CN105226396B - 多带复合右手和左手(crlh)缝隙天线 - Google Patents

多带复合右手和左手(crlh)缝隙天线 Download PDF

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CN105226396B CN201510504614.8A CN201510504614A CN105226396B CN 105226396 B CN105226396 B CN 105226396B CN 201510504614 A CN201510504614 A CN 201510504614A CN 105226396 B CN105226396 B CN 105226396B
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李政融
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Abstract

本申请涉及基于复合右手和左手(CRLH)超材料(MTM)结构的缝隙天线设备。

Description

多带复合右手和左手(CRLH)缝隙天线
分案说明
本申请是申请日为2010年3月12日，申请号为201080020717.2，题为“多带复合右手和左手(CRLH)缝隙天线”的中国专利申请的分案申请。
优先权要求及相关申请
本申请要求以下美国临时专利申请的优先权：申请号No.61/159,694，名称“MULTIBAND METAMATERIAL SLOT ANTENNA”，申请日2009年3月12日。
以上申请公开通过引用被并入此处，作为本申请说明书的一部分。
技术领域
背景技术
传统缝隙天线一般由一块平坦的金属表面(如，金属板)构成，在金属表面上形成孔或缝隙。通过设计，缝隙天线可以被认为在结构上与偶极天线互补。例如，可以通过将介电基板上的导电金属层与缝隙天线的开口缝隙区互换，来形成具有与印刷缝隙天线相似形状和尺寸的介电基板上的印刷偶极天线，反之亦然。两种天线可以在形式上相似，并具有相似的电磁波图案。与偶极天线一样，确定缝隙天线的辐射图的因素包括：缝隙的形状和尺寸。由于缝隙天线提供的相对于传统天线设计的特定优势，可以在各种无线通信***中使用缝隙天线。一些优势包括：与其他传统天线设计相比更小的尺寸、较低的制造成本、设计的简单性、耐久性以及集成性。然而，由于天线尺寸主要取决于中心频率，缝隙天线设计在尺寸减小方面可能仍存在限制，从而使得在特定频率处尺寸减小成为挑战。
发明内容
附图说明
图1-3示意了根据示例实施例的、基于4个单位单元的一维复合右手和左手超材料传输线的示例；
图4A示意了根据示例实施例的、如图2中的一维复合右手和左手超材料传输线等效电路的两端口网络矩阵表示；
图4B示意了根据示例实施例的、如图3中的一维复合右手和左手超材料传输线等效电路的两端口网络矩阵表示；
图5示意了根据示例实施例的、基于4个单位单元的一维复合右手和左手超材料天线；
图6A示意了根据示例实施例的、与如图4A中的传输线情况类似的一维复合右手和左手超材料天线等效电路的两端口网络矩阵表示；
图6B示意了根据示例实施例的、与如图4B中的TL情况类似的一维复合右手和左手超材料天线等效电路的两端口网络矩阵表示；
图7A和7B是根据示例实施例的、分别考虑了平衡和不平衡情况的如图2中的单位单元的频散曲线。
图8示意了根据示例实施例的、基于4个单位单元的具有截断的接地的一维复合右手和左手超材料传输线；
图9示意了根据示例实施例的、如图8中的具有截断的接地的一维复合右手和左手超材料传输线的等效电路；
图10示意了根据示例实施例的、基于4个单位单元的具有截断的接地的一维复合右手和左手超材料天线的示例；
图11示意了根据示例实施例的、基于4个单位单元的具有截断的接地的一维复合右手和左手超材料传输线的另一示例；
图12示意了根据示例实施例的、如图11中的具有截断的接地的一维复合右手和左手超材料传输线的等效电路；
图13A-13C示意了根据示例实施例的基本缝隙天线设备的多个视图；
图14A示意了根据示例实施例的、定义了图13A-13C的缝隙天线设备的特定电感和电容性元件的结构元件；
图14B示意了根据示例实施例的、图13A-13C中所示的基本缝隙天线设备的等效电路模型；
图15示意了根据示例实施例的、基本缝隙天线设备的HFSS仿真的返回损耗；
图16示意了根据示例实施例的、基本缝隙天线设备的输入阻抗的实部和虚部；
图17A-17C示意了根据示例实施例的、第二缝隙天线设备的多个视图；
图18A示意了根据示例实施例的、定义了图17A-17C的第二缝隙天线设备的特定电感和电容性元件的结构元件；
图18B示意了根据示例实施例的、图17A-17C中所示的第二缝隙天线设备的等效电路模型；
图19和20分别示意了根据示例实施例的、第二缝隙天线设备的仿真的返回损耗以及输入阻抗的实部和虚部；
图21A-21C示意了根据示例实施例的、第三缝隙天线设备的多个视图；
图22A示意了根据示例实施例的、定义了图21A-21C的第三缝隙天线设备的特定电感和电容性元件的结构元件；
图22B示意了根据示例实施例的、图21A-21C中所示的第三缝隙天线设备的等效电路模型；
图23和24分别示意了第三缝隙天线设备的仿真的返回损耗以及输入阻抗的实部和虚部；
图25A-25C示意了根据示例实施例的超材料缝隙天线设备；
图26A示意了根据示例实施例的、定义了图25A-25C的超材料缝隙天线设备的特定电感和电容性元件的结构元件；
图26B示意了根据示例实施例的、图25A-25C中所示的超材料缝隙天线设备的等效电路模型；
图27和28分别示意了根据示例实施例的、超材料缝隙天线设备的仿真的返回损耗以及输入阻抗的实部和虚部；
图29A-29C示意了根据示例实施例的、图25A-25C中所示的超材料缝隙天线设备的修改版本，此处被称为MTM-B1缝隙天线设备；
图30A示意了根据示例实施例的、定义了图29A-29C中所示的MTM-B1缝隙天线的特定电感和电容性元件的结构元件；
图30B示意了根据示例实施例的、图29A-29C中所示的MTM-B1缝隙天线的等效电路模型；
图31-33分别示意了根据示例实施例的、MTM-B1缝隙天线2900的仿真的返回损耗、输入阻抗的实部和虚部以及效率图；
图34A-34C示意了根据示例实施例的MTM-B1缝隙天线设备的修改版本，此处被称为MTM-B2缝隙天线设备。
具体实施方式
