TWI449257B - 寬頻和緊實多頻超穎材料結構以及天線 - Google Patents

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Description

寬頻和緊實多頻超穎材料結構以及天線
本發明係有關於圖形使用者介面，特別是有關於瀏覽動態資訊集合。
大部分材料的電磁波傳播遵循(E,H,β)向量場的右手法則(right handed rule)，其中E為電場，H為磁場，β為波向量(wave vector)。相速(phase velocity)方向與信號能量傳播(群速,group velocity)的方向相同，且其折射率(refractive index)為正數。這樣的材料為右手系(right handed,RH)。大部分的天然材料為RH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p共同設計時，超穎材料可表現為導入電磁能量的均勻介質(homogeneous 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,β)向量場的相對方向遵循左手定則。僅支援負折射率的超穎材料為左手(LH)超穎材料。
許多超穎材料LH超穎材料與RH材料的混合物，又叫做複合右/左手(composite left and right handed,CRLH)超穎材料。CRLH超穎材料於低頻時可表現為LH超穎材料，於高頻時可表現為RH材料。Caloz與Itoh在2006年的John Wiley & Sons所發表的”電磁超穎材料：傳輸線理論與微波應用”中說明不同CRLH超穎材料的設計與特性。Tatsuo Itoh在2004年八月所出版的電子期刊(Vol.40,No.16)中說明CRLH超穎材料及其在天線上的應用。
CRLH超穎材料可顯示適用於特定應用的電磁特性，並且可使用於不容易、不實用或是不可能使用其他材料的其他應用。再者，CRLH超穎材料可用來建立新的應用並且用來建立無法使用RH材料之新裝置。
本發明說明使用至少一種複合左/右手超穎材料結構來處理電磁波信號的技術、裝置以及系統。天線、天線陣列以及其他RF裝置係以CRLH超穎材料結構為基礎而形成。例如，期望的CRLH超穎材料結構可用於無線通訊RF前端以及天線子系統。
本發明實施例係揭露一種天線裝置，包括介電基底、單元導電插線、單元接地導電電極、主要接地電極、單元導電介質連接器、導電饋線以及導電條紋線。介電基底具有設置於第一側之第一表面以及設置相對於第一側之第二側的第二表面。單元導電插線係形成於第一表面。單元接地導電電極係形成於第二表面，並且設置於藉由單元導電插線投射之第二表面的覆蓋區。主要接地電極形成於第二表面，並且與單元接地導電電極分離。單元導電介質連接器形成於基底中，用來將單元導電插線連接至單元接地導電電極。導電饋線形成於第一表面，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插線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耦合導電饋線組織而形成複合左/右手(CRLH)超穎材料結構。單元接地電極具有大於單元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。
本發明另一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。介電基底具有設置於第一側之第一表面以及設置相對於第一側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，以允許兩相鄰單元導電插線之間的電容耦合。主要接地電極形成於單元導電插線共同投射至第二表面之覆蓋區外部的第二表面。複數單元接地電極形成於第二表面，以部分對應至單元導電插線，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內，且其中單元接地電極係與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，以形成建構複合左/右手(CRLH)超穎材料結構之複數單格。至少一導電條紋線形成於第二表面，以將複數單元接地電極連接至主要接地電極。
本發明另一實施例係揭露一種天線裝置，包括第一介電基底、第二介電基底、複數單元導電插線、第一主要接地電極、第二主要接地電極、複數單元接地電極、複數下接地電極、複數接地導電介質連接器以及複數下表面導電條紋線。第一介電基底具有設置於第一側之第一上表面，以及設置相對於第一側之第二側的第一下表面。第二介電基底具有設置於第一側之第二上表面，以及設置相對於第一側之第二側的第二下表面，第一與第二介電基底彼此互相堆疊，使得第二上表面作為第一下表面。複數單元導電插線形成於第一上表面，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。第一主要接地電極形成於第一表面，並且與單元導電插線部分分離，第一主要接地電極被圖案化為形成電磁耦合至單元導電插線之選取單元導電插線的共平面波導，以將天線信號指向選取單元導電插線或是將選取單元導電插線指向天線信號。第二主要接地電極形成於第一與第二基底之間，並且設置於第二上表面以及第一下表面。複數單元接地電極形成於第二下表面，以部分對應至單元導電插線，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下表面之覆蓋區內。複數下接地電極形成於第二主要接地電極下方的第二下表面。複數接地導電介質連接器形成於第二基底，分別將下接地電極連接至第二主要電極。複數下表面導電條紋線形成於第二下表面，分別將複數單元接地電極連接至下接地電極。
本發明另一實施例係揭露天線裝置，包括介電基底、單元導電插線、全磁導(PMC)結構、單元導電介質連接器以及導電饋線。介電基底具有設置於第一側之第一表面，以及設置相對於第一側之第二側的第二表面。單元導電插線係覆蓋第一表面。全磁導(PMC)結構包括全磁導(PMC)表面並且使基底之第二表面壓著對著第二表面之PMC表面。單元導電介質連接器形成於基底，用來將單元導電插線連接至PMC表面。導電饋線形成於第一表面，並且具有設置接近並且電磁耦合至單元導電插線的末端，使得天線信號指向單元導電插線或是使單元導電插線指向天線信號。其中將單元導電插線、基底、單元導電介質連接器、電磁耦合導電饋線以及PMC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點。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。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作說明如下：
實施例：
純LH材料可遵循適用於向量組(E,H,β)的左手法則，且其相速方向與信號能量傳播方向相反。其介面係數以及導磁係數皆為負數。CRHL超穎材料可根據操作狀態與頻率顯示左手與右手電磁傳播模式。在某些情況下，當波向量為零時CRLH超穎材料可顯示非零群速，此情況係於左手與右手模式達到平衡時發生。在未平衡模式中具有禁止傳播電磁波的能帶隙(bandgap)。在達到平衡的情況下，散頻曲線(dispersion curve)於左右手模式之間的轉換點β (ω 0 )＝0處不會顯現任何的不連續性，其中當群速為正時，所導入的波長為無限大λ g ＝2π /|β |→∞： 此狀態對應至在LH手區所實現傳輸線(Transmission Line,TL)的零階模式(Zeroth Order mode)m＝0。CRHL結構支援具有遵循負β拋物線(parabolic)區域散頻關係的低頻精細光譜，該負β拋物線區域可形成實體的小裝置，該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,ZOR)時允許橫跨整個共振器的常數振幅與相位共振(resonance)。ZOR模式可用來建立以MTM為基礎的功率合併器(combiner)/分配器(splitter)、定向耦合器(directional couplers)、匹配網路(matching network)以及漏波天線(leaky wave antenna)。
