接至與單格邊緣具有〇 lmm間隙的單格。用來連接具有下單元接地面的所有上插線的直徑為〇·25_並且設置於上插線的中心。寄生το件3022係沿著所選取方向增加主動元件3〇21 的最大增益。第32Α圖中的天線係產生具有最大增益為 5. 6dBi的定向整體增益天線圖案。相比之下，不具有寄生元件之相同結構的MTM單元天線元件具有最大增益為 2dBi的全向式（⑽ni_directi〇nal)圖案。可以將主動與寄 1057D-9092-PF 41 200832812 生凡件之間的距離設計為用來控制主動天線單元的轄射

^ 、在不同的方向達到最大增益。第32B圖與第32C 圖分別顯示模擬主動天線m單元的回波耗損的結果以及第32A圖的天線之輸入阻抗的實部與虛部 2036的尺寸以；金屬插線3031可達到期望天線效能、第32Α圖中寄生元件的發墊長度從3· 5mm降低至—2·5_，且單元金屬插線的長度係從5_增加至6_， ( 线凡件的回波耗損被改變以提供較寬的操作頻帶（如第 32圖所不在S11=*~1GDb時操作頻帶範圍為2.35GHz至 4. 42GHz 之間）。第30圖中的例子為具有單一主動元件以及單一寄生牛的天、線L合主動與寄生元件可用來建立各種天線設置例如可將單一主動元件與至少兩個| ± it # & f & 一天線中。纟這樣的設計中，相對於單—主動力件，可藉由扛制夕寄生凡件的位置與間隔來操控合量天線輻射圖 ί案|在其他設計中，天線可包括至少兩個主動ΜΤΜ天線元件以及夕個寄生凡件。主動_元件的結構可與寄生刚凡件相同或不同。為了操控與控制合量增益圖案，主動元件可用來增加既定頻率的頻寬或是提供額外的操作頻寬。 ΜΤΜ結構也可用來建立適用於真空包裝之各種應用的收發器天線，例如用於筆記型電腦的無線網卡，用於行動通讯政置（例如PDA，GPS裝置以及手機）的天線。一般基底可整合至少一 MTM接收器天線以及至少一 MTM傳送器天線0 1057D-9092-PF 42 200832812 第33A、33B、33C以及33D圖係顯示具有兩個MTM接收天線以及一 MTM傳送器天線並且以截斷接地設計為基礎的收發器天線裝置。參照第33B圖，基底33〇ι被處理為包括設置於部分上基底表面之上接地電極3331以及設置於下基底表面的下電極3332。形成於基底3301區域的兩個MTM接收器天線單元3321與3322以及一 MTM傳送器天線單το 3323係位於上下接地電極3331與3332之覆蓋區外部。三個分開的CPW 3030係形成於上接地電極3331，分別用來導引用於三天線單元3321，3322與3323的天線信號。三個天線單元3321，3322與3323係分別標示為第 33A圖中所顯示的連接埠i，3與2。從這三個連接埠ι，2 與3分別可取得S1丨，S22與S33的量測結果，並且可取得連接埠1與2之間以及連接埠3與1之間的信號耗合量測 S1 2與S31。廷些量測說明裝置的效能。每個天線係藉由發射墊3360與條紋線耦接至對應的cpw 3()3〇，條紋線係用來連接CPW 3030與發射墊3060。每個天線單元3321，3322與3323的結構係將設置於上基底表面之上單元金屬插線、導電介質334〇以及尺寸小於上單元金屬插線之接地墊335〇包含於其中。接地墊 3350可具有大於介質334〇之橫截面的區域。在其他實施例=，接地墊3350可具有大於上單元金屬插線之接地墊的區域。在每個天線單元中，條紋線3351係形成於下基底表面，以將接地墊3350連接至下接地電極3332。在所示的實施例中，兩個接收器天線單元3321與3322被設定 1057D-9092-PF 43 200832812 為：長的矩形，該矩形係沿著正交於CPW 3030與傳送天線早疋3323的瘦長方向，傳送天線單元3323係設置於兩接收器，線單元3321與3322之間，並且被設定為瘦長的二°亥矩开y係沿著CPW3030的瘦長方向。參照第33B圖圖每個接地條紋線3351包括所連接的螺旋條紋圖案=及至少環繞每個接地塾335G的-部分，以使每個天線單元之共振頻率偏移至較低頻率。選取天線單元的尺寸以產生不同的共振頻率，例如接收器天線單元Μ。與3322的長度可短於傳送器天線單元3323的長度，使得接收器天線單元3321與3322具有比傳送器天線單元3 具有更高的共振頻率。