随着无线通信领域中的技术进步继续将移动设备推向越来越小的尺寸，紧凑的天线设计已变为最难满足的挑战之一。例如，由于紧凑的无线设备中的可用空间有限，较小的传统天线可能导致降低的性能以及复杂的机械设计组装，复杂的机械设计组装进而可能导致更高的制造成本。一种可能的设计方案包括传统缝隙天线设计，该传统缝隙天线设计包括在其中形成有至少一个缝隙的导电表面。由于缝隙天线通常是使用单块金属形成的，这些类型一般不那么昂贵并且更易于构建。缝隙天线设计可以相对于传统天线设计提供若干其他优势，如减小的尺寸、简单性、耐久性以及集成到紧凑的设备中的集成性。然而，由于天线尺寸可能主要取决于操作频率，减小缝隙天线的尺寸可能达到特定的尺寸限制。为了满足当前的天线尺寸减小的挑战，基于复合右手和左手(CRLH)超材料(MTM)结构的缝隙天线设计可能是实现比传统缝隙天线或CRLH天线更小的天线设计的一种可能方案，在以下美国专利申请和美国专利中描述了这种方案：申请号No.11/741,674，名称“Antennas，Devicesand Systems Based on Metamaterial Structures”，申请日2007年4月27日；以及专利号No.7,592,957，名称“Antennas Based on Metamaterial Structures”，授权日2009年9月22日。此外，这些CRLH缝隙天线提供低制造成本、设计的简单性、耐久性、集成性以及多带操作，与传统缝隙天线和CRLH天线共享相似的性能优势。
在多天线***中，CRLH缝隙天线可以与多天线***组合，以相对于完全基于CRLH天线或仅基于CRLH缝隙天线的多天线***实现特定的性能优势。例如，由于CRLH天线在天线结构上具有电流，并且CRLH缝隙天线在天线结构上具有磁流，CRLH天线和CRLH缝隙天线间的耦合可以实质性地小于两个CRLH天线或两个CRLH缝隙天线间的耦合。因此，通过在多天线***(如MIMO/分集设备)中将CRLH天线与CRLH缝隙天线组合，可以实质性地减小两个不同天线间的耦合，从而提高天线效率和远场包络相关性，进而改进天线***的性能。
本申请提供了缝隙天线设备以及基于复合右手和左手(CRLH)结构的缝隙天线设备的若干实施例。
CRLH超材料结构
本公开中提供了CRLH MTM天线的基本结构元件，作为回顾并用于描述在平衡MTM天线设备中使用的CRLH天线结构的基本方面。例如，在本文中描述的上述和其他天线设备中的一个或多个天线可以具有各种天线结构，包括右手(RH)天线结构和CRLH结构。在右手(RH)天线结构中，电磁波的传播服从(E，H，β)矢量场的右手定律，考虑电场E、磁场H和波矢量β(或传播常数)。相速度方向与信号能量传播(群速度)方向相同，折射率为正数。这种材料称为右手(RH)材料。大多数天然材料是RH材料。人造材料也可以是RH材料。
超材料可以是人造结构，或者如以上详述的，MTM组件可以被设计为表现为人造结构。换言之，描述该组件的性态和电学组成的等效电路与MTM的等效电路一致。当以结构平均单位单元尺寸ρ(p远小于超材料所引导的电磁能量的波长λ)来设计时，超材料对所引导的电磁能量表现为类似均质介质。与RH材料不同，超材料可以展现出负折射率，并且相速度方向可以与信号能量传播方向相反，其中(E，H，β)矢量场的相对方向服从左手定律。具有负折射率并同时具有负介电常数ε和磁导率μ的超材料称为纯左手(LH)材料。
许多超材料是LH超材料和RH材料的混合，因此是CRLH超材料。CRLH超材料可以在低频表现如LH超材料，而在高频表现如RH材料。例如，在以下文献中描述了各种CRLH超材料的实现和属性：Caloz和Itoh，″Electromagnetic Metamaterials：Transmission LineTheory and Microwave Applications，″John Wiley&Sons(2006)。Tatsuo Itoh在″Invited paper：Prospects for Metamaterials，″Electronics Letters，Vol.40，No.16(August，2004)中描述了CRLH超材料及其在天线中的应用。
CRLH超材料可以被结构化并工程化为展现出针对指定应用定制的电磁属性，并且可以用于使用其他材料可能有困难、不实际或不可行的应用。此外，CRLH超材料可以用于开发新应用和构造利用RH材料不能实现的新设备。
超材料结构可以用于构造天线、传输线以及其他RF组件和设备，允许多种技术进步，如功能增强、尺寸减小和性能提高。MTM结构具有一个或多个MTM单位单元。如上所述，MTM单位单元的集总电路模型等效电路包括RH串联电感LR、RH并联电容CR、LH串联电容CL和LH并联电感LL。基于MTM的组件和设备可以基于这些CRLH MTM单位单元来设计，CRLH MTM单位单元可以使用分布电路元件、集总电路元件或两者的组合来实现。与传统天线不同，MTM天线谐振受到LH模式存在的影响。一般地，LH模式有助于激励和更好地匹配低频谐振以及改进高频谐振的匹配。MTM天线结构可以被配置为支持多个频带，包括“低频带”和“高频带”。低频带包括至少一个LH模式谐振，高频带包括与天线信号相关联的至少一个RH模式谐振。
在以下美国专利申请和美国专利中描述了MTM天线结构的一些示例和实现：申请号No.11/741,674，名称″Antennas，Devices and Systems Based on MetamaterialStructures″，申请日2007年4月27日；以及专利号No.7,592,957，名称″Antennas Based onMetamaterial Structures″，授权日2009年9月22日。可以使用传统FR-4印刷电路板(PCB)或柔性印刷电路(FPC)板来制造这些MTM天线结构。
一种MTM天线结构是单层金属化(SLM)MTM天线结构，其中，MTM结构的导电部分置于在基板的一侧形成的单一金属化层中。按照这种方式，将天线的CRLH组件印刷至基板的一个表面或层上。对于SLM设备，电容性耦合的部分和电感性负载部分均印刷至基板的同一侧上。
两层金属化无通孔(TLM-VL)MTM天线结构是在基板的两个平行表面上具有两个金属化层的另一种MTM天线结构。TLM-VL不具有将一个金属化层的导电部分连接至另一金属化层的导电部分的导电通孔。SLM和TLM-VL MTM天线结构的示例和实现在以下美国专利申请中描述：申请号12/250,477，名称″Single-Layer Metallization and Via-LessMetamaterial Structures″，申请日2008年10月13日，其公开通过引用并入此处。
图1示意了基于4个单位单元的1维(1D)CRLH MTM传输线(TL)的示例。一个单位单元包括单元贴片和通孔，并且是用于构造期望的MTM结构的构建块。所示意的TL示例包括在基板的两个导电金属化层中形成的4个单位单元，其中，在基板的顶导电金属化层上形成4个导电单元贴片，并且基板的另一侧具有作为接地电极的金属化层。4个居中的导电通孔被形成为穿过基板，以分别将4个单元贴片连接至接地面。左侧的单位单元贴片电磁耦合至第一馈线，右侧的单位单元贴片电磁耦合至第二馈线。在某些实现中，每个单位单元贴片电磁耦合至相邻的单位单元贴片，而不与相邻的单位单元直接接触。该结构形成MTM传输线，以从一个馈线接收RF信号并在另一馈线处输出RF信号。
图2示出了图1中的1D CRLH MTM TL等效网络电路。ZLin’和ZLout’分别对应于TL输入负载阻抗和TL输出负载阻抗，并且归因于每端的TL耦合。这是印刷的两层结构的示例。LR归因于介电基板上的单元贴片和第一馈线，CR归因于夹在单元贴片和接地平面之间的介电基板。CL归因于两个相邻单元贴片的存在，并且通孔引起LL。
每个个体单位单元可以具有与串联(SE)阻抗Z和并联(SH)导纳Y相对应的两个谐振ωSE和ωSH。在图2中，Z/2块包括LR/2和2QL的串联组合，并且Y块包括LL和CR的并联组合。这些参数间的关系表示如下：
