CN101523661A - 交叉指电容器、感应器和使用它们的传输线和耦合器 - Google Patents

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CN101523661A CNA2007800383774A CN200780038377A CN101523661A CN 101523661 A CN101523661 A CN 101523661A CN A2007800383774 A CNA2007800383774 A CN A2007800383774A CN 200780038377 A CN200780038377 A CN 200780038377A CN 101523661 A CN101523661 A CN 101523661A
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成元模
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Abstract

本发明提供了一种交叉指电容器、感应器和使用所述交叉指电容器和感应器的LH传输线和耦合器。所述交叉指电容器包括实质上互相平行安置的两个指状物组。每个指状物组的指状物在外缘彼此互相重叠以用来生成电容。所述感应器实质上盘旋地形成在所述传输线的内部，因此其能在紧凑型中具有大的电感且能在宽频带中被使用。所述传输线在紧凑型中具有宽频带，其含有互相串联连接的交叉指电容器和互相并联连接的感应器。除此之外，使用所述LH传输线的耦合器具有极好的耦合能力。

Description

交叉指电容器、感应器和使用它们的传输线和耦合器
技术领域
本发明公开了一种传输线和耦合器，更具体地说，公开了一种左手(LH：Left-Handed)传输线、使用所述LH传输线的耦合器和为了实现所述LH传输线和耦合器的电容器和感应器。
背景技术
超颖材料(metamaterial)指的是通过人工方法来合成的以来展示在自然世界中很少可以被看到的特殊电磁属性的物质或电磁结构。在此定义的及在现有技术中的术语“超颖材料”通常指的是具有介电常数(permittivity)和磁导率(permeability)的值全是负数的物质或电磁结构。
这样的材料从具有两个负参数的方面来说也被称为“双负(DNG：Double-Negative)介质”。超颖材料从具有负反射系数的方面来说根据负介电常数和磁导率也被称为负折射率介质(NRM：Negative Refractive indexMaterial)。所述超颖材料最开始由前苏联物理学家V.Veselago在1967年进行研究，但从那后30年已经过去，关于具体实施的研究和应用现在正处在进行中。
基于如此的特性，在超颖材料中的电磁波根据弗莱明(Fleming)左手法则而不是弗莱明右手法则被转移。也就是说，电磁波的相位传播(相位速度：phase velocity)方向和能量传播(群速度：group velocity)方向是彼此相反的。为此，超颖材料也被称为左手物质(LHM：Left-Handed Material)。且，所述超颖材料显示了β(相位常数：Phase Constant)和ω(频率：Frequency)间的非线性关系和存在于坐标平面的左半平面的特性曲线的特性。基于上述特性，超颖材料根据频率由于小的相位差异就能实现宽带电路，且由于相位变化不与传输线长度成正比，因此可以实现小型化电路。
实现超颖材料的方法的研究正处在不间断地进行之中，且在其中，实现利用左手(LH：Left-Handed)传输线的超颖材料的方法在技术中已为熟知。
图1是根据现有技术示出现有传输线和LH传输线的等效电路的电路图。
如图1(a)所示，现有传输线的等效电路由串联感应器LR和并联电容器CR所表示。另一方面，如图1(b)所示，超颖材料传输线例如LH传输线的等效电路由串联电容器CL和并联感应器LL所表示。其已为公知即具有上述电磁特性的超颖材料通过构建如此的传输线就可以被实现。
这样的LH传输线通过如图2所示的传输线来被实现，其在美国专利申请序列号11/092,143中被公开来授权给Itoh等。传输线使用已知的衬底例如FR4衬底等可以被实现。特别的是，所述传输线包括介质层(dielectriclayer)400、通过印刷、沉积或蚀刻安置在所述介质层上表面的第一导电元件而形成的交叉指电容器(interdigital capacitor)100和桩感应器(stubinductor)200，和通过印刷、沉积或蚀刻安置在所述介质层下表面的第二导电元件而形成的接地平面300。