上述收發器天線裝置設計可用來形成操作於 1如驗（對傳送器天線單元來說為7GHz，而對接收器天線單元來說為2.1GHz)之二層謂用戶卡。三個m天線單元係沿著寬度為45mm之PCMCIA卡設置，其中中間天線單 =與傳送器在頻帶171GMHz與1 755MHz内共振，且兩接收器側天線的共振頻率為211_與2155MHz之間，適用於行動通之先進無線服務（advanced wiewless AWS)系統’以提供資料服務、影音服務以及訊息服務。藉由裁㈣射塾（例如其寬度）可達到50歐姆的阻抗匹配。曰天線單元係根據下列規格而設定。具有厚度的基底可用來支援單元。側單元與接地端之間的距離為 1_ 5mm。下層上方的介質線係由兩〇· 寬的直線以及半徑為3/4圓所構成。由於中間天線具有車交長的下 1057D-9092-PF 44 200832812 接地線，因此係於較低的頻率產生共振。發射墊與上接地面之間的間隙為0.5mm。螺旋係由半徑為〇6咖之整個圓所構成，並且與接地墊中心距雙〇 . 6μ 〇

第34A圖與第34B圖顯不模擬上述收發器裝置的回波耗損量測結果。回波耗損與隔離和由於上下層之阻銲劑 (solder mask)所造成中心頻率輕微的偏移類似。2 iGk 與1.7GHz天線之間的隔離係顯著的小於_25(^，即使相鄰 Ή與RX天線之間的間隔小於l 5mm(約為挪）。當兩打 :線早兀2.1GHz天線的間距小⑨3_(也就是小於伙) 時，兩者之間的隔離係小於—1〇dB。弟34C圖與第34D-F圖分別顯示在21GHz頻帶中的效能與輕射圖案。效能係大於5n，並且可於i 8GHz處取料值增益。透料些條件可評估天線單& 3323具有緊密的=線結構，其尺寸為織（長）*則（寬）*層（深）。第34G圖與第34H-J圖係分別顯示在171GHz頻帶中的效能與輻射圖案。效能達到5〇%，並且可於16.處取得峰值增益。透過這些條件可評估天線單& 3323具有緊 1057D-9092-PF 45 200832812 的天線、、Ό構，其尺寸為2m(長）*紹5(寬）*…副（深）。二應用（例如可攜式電腦）對於在正交於接地平面表面方向之天線的長度有空間的限制。天線單元可設置與上接地面平行的方向，以提供緊密的天線配置。第35圖顯示在此配置中MTM天線設計的實施例。第 A 36B以及36C圖顯示第35圖中三層設計的詳細示意圖。三層接地電極設計係用於此實施例中，其中兩基底 501舁3502彼此堆疊以支援三接地電極層：設置於基底 3501上表面的上接地電極3541，設置於兩基底"ο〗與 3502之間的中間接地電極3542,以及設置於基底35〇2下方的下接地電極接墊3543。接地電極3451與3452為裝置 2兩Μ要接地面。每個下接地電極接塾3543係與· 單元相關，並且會被提供用來路由中間接地電極3542下方的電流。 ΜΤΜ天線單元3531，3532與3533係用來形成瘦長的沿著平行於接地電極3541，3542與3543邊緣方向的天線。因此，三個下接地電極接墊3543係形成於基底35〇2下方。每個天線單元包括設置於基底35〇1上表面的上單元插線355卜延伸於基底35〇1上表面與基底下表面之間並且與上單元插線3551接觸的單元介質，以及設置於基底3502下表面並且與單元介質3552接觸的下接地墊3553。單元介質3552可包括上基底35〇1中的第一介質以及下基底35G2中分開的第二介質，兩者在基底35〇1與 3502之間的介面處相互連接。下接地條紋3554係形成於 1057D-9092-PF 46 200832812 基底3502的下表面，以將接地墊3553連接至下接地電極接墊3543。中間接地電極3542與接地電極接墊係藉由‘電中間下介質362〇而連接在一起，從第3βΑ圖的上層可以看見中間下介質362〇。適用於上接地電極MU的金屬層被圖案化而形成用來饋送由MTM單元3531,3532與 3533所構成天線之cpw 3〇3〇。所形成的饋線351〇係用來將CPW 3030連接至設置於第—m單元3531旁的發射塾 3520，並且藉由間隙電容耦接至單元3531。在此設計中，中間電極3542係、用來將下層的接地線延伸超過主要接地面邊緣，使得所延伸的電流路徑位於主要接土也面下方，以降低共振頻率。在本發明實施例中，上基底3⑷為G m龍厚且下基底3502為以以㈣厚。