其中，且
图1中位于输入/输出边缘的两个单位单元不包括CL，这是由于CL表示两个相邻单元贴片之间的电容，并且在这些输入/输出边缘处缺失。边缘单位单元处不存在CL部分防止ωSE频率谐振。因此，仅ωSH作为m＝0谐振频率出现。
为了简化计算分析，包括ZLin’和ZLout’串联电容器的一部分，以补偿缺失的CL部分，并且如图3所示，分别将剩余的输入和输出负载阻抗表示为ZLin和ZLout。在该条件下，理想地，单位单元具有由图3中的两个串联Z/2块和一个并联Y块所表示的相同的参数，其中，Z/2块包括LR/2和2CL的串联组合，Y块包括LL和CR的并联组合。
图4A和图4B分别示意了如图2和图3中所示的不带负载阻抗的TL电路的两端口网络矩阵表示。提供了描述输入-输出关系的矩阵系数。
图5示意了基于4个单位单元的1D CRLH MTM天线的示例。与图1中的1D CRLH MTM不同，图5中的天线将左侧的单位单元与馈线耦合，以将天线连接至天线电路，并且右侧的单位单元是开路电路，使得4个单元与空气对接，以发送或接收RF信号。
图6A示出了图5中的天线电路的两端口网络矩阵表示。图6B示出了图5中的天线电路的两端口网络矩阵表示，其中，边缘处的修改考虑了缺失的CL部分，从而使所有单位单元相同。图6A和6B分别与图4A和4B中所示的TL电路类似。
使用矩阵符号，图4B表示以下给出的关系：
其中，由于当从Vin和Vout端观察时图3中的CRLH MTM TL电路是对称的，AN＝DN。
在图6A和6B中，参数GR’和GR表示辐射电阻，并且参数ZT’和ZT表示终端阻抗。ZT’、ZLin’和ZLout’中的每一个包括如下表示的来自附加2CL的贡献：
由于可以通过构建天线或对天线进行仿真来导出辐射电阻GR或GR’，可能难以优化天线设计。因此，优选采用TL方式，然后以各种终端ZT对其相应的天线进行仿真。采用修改值AN’、BN’和CN’，式(1)中的关系对于图2中的电路是有效的，所述修改值AN’、BN’和CN’反映了位于两个边缘处的缺失的CL部分。
可以根据频散式来确定频带，所述频散式是通过使N个CRLH单元结构以nπ传播相位长度发生谐振导出的，其中n＝0，+-1，+-2，...±N。此处，N个CRLH单元中的每一个由式(1)中的Z和Y表示，这不同于图2中所示的结构，在图2所示的结构中，CL在端单元中缺失。因此，可以预期与这两个结构相关联的谐振是不同的。然而，大量的计算表明除了n＝0，所有谐振是相同的，在n＝0的情况下，ωSE和ωSH在图3中的结构中谐振，而仅仅ωSH在图3中的结构中谐振。正相位偏移(n＞0)对应于RH区域谐振，负值(n＜0)与LH区域谐振相关联。
以下给出了具有Z和Y参数的N个相同CRLH单元的频散关系：
其中，Z和Y在式(1)中给出，AN由如图3中的N个相同CRLH单位单元的线性级联导出，p是单元尺寸。奇数n＝(2m+l)和偶数n＝2m谐振分别与AN＝-1和AN＝1相关联。对于图4A和图6A中的AN’，无论单元数目是多少，n＝0模式仅在ω0＝ωSH时发生谐振，而由于在端单元不存在CL，而不是在ωSE和ωSH均发生谐振。对于表1中指定的不同值χ，由下式给出高阶频率：
对于n＞0，
表1提供了对于N＝1，2，3和4的χ值。应当注意的是，无论在边缘单元处存在完整的CL(图3)还是不存在完整的CL(图2)，高阶谐振|n|＞0都是相同的。此外，如式(4)所示，接近n＝0的谐振具有小的χ值(在χ下界0附近)，而高阶谐振趋向达到χ上界4。
表1：N＝1，2，3和4个单元的谐振
在图7A和7B中，分别针对ωSE＝ωSH(平衡，即LRCL＝LLCR)和ωSE≠ωSH(不平衡)的情况，示意了针对单位单元的CRLH频散曲线β作为频率ω的函数。在后一情况下，在min(ωSE，ωSH)与max(ωSE，ωSH)之间存在频率间隙。如下式所示，极限频率ωmin和ωmax值由式(5)中相同的谐振式给出，其中，χ达到其上界χ＝4：
此外，图7A和7B提供了沿频散曲线的谐振位置的示例。在RH区域(n＞0)中，结构尺寸l(由l＝Np给出，其中p是单位单元尺寸)随频率减小而增大。相反，在LH区域中，以较小的Np值达到较低频率，因此尺寸减小。频散曲线对这些谐振附近的带宽提供了一定的指示。例如，由于频散曲线几乎是平坦的，LH谐振具有窄带宽。在RH区域中，由于频散曲线比较陡峭，带宽较宽。因此，获得宽带的第一条件(第一BB条件)可以表示如下：
COND1：第一BB条件在
其中p＝单元尺寸，且
其中，χ在式(4)中给出，ωR定义于式(1)中。式(4)中的频散关系指示：当|AN|＝1，导致式(7)的第一BB条件(COND1)中的分母为0时，发生谐振。作为提醒，AN是N个相同的单位单元的第一传输矩阵项(图4B和图6B)。该计算显示COND1确实与N无关，并由式(7)的第二式中给出。谐振处的分子和x的值(如表1所示)限定了频散曲线的斜率，因此限定了可能的带宽。目标结构的尺寸至多为Np＝λ/40，带宽超过4％。对于具有小单元尺寸p的结构，式(7)指示大ωR值(即，小CR和LR值)满足COND1，这是由于：对于n＜0，谐振发生在表1中接近4的x值处，换言之，(1-χ/4→0)。
如前所述，一旦频散曲线斜率具有陡峭值，下一步是识别合适的匹配。理想的匹配阻抗具有固定值，并且可能不要求大的匹配网络覆盖区。此处，在(如，天线中的)单侧馈送的情况下，术语“匹配阻抗”指馈线和终端。为了分析输入/输出匹配网络，可以针对图4B中的TL电路计算Zin和Zout。由于图3中的网络是对称的，因而易于证明Zin＝Zout。可以证明Zin与N无关，如下式所示：
式(8)仅具有正的实数值。B1/C1大于0的一个原因是由于式(4)中的条件|AN|≤1，该条件导致以下阻抗条件：
0≤-ZY＝χ≤4。
第二宽带(BB)条件是：在谐振附近，Zin随频率轻微变化，以保持恒定匹配。应当记住的是，实输入阻抗Zin’包括来自CL串联电容的贡献，如式(3)所示。以下给出了第二BB条件：
COND2：第二BB条件：谐振附近，
与图2和图3中的传输线示例不同，天线设计具有开端侧，开端侧具有无穷的阻抗，与结构边缘阻抗匹配欠佳。电容终端由下式给出：
电容终端取决于N，并且是纯虚数。由于LH谐振通常比RH谐振窄，同n＞0区域相比，所选择的匹配值更接近于在n＜0区域中导出的值。
一种增加LH谐振带宽的方法是：减小并联电容器CR。如式(7)中所解释的，该减小能够导致更陡峭的频散曲线的较高的ωR值。存在减小CR的各种方法，包括但不限于：1)增加基板厚度；2)减小单元贴片面积；3)减小顶单元贴片下方的接地面积，形成“截断的接地”；或以上技术的组合。
图1和5中的MTM TL和天线结构使用导电层来覆盖基板的整个底表面，作为完整的接地电极。可以使用截断的接地电极将接地电极的面积减小为小于完整的基板表面的面积，所述截断的接地电极被图案化为暴露基板表面的一个或多个部分。这可以增加谐振带宽并调谐谐振频率。参照图8和11讨论截断的接地结构的两个示例，其中，减小了基板的接地电极侧的单元贴片覆盖区中的接地电极的量，并且使用剩余带线(通孔线)将单元贴片的通孔与单元贴片覆盖区外的主接地电极相连接。可以在各种配置中实现该截断的接地方案，以实现宽带谐振。
