TWI590523B - 用於天線隔離的超材料 - Google Patents

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Description

用於天線隔離的超材料
本發明係關於藉由使用超材料(metamaterial)以改善天線之間隔離度之技術、係關於超材料本身以及關於包含此類超材料之天線元件。
超材料係一人造材料，被設計具有在本質上無法發現的特性。天然存在的材料表現出由其原子和分子結構所決定之電磁行為。使用超材料，材料之電磁行為可藉由將結構特徵引入材料中而修飾，該結構特微係小於在該材料中傳播之電磁波波長。通常這些特徵具有λ/10至λ/20之尺寸大小。於其最簡單之型式，這些結構特徵係製造在諸如FR4(通常使用於印刷電路板)之介電質基板上之分散電容和電感元件。更複雜的結構係可能的且諸如商業電容之離散元件的使用也已經在研究中。
自天線設計者的角度，潛在最有用的超材料特性之一係具有負折射率結構之工程學。負折射率材料並非天然存在，因為所有天然材料均具有正值之介電常數ε(permittivity)和磁導率μ(permeability)。負折射率材料具有許多有趣的特性，包括繞射之正常幾何規則的改變、都卜勒頻移反轉(reverse of Doppler shift)等等。然而，對無線電和天線工程師而言，通常最有興趣的特性是具有負ε值或者負μ值(非兩者均負)之材料是無法被電磁輻射所穿透。一透明材料之電磁特性係完全由參數ε及μ所確定，但常見的做法是參考由所決定的折射 率n。當n變成負值時，諸如FR4(對微波無線電頻率具半穿透性)之普通介電質基板材料可使無線電波無法穿透。這具有屏蔽保護天線避免來自附近導電表面的干擾和改善天線間隔離度之應用。
負折射率超材料可使用設計成具有一合適的電容值C和電感值L之電氣導電元件陣列而建構在微波頻率上。最早及最普遍使用之元件之一係裂環共振器(Split Ring Resonator,SRR)[Pendry,J B.；AJ Holden,DJ Robbins,and WJ Stewart.“Magnetism from Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena”IEEE Trans.Microwave Theory Tech 47(11)：2075-2084,1999]。每個SRR元件包含兩個以上之同心環，每一同心環具有一裂縫。各個元件之電容係由該等同心環間之緊密間隔所產生且其電感係來自於用以製作同心環之印刷跡線。
以雙L型共振器夾雜件(double L-shaped resonator inclusions)來形成一左手超材料(left-handed metamaterial)係眾所皆知[J.H.Lv,X.W.Hu,M.H.Liu,B.R.Yan and L.H.Kong.：“Negative refraction of a double L-shaped metamaterial”,J.Opt.A：Pure Appl.Opt.11 085101,2009]。於此文獻中，L型共振器係由在FR4基板上之銅線所製成，各個單位胞包含一對互相轉向180度佈置之L型共振器。
從Hsu,C-C等作者[“Design of MIMO Antennas with Strong Isolation for Portable Applications”；IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium,2009,pp 1-4]也可知可以由一周邊軌所環繞之背對背L型導電件來提供一超材料。該超材料可放置在一MIMO天線對之間以改善隔離度。