图1(b)所示的LH传输线的串联电容器CL用交叉指电容器100来实现。交叉指电容器100被实现以来完成装置的小型化而不像在介质层上布置多个导电层而形成的现有多层电容器且可以很容易地被包含在传输线中。串联电容器CL被配置以使一组两个指状物110和120互相空间分离地替换配置，通过指状物间的电磁耦合来具有电容。每组指状物110和120在一端彼此互相电连接以使多个指状物间的电容例如指状物110a和指状物120a间的电容和指状物110b和指状物120b间的电容并联合成以具有更大的电容。
同时，LH传输线的并联感应器LL用作为一个短桩的桩感应器200来被实现。细长导体的桩感应器200经由导通孔(via hole)210在一端与接地平面300相连接。使用普通导体的固有电感的桩感应器200具有按照其长度而被决定的电感。因此，在图1(b)中表示的传输线被实现，因此具有所需长度的传输线通过使用信元(cell)的级联连接的多个信元(cell)可以被实现。在这种情况下，在每个导体中不可避免地发生的电容和电感显示出RH传输线和LH传输线相结合的电气特性。
现有LH传输线的每个构成元件的结构局限在于限制了传输线的性能改进。首先交叉指电容器100存在劣势即其电容比多层电容器的电容要小。对此的原因是在交叉指电容器100中彼此相对电磁连接的导体的区域相对较小。除此之外，由于其要求各个指状物应该用纵横交错的方式被形成以来互相精确地插在一起，因此交叉指电容器100非常困难被进行制造和生产。相反，多层电容器存有缺点即由于电容的调整仅仅通过调整导体和导体区域间的间距可以被完成，设计自由度降低，通常会使其比较困难得被应用在LH传输线中。授权给Kao的美国专利申请序列号10/904,825和授权给Wu的美国专利序列号11/234,276公开了一种堆叠交叉指平行板电容器结构。然而，上述美国专利存在一个问题即由于其具有与多层电容器类似的结构，设计的自由度被降低且其结构很复杂因此增加了生产成本。
同时，由于桩感应器200的电感根据导电元件的长度而被决定，导电元件的长度必须被增加以来增强桩感应器的电感，其会导致感应器200的大小增大。此外，在信号的波长是桩感应器200长度的2倍的情形中，桩感应器200作为λ/2共振器以使截止频率(cutoff frequency)在频率响应中显现且在阻抗特性方面感应器能只在小于波长1/4的长度中***作。因此，在宽频带中其不可能使用桩感应器200。
由于交叉指电容器100和桩感应器200的构造缺陷，现有LH传输线在传输带的扩展和小型化方面存有很多的不足。
技术问题
因此，本发明的目的被做出以来克服发生在现有技术中的上述问题，且本发明的一个目的是用来提供一种在维持设计自由度的同时能增加电感且容易被制造的交叉指电容器。
本发明的另外一个目的是用来提供一种能用紧凑尺寸来制造且没有截止频率的感应器。
本发明的最终目的是用来提供具有宽传输带且紧凑的LH传输线，和使用所述传输线的耦合器。
技术方案
为了达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电容器，其包括：第一组指状物，含有互相空间分离被配置且互相在一端相连接的至少两个指状物；和第二组指状物，含有互相空间分离被配置且互相在一端相连接的至少两个指状物，第二指状物组按预定间距与第一指状物组相空间分离以与所述第一指状物组实质上相平行。
所述电容器进一步包括在所述第一指状物组和所述第二指状物组间所配置的介质衬底。
且，所述第一指状物组的每个指状物的宽度大于所述第二指状物组的每个指状物的宽度，以使所述第一指状物组的指状物与所述第二指状物组的指状物至少部分重叠。
根据本发明的另外一个方面，提供了一种感应器，其在一端与传输线相连接且在另外一端与接地平面相连接，所述感应器被形成在所述传输线的内部以具有实质上盘旋的形状。
所述感应器形成在介质衬底上，且通过导通孔在另外一端上与所述接地平面相连接。
根据本发明的另外一个方面，提供了一种具有LH特性的传输线，其包括：一种电容器，其包括：第一组指状物，含有互相空间分离被配置且互相在一端相连接的至少两个指状物；和第二组指状物，含有互相空间分离被配置且互相在一端相连接的至少两个指状物，第二指状物组按预定间距与第一指状物组相空间分离以与所述第一指状物组实质上相平行；和一种感应器，其在一端与传输线相连接且在另外一端与接地平面相连接。