基底35〇1與35〇2可從且有不同介電常數值的介電材料所形成。單位crlh謹單元的上插線為2.5随寬（y方向）且4職長（χ方向），且兩相鄰早…1距有0.1_的間隙，線係耦接至與第一單格之邊緣具有〇」_間隙的天線。連接至所有具有下單元接地面之上插線的介質具有12mil的直徑，並且設置於上插線的中央。接地線延伸於中間層主要接地面下方3 85_以降低共振頻率’且長度h 574_與直徑為Μ…的介質係用來將下層接地線連接至中間層主要接地面。第37圖顯示當上述天線作為頻率的函式時，回波耗損的FHSS模擬結果。圖中亦 2 9 δΓϋ ㈡^顯不適用於信號頻率為 GHZ’2.8GHZ，3.77GHZ以及6·饥Hz之裝置中每個天 1057D-9092-PF 4 7 200832812 線信號的電場分佈。由於頻率隨著沿著結構降低的波導而減少’因& LH為最低共振。波導被視為沿著三個單元結構之兩個峰值之間的距離。於2. 2GHz處，共振波被限定於兩連續單元邊界之間，而於較高頻率處，該波橫跨至少兩單元。具有―較―隹罐天線上述CRLH MTM結構設計係以使用完全電導（障f如 electro⑶nduCt〇r，ΡΕ〇作為基底之—側的接地電極為基礎。PEC接地面可以為覆蓋整個基底表面的金屬層。如上述實施例所述’可以將PEC接地電極的尺寸截斷為小於基底表面，以增加天線共振的頻寬。在上述實施例中，可以將截斷PEC接地電極設計為覆蓋部分基底表面，並且不會和MTM單元的覆蓋區重疊。在這樣的設計中，接地電極條紋線可用來將單元介質連接至截斷PEC接地電極。將接地面降低至MTM天線結構下方可達到降低的RH地容c^ 以及增加的LH副本C—L。因此會增加共振頻寬。

PEC接地電極對MTM結構提供金屬接地面。金屬接地面可以被完全磁導面或是完全磁導（PMC)結構的表面所取代。PMC結構為自然界不存在的合成結構。ρΜ(：結構具有 PMC特（'生涵蓋很大的頻率範圍。sievenpipers ugg年在加州大學洛杉磯分校所發表的博士論文，，高阻抗電磁表面中况明了 PMC結構的實施例。接下來的段落係說明用於天線以及其他應用之MTM結構係以CRLH MTM結構與PMC 1057D-9092-PF 48 200832812 結構的組合為基礎。可以將MTM天線設計為以㈣平面來㈣™，構下方的PEC平面。初始的調查係根據HFSS 极組來證實這樣的設計可提供比具有金屬接地面之削天線（不論是一維或二維配置）-士沾斗* 芦此直」更大的頻見。因此，MTM天線 :包括具有設置於第-側之第—表面以及設置於相對於弟一側之第二側的第二表面之介電基底，形成於第一表面上的主少一單元導電插線，形成於基底第二表面用來支援與第二表面接觸之PMC表面的PMC結構，以及形成於基底用來將導電插線連接至PMC表面而形成_ m單二的導電介質連接器。第二基底可用來支援pMC結構，並且用於基底以建構MTM天線。第38圖顯示形成覆蓋於pMC表面之二維單元陣 ^的實施例。第一基底3801係用來支援陣列中的CRLHMTM 單袼3800。兩相鄰單元3800間隔一單元間間隙384〇，並且彼此電容耦合。每個單元包括延伸於兩表面之間第一基底3801之導電單元介質3812。形成於第二表面的pMc二構係用於第一基;| 3801 #下表φ，以支援代替接地電極層的PMC表面3810。饋線3822係電性耦接至陣列中的單袼3800。發射墊3820可形成於饋線3822下方並且覆蓋饋線3822與單隔間的間隙，以提升饋線3822與單格之間的電容輕合。第39A、39B、39C與39D圖分別顯示第38圖之设計的详細不意圖。電容耦合金屬插線3920層可形成於上單兀電極插線3910下方，並且設置於單元間間隙 3849下以形成MIM電容。發射墊382〇可形成於具有電容 1057D-9092-PF 49 200832812 耦合金屬插線3 9 2 0的同一層。苐40圖顯示用於弟38圖PMC表面3810的PMC結構之示意圖。第二基底4020係支援PMC結構。在基底4020 的上表面形成一週期性金屬單元插線陣列4〇〇丨，其中兩相鄰單元插線間具有單元間隙4〇〇3。全接地電極層4〇3〇係形成於基底4020之其他側以及下側。單元介質4〇〇2係形成於基底4020，以將每個金屬單元插線4〇〇1連接至全接地電極層4030。