其他超材料包含那些具有裂環共振器單位胞，例如在Mose,H O等作者[“Electromagnetic metamaterials over the whole THz range-achievements and perspectives”；ELECTROMAGNETIC MATERIALS Proceedings of the Symposium R,ICMAT 2005(World Scientific Publishing Co.)：18]中所敍述的材料。
普遍使用的微波無線電頻率係2.4GHz，其被使用於藍芽連結、無線區域網路(WLAN)等等。在2.4GHz頻率之波長約為120mm，故在陣列中之各個LC元件可預期其尺寸大小通常在6-12mm之等級。
現代無線通訊系統通常利用天線分集(Antenna Diversity)和多輸入多輸出(MIMO,Multiple Input,Multiple Output)天線技術。分集和MIMO系統兩者需要超過一支的天線在相同頻率同時操作，因此天線間之良好的隔離度變得重要。不良的隔離度導致天線效率損耗，因為來自一支天線之能量會終止於另一支天線，而不是被發射出去。不良的隔離度也會導致分集和MIMO效能的損耗，因為天線間之耦合意謂著天線沒有接收到足夠獨立的無線多重路徑環境(radio multipath environment)樣本。
自第一觀點，提供一包含一單位胞陣列之超材料， 該每一單位胞係由至少一導電軌所形成，其中該等單位胞中之至少一個之該至少一導電軌具有與其他單位胞之該至少一導電軌不同的長度或寬度或厚度。
該超材料可包含一形成於一介電質基板上或內之單位胞二維陣列。
於某些實施例中，該超材料可包含一單位胞二維陣列堆疊，每一單位胞二維陣列係形成於一個別介電質基板上或內。該堆疊中之至少一介電質基板可由一具有與該堆疊中之至少另一介電質基板不同的介電常數之材料所製成。如此可有助於改善頻寬，且超材料在該頻寬上係提供兩支以上天線間之隔離度。
超材料可包含一在一介電質基板一第一表面上單位胞第一二維陣列，及在該介電質基板之一相對第二表面上之單位胞第二二維陣列。至少一額外單位胞二維陣列可形成於該第一和第二二維陣列間之該介電質基板內作為一隙間層(interstitial layer)。
至少一二維陣列之各個該等單位胞可由至少一導電軌所形成，該至少一導電軌具有與至少另一二維陣列之該等單位胞之該至少一導電軌不同的長度或寬度或厚度。如此可有助於改善頻寬，且超材料在該頻寬上提供兩支以上天線間之隔離度。
至少一單位胞且通常是每個單位胞可包含至少一被配置成一裂環共振器(split-ring resonator)之導電軌。該裂環共振器可對稱於或非對稱於一鏡像平面。於本說明書中，非對稱代表一不具有垂直於導電軌平面之鏡像對 稱平面之裂環共振器。非對稱佈置比對稱佈置可在更寬的頻寬上提供隔離度。
至少一單位胞可包含第一及第二L型導電件，該等導電件係背對背地設置在一平面且彼此間具一縫隙，該等導電件係由一自該第一L型導電件之一臂延伸至該第二L型導電件之一臂之周邊導電軌所連接，為要實質上環繞位於該平面之該二L型導電件。
較佳地，該等L型導電件、裂環共振器和/或周邊導電軌係形成於一介電質基板上，例如諸如Duroid®或FR4之印刷電路板上，或者諸如使用在柔性電路之可撓式塑膠基板(flexible plastics substrate)。於某些實施例中，該等L型導電件、裂環共振器和/或周邊導電軌可以膠帶之型式被印刷或形成於介電質基板上，若需要的話，可接著被黏貼在印刷電路基板上。
於某些實施例中，周邊導電軌之輪廓通常係長方形。另外，圓形、橢圓形、卵形或多邊形輪廓通常也可使用。