在RHTL共振器中，共振頻率係對應至電長度(electrical length)θ m ＝β m l ＝mπ ，其中l為TL的長度且m＝1,2,3…。TL長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RH與LH材料有相當的差異，並且可用來達到RH與LH材料之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頻率，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(seamless integration)。在某些應用中，RF或微波電路與裝置可由CRLH MTM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為基礎的超穎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的示意圖。介電基底201用來支援該MTM單格。四個導電插線(conductive patch)211形成於基底201的上表面並且彼此分離沒有直接的接觸。兩個相鄰插線211之間的間隙220係允許發生於兩者之間的電容耦合。相鄰插線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211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201的下表面形成接地導電層202並且提供適用於不同單格的一般電子接頭(electrical contact)。可以對接地導電層202執行圖案化以達到對裝置200所期望特性或是效能。導電通孔連接器(conductive via connector)212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。在此設計中，每個MTM單格包括具有分別設置於上表面之導電插線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(feed line)230係形成於上表面並且具有設置於貼近導電插線211但是與一維單格陣列一端的一個單格個別的末端(distal end)。形成於接近單格與饋線230處的導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/右手超穎材料結構。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211與接地導電層202之間的電容耦合，以及沿著插線211上部執行傳輸所產生的感應(induction)。第2B圖顯示兩個相鄰插線211間的電容耦合。第2C圖顯示通孔連接器212所產生的感應耦合(inductive coupling)。
第3圖顯示根據本發明另一實施例所述之以MTM單格310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319建構為第2圖中的單格。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－金屬(metal－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310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形成於基底201的上表面並且分別與單元的插線211隔開，其中饋線331與332分別耦接至插線。此二維陣列可以作為不同應用的CRLH MTM天線，包括雙頻天線。除了上述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，兩相鄰單元間的電容耦合也有可能會增加。
第4圖顯示天線陣列400的示意圖，包括形成於一維以及/或二維陣列上支援基底401的天線元件410。每個天線元件410為一個CRLH MTM元件並且包括至少一CRLH MTM單格412，每個單格皆為特定單元結構(例如第2或3圖中的單元)。每個天線元件410中的CRLH MTM單格412可直接形成於天線陣列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。每個天線元件中的至少兩個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等效電路。CRLH MTM天線元件可支援天線陣列400中期望的功能或是特性，例如寬頻、多頻或超寬頻操作。CRLH MTM天線元件也可用來建立多重輸入多重輸出(multiple input multiple output,MIMO)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串流。
當降低各種天線元件間的不期望耦合及其對應的射頻鏈路(RF chain)時，CRLH MTM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一或十分之一，且兩相鄰MTM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)藉由使用定向耦合器以及匹配網路來降低相鄰天線間的耦合以及回存圖案正交性的裝置，4)濾波器、雙訊器(diplexer)/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/數位轉換器，振盪器(對於直接轉換來說為單一振盪器，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(phase shifter)以及放大器。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MTM為基礎的濾波器以及雙訊器/雙工器，並且於形成該RF鏈路時與天線以及功率合併器、定向耦合器以及匹配網路結合。只有直接連接至RFIC的外部連接埠需要遵循50 Ω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、定向耦合器以及匹配網路間的內部連接埠可能與50 Ω不同。因此，MTM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分數的射頻元件以及效能與傳統RF結構相同或更好的子系統，例如天線尺寸降低為λ /40。各種MTM天線與共振器的一項限制是在單頻或多頻天線中的窄頻會環繞共振頻率。
在這方面，此應用說明了設計用於RF組件以及子系統(例如天線)之以MTM為基礎之寬頻、多頻或是超寬頻傳輸線結構的技術。當維持高效能、增益以及小尺寸的同時，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(full－wave simulation)工具為例子，例如HFSS。
根據本發明實施例，該設計演算法包括(1)辨識結構共振頻率，以及(2)判斷接近共振的散頻曲線斜率來分析頻寬。此方法不僅提供TL以及其他MTM結構更提供MTM天線輻射在其共振頻率處執行頻帶擴展的導引。此演算法又包括(3)當判定BW尺寸為可以實現的時，尋找適用於饋線以及邊緣終端(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，BB、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、電路以及子系統的設計與性能。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並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)以及超寬頻(UWB)TL結構。在設計的應用中藉由解決N－單元散頻關係以及輸入/輸出阻抗來設定頻帶及其對應的頻寬。在本發明實施例中，所設計的二維MTM陣列包括二維各向異性圖案(anisotropic pattern)，並且當其他的單元被中斷時使用兩個TL連接埠沿著陣列的兩個不同方向激發不同的共振。
對具有一輸入端與一輸出端的傳輸線(TL)執行二維各向異性分析。在方程式II－1－1顯示矩陣表示法。值得注意的是，藉由執行偏中心TL饋送分析而將沿著x與y方向的多重共振合併來增加頻帶。
CRLH MTM陣列的設計可以顯示寬頻共振並且包含下列特徵之至少一者：(1)在該結構下方具有縮小接地面(GND)的一維與二維結構，(2)在該結構下方具有全接地面偏置饋(offset feed)的二維各向異性結構，(3)改善的終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建立不同的一維與二維CRLH MTM TL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一維CRLH MTM元件可包括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λ /40的目標小型設計，其中λ 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峭的時候共振頻寬會擴展。在一維的例子中已經證明了斜率方程式與單元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ω R CRLH MT結構(也就是低並聯電容CR以及串聯電感LR)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，下一步就是考慮將結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結構的挑戰在於辨識與期望頻率無關或是隨著期望頻率緩慢改變的適當饋送/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。
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≦0)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RH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，並且可以操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。