所述电容器进一步包括在所述第一指状物组和所述第二指状物组间所配置的介质衬底。
且，所述第一指状物组的每个指状物的宽度大于所述第二指状物组的每个指状物的宽度，以使所述第一指状物组的指状物与所述第二指状物组的指状物至少部分重叠。
同时，所述感应器通过所述传输线与所述第二指状物组相连接，且其特征在于，所述感应器在一端与传输线相连接且在另外一端与接地平面相连接，所述感应器被形成在所述传输线的内部以具有实质上盘旋的形状。
此外，所述感应器形成在介质衬底上，且通过导通孔在另外一端上与所述接地平面相连接。
根据本发明的另外一个方面，提供了一种包括具有LH特性的传输线的耦合器。
技术效果
如上所述，根据本发明，其能提供一种在维持设计自由度的同时能增加电感且容易被制造的交叉指电容器。
此外，可以获取一种能用紧凑尺寸来制造且没有截止频率的感应器。
最终，其能获取一种具有宽传输带且紧凑的LH传输线，和使用所述传输线的耦合器。
附图说明
图1是根据现有技术示出现有传输线和LH传输线的等效电路的电路；
图2是示出实际被实现的现有LH传输线的透视图；
图3是示出根据本发明的一个示例性实施例的交叉指电容器的斜视图；
图4是示出根据本发明的一个示例性实施例的交叉指电容器的俯视图；
图5是示出根据本发明的另外一个示例性实施例的感应器的斜视图；
图6是示出根据本发明的另外一个示例性实施例的LH传输线的斜视图；和
图7是示出根据本发明的一个示例性实施例的LH传输线的S21参数的图表。
具体实施方式
本发明将参考附图对特定示例性实施例进行详细的说明。
在此所用的术语“感应器”、“电容器”和“传输线”被定义用来显示在其装置和构成元件中的优异的电气特性。这并不意味着所述装置和构成元件只被感应器、电容器和传输线所操作。
图3是示出根据本发明的一个示例性实施例的交叉指电容器的斜视图。
交叉指电容器1包括实质上互相平行配置的两组指状物10和20。两指状物组10和20包含两对指状物12和14和22和24，每对指状物彼此互相空间分离被配置且在一端互相连接。
在此，只有显示在图片中的部分指状物将在随后进行描述，但其并不局限于本发明。除了显示或描述的指状物以外，无论指状物的数量如何，下列描述也可以被应用到指状物中。
两组指状物10和20互相空间分离被配置以不致于互相电连接，且介质衬底(未显示)为了保证制造的简易和结构稳定可以被配置在两指状物组之间。
特别的是，由于平行板电容器的电容与介电常数成正比，高介电常数的介质衬底被***到两指状物组10和20之间以来增加电容器的电容。第一对指状物12和14和第二对指状物22和24分别与传输线32和30一般地连接，以使其间的电容能被平行合成。且，与第一和第二指状物对相连接的传输线30和32构成电容器的终端以促使电流在其中流进和流出。
更好的是，第一指状物对12和14和第二指状物对22和24形成具有相同的长度以使其互相重叠排列。指状物的排列将在随后参考图4进行说明。
参考图4，第一指状物对12和14和第二指状物对22和24以互相交替间隔地交错方式排列。在这种情况下，第一指状物对12和14和第二指状物对22和24被排列以至少在外缘上互相重叠。即，例如，指状物22的宽度被形成为大于指状物间的距离，例如指状物12和14间的距离，因此指状物22可以在外缘上与指状物12和14重叠。同样，第一和第二指状物组10和20互相平行配置以在部分区域上互相重叠，因此交叉指电容器1与现有交叉指电容器相比具有相对增加的重叠区域以来增强其电容。
进一步，由于第一和第二指状物组10和20分别在不同的层上被形成，指状物间的交替排列不需要很复杂地被实现，且交叉指电容器1的制造成本与现有交叉指电容器相比相对被降低。
交叉指电容器1由各自含有超过两个指状物的两指状物组10和20构成，其与现有交叉指电容器类似，用来增加设计自由度。特别的是，交叉指电容器的电容可以根据指状物间的距离、两指状物组10和20间的距离、被包含在每两指状物组10和20中的指状物的数量和介质衬底的介电常数等的变化而改变。这与只根据导体的大小、导体间的距离和介质衬底的介电常数而发生电容变化的现有多层电容器相比具有相对较高的设计自由度。
根据本发明的另外一个示例性实施例的感应器将结合图5在以下进行说明。
在本示例性实施例中，感应器2包括以盘旋形状在导体30内部形成的开口中作为传输线而配置的条形导体40。导体30和条形导体40通过印刷、沉积、蚀刻等可以被形成在介质沉底50的上表面上。且，接地平面60可以形成在介质衬底50的下表面上。条形导体40在一端42上与导体30相连接且在另一端44上与接地平面60相连接。