一縫隙可被定義在相對應於在該等背對背L型導電件間之該縫隙之周邊導電軌中。換言之，該周邊導電軌可在兩L型件之間分開。
另外的方式，該周邊導電軌係非在該等L型件之間分開，而係形成一連續周邊。
元件之陣列可配置成一具有通常為二維配置之n×m陣列。另外方式，元件之陣列可配置成一具有通常為三維配置之1×n×m陣列。於更進一步之實施例中，若干超 材料層可互相堆疊在彼此的頂部，各層具有相同或不同的二維元件陣列在該層上面形成。
任何給定陣列中之元件通常具有相同的形狀和尺寸。另外，任何給定陣列中一個以上之元件可具有稍微相異的尺寸或形狀，為要使該等元件可在稍微相異頻率上產生共振。可選擇地或額外地，在至少一元件中之眾L型導電件之一可以和其他的L型導電件具有不同的尺寸和/或形狀。這些佈置可有助於改善頻寬。
每個元件陣列未必是一填滿陣列。實際上，一個或多個元件可從一陣列中移除，且如此已被發現可以在跨越一更寬頻寬上改善隔離的程度。此外，是可能藉由改變一個以上之元件位置來提供一定程度的微調，在該位置係可經由不填滿陣列而獲得空間。例如，一沒有完全填滿陣列可包含一具有兩元件之左側欄、一具有兩元件之右側欄及一僅其一元件之中間欄。藉由將中間欄內的元件往上或往下移動，超材料之頻寬可依需要而微調。
超材料可使用於改善兩支以上天線間之隔離度。這對於使用天線分集或MIMO技術之天線系統特別有利，因為這些係使用同時操作於小空間內之多支天線。
自第二觀點，本發明提供一種包含至少二設置於一基板之天線及設置在該至少二天線間如第一觀點之超材料之一部分之天線系統。
也有可能使用一包含一介電質基板之超材料，該介電質基板具有第一和第二相對之表面，具有一形成在該第一表面上之第一元件圖樣和一形成在該第二表面上之 第二元件圖樣。第一及第二元件圖樣可被調整至相異的頻率或頻帶，且該雙表面超材料當被設置在一對雙頻天線之間時，能夠在雙頻帶上改善天線隔離度。
相似的結果可藉由形成一包含具有一第一元件圖樣之介電質基板之第一超材料、形成一具有一第二元件圖樣之介電質基板之第二超材料，以及接著將該第二超材料放置位於一對天線間之該第一超材料頂部來達成。
此原則可擴展至多層超材料或多表面超材料，以改善在多頻帶中之雙天線間隔離度。
超材料也可使用於改善多支(超過兩支)天線間之隔離度，包含以共平面方式及非共平面之幾何方式設置之多支天線。
於某些實施例中，超材料之導電結構係以印刷或其他方法形成在例如FR4之介電質基板材料之一表面或兩表面上。於其他實施例，該導電結構係以印刷或其他方法形成在例如FR4之介電質基板材料之一隙間層上。將可理解的是也可使用其他普通的印刷電路基板材料，包含Duroid®。也可使用具有相同或相異介電常數之多層介電質基板。
其他低或高介電常數材料(通常在1至90之範圍)也可使用作為超材料之基板。
特定實施例之新穎超材料結構可使用來增加一對緊密排列天線間之隔離度。一些實施例之超材料結構可以是低成本的，因為它可被印刷在一層FR4上，一種通常使用在無線電工業上之低成本基板材料。一些實施例具 有進一步好處是，對於雙頻天線和天線佈置而言，超材料可被設計以改善雙頻帶間之隔離度。這可藉由在第一層上方或下方引入以相異LC元件陣列印刷之額外一層介電質基板來達成。實際上，更多頻帶間之隔離度係可藉由引入更多層來達成。
本發明之實施例係參考所附圖式於下文進一步地敍述。
第1圖顯示兩支共平面2.4/5GHz雙頻四分之一波長單極天線1、2係在印刷電路板3上以普遍平行佈置方式緊密排列，印刷電路板3包含一具有覆蓋著部分基板4之導電接地層5之介電質基板4和一沒有接地層5且為天線1、2所在之區域6。將可理解的是這僅是一示範性佈置，且其他形式天線和其他頻帶可與所給定超材料設計之適當調整之本發明實施例一起使用。於第1圖，印刷電路板3之寬度為20mm且與接地層5隔開之天線區域6之長度為15mm。天線之長低部7通常係負責2.4GHz之發射且凸起部1、2係負責5GHz之發射。天線本身最高部分之高度為3.2mm。