二維CRLH MTM結構沿著x與y方向分別包括Nx行與Ny列個單元，並且一共提供Ny*Nx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Zx(LRx,CLx)以及Zy(LRy,CLy)以及並聯導納(admittance)Y(LL,CR)。每個單元係透過具有兩條沿著軸的分支以及兩條沿著y軸的分支的四分支RF網路呈現。在一維結構中，單格係由二分支RF網路來表示，分析二分支RF網路比二維結構更佳簡單。這些單元透過四個內部分支內連為樂高結構。在一維單元中係藉由兩個分支進行內連。在二維結構中，外部分支(又叫做邊緣分支)不是外部來源激發而作為輸出連接埠就是被”終端阻抗”中止。在二維結構中總共有Ny*Nx個邊緣分支。在一維結構中，只有兩個邊緣分支可作為輸入，輸出，輸入/輸出或是終端連接埠。例如，用於天線設計的一維TL結構的一個終端作為輸入/輸出連接埠，而其他終端會被Zt阻抗中斷，代表延伸天線基底的Zt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(lump element)Zx(nx,ny),Zy(nx,ny),Y(nx,ny)，所有的終端Ztx(1,ny),Ztx(Nx,ny),Zt(nx,1),Zt(nx,Ny)以及饋送的每個單元為不同質的。即使這樣的結構具有適合某些應用的獨特特性，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Y的CRLH MTM單格。具有不同CR值的結構亦可使用用於不同的應用中。
在二維結構中，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。為了簡單起見，無限大阻抗Ztx與Zty係用於模擬並且對應至沿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與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內的電磁(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x或y方向的邊緣單元其中一者中心之偏移位置時。即使饋送僅延著這些方向之一者，電磁波在x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(1,1)單元且輸出可沿著(2,1)單元。藉由解開傳送矩陣[A,B,C,D]可計算散射係數(scattering coefficient)S11與S12。相同的運算可用於截斷接地面，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。
具有寬頻(BB)、多頻(MB)以及超寬頻(UWB)共振的一維CRLH MTM TL以及天線
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。第6圖顯示顯示第11圖中裝置的等效網路電路類比。由於每個終端的TL耦合，因此ZLin’與ZLout’係分別對應至輸入與輸出負載阻抗。這就是打印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(1)中該RH串聯電感以及並聯電容係由於設置於插線與接地面之間的介電質。在(2)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。
個別內部單元具有對應至串聯阻抗Z與並聯導磁Y的兩共振ω SE 與ω SH 。其值可藉由下列關係式而得：；；；其中且(II－1－2)由於在第6圖中兩個輸入/輸出邊緣單元描述在輸入/輸出連接埠處所消失的兩相鄰MTM單元之間的電容值，因此在第6圖中兩個輸入/輸出邊緣單元不包括CL電容的部分。缺少邊緣單元處的CL部分可避免ω SE 頻率產生共振。因此，只有ω SH 會顯現n＝0的共振頻率。
為了簡化運算分析，我們包含部分的ZLin’與ZLout’串聯電容來補償第8圖中所遺失的CL部分，其中所有的N單元皆具有相同的參數。
第7A圖與第9A圖分別提供了代表第6圖與第8圖中不具有負載阻抗之電路的2－連接埠網路矩陣。當TL設計用於天線時，第7B圖與第9B圖提供適用於第6圖與第8圖的類比天線電路。此矩陣表示法相同於方程式II－1－1，第9A圖係顯示下列關係釋： 由於從Vin與Vout端看來第8圖中的CRLH電路為對稱電路，因此假設AN＝DN。參數GR為對應至輻射電阻的結構，且ZT為終端阻抗。基本上，終端阻抗ZT為第7A圖中具有額外2CL串聯電容之結構的期望終端。ZLin’與ZLout’也是一樣，其表示法如下：
由於參數GR係藉由建構天線或是以HFSS模擬而得到，因此難以與天線結構結合而將此設計最佳化。因此，較佳為採用TL逼近法，並接著透過不同的終端ZT來模擬對應的天線。方程式II－1－2的表示法亦可用於第6圖中具有修正值AN’,BN’與CN’的電路，上述修正值代表兩個邊緣單元處的目標CL部分。
一維CRLH MTM結構中的頻帶
頻帶係藉由將N個CRLH單元結構與nπ 傳遞相位長度進行共振而得的散頻方程式來決定，其中n＝0,±1,±2,…,±N。每個N CRLH單元係由方程式II－1－2中的Z與Y來表示，其不同於第6圖中所示的結構，其中末端的單元中沒有CL。因此會假設與這兩個結構有關的共振是不同的。然而，擴充運算係顯示除了n＝0之外所有的共振皆為相同的，其中ω SE 與ω SH 皆會在第一結構中產生共振，而在第二結構中只有ω SH 會產生共振(如第6圖所示)。正相位偏移(n>0)係對應至RH區域共振，且負值(n<0)係與LH區域有關聯。
在方程式II－1－2中係定義N個具有Z與Y參數之相同單元的散頻關係，關係式如下： 其中從方程式II－1－2中可取得Z與Y，AN 係從N個相同線性串接CRLH電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n＝2m的共振係分別與AN ＝－1與AN ＝1有關。由於第6圖與第7A圖中的AN’不具有位於末端單元的CL，因此n＝0模式僅於ω 0 ＝ω SH 處產生共振，且不論單元的數量為何皆不會於ω SE 與ω SH 處產生共振。對表1中所指定不同的χ 而言，下列方程式係給定較高的頻率：對n>0來說，
表1係提供當N＝1,2,3與4時的χ 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| n |>0。再者，接近n＝0的共振具有小的χ 值(接近χ 的下限0)，其中較高的共振傾向於到達χ 的上限4(如方程式II－1－5)。
在第12圖中係提供當ω SE ＝ω SH 平衡(第10圖)以及ω SH ≠ω SH 未平衡(第1圖)的情況時，散頻曲線β 作為ω 函式的示意圖。在之後的例子中，min(ω SE ,ω SH )與max(ω SE ,ω SH )之間具有頻率間隙。當共振方程式II－1－6中的χ 到達其上限χ ＝4時可以得到有限頻率ω min 以及ω max 之值，方程式如下： (方程式II－1－7)
第10圖與第11圖係顯示沿著貝塔曲線(beta curve)的共振位置。第10圖顯示當LR CL＝LL CR時平衡的例子，而第11圖顯示當LH與RH區域之間距有間隙時之未平衡的例子。在RH區域(n>0)中，結構尺寸l＝Np，其中p為單元尺寸，會隨著頻率的減少而增加。與LH區域相比，較小的Np值會產生較低的頻率，因此會降低單元的尺寸。β 曲線顯示出圍繞這些共振頻率的特徵。例如，由於β 曲線在LH區域幾乎是平的，很明顯的LH共振受到窄頻帶的影響。由於β 曲線在RH區域中比較陡，因此在RH區域中的頻帶應該比較高。
狀態1：1st BB狀態接近ω ＝ω res ＝ω 0 ,ω ±1 ,ω ±2 ...其中p＝單元尺寸(方程式II－1－8)其中在方程式II－1－5中已給定了χ 且在方程式II－1－2中定義了ω R 。根據方程式II－1－5中的散頻關係可以發現共振發生於| AN |＝1時，因而導致方程式II－1－8中1st BB狀態(狀態1)的分母為零。AN為N個相同單元(參照第8圖以及第9A圖)之第一傳輸矩陣項目。計算顯示狀態1的確與N無關並且可藉由方程式II－1－8的第二個式子取得。分子與共振處之χ 係定義於表1中，其定義了散頻曲線的斜率以及可能的頻寬。當BW超過4%時，目標結構為最大尺寸Np ＝λ /40。對具有小單元尺寸p的結構來說，由於n<0的共振發生於χ 值接近4時(另一種說法為(1－χ /4→0))，方程式II－1－8清楚的顯示高ω R 值滿足狀態1，也就是低CR與LR值。
在一維CRLH MTM傳輸線與天線中的阻抗匹配
如上所述，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(footprint)。在此，”阻抗匹配”這個術語代表在單邊饋送(single side feed)(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Zin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，Zin與N沒有關聯：，其只具有正的實質 (方程式II－1－9)B1/C1大於零的原因是因為在方程式II－1－5中的|AN |1會導致下列阻抗狀態： 為了維持固定匹配，因此2 ed BB狀態係過用於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II－1－4中所描述的部分CL串聯電容。
狀態2：2ndBB狀態：接近共振，(方程式II－1－10)
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>0所取得之值相比，所選取匹配值較接近從n<0所取得之值。
在此應用中一維與二維CRLH 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。
具有截斷接地電極之CRLH MTM天線