条形导体40通过导体固有的电感作为感应器***作。但，条形导体40被形成为具有与现有桩感应器不相同的实质上为盘旋的形状，因此其长度即使在狭窄的区域内也能被延长且其电感也能被增加以实现小型化。
在盘旋条形导体40中，电容在互相空间分离平行配置的条形导体40的各自部分之间发生。然而，此电容与由整个条形导体40引起的电感相比微乎其微的小，且结果是感应器2作为感应器元件***作。同样地，感应器2作为离散电路(discrete circuit)或集总电感(lumped inductor)，与作为基本具有传输线结构的分布常数电路(distributed constant circuit)而操作的桩感应器不同，电容和比电容大的电感存在于其中。因此，感应器2的共振频率仅由内部的电感和电容所决定，且感应器2不作为λ/2共振器***作。此外，不像只有当其具有小于λ/4波长的长度的时候可以被作为感应器***作的现有桩感应器，感应器2在感应器可以***作的波长范围内没有限制。因此，感应器2没有与感应器的大小成正比的截止频率且可以在宽频带中***作。
更进一步，由于在本示例性实施例中的感应器2在形成在传输线30的开口处被配置，感应器2占有的电路空间被减小。特别的是，在感应器2被形成与交叉指电容器相连接的情况中，电容器和感应器2可以很容易地连接在一起。
根据使用交叉指电容器1和感应器2的本发明的另外一个示例性实施例的LH传输线将结合图6在下文中进行介绍。
在此示例性实施例中，交叉指电容器1和感应器2的结构和图3和图5所述的结构一样。相同的参考数字代表相同的元素，但本发明并不局限于此。
LH传输线3包括交叉指电容器1和感应器2。电容器1和感应器2通过传输线30互相连接。即，传输线30在一端与交叉指电容器1的第二指状物组20相连接，且在另外一端与感应器2的盘旋条形导体40相连接且同时适用为LH传输线3的第二端口。LH传输线3的第一端口是与交叉指电容器1的第一指状物组10相连接的传输线32。
通过这种配置，交叉指电容器1在LH传输线3的第一端口32和第二端口30之间被连接，感应器2在第二端口30和接地平面之间被连接，因此含有串联电容器和并联感应器的LH传输线3被获得。此外，LH传输线3被用作为信元(cell)且多于两个的LH传输线级联连接在一起以使具有所需长度的传输线能被获得。
在此示例性实施例中，LH传输线3具有高的设计自由度且包含具有大的电容的电容器1和能实现小型化且没有截止频率的感应器2，因此与现有LH传输线不同，其能延长频率带宽且能被小型化。除此之外，感应器在传输线3中被形成，因此第二指状物组20可以被延伸以使其与感应器相连接，使之很容易地来制造LH传输线3。
在此示例性实施例中，LH传输线的性能通过其实际的执行被测量。且，现有LH传输线被制造且被用作为对比示例性实施例。
在被执行的LH传输线中，交叉指电容器的每个指状物的长度为6mm且宽度为0.2mm，且相邻指状物间的距离为0.1mm。在这种情况下，每个指状物组的八个指状物被使用。此外，第一和第二指状物组间的空间距离为0.1mm且具有介电常数为1的介质衬底被安置在指状物之间。感应器2的条形导体的宽度为0.1mm，盘旋条形导体的每个盘旋之间的宽度为0.1mm，且感应器的整个大小例如从条形导体和传输线之间的连接部分起到盘旋区域的最外边部分的距离为1.9mm。
在根据对比示例性实施例的LH传输线中，交叉指电容器的每个指状物的长度为6mm，且每个指状物组的五个指状物被使用。在这种情况下，桩感应器被形成为长度为10mm和宽度为1mm。
在本发明的示例性实施例和对比示例性实施例中，传输线使用具有介电常数为4的介质衬底被实现。含有六个电容器和五个感应器的传输线的大小在本发明中为48 x 2.4(mm)2，在对比示例性实施例中为37 x 12.2(mm)2。
图7是示出根据本发明的一个示例性实施例的LH传输线的S21参数的图表，其中图7(a)示出了对比示例性实施例的S1参数且图7(b)示出了本发明示例性实施例的S1参数。
这些参数在频率带范围从300KHz到6GHz中被测量。如图7所示，对比示例性实施例的S1参数在涉及-3dBm中在1GHz和4GHz具有截止频率然而本发明示例性实施例的S1参数在涉及-3dBm中在0.5GHz和4.4GHz具有截止频率。因此，本发明的示例性实施例的带宽(bandwidth)为900MHz，其与对比示例性实施例相比进一步增加了30％。也就是说，根据本发明的示例性实施例，可以发现，传输线的实现区域与对比示例性实施例相比被进一步地降低了75％且带宽被增加了30％。
