TWI599100B - 可加寬吸收特定頻率波段電磁波之多層結構 - Google Patents

Description

可加寬吸收特定頻率波段電磁波之多層結構

本發明是有關於一種超穎材料結構，特別是指一種可加寬吸收特定頻率波段電磁波之多層結構。

電磁波在多數材料中的傳輸是遵守向量場右手法則(right handed rule)，其中相位加速方向與信號能量傳輸方向一致，而且折射係數為正數。大部分自然界的材料都是遵守向量場右手法則的材料(簡稱RH材料)，而人造材料則可以是RH材料，或是僅支援負折射率且相速方向與信號能量傳播方向相反並遵守向量場左手定則之左手(LH)超穎材料(metamaterails)，又或是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]，此CRLH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。

因此，遂有研究人員將超穎材料應用於天線領域，如2002年，G.Tayeb等人提出「超穎材料小型高增益天線」(Compact directive antennas using metamaterials，12^th International Symposium on Antennas，Nice，12-14 Nov.2002)，揭露一種具有多層金屬網柵之超穎材料天線罩設計，利用電磁能隙技術，在14GHz操作頻段下，能大幅降低微帶天線的半功率束徑寬，具有極高的指向性增益。然而，基於c=f×λ的公式，當應用於操作頻段為3.5GHz-5GHz之WiMAX系統時，由於頻率大幅降低，所以波長大幅增加，天線罩相對應地需 要相當的厚度，天線整體體積增加。另外，此多層金屬網柵係作用於天線輻射場之遠場(far-field)，不但天線結構變大，且實用性也受到限制。

天線領域的業者遂再進一步提出各種改善設計，如中華民國公告第I354400號「天線結構及其天線罩」發明專利案即是一例，請參閱第一圖，該案所揭示之天線結構1包括輻射元件11以及天線罩12，其中，輻射元件11包括輻射主體111、介質元件112以及天線饋入端113，輻射主體111位於介質元件112上，利用天線饋入端113饋入訊號。而天線罩12為超穎材料，其具有三層介電材料，分別為介電材料121、介電材料122及介電材料123，介電材料121、122、123之上表面具有多個分離的單一S形金屬圖形212-218，下表面具有相對應於該些分離的單一S形金屬圖形212-218之多個分離的單一反S形金屬圖形222-228，該等單一S形金屬圖形212-218與該等單一反S形金屬圖形222-228係藉由印刷或蝕刻於介電材料121上。雖然具有結構簡單，以及可採用現有的印刷電路板製程製作而可大幅降低生產成本等優點，但是該等單一S形金屬圖形212-218與該等單一反S形金屬圖形222-228係形成大小相同而方向相反之互相耦合態樣，其天線功能僅單一特定頻率輻射，無法適用於大範圍之頻率波段。

因此，本發明之一目的，即在提供一種可加寬吸收特定頻率波段電磁波之多層結構。

於是，本發明可加寬吸收特定頻率波段電磁波之多層結構，包含至少二介電基片，以及多數天線單元。每一介電基片具有一第一表面與一第二表面，該等介電基片彼此相疊合，且其中一介電基片之該第二表面與另一介電基片之該第一表面相接觸。該等天線單元是由金屬材料所製成，該等天線單元彼此分離且於每一介電基片之該第一表面排成陣列態樣，每一天線單元均呈幾 何圖形狀。該多層結構能加寬吸收的電磁波頻率波段是取決於下列參數之任意組合：該等天線單元的線寬、該等天線單元的面積、該等天線單元間的間距。

本發明之功效在於藉由至少二介電基片彼此相疊合，其中，該多層結構之每一介電基片上之該天線單元的線寬、該等天線單元的面積、該等天線單元間的間距可設置為各層不同。搭配該等天線單元的線寬大小設計，或該等天線單元的面積大小設計，或該等天線單元間的間距大小設計，使得每層介電基片與該等天線單元所構成之多層結構的每一層得以吸收不同之單一特定頻率，藉由多層結構的至少二層結構，同時加強吸收不同特定頻率，達成加寬吸收頻率波段電磁波之功能。