此結構可用來形成能帶隙（bandgap)材料並且使上表面呈現金屬單元插線陣列（pMC表面。可以將第40圖中的PMC結構堆疊至基底38〇1，使得具有金屬早70插線陣列的上表面與基底38〇1的下表面接觸。此合併結構為設置於第40圖之PMC結構上的mtm結構。 > a全HFSS模組可以第圖以及第23圖中的二維μτμ天線认计為基礎’以PMC表面來取代接地電極。對第38圖中的ΜΤΜ天線執行HFSS模擬。用於而模擬的天線係使用固定於彼此上方的基底。上表面為〇25厚並且且有$ 介電常數10.2。下基底為3 〇48_厚並具有介電常數 3.48。三金屬化層係設置於兩基底的上、下以及之間。中間層的角色係藉由使用金屬'絕緣—金屬(mim)電容來增加兩相鄰單元之間箆_由 — 中早70與饋線之間的電容耦合。單位c則單元的上插線為4_寬（χ方向）與4龍長&方且相鄰單元之間距有〇 2_的間隙。饋線係耗接至與弟一單袼邊緣距離〇丨門抑一 · Μ間隙的天線。連接所有具有下

早凡接地面之上插線的介質的直徑為〇.34_並且設置於 1057D-9092-PF 50 200832812 上插線的中心。ΛΠΜ插線係對上插線旋轉45度，且其尺寸為 2 · 4 8 in in * 2. 4 8 in in。弟41A圖與第41B圖顯示Hm模擬之天線的回波耗損以及天線輕射圖案。天線的頻寬係從US·延伸至 5. 90GHz’其覆蓋無限通訊應用（例如wLAN 8〇2. u a b运n

WiMax，BlueT〇()th等等）的寬範圍頻帶。與先前使用降低接地金屬面之MTM設計比較，在具有置表面之m結構中所取得的頻寬明顯的增加。另夕卜，具有類插線輕射圖案的天線係顯示於第41B圖中。此輻射圖案係許多應用的期望輻射圖案。在上述實施例中，用於CRLHMTM結構中不同元件（例如上單7G金屬插線以及發射墊）的電極邊緣為直線。第圖顯不單格之上單元金屬插線以及具有直線邊緣發射墊的實施例。然而，可以將這樣的邊緣彎曲為具有凹面或凸面邊緣來控制電場的部分分佈以及CRLH MTM結構的阻抗匹配狀態。第43-48圖係提供用於上單元金屬插線以及對應發射墊介面邊緣的非直線邊緣。第44,45,47與48圖更顯示不與其他電極邊緣連接的上單元金屬插線之獨立式 (free-standing)邊緣亦可以被彎曲以控制電場分佈或是 CRLHMTM結構之阻抗匹配狀態的實施例。在各種一維與二維配置的CRLH MTM裝置中，可以將單層或多層設計為遵守RF晶片封裝技術。第一種方法為藉由使用低溫共燒陶瓷（l〇w_tempera1：ure c〇— ceramic，LTCC)設計以及製造技術達成系統封裴（system 1057D-9092-PF 51 200832812 on package，SOP)概念的槓桿作用（〗

u everage)。多層 MTM 結構的設計係適用於使用具有高介雷縈叙^ u ^ τ "电吊數s材料的LTCC製程。這種材料的一個實例為具有λ /·8从及0· 0004之耗損正切的DuPont 951。較高的£·值可承、扭』更進—步導致尺寸的微型化。因此’上述所有使用叫之FR4基底的設計與實施例可調整串聯與並聯電容與電感而轉移為麗，以遵從比 LTCC更高的介電常數基底。使用hA。甘—，# m baAs基底與薄聚醯胺 (polyamide)層的單晶片微波 ic(mc)nnl . t . . n〇lithic microwave IC，MMIC)也可用來降低印刷至rf晶片本FR4或Roger基底上的MTM設計調整基底/層的介電常數與厚度。的MTM設計。將原為遵守LTCC與MMic 名詞縮窵 ID (One dimensional) 一維 2D (two dimensional) 二維 BB (broadband) 寬頻 CL(Cseries) 超賴材料雷辨Φ + CnCCshunt) ^^电将ig串聯電容 ~^55^材料電路中的廿s碎雷六 LR(Lseries) ----- 7 tr'J 亚聯％谷的串聯電感 L/L(Lshunt) 專效超穎材料雷拉中的并聯攀穷 CRLH (composite right/left-handed) —------------ ^ 1 WV -iu— ^ '1----—-— 複合左右手 GND (ground plane) 接地面 