图8示意了针对4单元MTM传输线的截断的接地电极的一个示例，其中，沿单元贴片下方的一个方向，接地电极具有小于单元贴片的尺寸。接地导电层包括：连接至通孔并穿过单元贴片下方的通孔线。通孔线的宽度小于每个单位单元的单元路径的尺寸。在商用设备的实现中，使用截断的接地可能是优于其他方法的选择，在商用设备中，由于天线效率的相关联降低，不能增加基板厚度，或者不能减小单元贴片面积。当截断接地时，由如图8所示的将通孔连接至主接地的金属化带(通孔线)引入另一电感器Lp(图9)。图10示出了与图8中的TL结构类似的具有截断的接地的对应4单元天线。
图11示意了具有截断的接地结构的MTM天线的另一示例。在该示例中，接地导电层包括通孔线和主接地，所述主接地形成于单元贴片覆盖区以外。每个通孔线在第一末端连接至主接地，并在第二末端连接至通孔。通孔线的宽度小于每个单位单元的单元路径的尺寸。
可以导出截断的接地结构的公式。在截断的接地示例中，并联电容CR变小，并且谐振服从与式(1)、(5)和(6)相同的公式以及表1。提出两种方式。图8和9表示第一方式(方式1)，其中，在以(LR+Lp)替换LR后，谐振与式(1)、(5)和(6)以及表1中相同。对于|n|≠0，每个模式具有两个谐振，对应于：(1)ω±n，对于以(LR+Lp)替换LR和(2)ω±n，对于以(LR+Lp/N)替换LR，其中，N是单位单元的数目。在该方式1下，阻抗公式变为：
其中χ＝-YZ且χ＝-YZP，
式(11)其中，Zp＝jωLp，并且Y定义于式(2)。式(11)中的阻抗公式规定，两个谐振ω和ω’分别具有低阻抗和高阻抗。因此，在多数情况下，易于调谐在ω谐振附近。
在图11和12中示意了第二方式(方式2)，并且在以(LL+Lp)替换LL后，谐振与式(1)、(5)和(6)以及表1中相同。在第二方式中，组合并联电感器(LL+Lp)增大，同时并联电容器CR减小，导致较低的LH频率。
以上示例MTM结构形成在两个金属化层上，并且两个金属化层之一被用作接地电极，并通过导电通孔连接至另一金属化层。可以使用如图1和5所示的完整的接地电极或图8和10所示的截断的接地电极来构造这样的具有通孔的两层CRLH MTM TL和天线
在一个实施例中，SLM MTM结构包括：具有第一基板表面和相对的基板表面的基板；形成在第一基板表面上并被图案化为具有两个或更多个导电部分的金属化层，以形成无穿透介电基板的导电通孔的SLM MTM结构。金属化层中的导电部分包括：SLM MTM结构的单元贴片；空间上与单元贴片分开的接地、将接地和单元贴片互连的通孔线；以及电容性耦合至单元贴片而不与单元贴片直接接触的馈线。通过馈线和单元贴片间的间隙的电容性耦合，产生LH串联电容CL。RH串联电感LR主要产生在馈线和单元贴片中。不存在垂直地夹在该SLM MTM结构中的两个导电部分间的介电材料。因此，SLM MTM结构的RH并联电容CR可以被设计为小到忽略不计。在单一金属化层中的单元贴片和接地间，仍可以引起小RH并联电容CR。由于不存在穿透基板的通孔，SLM MTM结构中的LH并联电感LL可以忽略，但连接至接地的通孔线能够产生等效于LH并联电感LL的电感。TLM-VL MTM天线结构可以具有置于两个不同层中的馈线和单元贴片，以产生垂直的电容性耦合。
与SLM和TLM-VL MTM天线结构不同，多层MTM天线结构在由至少一个通孔连接的两个或更多金属化层中具有导电部分。这样的多层MTM天线结构的示例和实现在以下美国专利申请中描述：申请号12/270,410，名称“Metameterial Structures with MultilayerMetallization and Via”，申请日2008年10月13日，其公开通过引用并入此处。这些多金属化层被图案化为具有基于基板、膜或板结构的多个导电部分，其中，两个相邻的金属化层由电绝缘材料(例如，介电材料)分开。两个或更多个基板可以堆叠在一起(带有或不带有介电隔离物)，以提供多个金属化层的多个表面，从而实现特定的技术特征或优势。这样的多层MTM结构可以实现至少一个导电通孔，以将一个金属化层中的一个导电部分连接至另一金属化层中的另一导电部分。这允许一个金属化层中的一个导电部分至另一金属化层中的另一导电部分的连接。
具有通孔的双层MTM天线结构的实现包括：具有第一基板表面和与第一表面相对的第二基板表面的基板；形成在第一基板表面上的第一金属化层；以及形成在第二基板表面上的第二金属化层，其中，两个金属化层被图案化为具有两个或更多个导电部分，至少一个导电通孔将第一金属化层中的一个导电部分连接至第二金属化层中的另一导电部分。截断的接地可以形成在第一金属化层中，使表面的一部分暴露。第二金属化层中的导电部分可以包括MTM结构的单元贴片和馈线，馈线的末端位于接近于并且电容性耦合至单元贴片，以向单元贴片发送和从单元贴片接收天线信号。与暴露表面的至少一部分相平行地形成单元贴片。第一金属化层中的导电部分包括通孔线，该通孔线通过在基板中形成的通孔将第一金属化层中的截断的接地与第二金属化层中的单元贴片相连接。通过馈线和单元贴片间的间隙的电容性耦合，产生LH串联电容CL。RH串联电感LR主要产生在馈线和单元贴片中。LH并联电感LL主要由通孔和通孔线引起。RH并联电容CR主要在第二金属化层中的单元贴片和投影在第一金属化层上的单元贴片覆盖区中的通孔线的一部分之间引起。可以将附加的导电线(如，弯折线)附接至馈线，以引起RH单极谐振，从而支持宽带或多带天线操作。
可以由MTM天线支持的各种频带的示例包括：蜂窝电话和移动设备应用、WiFi应用、WiMax应用以及其他无线通信应用的频带。蜂窝电话和移动设备应用的频带示例为：蜂窝频带(824-960MHz)，包括CDMA(824-894MHz)和GSM(880-960MHz)两个频带；以及PCS/DCS频带(1710-2170MHz)，包括DCS(1710-1880MHz)、PCS(1850-1990MHz)和AWS/WCDMA(2110-2170MHz)三个频带。
CRLH结构可以被专门定制为符合应用的要求(如，PCB空间约束和布局因素)、设备性能要求以及其他规定。CRLH结构中的单元贴片可以具有各种几何形状和尺寸，包括例如：矩形、多边形、不规则形状、圆形、椭圆形、或不同形状的组合。通孔线和馈线也可以具有各种几何形状和尺寸，包括例如：矩形、多边形、不规则形状、Z字形、螺旋形、弯折形、或不同形状的组合。馈线的末端可以被改变为形成发射板，以改变电容性耦合。其他电容性耦合技术可以包括：在单元贴片和发射板间形成垂直的耦合间隙。发射板可以具有各种几何形状和尺寸，包括例如：矩形、多边形、不规则形状、圆形、椭圆形、或不同形状的组合。发射板和单元贴片间的间隙可以采取各种形式，包括例如：直线、曲线、L形线、Z字形线、非连续线、封闭线、或不同形式的组合。馈线、发射板、单元贴片和通孔线中的某些组件可以在与其他组件不同的层中形成。馈线、发射板、单元贴片和通孔线中的某些组件可以从一个金属化层扩展至不同金属化层。可以将天线部分置于主基板上方几毫米的位置。可以串行地级联多个单元，以形成多单元1D结构。可以在正交的方向上级联多个单元，以形成2D结构。在某些实现中，单个馈线可以被配置为向多个单元贴片传送功率。在其他实现中，可以向馈线或发射板添加附加导电线，其中，该附加导电线可以具有各种几何形状和尺寸，包括例如：矩形、不规则形状、Z字形、平面螺旋形、垂直螺旋形、弯折形、或不同形状的组合。所述附加导电线可以被置于顶层、中间层、或底层、或者基板上方几毫米的位置。