3‧‧‧介電基片

31‧‧‧第一表面

32‧‧‧第二表面

4‧‧‧天線單元

41‧‧‧第一延伸臂

42‧‧‧第二延伸臂

43‧‧‧第三延伸臂

44‧‧‧第四延伸臂

51‧‧‧短箭號

52‧‧‧長箭號

W1‧‧‧線寬

W2‧‧‧距離

W3‧‧‧距離

L1‧‧‧長度

L2‧‧‧長度

D‧‧‧間距

[第一圖]為中華民國公告第I354400號「天線結構及其天線罩」發明專利案之天線結構之示意圖；[第二圖]為一分解圖，說明本發明可加寬吸收特定頻率波段電磁波之多層結構之一實施例；[第三圖]為一示意圖，說明該實施例之其中二個天線單元；[第四圖]為一曲線圖，說明該實施例之該等天線單元的線寬與頻率的關係；[第五圖]為一示意圖，說明該實施例之該等天線單元的面積變化態樣；[第六圖]為一曲線圖，輔助說明第五圖，顯示該實施例之該等天線單元之面積變化與該等介電基片能加強吸收的頻率關係；[第七圖]為一曲線圖，輔助說明第五圖，顯示該實施例之該等天線單元之間距變化與該等介電基片能加強吸收的頻率關係；[第八圖]為一曲線圖，輔助說明第二圖，顯示該實施例中代號SRR-1介電基片之頻率與透射率的關係； [第九圖]為一曲線圖，輔助說明第二圖，顯示該實施例中代號SRR-2介電基片之頻率與透射率的關係；[第十圖]為一曲線圖，輔助說明第二圖，顯示該實施例中代號SRR-3介電基片之頻率與透射率的關係；以及[第十一圖]為一示意圖，說明該實施例於濾除多種干擾頻率，且使特定頻率波段集中穿透的態樣。

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的下述實施例中清楚地呈現。

參閱第二、三圖，為本發明可加寬吸收特定頻率波段電磁波之多層結構之一實施例，包含至少二介電基片3，以及多數天線單元4。在本實施例中，介電基片3的數量是以三個做說明，但不應以此為限。另外，在本實施例中，介電基片3是由聚醯亞胺(Polyimide，簡稱PI)做為製作材料說明。每一介電基片3具有一第一表面31與一第二表面32(見於第十一圖)，該等介電基片3彼此相疊合黏接，且其中一介電基片3之第二表面32與另一介電基片3之第一表面31相接觸。另外，該等天線單元4是由金屬材料所製成，在本實施例中，是以奈米銀做為製作材料說明。該等天線單元4彼此分離且於每一介電基片3之第一表面31排成陣列態樣，每一天線單元4均呈幾何圖形狀，在本實施例中，每一天線單元4的幾何態樣為具有一第一延伸臂41、二分別連接於該第一延伸臂41二端且彼此相平行之第二延伸臂42、二分別連接於各該第二延伸臂42二端且朝相對方向延伸之第三延伸臂43，以及二分別連接於各該第二延伸臂42二端且朝遠離各該第二延伸臂42方向平行延伸之第四延伸臂44，其中，定義每一天線單元4之該第一延伸臂41、該等第二延伸臂42、該等第三延伸臂43，及該等第四延伸臂44的線寬均為W1，該等第二延伸臂42的長度及該第一延伸臂41的長度 均為L1，該等第四延伸臂44之間的間距為W1，該等第二延伸臂42之間的距離為W2，二相鄰天線單元4間的間距為D，每一天線單元4的面積為其中第二延伸臂42的長度L1乘以該第一延伸臂41的長度L1。

該多層結構能加寬吸收的電磁波頻率波段是取決於下列參數之任意組合：該等天線單元4的線寬、該等天線單元4的面積、該等天線單元4間的間距。進一步以實驗例說明如下：

實驗例一，比較說明每一天線單元4之線寬變化與該等介電基片3能加強吸收的特定頻率關係：

參閱第二、三、四圖，假設每一天線單元4之該第一延伸臂41、該等第二延伸臂42、該等第三延伸臂43，及該等第四延伸臂44之線寬W1為0.5、0.6、及0.7mm時，經頻率量測後，發現該等介電基片3能加強吸收的頻率分別為5.8、6.3、7.8GHz，亦即線寬W1為0.5mm時，可加強吸收的頻率為5.8GHz，線寬W1為0.6mm時，可加強吸收的頻率為6.3GHz，線寬W1為0.7mm時，可加強吸收的頻率為7.8GHz。換言之，天線單元4之線寬W1如果增加，其加強吸收的頻率將會提高。

實驗例二，以三個不同面積變化之天線單元4的對照組1-3，比較說明與該等介電基片3能加強吸收的頻率關係：

參閱第五、六圖，假設在對照組1中，天線單元4之該等第二延伸臂42的長度及該第一延伸臂41的長度均為L1=5mm，該等第四延伸臂44的長度L2均為3.33mm，該等第四延伸臂44之間的距離為W2=1.16mm，第二延伸臂42最外側面與第四延伸臂44的最外側面間的間距W3為1.92mm。在對照組2中，L1=6mm，L2=4mm，W2=1.4mm，W3=2.3mm。在對照組3中，L1=7mm，L2=4.67mm，W2=1.64mm，W3=2.68mm。且在對照組1-3中，每一天線單元4之該第一延伸臂41、該等第二延伸臂42、該等第三延伸臂43，及該等第四延伸臂44之線 寬W1均為0.5mm。經頻率量測後，天線單元4的面積大小與頻率之間也有相關性，亦即天線單元4的面積愈大，可加強吸收的頻率愈低。

實驗例三，以三個相同面積但間距不同之天線單元4的對照組1-4，比較說明該等天線單元4間4之間距D變化與該等介電基片3能加強吸收的頻率關係：

參閱第七圖，配合回顧第三圖，假設對照組1-4之間距D分別為1、2、3、5mm，L1均為7mm，經頻率量測後，該等天線單元4的間距D大小與頻率之間的關係為天線單元4的間距愈大，可加強吸收的頻率愈高。