EM (electromagnetic) 電磁 FEM (full electromagnetic) 全電磁 LH (left hand) 左手 1057D-9092-PF 52 200832812 MB (multiband) 多頻 ΜΙΜΟ (multiple input multiple output) 多重輸入多重輸出 MTM (metamaterial) 超顆材料 PCM (perfect magnetic conductor) 全磁導 RH (right hand) 右手 TE (transverse electric field) 橫向電場 TEM (transverse electric and magnetic fields) 橫向電磁場 TM (transverse magnetic field) 橫向磁場 TL (transmission line) 傳輸線本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。【圖式簡單說明】弟1圖顯不CRLH超颖材料的散頻不意圖。

第2圖顯示具有四個MTM單格之一維陣列CRLH MTM 裝置的示意圖。第2A圖、第2B圖以及第2C圖顯示電磁特性及其在第2圖中每個MTM單格的部分功能以及其對應的等效電路。第3圖顯示根據本發明其他實施例以二維MTM單格陣列為基礎的CRLH MTM裝置的示意圖。

第4圖顯示包含形成於一維或二維陣列以及CRLH MTM 1057D-9092-PF 53 200832812 結構中天線元件的示意圖。第5圖顯示具有四單格 ^ , 7Λ 之CRLHMTM傳輪線的示意圖。第 6, 7A，7B，8, 9A 以及 9R r % -士 ^ η ^ ^ , 圖頌不在不同的情況下（不娜疋傳輸線模式或是天線模斤兴八）第5圖裝置的等效電路。弟圖與弟11圖顯示在第$岡沾壯隹弟5圖的I置中沿著貝塔曲線的共振位置之示意圖。苐12圖與弟13圖分別顯千且古甚齡 J ”肩不具有截斷接地導電層設計之CRLH MTM裝置及其等效電路的示意圖。第14圖與帛15圖分別顯示具有截斷接地導電層設計之CRLH MTM裝置及其等效電路的另一示意圖。第16-37圖顯示以不同的截斷接地導之⑽MTM天線設計以及根據模擬與量測所得== 效能特徵。第38,394,3卯，39(：以及391)圖顯示具有全磁導（{^〇表面之CRLH MTM天線的示意圖。第40圖顯示PMC結構的示意圖，pmc結構係提供適用於第38圖裝置的PMC表面。第41A圖與第41B圖顯示第38圖裝置的模擬結果。第43-48圖顯示用於上單元金屬插線之介面邊緣的非直線邊緣以及CRLH MTM裝置中對應的發射塾之示音圖/。【主要元件符號說明】 200、300〜CRLH MTM 裝置 2(H、4(U、41 卜 1601、26(Π、30(Π、330 1、380 1 〜基 1057D-9092-PF 54 200832812 底 202〜下接地導電層 211〜單元導電插線 212〜單元導電介質 220、320、4003〜單元間隙 230、331、332〜上導電饋線 310 、 1621-1624 、 2021-2023 、 2300 、 2600 、 3021 、 3022、3531-3533、3800〜單格 341、342〜饋送發射墊 40 0〜天線陣列 41 0〜天線元件 412〜CRLH MTM 單格 1210、1410〜條紋線 1401〜接地導電區 1610、3050、3332〜下接地電極層 1 61 2、2 312〜接地條紋線、 1620、2340、2610、2620、3037、3822〜上饋線 1 630、2030〜電容調節元件 1631〜金屬插線 1 632、3340〜介質 1641、303卜上單元金屬插線 1 642、2 602、303 2、3552、3812、4002〜單元介質 1 643、3920〜電容耦合金屬插線 1 6 4 4、2 6 4 0、3 8 4 0〜單元間間隙 1057D-9092-PF 55 200832812 1650 > 2050 > 3035 > 3930〜間隙 2020、3510〜饋線 2060、3360、3520、3820〜發射墊 2310、2650〜接地電極 2320〜接地電極孔徑 2710、3920〜上單元電極插線