另一种MTM天线包括非平面MTM天线。这样的非平面MTM天线结构将MTM天线的一个或多个天线部分布置为远离同一MTM天线的一个或多个其他天线部分，使得MTM天线的天线部分在非平面配置中形成空间分布，以提供适于适应无线通信设备(如，便携式无线通信设备)的所分配的空间或体积的紧凑的结构。例如，MTM天线的一个或多个天线部分可以位于介电基板上，同时将MTM天线的一个或多个其他天线部分置于另一介电基板上，使得MTM天线的天线部分在非平面配置(如，L形天线配置)中形成空间分布。在各种应用中，MTM天线的天线部分可以被布置为，在3维(3D)基板结构中的平行或非平行层中容纳各个部分。这样的非平面MTM天线结构可以缠绕在产品封装内，或者绕产品封装缠绕。非平面MTM天线结构中的天线部分可以被布置为接合至封装、壳壁、天线载体、或其他封装结构，以节省空间。在某些实现中，与这样的封装结构的临近表面实质平行地并且在该临近表面附近，放置非平面MTM天线结构的至少一个天线部分，其中，天线部分可以在封装结构内部或外部。在某些其他实现中，可以使MTM天线结构与产品外壳的内壁、天线载体的外表面、或设备封装的轮廓的形状相符。同平面配置中相似的MTM天线相比，这样的非平面MTM天线结构可以具有更小的覆盖区，并且因此能够适合便携式通信设备(如，蜂窝电话)中有限可用的空间。在某些非平面MTM天线设计中，可以并入旋转机制或滑动机制，使得MTM天线的一部分或整体能够折叠或滑入，以在不使用时节省空间。此外，可以使用带有或不带有介电隔离物的堆叠基板，以支持MTM天线的不同的天线部分，并在堆叠的基板间并入机械和电接触，以利用主板上的空间。
可以在各种配置中实现非平面3D MTM天线。例如，可以在非平面3D配置中布置此处描述的MTM单元段，以实现在各种MTM结构附近形成有调谐元件的设计。例如，以下美国专利申请公开了能够在MTM结构附近实现调谐元件的3D天线结构：申请号12/465,571，申请日2009年5月13日，名称“Non-Planar Metamaterial Antenna Structures”。申请号No.12/465,571的整个公开通过引用被并入此处，作为本文公开的一部分.
在一个方面，申请号No.12/465,571公开了一种天线设备，包括：设备外壳，包括形成封装的壁；第一天线部分，位于设备外壳内，并且同其他壁相比更接近于第一壁；以及第二天线部分。第一天线部分包括：一个或多个第一天线组件，被布置在接近于第一壁的第一平面中。第二天线部分包括：一个或多个第二天线组件，被布置在与第一平面不同的第二平面中。该设备包括：接合天线部分，将第一和第二天线部分相连接，使得第一天线部分的一个或多个第一天线组件和第二天线部分的一个或多个第二天线组件电磁耦合，以形成支持天线信号中的至少一个谐振频率并且尺寸小于谐振频率波长一半的CRLH MTM天线。在另一方面，申请号No.12/465,571公开了一种天线设备，被构造为接合封装结构。该天线设备包括第一天线部分，该第一天线部分被配置为位于封装结构的第一平面部分附近，并且包括第一平面基板以及与第一平面基板相关联的至少一个第一导电部分。在该设备中提供第二天线部分，并且第二天线部分被配置为位于封装结构的第二平面部分附近。第二天线部分包括第二平面基板以及与第二平面基板相关联的至少一个第二导电部分。该设备还包括将第一和第二天线部分相连接的接合天线部分。至少一个第一导电部分、至少一个第二导电部分以及接合天线部分共同形成CRLH MTM结构，以支持天线信号中的至少一个谐振频率。在又一方面，申请号No.12/465,571公开了一种天线设备，被构造为接合至封装结构，并且包括具有柔性介电材料的基板以及与基板相关联的两个或更多个导电部分，以形成被配置为支持天线信号中的至少一个频率谐振的CRLH MTM结构。所述CRLH MTM结构被划分为第一天线部分、第二天线部分和第三天线部分，所述第一天线部分被配置为位于封装结构的第一平面部分附近，所述第二天线部分被配置为位于封装结构的第二平面部分附近，所述第三天线部分形成在第一和第二天线部分之间，并且在由封装结构的第一和第二平面部分形成的角部附近弯曲。
在本文中提供了各种缝隙天线设计，以基本缝隙天线设计起始，并以多带CRLH缝隙天线设计结束。基本缝隙天线设计提供若干公共结构元件，在此处提出的后续缝隙天线设计中共享这些公共结构元件，在结构和功能上，每个后续实施例基于先前的设计来构建。
图13A-13C示意了根据示例实施例的基本缝隙天线设备1300的多个视图。图13A-13B分别表示顶导电层1300-1的顶视图和底导电层1300-2的顶视图。
在图13A中，基本缝隙天线设备1300的顶导电层1300-1可以形成在基板1301的第一表面上。导电层的示例包括金属板、金属片或其他导电平面，具有限定导电层的各种形状和尺寸的边界或周界。此外，边界或周界可以由一个或多个直线或曲线来限定。在顶导电层1300-1的末端形成使一部分基板1301暴露并具有不同朝向和尺寸的若干邻接开口，以形成连续缝隙。可以通过使用各种蚀刻方法(如，机械或化学蚀刻***)选择性地移除顶导电层1300-1的特定部分，在基板中形成开口。连续缝隙的部分可以包括：天线缝隙部分1303、连接缝隙部分1304、CPW缝隙部分1307和匹配缝隙短截部分1309。每个缝隙部分1303-1309可以被配置为不同的形状，包括矩形、三角形、圆形或其他多边形。在该示例中，每个缝隙部分1303-1309被配置为矩形或矩形的组合，但朝向和尺寸改变。例如，相对于基板的横向边缘，每个矩形形状的缝隙部分1303-1309的朝向包括但不限于垂直或水平取向的开口。其他可能的朝向包括以0°和360°范围间的任意角度形成的开口。可以就其各缝隙部分1303-1309来描述连续缝隙的特征。例如，可以通过在顶导电层1300-1中形成开口，来限定天线缝隙部分1303，其中，所述开口具有位于顶导电层1300-1末端的切除部分1317和与顶接地1305-1相邻的另一部分。第二矩形开口形成连接缝隙部分1304，连接缝隙部分1304将天线缝隙部分1303连接至CPW缝隙部分1307的一端，CPW缝隙部分1307包括形成U形结构的多个邻接的矩形开口。CPW缝隙1307的另一端连接至形成匹配缝隙短截部分1309的矩形开口的自由端，匹配缝隙短截部分1309具有在顶接地1305-1中形成的封闭端。
在图13B中，缝隙天线设备1300的底导电层1300-2可以形成在基板1301的第二表面上。如图13B所示，连续缝隙的特定部分可以被投影至底导电层1300-2(如，底接地1305-2)之上，而其他部分可以被投影至在底导电层1300-2中形成的清除部分1315之上。可以通过上述蚀刻方法，形成清除部分1315，清除部分1315沿基板1301的边缘1319开始并扩展至另一边缘1321。