在CRLH MTM結構中，可降低並聯電容CR以增加LH共振頻寬。如方程式II－1－8中所描述，降低並聯電容CR會導致較陡貝塔曲線之較高的ω R 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裝置時可使用這三種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MTM結構。
在第2、3以及5圖的設計中係使用一導電層來覆蓋作為全接地電極之MTM裝置基底的整個表面。具有圖案可暴露基底表面的至少一部分之截斷接地電極可用來將接地電極的尺寸降低至小於全基底表面，以增加共振頻寬並且調整共振頻率。第12圖以及第14圖中的截斷接地電極設計為兩個例子，其中基底之接地電極側上MTM單元之覆蓋區中之接地電極數量會被降低，且條紋線係藉由MTM單元來連接單元，以維持該MTM單元覆蓋區外側的接地電極。此截斷接地電極的方法可用於各種不同的設定，以達成寬頻共振。
例如，CRLH 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，以及至少一接電導電線連接於每個單元接地電極與主要接地電極之間。該裝置可包括設置於第一表面並且電容耦合至單元導電接線之一者的饋線，以提供該裝置的輸入與輸出。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介質橫截面區域並且社制該介質下方使其藉由該接地線連接至主要接地面。在其他實施例中，單元接地電極係等於或大於單元導電接線。
第12圖顯示截斷接地面的例子，其中接地面的維度小於沿著該上單元接線下方的一個方向之上接線。接地導電層包括條紋線1210，其連接至至少部分單格之導電介質連接器，並且通過該單格部分之導電接線下方。條紋線1210的寬度小於每個單格之導電路徑的尺寸。使用截斷接地面來實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厚度很小且無法降低上插線區域。當下接地面被截斷時，其他來自金屬化條紋的電感器Lp(第13圖)係將介質連接至主要接地面(如第14A圖所示)。
第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，接地導電層包括一般接地導電區1401以及條紋線1410，條紋線1410的第一末端係連接至一般接地導電區1401，條紋線1410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。共振係遵照方程式II－1－6中的式子以及下表： 方程式II－1－12中的阻抗方程式顯示兩共振ω 與ω '分別具有低阻抗與高阻抗。因此容易調整近ω 共振。
在第二種方法的例子中，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。
在一些實施例中，以CRLH MTM結構為基礎的天線可包括設置於上層上方的50歐姆的共平面波導(coplanae 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質，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。
逾2007年4月27號所申請之美國專利申請第11/741,674號”超穎材料結構之天線、裝置以及系統”中說明了CRLH MTM結構的不同特徵與設計(其公開為美國專利第＿＿＿號)。美國專利申請第11/741,674號中中所揭露的部分係作為本發明的參考文件。
第16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1621,1622,1623與1624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1644彼此隔開。CRLH MTM單元1621,1622,1623與1624係電容耦合而形成天線。在單元陣列的一端，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1601的上表面，並且藉由間隙1650與沿著y方向的第一單元1621隔開。饋線1620係電容耦合至單元1621。在陣列的另一端，電容調節單元1630係形成於基底1601中以包含金屬接線1631，並且電容耦合至單元1624以電性地中斷該陣列。下接地電極1610係形成於基底1601的下表面上，並且將其圖案化為包括不會與單元1621－1624重疊的主要接地電極區域，且接地條紋線1612係細長的沿著並平行y方向，以與單元1621－1624的線性陣列覆蓋區以及電容調節單元1630之金屬插線1631部分重疊。沿著x方向的接地條紋線1612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容CR。因此，可達到較高的共振頻率ω R 。
第17A、17B、17C與17D圖係顯示第16圖中天線設計的詳細示意圖。每個單格包括三個金屬層：設置於基底1601底部之一般接地條紋線1612，形成於基底1601上方的上單元金屬接線1641，以及形成於接近基底1601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1643。單元介質1642係形成於上單元金屬插線1641中央已將上單元金屬插線1641連接至接地條紋線1612。單元介質1642係與電容耦合元件1630隔開。參照第17B圖，三個電容耦合金屬插線1643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1643係藉由間隙彼此隔開，間隙足以使單元介質1642在不與單元介質1642接觸的情況下通過。
電容耦合元件1630包括金屬插線1631以及介質1642。插線1631至少與該單元1624之上單元金屬插線1641的覆蓋區有部分重疊。與金屬插線1643不同的是，他和單元介質1642沒有直接的接觸，而介質1632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1624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1624之上單元金屬插線1643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1620以及上單元金屬插線1621－1624。間隙1650與1644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圖顯示設置於單元1621－1624之覆蓋區外部的下接地電極1610，以及連接至下接地電極1610的接地條紋線1612。在第17B圖中的電容耦合金屬插線1643和電容調節單元1630之金屬插線1631位於相同的金屬層中。另外，金屬插線1631可與耦合金屬插線1643位於不同層中。
因此，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1643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之間間隙的下方來達成高C_L值。饋線1620係藉由間隙1650電容耦合至MTM結構，並且可將該間隙1650調整為最佳匹配。電容調節元件1630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)。
可以從範圍材料中來選取適用於基底1601的介電材料，該範圍材料包括來自Roger公司的材料，叫做”RT/Duroid”。在本發明一實施例中，基底的厚度可以為3.14mm且MTM天線元件的整體尺寸的寬度可以為8mm，長度可以為18mm，且高度可以為3.14mm(如基底厚度的設定)。單位CRLH單元的上插線1641在x方向可以為8mm寬，在y方向可以為4mm長，且兩相鄰單元間距有0.1mm的單元間間隙。藉由使用MIM插線(可以為8mm寬與2.8mm長與兩插線中心等距且高度小於5密耳(mil))可提升相鄰單元間的耦合。饋線係耦接至與第一單格邊緣具有0.1mm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17圖的設計使用全波HFSS模擬天線的特性。第18圖顯示第17圖中用於HFSS模擬之對稱裝置一半的模組，且第19A－19E圖係顯示模擬結果。
第19A圖顯示天線的回波耗損(return loss)S11。具有小於10dB等級之S11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150MHz(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30%之相對頻寬的6GHz。
第19B圖與第19C圖顯示位於xz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模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。這樣的曲線圖可用來判斷共振的位置及其頻寬。第19D圖顯示藉由改變饋線寬度而取得之天線的回波耗損。第19E圖顯示藉由改變終端電阻的高度(例如金屬插線1631與上單元金屬插線1641之間的距離)所取得天線之回波耗損來調整該天線。該模擬建議藉由調整終端電阻的寬度或是距離對天線共振與頻寬會有顯著的效果。因此，可單獨使用參數或是合併使用兩個參數以於設計相位期間調整天線的共振頻率與頻寬，使其達到期望或最佳效能。