3030〜上 CPW 3033〜接地電極接墊 3 0 3 4〜接地電極條紋線 3036〜上發射墊 3040、3331、3541〜上接地電極 3321，3322〜RX單元插線 3323〜TX單元插線 3350〜接地墊 3 3 5 1〜接地線 350 1〜上基底 3502〜下基底 3 5 4 2〜中間接地電極 3543〜中間接地電極接墊 355 1〜上單元插線 3553〜下接地墊 3 5 5 4〜下接地條紋 3620〜中間下介質 3810〜PMC表面

1057D-9092-PF 56 200832812 4010〜介電表面 4020〜介電基底 4030〜接地電極層 4 0 01〜金屬單元插線

1057D-9092-PF 57

Claims

200832812 十、申請專利範圍·· 1 · 一種天線裝置，包括： ^ ;丨電基底，具有設置於一第一側之一第一表面以及設置相對於上述裳彳丨卜卜上这弟一側之一弟二側的一第二表面；單元導電插線，形成於上述第一表面； “早几接地導電電極，形成於上述第二表面，並且於置於藉由上述單元莫雷奸* "又 4早凡v電插線投射之上述第二表面蓋區；復表面，並且與上述第一主要接地電極，形成於上單元接地導電電極分離；一單元導電介質連接器’形成於上述基底中，用來將上述單元導電插線連接至上述單元接地導電電極；一導電饋線’形成於上述第_表面，並且具有接近且電磁耦合至上述單元導電插線的一末端，以將—天線信號指向上述單元導電插線或是將上述單元導電插線指向述天線信號；以及一導電條紋、線’形力於上述第二表Φ，並且將上述單元接地導電電極連接至上述主要接地電極，其中將上述單元導電插線、上述基底、上述單元導電介質連接器、上述單元接地導電電極以及上述電磁耦合導電饋線組織而形成一複合左/右手“虬耵超穎材料結構。 2 ·如申凊專利範圍第1項所述之天線裝置，包括·· 一導電發射墊，形成於接近上述導電饋線與單元導電插線的末端但與其隔離，以提升上述導電饋線與阻抗匹配 1057D-9092-PF 58 200832812 狀悲下之單元導電插線之間的電容耦合來支援上述天線信號的一共振頻率。 3.如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中：上述單元接地電極具有大於上述單元導電介質連接器的一區域，上述區域係小於上述單元導電插線的區域。 4·如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中：上述單元接地電極具有一區域，且該區域大於上述單元導電插線的區域。 ψ 5·如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中：上述導電條紋線具有一寬度，且該寬度小於上述單元導電插線的尺寸。 6·如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中：上述主要接地導電電極係形成於上述第二表面，並且設置於由上述單元導電插線投射之第二表面的上述覆蓋區之外部。 7. 如申請專利範圍第6項所述之天線裝置，包括：一第二主要電極，形成於上述第一表面，並且圖案化而形成一共平面波導，以及其中：上述共平面波導係連接至上述導電饋線，以將上述天線信號指向上述導電餹飧，$ Η政μ、+、禮+ μ μ… $电謂琛，或疋將上述導電饋線指向上述天線信號。 8. 如申凊專利範圍第7項所述之天線裝置，其中：形成於上述第一表面的上述第二主要接地電極係圖 1057D-9092-PF 59 200832812 案化而形成一第二共平面波導；上述裝置包括形成於上述基底之一第二複合左/右手 (CRLH)超穎材料結構，並且電磁㈣至上述第—表面上的第二共平面波導以及上述第二表面上的主要接地面，上述第二CRLH超穎材料結構包括·· -第二單元導電插線，形成於上述第一表面並且 ;磁：合至上述第二共平面波導，上述第二共平面波導係、苐-天線信號指向上述第二單元導電插線或是將上述第二單元導電插線指向上述第二天線信號；、一第二單元接地導電電極，形成於上述第二表 #並且°又置於藉由上述第二單元導電插線所投射之上述弟二表面的一覆蓋區；一第二單元導電介質連接器，形成於上述第二表面，用以將上述第二單元遙蕾杯仏β、地導電電極’ ·以及冑插線連接至上述第二單元接一第二導電條紋線，形成於上述第二表面，並且將上述第：單元接地導電電極連接至上述主要接地電極。 