再次参照图13A，投影至清除部分1315之上的连续缝隙的部分包括：天线缝隙部分1303、连接缝隙部分1304和匹配缝隙短截部分1309。投影在清除部分1315之下的连续缝隙的部分包括：CPW缝隙部分1307。顶接地和底接地1305-1和1305-2可以通过在基板上形成的通孔阵列(未示出)连接在一起，以形成扩展的接地平面。
参照图13A中的顶导电层1300-1，由CPW缝隙部分1307隔离的金属导电带的一部分限定了接地的共面波导(CPW)馈送1311。在该示例中，CPW馈送1311的一个端部可以耦合至顶接地1305-1，而另一端部可以耦合至RF信号端口1313。
在设计天线以针对具体应用实现特定天线属性时，可以使用缝隙天线设备1300的多个设计参数和特征。以下提供了一些示例。
例如，基板1301可以是100mm x 60mm x 1mm(长度x宽度x厚度)，并且可以包括介电材料，如FR-4、FR-1、CEM-1或CEM-3。例如，这些材料可以具有约4.4的介电常数。
CPW馈送1311的尺寸可以被设计为约1.4mm x 8mm。天线缝隙部分1303的尺寸可以被设计为约3.00mm x 30.05mm。连接缝隙部分1304的尺寸可以被设计为约0.4mm x 6.0mm。匹配缝隙短截部分1309可以在顶接地1305-1的附近形成，其中，在离顶接地1305-1的顶边缘13195mm的位置，匹配缝隙短截部分短接至天线接地。清除部分1315的尺寸可以被设计为约11mm x 60mm。CPW馈送1311可以被设计为适应各种阻抗，包括例如，50Ω。
在图13C中，呈现了天线缝隙设备1300的立体图，并示意了顶导电层1300-1、基板1301和底导电层1300-2的堆叠朝向。在图13C所示的立体图中呈现了在图13A-13B中呈现的各种元件，如，缝隙、CPW馈送以及顶层和底层的接地。
为了操作基本缝隙天线设备1300，可以将RF源馈送至CPW馈送端口1313和天线接地1305，以激励缝隙天线设备1300。可以沿由邻接开口形成的导电边缘并通过RF源提供的电流来引起串联电感LR和并联电容CR。限定电感LR的结构元件可以包括CPW馈送1311的一侧以及与天线缝隙1303的上侧相邻的导电边缘，如图14A所示的粗虚线1401所示。并联电容CR可由两个导电板1403和1405之间的间隙确定，该间隙限定了顶导电层1300-1中的天线缝隙1303。
图14B示意了图13A-13C中所示的基本缝隙天线设备1300的等效电路模型。该等效电路模型包含串联电感器LR和并联电容器CR，对应于由形成天线缝隙部分1303、连接缝隙部分1304和CPW缝隙部分1307的导电部分限定的电感和电容。
串联电感LR和并联电容CR可以对在基本缝隙天线设备1300的RH区域中产生的谐振做出贡献。可以对基本缝隙天线设备1300应用仿真建模工具，以估计操作频率和其他性能数据。这些性能参数中的一些包括：返回损耗和阻抗图。
在图15中，示意了基本缝隙天线设备1300的HFSS仿真的返回损耗。该图中的仿真结果指示了在大约1.53GHz辐射的操作频率。
图16示意了在CPW馈送1313的开口端测量的基本缝隙天线设备1300的输入阻抗的实部和虚部。根据该图可以外推出天线谐振频率位于当虚部具有0欧姆输入阻抗时实部的频率，天线谐振频率是大约1.49GHz。
仿真结果指示：对于基本缝隙天线设备1300，具有至少一个谐振频率的可行天线设计是可能的。此外，这些结果可以作为在本文中提供的其他缝隙天线设计的比较基础。
图17A-17C示意了根据示例实施例的第二缝隙天线设备1700的多个视图。图17A-17B分别表示顶导电层1700-1的顶视图和底导电层1700-2的顶视图。在结构上，第二缝隙天线设备1700的设计与之前提出的基本缝隙天线设备1300相似。然而，在第二缝隙天线设备1700的顶导电层中形成耦合间隙，以相对于之前的缝隙天线设计改变该天线设备1700的操作频率。
在图17A中，第二缝隙天线设备1700的顶导电层1700-1可以形成在基板1701的第一表面上。导电层的示例包括金属板、金属片或其他导电平面，具有限定导电层的各种形状和尺寸的边界或周界。此外，边界或周界可以由一个或多个直线或曲线来限定。在顶导电层1700-1的末端形成使一部分基板1701暴露并具有不同朝向和尺寸的若干邻接开口，以形成连续缝隙。可以使用各种蚀刻方法(如，机械或化学蚀刻***)选择性地移除顶导电层1700-1的特定部分，在基板中形成开口。连续缝隙的部分可以包括：天线缝隙部分1703、连接缝隙部分1704、CPW缝隙部分1707和匹配缝隙短截部分1709。每个缝隙部分1703-1709可以被配置为不同的形状，包括矩形、三角形、圆形或其他多边形。在该示例中，每个缝隙部分1703-1709被配置为矩形或矩形的组合，但朝向和尺寸改变。例如，相对于基板的一个边缘，每个矩形形状的缝隙部分1703-1709的朝向包括但不限于垂直或水平取向的开口。其他可能的朝向包括以0°和360°范围间的任意角度形成的开口。可以就其各缝隙部分1703-1709来描述连续缝隙的特征。例如，可以通过在顶导电层1700-1中形成开口，来限定天线缝隙部分1703，其中，所述开口具有位于顶导电层1700-1末端的切除部分1717和与顶接地1705-1相邻的另一部分。第二矩形开口形成连接缝隙部分1704，连接缝隙部分1704将天线缝隙部分1703连接至CPW缝隙部分1707的一端，CPW缝隙部分1707包括形成U形结构的多个邻接的矩形开口。CPW缝隙部分1707的另一端连接至形成匹配缝隙短截部分1709的矩形开口的自由端，匹配缝隙短截部分1709具有在顶接地1705-1中形成的封闭端。连续缝隙还可以包括在顶导电层1700-1中形成的耦合间隙1725，耦合间隙1725将金属板1727与顶接地1705-1分开。
在图17B中，缝隙天线设备1700的底导电层1700-2可以形成在基板1701的第二表面上。如图17B所示，连续缝隙的特定部分可以被投影至底导电层1700-2(如，底接地1705-2)之上，而其他部分可以被投影至在底导电层1700-2中形成的清除部分1715之上。可以通过上述蚀刻方法，形成清除部分1715，清除部分1715沿基板1701的边缘1719开始并扩展至另一边缘1721。
再次参照图17A，投影至清除部分1715之上的连续缝隙的部分包括：天线缝隙部分1703、连接缝隙部分1705和匹配缝隙短截部分1709。投影在清除部分1715之下的连续缝隙的部分包括：CPW缝隙部分1707。顶接地和底接地1705-1和1705-2可以通过在基板中形成的通孔阵列(未示出)连接在一起，以形成扩展的接地平面。
参照图17A中的顶导电层1700-1，由CPW缝隙部分1707隔离的金属导电带的一部分限定了接地的共面波导(CPW)馈送1711。在该示例中，CPW馈送1711的一个端部可以耦合至顶接地1705-1，而另一端部可以耦合至RF信号端口1713。
在设计天线以针对具体应用实现特定天线属性时，可以使用第二缝隙天线设备1700的多个设计参数和特征。以下提供了一些示例。
例如，基板1701可以是100mm x 60mm x 1mm(长度x宽度x厚度)，并且可以包括介电材料，如FR-4、FR-1、CEM-1或CEM-3。例如，这些材料可以具有约4.4的介电常数。