第20圖與第21A－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圖中具有不同單元數量以及不同單元維度的陣列具有相同的設計。在第20圖中，MTM結構的整體維度為15 mm*10 mm*3.14 mm。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2021－2023係使用連接至饋線2020並且符合單元2021－2023寬度的發射墊2060，使得饋線2020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1630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22A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>0一側。接下來的參數係用於在HFSS模擬中第22A圖的模組。單位CRLH單元之上插線具有10mm寬(x方向)與5mm長(y方向)，且兩相鄰單元間距有0.1mm的間隙。藉由使用MIM插線(10mm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0.05mm間隙的上10mm*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0.8mm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疊。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10mm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)，S11參數會有明顯的變化。較強的耦合至已降低的接地面會造成大頻寬。
第22G圖顯示對第22A圖中的天線模組來說位於2.5GHz處的天線輻射圖案。除了小接地尺寸，天線輻射圖案具有與延伸超過接地面之輻射元件相關的相同期望類偶極特徵。
第23圖顯示由3*3 MTM單元之二維陣列所形成天線的例子。介電基底2301係用來支援該MTM單元陣列。第24A、24B、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2300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MTM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 MTM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MTM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MTM單元2300的中心對齊，使得每個群組條紋線2312與三個不同行的MTM單元之單元介質212直接接觸。在此設計中，接地電極2310區域會被降低，且圍繞MTM單元陣列之輻射部分以及所有MTM單元2300係連接至一般接地電極2310。
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MTM結構。窄金屬條紋2312仍維持在結構的下方，以將單元介質212連接至與所有MTM單元2300共用的接地電極2310。
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0.25mm並且具有介電常數10.2，且下基底的厚度可以為3.048mm並且具有介電常數3.48。三金屬化層(上單元金屬插線211，中間電容耦合金屬插線350以及下接地電極2310)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(MIM)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耦合。單位CRLH單元的上插線的寬度為4mm(x方向)，長度為4mm(y方向)，且兩相鄰單元之間具有0.2mm的間隙。饋線係耦接至與第一單格之邊緣具有0.1mm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0.34mm並且設置於上插線的中心。位於中間的MIM插線對上插線旋轉45度且其尺寸為3.82mm*3.82mm。
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的模擬結果。調查與接地截斷尺寸有關之天線共振與頻寬的特徵。從這些模擬所取得的天線回波耗損結果證明第23圖中的接地電極設計為操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25A圖所示之3*3 MTM單元陣列的四側。當接地截斷僅比MTM單元陣列結構大0.5mm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3mm,5.5mm以及8mm的設計來說，共振位移接近較高的頻率(~2.70GHz)且共振頻寬增加約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＝－1,2.4GHz的共振，其為許多無線通訊應用的感興趣頻率，特別是802.11b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1%，並因而在用於需要較寬頻寬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HFSS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。在分散式CRLH MTM結構中具有純LH、純RH以及混合模式。當混合模式為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三種模式的多模式CRLH MTM結構，以覆蓋寬範圍的共振操作頻率。
在第26圖中，每個單格2600的尺寸為6 mm*18 mm*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。該基底為100mm長、70mm寬以及1.57mm厚。介質2602係設置於中心並且將上插線連接至下全接地面。饋線2620係連接至具有0.1mm間隙之第一單格。對上述特定結構執行HFSS模擬以取得饋線的S21與S11參數，並且估測等效電路元件CL,LL,CR,LR值。從HFSS模擬以及理論可取得S1l的結果。關於RH模式，理論與模擬結果相當一致。對LH側來說，理論結果顯示輕微的偏移至較低頻率(這是正常的現象)，使得LH參數難以估計。混合模式係顯示於HFSS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TL設計之兩單元MTM線性陣列的多模式天線。第29A圖與第29B圖顯示此天線的HFSS模擬。天線的回波耗損一致顯示兩LH模式(n＝0與n＝－1)的存在，且兩混合模式相當接近LH副本。從圖中可看出n＝0的LH共振顯示BW>1%，其可藉由較佳的匹配而增加至50歐姆。與不同的CRLH參數進行模擬的模擬結果建議較接近的LH共振出現於混合模式(其頻寬也變得比較寬)。此結構與在平衡CRLH MTM結構中較寬的共振類似。因此，藉由操作LH,RH以及混合模式的位置可建立通用(versatile)多模式天線。藉由TE模式截斷頻率判斷混合模式的位置為零階。
對天線應用使用混合模式的其他優點為，對小天線來說，RH共振出現於高頻率(其未使用於無線通訊)。在這樣的應用中混合模式是可取得的。同樣的，由於導體耗損(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3040與3050之介電基底3001上。在此天線中所形成的兩個MTM單格3021與3022具有相同的單元結構。單格3021為主動天線單元且其上單元金屬插線係連接至饋線3037，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3040與3050。如此，單個3022不具有輻射並且操作為寄生MTM單元。
第31A圖與第31B圖分別顯示基底3001兩側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。每個單格包括設置於基底3001上表面之單元金屬插線3031，設置於基底3001下表面的接地電極接墊3033，以及穿透基底3001使接地墊3033連接至上單元插線3031的單元介質3032。接地電極條紋線3034係形成於下表面，以將接墊3033連接至單元3022與3021覆蓋區外部的下接地電極3050。上發射墊3036係形成於上表面以藉由間隙3035與上單元金屬插線3031電容耦合。所形成的上饋線3037係將寄生單格3022之上發射墊3036連接至上接地電極3040。與單格3022不同的是，共平面波導(CPW)3030係形成於上接地電極3040中以連接至適用於主動單格3021之上饋線3037。如第30圖與第31A圖所示，CPW 3030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3034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。因此，主動單格3021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1.6mm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5mm寬(x方向)與5mm長(y方向)。饋線為長3mm且寬0.3mm的條紋，其藉由長5mm寬3.5mm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0.1mm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0.25mm並且設置於上插線的中心。