9‘如申請專严m圍第8項所述之天線裝置，其令： :述單元導電插線以及第二單元導電插線具有不同 J寸，以使由上述單元導電插線所形成的CRLH超賴材，結構以及由上述第二單元導電插線所形成的第二二超顽材料結構具有不同的共振頻率。 1 〇 ·如申明專利範圍第9項所述之天線裝置，其中· 由上述單元導電插線所形成的上述CRLH超穎材料結 1057D-9092-PF 60 200832812 構係形成一接收天線；以及 ^由上述第二單元導電插線所形成的上述第二超穎材料結構係形成一傳送天線。 u.如申請專利範圍第1G項所述之天線裝置，其中：先成於上述第-表面的上述第二主要接地電極係圖案化而形成一第三共平面波導；上述裝置包括形成於上述基底之一第三複合左/右手咖)超穎材料結構，並且電磁輕接至上述第一表面上的弟二共平面波導以及上述第二表面上的主要接地面，上述第二CRLH超穎材料結構包括·· 、一第三單元導電插線，形成於上述第一表面並且電兹至上述第二共平面波導，上述第三共平面波導係將-第三天線信號指向上述第三單元導電插線或是將上边第三單元導，線指向上述第三天線信號；、一第三單元接地導電電極，形成於上述第二表 —並且°又置於藉由上述第三單元導電插線所投射之上述第一表面的一覆蓋區；一第三單元導電介質連接器，形成於上述第二表面，用以將上述第二^ 乐一早TL導電插線連接至上述第三單元接地導電電極；以及一第三導電條紋線，形成於上述第二表面，並且將上述第—單元接地導電電極連接至上述主要接地電極。 12·如申請專利範圍第η項所述之天線裝置，其中：由上述第二單兀導電插線所形成之上述第三CRLH超 1057D-9092-PF 61 200832812 補材料結構係形纟一第二接收天線。 3·如申明專利範圍第7項所述之天線裝置，包括： # 一寄生單凡，上述寄生單元係電磁耦合至設置於上述 ""表面之上述主要接地電極以及設置於上述第一表面之上述第二主要接地電極，包括·· 寄生單元導電插線，形成於上述第一表面；寄生單元接地導電電極，形成於上述第二表面，並且設置於上述寄生單元冑電插線所投射之上述第二表面的一覆蓋區；一寄生單元導電介質連接器，形成於上述基底甲，用以將上述寄生單元導電插線連接至上述寄生單元接地導電電極；第一寄生導電線，形成於上述第一表面，包括第端，電磁耦接至上述寄生單元導電插線，以及一第二端’連接至上述第二主要接地電極；以及一第二寄生導電線，形成於上述第二表面，並且將上述寄生單元接地導電電極連接至上述主要接地電極。 14 ·如申清專利範圍第13項所述之天線裝置，包括：一第二寄生單元，上述第二寄生單元係與上述寄生單元分開，並且電磁耦合至設置於上述第二表面之主要接地電極以及設置於上述第一表面之第二主要接地電極。 1 5 · —種天線裝置，包括：一介電基底，具有設置於一第一側之一第一表面以及設置相對於上述第一側之一第二側的一第二基底； 1057D-9092-PF 62 200832812 複數單元導電插線，形成覆蓋於上述第一表面，上述複數單元導電插線係彼此相鄰並且分隔，以允許兩相鄰單元導電插線之間的電容耦合；一主要接地電極，形成於上述單元導電插線共同投射至上述第二表面之一覆蓋區外部的上述第二表面；複數單元接地電才虽，形《於上述第二表φ，以部分對 j至上述單元導電插線，分別為一單元接地電極對應至一皁70導電插、線，其中每個單元接地電極係位於個別單元導電插線所投射至第二表面之一覆蓋區内，且其中上述單元接地電極係與上述主要接地電極部分分離，· 複數導電介質連接器，形成於上述基底中，以分別將上述單元導電插線連接至上述單元接地電極，以形成建構一複合左/右手（CRLH)超穎材料結構之複數單格；以及、—f少一導電條紋、線’形成於上述第二表φ，以將上述禝數單元接地電極連接至上述主要接地電極。 16. 如申請專利範圍第15項所述之天線裝置，其中：形成於上述第二表面之上述主要接地電極包括由上述單元導電插線共同投射至上述第二表面之—覆蓋區外部的一電極部分，其中上述電極部分被圖案化為包括一孔徑，上述恐徑大於由上述早凡導電插線共同投射至第二表面之覆蓋區^述孔徑的設置係與由上述單元導電插線共同投射之覆盖區重疊。 