CPW馈送1711的尺寸可以被设计为约1.4mm x 8mm。天线缝隙部分1703的尺寸可以被设计为约3.00mm x 30.05mm。连接缝隙部分1704的尺寸可以被设计为约0.4mm x 6.0mm。匹配缝隙短截部分1709可以在顶接地1705-1的附近形成，其中，在离顶接地1705-1的顶边缘17195mm的位置，匹配缝隙短截部分1709短接至天线接地1705-1。在该实现中，耦合间隙1725的尺寸约0.5mm x 2mm，并且位于离天线缝隙部分1703的末端约1.05mm的位置。清除部分1715的尺寸可以被设计为约11mm x 60mm。CPW馈送1711可以被设计为适应各种阻抗，包括例如，50Ω。
在图17C中，呈现了第二天线缝隙设备1300的立体图，并示意了顶导电层1700-1、基板1701和底导电层1700-2的堆叠朝向。在图17C所示的立体图中呈现了在图17A-17B中呈现的各种元件，如，缝隙、CPW馈送以及顶层和底层的接地。
通过将RF源连接至CPW馈送端口1713和天线接地1705，以激励缝隙天线设备1700，可以激活第二缝隙天线设备1700。可以沿由邻接开口形成的导电边缘并通过RF源提供的电流来引起串联电感LR、并联电容CR和串联电容CL。限定第二天线设备1700的串联电感LR和并联电容CR的结构元件与基本天线设备1300相似。例如，限定电感LR的结构元件可以包括CPW馈送1711的一侧以及与天线缝隙1703的上侧相邻的导电边缘，如图18A所示的粗虚线1801所示。并联电容CR可由在两个导电板1803和1805之间形成的间隙确定，该间隙限定了顶导电层1700-1中的天线缝隙1703。在该示例中，附加电容CL可以由在顶接地1705-1和金属板1727间形成的耦合间隙1725产生，如图18A所示。
图18B示意了图17A-17C中所示的第二缝隙天线设备1700的等效电路模型。该等效电路模型包含串联电感器LR、并联电容器CR和串联电容器CL，对应于由形成了天线缝隙部分1703、连接缝隙部分1704、CPW缝隙部分1707和耦合间隙1725的导电部分限定的电感和电容。
图19和20分别示意了缝隙天线设备1700的仿真的返回损耗以及输入阻抗的实部和虚部。例如，返回损耗指示操作频率位于3.19GHz。阻抗图指示天线谐振频率处于3.27GHz。第二缝隙天线设备1700的RH区域中的谐振频率可由在之前的设计中介绍的类似的参数(如串联电感LR和并联电容CR)确定。在图19和20中，可以在第二缝隙天线设备1700中观察到天线频率的增加，由耦合间隙1725形成的附加串联电容CL所引起，相对于之前设计的2X偏移。
图21A-21C分别示出了根据示例实施例的第三缝隙天线设备2100的顶层2100-1的顶视图、底层2100-2的顶视图和立体图。第三缝隙天线设备2100基本类似于第二缝隙天线设备1700，除了跨过第一层2100-1中的耦合间隙2125安装分立的RF组件(如，集总电容器2129)，以将顶接地2105-1电容性耦合至金属板2127，如图21A所示。由集总电容器2129提供的该附加电容可以在电学上增大由耦合间隙2125形成的串联电容CL，从而将天线调谐至期望的频率级别。
由于第三缝隙天线设备2100的尺寸、形状和结构基本类似于之前的缝隙天线设备1700，第二缝隙天线设备1700的若干设计参数和特征可以直接应用于第三缝隙天线设备2100。在之前的示例中，提供了对这些设计参数的完整描述。
通过将RF源连接至CPW馈送端口2113和天线接地2105-1，以激励缝隙天线设备2100，可以激活第三缝隙天线设备2100。可以沿由邻接开口形成的导电边缘并通过RF源提供的电流来引起串联电感LR、并联电容CR、串联电容CL和串联电容C1。限定第三天线设备2100的串联电感LR和并联电容CR的结构元件与第二天线设备1700相似。例如，限定电感LR的结构元件可以包括CPW馈送2111的一侧以及与天线缝隙2103的上侧相邻的导电边缘，如图22A所示的粗虚线2201所示。并联电容CR可由在两个导电板2203和2205之间形成的间隙确定，该间隙限定了顶导电层2100-1中的天线缝隙2103。在该示例中，总串联电容可以包括CL和C1，其中，CL可以由耦合间隙2125产生，C1归因于集总电容器2129，如图22A所示。
图22B示意了图21A-21C中所示的第三缝隙天线设备2100的等效电路模型。该等效电路模型包含串联电感器LR、并联电容器CR和串联电容器(CL+C1)，对应于由形成了天线缝隙部分2103、连接缝隙部分2104、CPW缝隙部分2107、耦合间隙2125并且包括集总电容器2129元件在内的导电部分限定的电感和电容。
图23和24分别示意了缝隙天线设备2100的仿真的返回损耗以及输入阻抗的实部和虚部。例如，返回损耗指示了位于1.9GHz的天线操作频率。阻抗图指示天线谐振频率处于1.78GHz。对于给定的电容C1，这些结果指示：同之前的天线设备1700相比，操作和天线谐振至少降低40％。此外，如在第三缝隙天线设备2100中表明的，可以选择集总电容器2129的其他电容值，以将天线调谐至期望频率。
已表明，到目前为止提出的缝隙天线设备支持主要由串联电感LR和并联电容CR确定的、主要在RH区域中的谐振频率。然而，缝隙天线设备还可以被配置为CRLH天线结构，并且因而支持LH区域中第二较低谐振频率。一种创建CRLH缝隙天线结构的方式是：向原始缝隙天线加载串联电容器CL和并联电感器LL或多个CL和LL，以创建多于一个LH谐振。虽然所提供的示例使用介电电路的上表面，但是CRLH缝隙天线的每个部分可以位于创建三维(3D)结构的不同层。
图25A-25C示意了根据示例实施例的超材料缝隙天线设备2500。图25A-25B分别表示顶导电层2500-1的顶视图和底导电层2500-2的顶视图。在结构上，第二缝隙天线设备2500的设计与之前提出的缝隙天线设备2100基本相似。然而，对之前的缝隙天线设计2100做出了修改，以构造CRLH天线结构，形成超材料缝隙天线设备2500。
在图25A中，超材料缝隙天线设备2500的顶导电层2500-1可以形成在基板2501的第一表面上。导电层的示例包括金属板、金属片或其他导电平面，具有限定了导电层的各种形状和尺寸的边界或周界。此外，边界或周界可以由一个或多个直线或曲线来限定。在顶导电层2500-1的末端形成使基板2501暴露并具有不同朝向和尺寸的若干邻接开口，以形成连续缝隙。可以使用各种蚀刻方法(如，机械或湿法蚀刻***)选择性地移除顶导电层2500-1的特定部分，在基板中形成开口。连续缝隙的部分可以包括：天线缝隙部分2503、连接缝隙部分2504、CPW缝隙部分2507和匹配缝隙短截部分2509。每个缝隙部分2503-2509可以被配置为不同的形状，包括矩形、三角形、圆形或其他多边形。此外，每个缝隙部分可以位于创建三维(3D)结构的不同层。在该示例中，每个缝隙部分2503-2509被配置为矩形或矩形的组合，但朝向和尺寸改变。例如，相对于基板的一侧，每个矩形形状的缝隙部分2503-2509的朝向包括但不限于垂直或水平取向的开口。其他可能的朝向包括以0°和360°范围间的任意角度形成的开口。可以就其各缝隙部分2503-2509来描述连续缝隙的特征。例如，可以通过在顶导电层2500-1中形成开口，来限定天线缝隙部分2503，其中，所述开口具有与封闭端2517相邻的一端和与顶接地2505-1相邻的另一部分，所述封闭端2517位于顶导电层1700-1末端的切除部分1717。第二矩形开口形成连接缝隙部分2504，连接缝隙部分2504将天线缝隙部分2503连接至CPW缝隙部分2507的一端，CPW缝隙部分2507包括形成U形结构的多个邻接的矩形开口。CPW缝隙部分2507的另一端连接至形成匹配缝隙短截部分2509的矩形开口的自由端，匹配缝隙短截部分2509具有在顶接地2505-1中形成的封闭端。连续缝隙还可以包括在顶导电层2500-1中形成的耦合间隙2525，耦合间隙2525将金属板2527的一端与顶接地2505-1分开。跨过顶导电层2500-1中的耦合间隙2525安装集总电容器2529，以将顶接地2505-1电容性耦合至金属板2527，如图25A所示。