寄生元件3022係沿著所選取方向增加主動元件3021的最大增益。第32A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(omni－directional)圖案。可以將主動與寄生元件之間的距離設計為用來控制主動天線單元的輻射圖案，以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MTM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。選取發射墊2036的尺寸以及單元金屬插線3031可達到期望天線效能特性。例如，第32A圖中寄生元件的發墊長度從3.5mm降低至2.5mm，且單元金屬插線的長度係從5mm增加至6mm，主動元件的回波耗損被改變以提供較寬的操作頻帶(如第32圖所示在S11＝－10Db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元件的天線。結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寄生元件包含於一天線中。在這樣的設計中，相對於單一主動元件，可藉由控制多寄生元件的位置與間隔來操控合量天線輻射圖案。在其他設計中，天線可包括至少兩個主動MTM天線元件以及多個寄生元件。主動MTM元件的結構可與寄生MTM元件相同或不同。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。
MTM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，用於行動通訊裝置(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。
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3301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傳送器天線單元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1,3與2。從這三個連接埠1,2與3分別可取得S11,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之間的信號耦合量測S12與S31。這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 3030，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3340以及尺寸小於上單元金屬插線之接地墊3350包含於其中。接地墊3350可具有大於介質3340之橫截面的區域。在其他實施例中，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被設定為瘦長的矩形，該矩形係沿著正交於CPW 3030與傳送天線單元3323的瘦長方向，傳送天線單元3323係設置於兩接收器天線單元3321與3322之間，並且被設定為瘦長的矩形，該矩形係沿著CPW3030的瘦長方向。參照第33B圖與第33D圖，每個接地條紋線3351包括所連接的螺旋條紋圖案以及至少環繞每個接地墊3350的一部分，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3321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3323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1.7GHz(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MTM用戶卡。三個MTM天線單元係沿著寬度為45mm之PCMCIA卡設置，其中中間天線單元與傳送器在頻帶1710MHz與1755MHz內共振，且兩接收器側天線的共振頻率為2110MHz與2155MHz之間，適用於行動通訊之先進無線服務(advanced wiewless service,AWS)系統，以提供資料服務、影音服務以及訊息服務。藉由裁切發射墊(例如其寬度)可達到50歐姆的阻抗匹配。天線單元係根據下列規格而設定。具有厚度1.1mm的FR4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兩0.3mm寬的直線以及半徑為0.5mm的3/4圓所構成。由於中間天線具有較長的下接地線，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06mm之整個圓所構成，並且與接地墊中心距離0.6mm。
第34A圖與第34B圖顯示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。2.1GHz與1.7GHz天線之間的隔離係顯著的小於－25dB，即使相鄰TX與RX天線之間的間隔小於1.5mm(約為λ /95)。當兩RX天線單元2.1GHz天線的間距小於3mm(也就是小於λ /45)時，兩者之間的隔離係小於－10dB。
第34C圖與第34D－F圖分別顯示在2.1GHz頻帶中的效能與輻射圖案。效能係大於50%，並且可於1.8GHz處取得峰值增益。透過這些條件可評估天線單元3323具有緊密的天線結構，其尺寸為λ /20(長)*λ /35(寬)*λ /120(深)。
第34G圖與第34H－J圖係分別顯示在1.71GHz頻帶中的效能與輻射圖案。效能達到50%，並且可於1.6GHz處取得峰值增益。透過這些條件可評估天線單元3323具有緊密的天線結構，其尺寸為λ /17(長)*λ /35(寬)*λ /160(深)。
一些應用(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36A、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3501與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3501與3502之間的中間接地電極3542，以及設置於基底3502下方的下接地電極接墊3543。接地電極3451與3452為裝置的兩個主要接地面。每個下接地電極接墊3543係與MTM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。
MTM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3502下方。每個天線單元包括設置於基底3501上表面的上單元插線3551，延伸於基底3501上表面與基底3502下表面之間並且與上單元插線3551接觸的單元介質3552，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3501中的第一介質以及下基底3502中分開的第二介質，兩者在基底3501與3502之間的介面處相互連接。下接地條紋3554係形成於基底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3543係藉由導電中間下介質3620而連接在一起，從第36A圖的上層可以看見中間下介質3620。適用於上接地電極3541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 3030。所形成的饋線3510係用來將CPW 3030連接至設置於第一MTM單元3531旁的發射墊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地面下方，以降低共振頻率。
在本發明實施例中，上基底3501為0.787mm厚且下基底3502為1.574mm厚。基底3501與3502可從具有不同介電常數值的介電材料所形成。單位CRLH MTM單元的上插線為2.5mm寬(y方向)且4mm長(x方向)，且兩相鄰單元之間距有0.1mm的間隙。饋線係耦接至與第一單格之邊緣具有0.1mm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3.85mm以降低共振頻率，且長度1.574mm與直徑為12mil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。圖中亦顯示適用於信號頻率為2.22GHz,2.8GHz,3.77GHz以及6.27GHz之裝置中每個天線信號的電場分佈。由於頻率隨著沿著結構降低的波導而減少，因此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。
具有較佳磁導結構之CRLH MTM天線