17. 如申請專利範圍第15項所述之天線裝置，其中： 1057D-9092-PF 63 200832812 母個早格的尺寸不大於與上述CRLH超穎材料結構共振之一信號波導的十分之一。如申請專利範圍第17項所述之天線裝置，其中： ▲母個早格的尺寸不大於舆上述CRLH超穎材料結構共辰之一^號波導的四十分之一。 ~9·如申請專利範圍第15項所述之天線裝置，其中： “ /又置於上述第—表面之上述複數單it導電插線係用來化成、線性陣列，一第一單元導電插線係設置於上述線車歹J的第一 #，而一第二單元導電插線係言史置於上述線性陣列的第二端，上述裝置包括： ^ 饋線，形成於上述第一表面，並且電磁耦接至上述第一單元導電插線，以將一天線信號指向上述第一單元導電插線或是將上述第一單元導電插線指向上述天線信號；以及一終端電容，包括電容耦接至上述第二單元導電插線之一導電電極。 20·如申請專利範圍第19項所述之天線裝置，其中·· 上述終^0電谷之導電電極係設置於上述第二單元導電插線與第一表面之間。 21 · —種天線裝置，包括·· 一第一介電基底，具有設置於一第一側之一第一上表面’以及設置相對於上述第一側之一地二側的一第一下表面； 1057D-9092-PF 64 200832812 一第二介電基底，具有設置於一第一側之一第二上表面，以及設置相對於上述第一側之一第二側的一第二下表面，上述第一與第二介電基底彼此互相堆疊，使得上述第一上表面作為上述第一下表面；複數單元導電插線，形成於上述第一上表面，上述複數單元導電插線係彼此互相相鄰且分離，以允許兩相鄰單元導電插線之間的電容耦合；一第一主要接地電極，形成於上述第一表面，並且與上述單元導電插線部分分_，上述第—主要㈣電極被圖案化為形成電磁耦合至上述單元導電插線之一選取單元 :電插線的一共平面波導，以將一天線信號指向上述選取單元導電插線或是將上述選取單元導電插線指向上述天線信號；弟一主要接地電極，形成於上述第弟二基底之間，並且設置於上述第二上表面以及第一下表面；稷數早兀接地電才虽，形成於上述第二下表自，以部分對應至上述單元導電插線，分別為—單元接地電極對應: :單元導電插線’其中每個單元接地電極係㈣個別單元導電插線所投射至第二下表面之一覆蓋區内；的第複Ϊ:接地電極’形成於上述第二主要接地電極下方複數接地導電介質連接器，形成於上述第二基底，八別將上述下接地電極連接至上述第二主要電極.以及刀複數下表面導電條紋線，形成於上述第二下表面，八 1057D-9092-PF 65 200832812 別將上述複數單元接地電極連接至上述下接地電極。 22·如申請專利範圍第21項所述之天線裝置，其中·· ^ 、"又置於上述第一上表面之複數單元導電插線係用以幵y成線丨生陣列’上述線性陣列係與面對上述複數單元導電插線之上述第一主要接地電極的邊緣平行。 23·如申請專利範圍第21項所述之天線裝置，其中·· -導電發射墊，形成相鄰於上述選取單元導電插線並且與上述選取單兀距離一間隙，其中上述發射墊與間隙的尺寸被設定為提供一匹配網路，以激發上述天線信號内一目標共振頻率處的共振；以及 ‘電饋線，連接於上述共平面波導與導電發射墊之間。 24.如申請專利範圍第21項所述之天線裝置，包括： ,、士電插線，形成於接近兩相鄰單元導電插線間的間隙，以形成一金屬-絕緣-金屬（MIM)結構，以提升上述兩相鄰單元導電插線間的電容耦合。 2 5 · —種天線裝置，包括：一，丨電基底，具有設置於一第一側之一第—表面，以及設置相對於上述第一側之一第二側的一第二表面；一單元導電插線，覆蓋上述第一表面；王磁導（PMC)結構，包括一全磁導（pMC)表面並且使基底之第二表面壓著對著上述第二表面之上IPMC表面；單元導電介質連接器，形成於上述基底，用來將上述單元導電插線連接至上述PMC表面；以及 1057D-9092-PF 66 200832812 、、一導電饋線，形成於上述第一表面，並且具有設置接近並且電磁輕合至上试置&道上述早兀導電插線的一末端，使得一天線仏5虎指向上述單元導雷相1 @々H <平兀V電插線或是使上述單元導電插線指向上述天線信號，單元導電介質連接建構而形成一複合其中將上述單元導電插線、基底、器、電磁耦合導電饋線以及PMC表面左/右手（CRLH)超穎材料結構。 1057D-9092-PF 67