在2.40GHz至2.48GHz之WLAN頻帶間，單極天線1、2僅間隔λ/6且如此在它們之間的隔離度約為-6dB係不足，請參考第2圖。在4.9GHz至5.9GHz之WLAN頻帶間，單極天線1、2係電性上更加地彼此遠離，但即使如此，在隔離度約-8dB之最糟情形下，隔離度仍是不足。
本發明之一實施例之超材料結構係顯示於第3圖。複數個導電LC(電感電容)元件8係被印刷在FR4基板9之單一表面上且不需接地通孔(使用在某些超材料結構)。於圖示實施中，該等元件8係非彼此電氣連接。各元件8之電感係由細窄的導電軌10所產生且電容主要來自於背對背L型元件11之緊密排列。雙L型超材料之使用已敍述於文獻[J.H.Lv,X.W.Hu,M.H.Liu,B.R.Yan and L.H.Kong.：“Negative refraction of a double L-shaped metamaterial”,J.Opt.A：Pure Appl.Opt.11 085101,2009]中，但於文獻中係一L型相對於另一L型倒置，且並非如本發明所敍之背對背方式。已知使用如第3圖所示之未填滿之元件8陣列，其在位置12沒有設置元件8，係具有好處的。已發現移除一元件係可改善頻寬且將剩存的中間元件13(在本範例中)上下移動可用來調整為一特殊應用目的之頻寬。第3圖之超材料結構在約2.4GHz處係提供一良好的電磁隔離度。
另一種超材料設計係顯示於第4圖，且係被調整至5HGz之頻帶。如第3圖實施例之佈置，複數個導電LC元件8’係被印刷在FR4基板9之單一表面上，但於第4圖之實施例中，該等元件8’係彼此電氣連接且佈置成一對緊密間隔欄。其他的佈置方式也是可能的。
為了獲得一實際的雙頻元件，兩相異超材料表面可被組合起來。例如，第4圖實施例之5GHz表面可安裝至第3圖實施例之2.4GHz表面之頂部且適當地對齊或對準第3圖實施例之2.4GHz表面，如第5圖所示，以 提供一雙頻超材料14。
第6圖顯示印刷電路板3上之一對單極天線1、2且印刷電路板3具有設置在該等單極天線1、2間之第5圖之雙頻組合超材料14之完整結構。
將雙頻超材料14裝設在適當位置，天線1、2間之隔離度在雙頻帶上將有所改善，如第7圖所示。在較低頻的2.4GHz頻帶，隔離度具有一很深的空泛點(null)且甚至在頻帶邊緣，其值約為-12dB。這可藉由小心調整超材料14將空泛點精確地移到頻帶中間來加以改善。在高頻的頻帶，在5GHz附近之隔離度約為-20dB。這個缺口可藉由重新調整超材料14被移至4.9GHz到5.9GHz間之任一部分。
雙頻超材料14之下層係一未填滿陣列且在中間欄缺少一元件(見第3圖)。參第8圖，在中間欄移動該元件位置可用來改變在5GHz處之隔離度頻寬而不太會影響在2.4GHz處之隔離度頻率。此效應顯示於第9圖。
於此示範性佈置中，2.4GHz超材料已顯示為一3×2元件陣列，然而5GHz超材料已顯示為一2×3陣列。將可理解的是其他陣列配置係可能具有更多或更少元件。也將可理解的是可以移除超過一個陣列元件以調整隔離度效應之頻寬。
於上述之示範性佈置中，FR4已被使用作為基板材料。許多其他型式之基板材料可被使用，包括低和高介電質材料。通常超材料之有利特性係隨著陣列中之元件數目增加而有所改善。對一給定的平台尺寸，使用高介 電質基板可用來縮小元件尺寸且允許更多的元件使用在陣列中。
上文示範性佈置敍述一包含兩層之雙頻超材料。通常，n-頻帶超材料可使用n層基板加以產生。
雖然兩天線間之隔離已於上文示範性佈置中被敍述，藉由在所有天線對之間適當地設置超材料元件，也可能達成更多天線間之隔離。