承上述之實驗例的說明，再回顧第二圖，為便於以下之說明，進一步將第二圖中的介電基片3依據尺寸大小分別定義代號為SRR-1、SRR-2、SRR-3，參閱第八、九、十圖，將代號SRR-1介電基片3、SRR-2介電基片3、SRR-3介電基片3進行透射率與頻率之間的關係量測，同時提出習知天線做為對照組，即第八、九、十圖中所標示No SRR曲線。顯示三個介電基片3相疊合後，該多層結構確實可同時加強吸收不同特定頻率，達成加寬吸收頻率波段電磁波的功能。

進一步參閱第十一圖，本發明之多層結構之每一介電基片3上之該天線單元4的線寬、該等天線單元4的面積、該等天線單元4間的間距可設置為各層不同，位於特定頻率波段之電磁波經該多層結構加強吸收後，強度增強後輸出，即圖中位於下方之長箭號51所示；位於非特定頻率波段之電磁波經該多層結構則強度不變，即圖中位於下方之短箭號52所示。

本發明可加寬吸收特定頻率波段電磁波之多層結構藉由每一介電基片3上的該等天線單元4之線寬W1變化，或該等天線單元4的面積L1變化，或該等天線單元4間的間距D變化，確實可同時加強吸收不同特定頻率，達成加寬吸收頻率波段電磁波的功能，如，每一天線單元之該第一延伸臂、該等第二 延伸臂、該等第三延伸臂，及該等第四延伸臂的線寬範圍為0.5mm至0.7mm時，能加強吸收的頻率範圍為5.8GHz至7.8GHz；每一天線單元的面積範圍為5mm×5mm至7mm×7mm，能加強吸收的頻率範圍為6.58GHz至4.46GHz；該等天線單元間的間距範圍為8mm至12mm，能加強吸收的頻率範圍為3.8GHz至4.2GHz。

綜上所述，本發明可加寬吸收特定頻率波段電磁波之多層結構之設計，主要是藉由至少二介電基片3彼此相疊合，搭配由金屬材料所製成之該等天線單元4的線寬W1大小設計，或該等天線單元4的面積大小L1設計，或該等天線單元4間的間距D大小設計，不但可加寬吸收特定頻率波段電磁波，還可增加天線增益。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

3‧‧‧介電基片

31‧‧‧第一表面

4‧‧‧天線單元

Claims (7)

1. 一種可加寬吸收特定頻率波段電磁波之多層結構，包含：至少二介電基片，每一介電基片具有一第一表面與一第二表面，該等介電基片彼此相疊合，且其中一介電基片之該第二表面與另一介電基片之該第一表面相接觸；以及多數天線單元，是由金屬材料所製成，該等天線單元彼此分離且於每一介電基片之該第一表面排成陣列態樣，每一天線單元均呈幾何圖形狀；該多層結構能加寬吸收的電磁波頻率波段是取決於下列參數之任意組合：該等天線單元的線寬、該等天線單元的面積、該等天線單元間的間距；其中，每一天線單元具有一第一延伸臂、二分別連接於該第一延伸臂二端且彼此相平行之第二延伸臂、二分別連接於各該第二延伸臂二端且朝相對方向延伸之第三延伸臂，以及二分別連接於各該第三延伸臂二端且朝遠離各該第三延伸臂方向平行延伸之第四延伸臂，該等天線單元間的間距大小與加強吸收的頻率間的關係為該等天線單元間的間距愈大，可加強吸收的頻率愈高，該等天線單元間的間距範圍為8mm至12mm，能加強吸收的頻率範圍為3.8GHz至4.2GHz。
2. 如申請專利範圍第1項所述之可加寬吸收特定頻率波段電磁波之多層結構，其中，每一天線單元之該第一延伸臂、該等第二延伸臂、該等第三延伸臂，及該等第四延伸臂的線寬變化與加強吸收的頻率關係為線寬愈大，頻率愈高。
3. 如申請專利範圍第2項所述之可加寬吸收特定頻率波段電磁波之多層結構，其中，每一天線單元之該第一延伸臂、該等第二延伸臂、該等第三延伸臂，及該等第四延伸臂的線寬範圍為0.5mm至0.7mm時，能加強吸收的頻率範圍為5.8GHz至7.8GHz。
4. 如申請專利範圍第1項所述之可加寬吸收特定頻率波段電磁波之多層結構，其中，每一天線單元的面積大小與加強吸收的頻率間的關係為該等天線單元的面積愈大，可加強吸收的頻率愈低。
5. 如申請專利範圍第4項所述之可加寬吸收特定頻率波段電磁波之多層結構，其中，每一天線單元的面積範圍為5mm×5mm至7mm×7mm，能加強吸收的頻率範圍為6.58GHz至4.46GHz。
6. 如申請專利範圍第1項所述之可加寬吸收特定頻率波段電磁波之多層結構，其中，該多層結構之每一介電基片上之該天線單元的線寬、該等天線單元的面積、該等天線單元間的間距可設置為各層不同。
7. 如申請專利範圍第1項所述之可加寬吸收特定頻率波段電磁波之多層結構，其中，該等天線單元是由奈米銀材料所構成。