上述CRLH MTM結構設計係以使用完全電導(perfect electric conductor,PEC)作為基底之一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_R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。PMC結構具有PMC特性涵蓋很大的頻率範圍。Sievenpiper於1999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”中說明了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結構的組合為基礎。可以將MTM天線設計為以PMC平面來代替MTM結構下方的PEC平面。初始的調查係根據HFSS模組來證實這樣的設計可提供比具有金屬接地面之MTM天線(不論是一維或二維配置)更大的頻寬。因此，MTM天線可包括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之介電基底，形成於第一表面上的至少一單元導電插線，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CRLH MTM單元的導電介質連接器。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MTM單元陣列的實施例。第一基底3801係用來支援陣列中的CRLH MTM單格3800。兩相鄰單元3800間隔一單元間間隙3840，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結構係用於第一基底3801的下表面，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格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與單格之間的電容耦合。第39A、39B、39C與39D圖分別顯示第38圖之設計的詳細示意圖。電容耦合金屬插線3920層可形成於上單元電極插線3910下方，並且設置於單元間間隙3849下以形成MIM電容。發射墊3820可形成於具有電容耦合金屬插線3920的同一層。
第40圖顯示用於第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4001，其中兩相鄰單元插線間具有單元間隙4003。全接地電極層4030係形成於基底4020之其他側以及下側。單元介質4002係形成於基底4020，以將每個金屬單元插線4001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3810)。可以將第40圖中的PMC結構堆疊至基底3801，使得具有金屬單元插線陣列的上表面與基底3801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。
全HFSS模組可以第圖以及第23圖中的二維MTM天線設計為基礎，以PMC表面來取代接地電極。對第38圖中的MTM天線執行HFSS模擬。用於HFSS模擬的天線係使用固定於彼此上方的基底。上表面為0.25mm厚並且具有高介電常數10.2。下基底為3.048mm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第一中心單元與饋線之間的電容耦合。單位CRLH單元的上插線為4mm寬(x方向)與4mm長(y方向)，且相鄰單元之間距有0.2mm的間隙。饋線係耦接至與第一單格邊緣距離0.1mm間隙的天線。連接所有具有下單元接地面之上插線的介質的直徑為0.34mm並且設置於上插線的中心。MIM插線係對上插線旋轉45度，且其尺寸為2.48mm*2.48mm。
第41A圖與第41B圖顯示HFSS模擬之天線的回波耗損以及天線輻射圖案。天線的頻寬係從2.38GHz延伸至5.90GHz，其覆蓋無限通訊應用(例如WLAN 802.11 a,b,g,n,WiMax,BlueTooth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PMC表面之MTM結構中所取得的頻寬明顯的增加。另外，具有類插線輻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CRLH MTM結構中不同元件(例如上單元金屬插線以及發射墊)的電極邊緣為直線。第42圖顯示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(low－temperature co－fired ceramic,LTCC)設計以及製造技術達成系統封裝(system on package,SOP)概念的槓桿作用(leverage)。多層MTM結構的設計係適用於使用具有高介電常數ε 材料的LTCC製程。這種材料的一個實例為具有ε ＝7.8以及0.0004之耗損正切的DuPont 951。較高的ε 值可更進一步導致尺寸的微型化。因此，上述所有使用ε ＝4.4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LTCC，以遵從比LTCC更高的介電常數基底。使用GaAs基底與薄聚醯胺(polyamide)層的單晶片微波IC(monolithic microwave IC,MMIC)也可用來降低印刷至RF晶片的MTM設計。將原本FR4或Roger基底上的MTM設計調整為遵守LTCC與MMIC基底/層的介電常數與厚度。
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內，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。
200、300．．．CRLH MTM裝置
201、401、411、1601、2601、3001、3301、3801．．．基底
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
400．．．天線陣列
410．．．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
1612、2312．．．接地條紋線
1620、2340、2610、2620、3037、3822．．．上饋線
1630、2030．．．電容調節元件
1631．．．金屬插線
1632、3340．．．介質
1641、3031．．．上單元金屬插線
1642、2602、3032、3552、3812、4002．．．單元介質
1643、3920．．．電容耦合金屬插線
1644、2640、3840．．．單元間間隙
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
3034．．．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
3351．．．接地線
3501．．．上基底
3502．．．下基底
3542．．．中間接地電極
3543．．．中間接地電極接墊
3551．．．上單元插線
3553．．．下接地墊
3554．．．下接地條紋
3620．．．中間下介質
3810．．．PMC表面
4010．．．介電表面
4020．．．介電基底
4030．．．接地電極層
4001．．．金屬單元插線
第1圖顯示CRLH超穎材料的散頻示意圖。
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結構中天線元件的示意圖。
第5圖顯示具有四單格之CRLH MTM傳輸線的示意圖。
第6,7A,7B,8,9A以及9B圖顯示在不同的情況下(不論是傳輸線模式或是天線模式)，第5圖裝置的等效電路。
第10圖與第11圖顯示在第5圖的裝置中沿著貝塔曲線的共振位置之示意圖。
第12圖與第13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示意圖。
第14圖與第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電層設計為基礎之CRLH MTM天線設計以及根據模擬與量測所得到的個別效能特徵。
第38,39A,39B,39C以及39D圖顯示具有全磁導(PMC)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裝置中對應的發射墊之示意圖。
200．．．CRLH MTM裝置
201．．．介電基底
202．．．下接地導電層
211．．．單元導電插線
212．．．單元導電介質
220．．．單元間隙
230．．．上導電饋線

Claims (22)

  1. 一種天線裝置，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表面；一單元導電插線，形成於上述第一表面；一單元接地導電電極，形成於上述第二表面，並且設置於藉由上述單元導電插線投射之上述第二表面的一覆蓋區；一主要接地電極，形成於上述第二表面，並且與上述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，形成於上述第一表面，並且具有接近且電磁耦合至上述單元導電插線的一末端，以將一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上述天線信號；以及一導電條紋線，形成於上述第二表面，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(CRLH)超穎材料結構；其中上述主要接地電極係形成於上述第二表面，並且係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，其中上述主要接地電極係完全地位於上述覆蓋 區之外部。