上文示範性佈置係敍述兩共平面天線，但所述之超材料也可使用來改善利用其他幾何方式設置之天線間之隔離度。
第10圖顯示一包含在介電質基板9上之裂環共振器8二維陣列之超材料，該介電質基板9含有一個以上具有與其他裂環共振器相異尺寸之裂環共振器。如此有助於在較寬的頻寬上改善隔離度。
第11圖顯示一包含在介電質基板9上之裂環共振器8二維陣列之超材料，該介電質基板9含有一個以上具有與其他裂環共振器相異形狀之裂環共振器。如此有助於在較寬的頻寬上改善隔離度。
第12圖顯示一包含一具有在一介電質基板9一表面上之第一配置之裂環共振器8二維陣列和一具有在該介電質基板9另一表面上之第二相異配置之裂環共振器8’二維陣列之超材料。如此有助於在較寬的頻寬上改善隔離度。
第13圖顯示一包含一具有在一介電質基板9一表面上之第一配置之裂環共振器8二維陣列、一具有在該介 電質基板9另一表面上之第二相異配置之裂環共振器8’二維陣列和一具在該介電質基板9該等表面間之第三相異配置之裂環共振器8”之隙間二維陣列之超材料。如此有助於在較寬的頻寬上改善隔離度。
本說明書中之敍述及申請專利範圍等各處中，字詞”包含”和”包括”及其變化態樣意謂著”含有但不限定於”，且它們並非意圖(且非)去排除其他的部分、添加、元件、總數或步驟。本說明書中之敍述及申請專利範圍等各處中，單數型式係包含複數型式，除非文意另有說明。特別地，當使用不定冠詞時，說明書係被理解為考慮複數和單數，除非文意另有說明。
與本發明之特定觀點、實施例或範例共同敍述之特徵、總數、特性、化合物、化學官能基或基團係被理解為可應用於敍於本文之任何其他觀點、實施例或範例，除非不相容。敍述於本說明書中之所有特徵(包含任何所附圖式、摘要及圖形)，和/或如此敍述之方法或流程之所有步驟係可以任何組合方式加以結合，除了至少一些此類特徵和/或步驟是相互排斥的組合以外。本發明係不受限於任一前述實施例之細節。本發明係延伸至揭示於本說明書之眾特徵(包含任何所附圖式、摘要及圖形)中之任一新穎特徵或任一新穎特徵之結合，或者延伸至如此揭示之方法或流程之眾步驟中之任一新穎步驟或任一新穎步驟之結合。
讀者之注意力係被導向與本發明相關之此說明書同時或預先申請之所有論文和文件，該所有論文和文件係 和本說明書公開給公眾檢驗，且所有這等論文和文件均併入本文作為參考。
1、2‧‧‧單極天線
3‧‧‧印刷電路板
4‧‧‧介電質基板
5‧‧‧接地層
6‧‧‧區域
7‧‧‧長低部
8、8'、8"‧‧‧導電電感電容組件元件
9‧‧‧FR4基板
10‧‧‧導電軌
11‧‧‧背對背L型組件元件
12‧‧‧位置
13‧‧‧中間組件元件
14‧‧‧雙頻超材料
本發明之實施例係參考所附圖式於下文進一步地敍述，其中第1圖係顯示包含一對緊密排列雙頻WLAN天線之習知佈置；第2圖係顯示第1圖佈置之兩支WLAN天線間隔離度之圖形；第3圖係顯示包含一在PCB上之超材料之第一實施例；第4圖係顯示包含一在PCB上之超材料之第二實施例；第5圖係顯示包含一雙頻複合超材料之第三實施例，該超材料包含第3圖實施例之第一層及第4圖實施例之第二層；第6圖係顯示設置於類似第1圖所示之一對WLAN天線間之第5圖超材料；第7圖係顯示第6圖佈置之兩支WLAN天線間隔離度之圖形；第8圖係顯示第5圖實施例之超材料如何藉由移動一層超材料上之中間元件而調整；第9圖係顯示當一層超材料上之中間元件被移動時之第6圖佈置之兩支WLAN天線間隔離度之圖形；第10圖係顯示一包含在一介電質基板上之裂環共 振器之二維陣之超材料，該介電質基板係具有一個以上彼此具有相異尺寸之裂環共振器；第11圖係顯示一包含在一介電質基板上之裂環共振器之二維陣之超材料，該介電質基板係具有一個以上彼此具有相異形狀之裂環共振器；第12圖係顯示一包含一具有在一介電質基板一表面上之第一配置之裂環共振器二維陣列和一具有在該介電質基板另一表面上之第二相異配置之裂環共振器二維陣列之超材料；以及第13圖係顯示一包含一具有在一介電質基板一表面上之第一配置之裂環共振器二維陣列、一具有在該介電質基板另一表面上之第二相異配置之裂環共振器二維陣列和一具在該介電質基板該等表面間之第三相異配置之裂環共振器之隙間二維陣列之超材料。