根据本发明的另外一个示例性实施例，其能使用形成在与传输线相分离的层上的感应器，或盘旋形状的感应器以作为LH传输线的并联感应器。这些感应器的具体说明在韩国专利申请号2006-79326中被公开，虽然在此并未被公开，但结合在此以作参考。
根据本发明的另外一个示例性实施例，使用如上所述的本发明的LH传输线的耦合器被提供。在此示例性实施例中，耦合器被配置以使一对LH传输线互相平行排列以具有四个端口。第一传输线的输入端口和输出端口被分别用作为耦合器的输入端口和通过端口(through port)。第二传输线的输入端口被用作为耦合端口(coupled out port)。第二传输线的输出端口被用作为隔离端口(isolation port)，其不被用作为输入和输出端口。
本示例性实施例的耦合器使用发明的LH传输线以使其能被紧凑地制造且具有宽带的特性。进一步，创造的耦合器与使用现有LH传输线的耦合器相比显示了明显得被提高的耦合性。
与前述发明的示例性实施例和对比示例性实施例所述的类似，含有六个电容器和五个感应器的每个现有LH传输线和本发明的LH传输线以一对的形式被使用来实现耦合器。此时，其间的耦合性被比较。各个传输线在0.2mm的区间内被配置，且电容器的指状物间的距离为0.08mm。在感应器的情况下，其大小为1.85mm且条形导体间的距离时0.15mm。结果为，本发明的耦合器和现有耦合器分别显示了-6dB和-3dB的耦合性。可以发现，本发明的耦合器与现有耦合器相比具有被增加了3dB的耦合性。
尽管本发明结合当前被认为是实际的示例性实施例进行了描述，但应该理解本发明仅仅是实施例且并不局限于公开的示例性实施例。在上述示例性实施例中描述的构成元素可以被其等同元素所代替或者本领域的技术人员可以用各种方法对构成其的方法进行修改，但所有的代替和修改都是在不脱离由权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下进行的。因此，本发明的范围并不只局限于上述实施例或被上述实施例所限制，且应该被理解为只由附加权利要求和等同要求所限定。

Claims (11)

1、一种电容器，其包括：
第一组指状物，含有互相空间分离被配置且互相在一端相连接的至少两个指状物；和
第二组指状物，含有互相空间分离被配置且互相在一端相连接的至少两个指状物，第二指状物组按预定间距与第一指状物组相空间分离以与所述第一指状物组实质上相平行。
2、如权利要求1所述的电容器，所述电容器进一步包括在所述第一指状物组和所述第二指状物组间所配置的介质衬底。
3、如权利要求1所述的电容器，所述第一指状物组的每个指状物的宽度大于所述第二指状物组的每个指状物之间的宽度，以使所述第一指状物组的指状物与所述第二指状物组的指状物至少部分重叠。
4、一种感应器，其在一端与传输线相连接且在另外一端与接地平面相连接，所述感应器被形成在所述传输线的内部以具有实质上盘旋的形状。
5、如权利要求4所述的感应器，所述感应器形成在介质衬底上，且通过导通孔在另外一端上与所述接地平面相连接。
6、一种具有LH特性的传输线，其包括：
一种电容器，其包括：第一组指状物，含有互相空间分离被配置且互相在一端相连接的至少两个指状物；和第二组指状物，含有互相空间分离被配置且互相在一端相连接的至少两个指状物，第二指状物组按预定间距与第一指状物组相空间分离以与所述第一指状物组实质上相平行；和一种感应器，其在一端与传输线相连接且在另外一端与接地平面相连接。
7、如权利要求6所述的电容器，所述电容器进一步包括在所述第一指状物组和所述第二指状物组间所配置的介质衬底。
8、如权利要求6所述的传输线，所述第一指状物组的每个指状物的宽度大于所述第二指状物组的每个指状物的宽度，以使所述第一指状物组的指状物与所述第二指状物组的指状物至少部分重叠。
9、如权利要求6所述的传输线，所述感应器通过所述传输线与所述第二指状物组相连接，所述感应器在一端与传输线相连接且在另外一端与接地平面相连接，所述感应器被形成在所述传输线的内部以具有实质上盘旋的形状。
10、如权利要求9所述的传输线，所述感应器形成在介质衬底上，且通过导通孔在另外一端上与所述接地平面相连接。
11、一种包括根据权利要求6至10中的任一权利要求所述的具有LH特性的传输线的耦合器。
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