  2. 如申請專利範圍第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狀態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。
  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，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饋線，或是將上述導電饋線指向上述天線信號。
  7. 如申請專利範圍第6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，並且電磁耦接至上述第一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：一第二單元導電插線，形成於上述第一表面並且電磁耦合至上述第二共平面波導，上述第二共平面波導係將一第二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，形成於上述第二表面，並且設置於藉由上述第二單元導電插線所投射之上述第二表面的一覆蓋區；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導電插線連接至上述第二單元接地導電電極；以及一第二導電條紋線，形成於上述第二表面，並且將上述第二單元接地導電電極連接至上述主要接地電極。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之天線裝置，其中：上述單元導電插線以及第二單元導電插線具有不同的尺寸，以使由上述單元導電插線所形成的CRLH超穎材料結構以及由上述第二單元導電插線所形成的第二CRLH超穎材料結構具有不同的共振頻率。
  9. 如申請專利範圍第8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 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CRLH超穎材料結構係形成一傳送天線。
  10. 如申請專利範圍第9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(CRLH)超穎材料結構，並且電磁耦接至上述第一表面上的第三共平面波導以及上述第二表面上的主要接地面，上述第三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磁耦合至上述第三共平面波導，上述第三共平面波導係將一第三天線信號指向上述第三單元導電插線或是將上述第三單元導電插線指向上述第三天線信號；一第三單元接地導電電極，形成於上述第二表面，並且設置於藉由上述第三單元導電插線所投射之上述第二表面的一覆蓋區；一第三單元導電介質連接器，形成於上述第二表面，用以將上述第三單元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，並且將上述第三單元接地導電電極連接至上述主要接地電極。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之天線裝置，其中：由上述第三單元導電插線所形成之上述第三CRLH超 穎材料結構係形成一第二接收天線。
  12. 如申請專利範圍第6項所述之天線裝置，包括：一寄生單元，上述寄生單元係電磁耦合至設置於上述第二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：一寄生單元導電插線，形成於上述第一表面；一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導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，形成於上述基底中，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；一第一寄生導電線，形成於上述第一表面，包括一第一端，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。
  13. 如申請專利範圍第12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。
  14. 一種天線裝置，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； 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；複數單元接地電極，形成於上述第二表面，以部分對應至上述單元導電插線，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一覆蓋區內，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；以及至少一導電條紋線，形成於上述第二表面，以將上述複數單元接地電極連接至上述主要接地電極；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一覆蓋區外部的一電極部分，其中上述電極部分係完全地位於上述覆蓋區之外部。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之天線裝置，其中：上述電極部分被圖案化為包括一孔徑，上述孔徑大於由上述單元導電插線共同投射至第二表面之覆蓋區，上述孔徑的設置係與由上述單元導電插線共同投射之覆蓋區重疊。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之天線裝置，其中：每個單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。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之天線裝置，其中：每個單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四十分之一。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之天線裝置，其中：設置於上述第一表面之上述複數單元導電插線係用來形成一線性陣列，一第一單元導電插線係設置於上述線性陣列的第一端，而一第二單元導電插線係設置於上述線性陣列的第二端，上述裝置包括：一饋線，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。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之天線裝置，其中：上述終端電容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。
  20. 一種天線裝置，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；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，使得上述第二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離，上述第一主要接地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導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；一第二主要接地電極，形成於上述第一與第二基底之間，並且設置於上述第二上表面以及第一下表面；複數單元接地電極，形成於上述第二下表面，以部分對應至上述單元導電插線，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下表面之一覆蓋區內；複數下接地電極，形成於上述第二主要接地電極下方的第二下表面；複數接地導電介質連接器，形成於上述第二基底，分別將上述下接地電極連接至上述第二主要電極； 複數下表面導電條紋線，形成於上述第二下表面，分別將上述複數單元接地電極連接至上述下接地電極；一導電發射墊，形成相鄰於上述選取單元導電插線並且與上述選取單元距離一間隙，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內一目標共振頻率處的共振；以及一導電饋線，連接於上述共平面波導與導電發射墊之間。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之天線裝置，其中：設置於上述第一上表面之複數單元導電插線係用以形成一線性陣列，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。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之天線裝置，包括：一導電插線，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。
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