8‧‧‧導電電感電容元件
9‧‧‧FR4基板
10‧‧‧導電軌
11‧‧‧背對背L型元件
12‧‧‧位置

Claims (18)

  1. 一種包含一單位胞陣列之超材料，該每一單位胞係由至少一導電軌所形成，其中該等單位胞中之至少一個之該至少一導電軌具有與其他單位胞之該至少一導電軌不同的長度或寬度或厚度，其中至少一單位胞包含第一及第二L型導電件，該等導電件係背對背地設置在一平面且彼此間具一縫隙，該等導電件由一自該第一L型導電件之一臂延伸至該第二L型導電件之一臂之周邊導電軌所連接，為要實質上環繞位於該平面之該二L型導電件。
  2. 如申請專利範圍第1項之超材料，包含一形成於一介電質基板上或內之單位胞二維陣列。
  3. 如申請專利範圍第1項之超材料，包含一單位胞二維陣列堆疊，各單位胞二維陣列係形成於一個別介電質基板上或內。
  4. 如申請專利範圍第3項之超材料，其中該堆疊中之至少一介電質基板係由一具有與該堆疊中之至少另一介電質基板不同的介電常數之材料所製成。
  5. 如申請專利範圍第1項之超材料，包含一在一介電質基板之一第一表面上單位胞的第一二維陣列，及在該介電質基板之一相對第二表面上之單位胞的第二二維陣列。
  6. 如申請專利範圍第5項之超材料，進一步包含至少一額外之單位胞二維陣列，該單位胞二維陣列係形成於該第一和第二二維陣列間之該介電質基板內作為一 隙間層。
  7. 如申請專利範圍第3項至第6項任一項之超材料，其中至少一二維陣列之各個該等單位胞係由至少一導電軌所形成，該至少一導電軌具有與至少另一二維陣列之該等單位胞之該至少一導電軌不同的長度或寬度或厚度。
  8. 如申請專利範圍第1項之超材料，其中至少一單位胞包含至少一被配置成一裂環共振器之導電軌。
  9. 如申請專利範圍第1項之超材料，其中各單位胞包含至少一配置成一裂環共振器之導電軌。
  10. 如申請專利範圍第1項之超材料，其中至少一單位胞之該周邊導電軌之輪廓通常係長方形。
  11. 如申請專利範圍第1項之超材料，其中至少一單位胞之該周邊導電軌之輪廓通常係圓形、橢圓形、卵形或多邊形。
  12. 如申請專利範圍第1項、第10項或第11項任一項之超材料，其中對至少一單位胞，一縫隙係被定義在相對應於在該等背對背L型導電件間之該縫隙之該周邊導電軌中。
  13. 如申請專利範圍第1項、第10項或第11項任一項之超材料，其中對至少一單位胞，該周邊導電軌係非在該等L型件之間分開，而係形成一連續周邊。
  14. 如申請專利範圍第1項、第10項或第11項任一項之超材料，其中在該等單位胞中至少一個之該第一和第二L型導電件之尺寸和/或形狀係彼此相異。
  15. 如申請專利範圍第8項或第9項之超材料，其中至少一裂環共振器係非對稱配置。
  16. 如申請專利範圍第1項之超材料，其中一個或多個單位胞具有不同的尺寸或形狀，使得該等單位胞在不同的頻率共振。
  17. 如申請專利範圍第1項之超材料，其中該單位胞陣列係非一填滿陣列，一個或多個元件係已從該單位胞陣列中移除。
  18. 一種包含至少二設置於一基板之天線及設置在該至少二天線間如申請專利範圍第1項至第17項任一項所述超材料之一部分之天線系統。
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