在图25B中，超材料缝隙天线设备2500的底导电层2500-2可以形成在基板2501的第二表面上。如图17B所示，连续缝隙的特定部分可以被投影至底导电层2500-2(如，底接地2505-2)之上，而其他部分可以被投影至在底导电层2500-2中形成的清除部分2515之上。可以通过上述蚀刻方法，形成清除部分2515，清除部分2515沿基板2501的边缘2519开始并扩展至另一边缘2521。
再次参照图25A，投影至清除部分2515之上的连续缝隙的部分包括：天线缝隙部分2503、连接缝隙部分2504和匹配缝隙短截部分2509。投影在清除部分2515之下的连续缝隙的部分包括：CPW缝隙部分2507。顶接地和底接地2505-1和2505-2可以通过在基板中形成的通孔阵列(未示出)连接在一起，以形成扩展的接地平面。
参照图25A中的顶导电层2500-1，由CPW缝隙部分2507隔离的金属导电带的一部分限定了接地的共面波导(CPW)馈送2511。在该示例中，CPW馈送2511的一个端部可以耦合至顶接地2505-1，而另一端部可以耦合至RF信号端口2513。
在设计天线以针对具体应用实现特定天线属性时，可以使用第二缝隙天线设备2500的多个设计参数和特征。以下提供了一些示例。
例如，基板2501可以是100mm x 60mm x 1mm(长度x宽度x厚度)，并且可以包括介电材料，如FR-4、FR-1、CEM-1或CEM-3。例如，这些材料可以具有约4.4的介电常数。
CPW馈送2511的尺寸可以被设计为约1.4mm x 8mm，每侧具有0.4mm间隙。天线缝隙部分2503的尺寸可以被设计为约3.00mm x29.05mm。连接缝隙部分2504的尺寸可以被设计为约0.4mm x6.0mm。匹配缝隙短截部分2509可以在顶接地2505-1的附近形成，其中，在离顶接地2505-1的顶边缘25195mm的位置，匹配缝隙短截部分2509短接至天线接地。在该实现中，耦合间隙2525的尺寸约0.5mm x 2mm，并且位于离天线缝隙部分2503的末端约1.05mm的位置。清除部分2515的尺寸可以被设计为约11mm x 60mm。CPW馈送2511可以被设计为适应各种阻抗，包括例如，50Ω。
在图25C中，呈现了超材料天线缝隙设备2500的立体图，并示意了顶导电层2500-1、基板2501和底导电层2500-2的堆叠朝向。在图25C所示的立体图中呈现了在图25A-25B中呈现的各种元件，如，缝隙、CPW馈送以及顶层和底层的接地。
为了操作超材料缝隙天线设备2500，可以将RF源馈送至CPW馈送端口2513和天线接地2505，以激励缝隙天线设备2500。可以沿由邻接开口形成的导电边缘并通过RF源提供的电流来引起串联电感LR、并联电容CR、并联电感LL和串联电容CL。限定电感LR的结构元件可以包括CPW馈送2511的一侧以及与天线缝隙2503的上侧相邻的导电边缘，如图26A所示的粗虚线2601所示。并联电容CR可由两个导电板2603和2605之间的间隙确定，该间隙限定了顶导电层2500-1中的天线缝隙2503。在该示例中，串联电容可以包括CL和C1，其中，CL由耦合间隙2525产生，C1归因于集总电容器2529，如图25A所示。并联电感LL可以由天线缝隙设备2500的左封闭端2517处的附加电流形成，如粗虚线2602所示。
图26B示意了图25A-25C中所示的超材料缝隙天线设备2500的等效电路模型。尽管在结构上可以辨识，该等效电路模型表示与图3和图9中所述的1维(1D)CRLH MTM传输线(TL)单位单元相似的单位单元。例如，超材料缝隙天线设备2500的CRLH参数可以包括串联电感器LR和并联电容器CR，对应于由形成了天线缝隙部分2503、连接缝隙部分2504和CPW缝隙部分2507的导电部分限定的电感和电容。此外，超材料缝隙天线设备2500的CRLH参数还可以包括由天线缝隙的左封闭端处的附加电流引起的并联电感器LL以及串联电容器(CL和C1)，其中，CL由耦合间隙2525产生，C1归因于集总电容器2529。
超材料缝隙天线设备2500可以包括由CRLH天线结构限定的多个谐振频率。例如，串联电感LR和并联电容CR可以对RH区域中产生的谐振做出贡献，而并联电感LL和串联电容(CI+C1)可以对LH区域中产生的谐振做出贡献。可以对超材料缝隙天线设备2500应用仿真建模工具(如，Ansoft HFSS)，以估计操作频率和其他性能数据，这些性能参数包括返回损耗和阻抗图。
图27和28分别示意了超材料缝隙天线设备2500的仿真的返回损耗以及输入阻抗的实部和虚部。在图27中，返回损耗图指示：超材料缝隙天线设备2500操作于大约0.825GHz和3.26GHz的频率范围。较低的操作频率可以归因于LH模式，较高的操作频率可以归因于RH模式。通过比较，由于之前的缝隙天线设备和超材料缝隙天线设备2500之间的结构和电学相似性，之前的缝隙天线设备中的RH模式与超材料缝隙天线设备2500中的RH模式相当。
还可以从示出了超材料缝隙天线设备2500的输入阻抗的实部和虚部的图28外推出操作频率。该图中的RH和LH天线谐振分别大约位于0.82GHz和3.495GHz，与图27中的返回损耗图所获得的频率相似。
通过对特定天线元件的结构修改，对超材料缝隙天线设备2500的进一步调谐和性能改进是可能的。
图29A-29C示意了超材料缝隙天线设备2500的修改版本，此处被称为MTM-B1缝隙天线设备2900。图29A-29C分别示意了根据示例实施例的缝隙天线设备2900的顶层2900-1的顶视图、底层2900-2的顶视图和立体图。在形式和功能上，MTM-B1缝隙天线设备2900基本类似于超材料缝隙天线设备2500，除了：包括导电带2951，将天线缝隙2903分离为两个部分；以及第二集总电容器2953连接在天线缝隙2903的分离部分之间，如图29A所示。如后续仿真结果所示，这些附加结构可以进一步增强和调谐超材料缝隙天线设备2900。
在设计天线以针对具体应用实现特定天线属性时，可以使用第二缝隙天线设备2900的多个设计参数和特征。以下提供了一些示例。
例如，基板2901可以是100mm x 60mm x 1mm(长度x宽度x厚度)，并且可以包括介电材料，如FR-4、FR-1、CEM-1或CEM-3。例如，这些材料可以具有约4.4的介电常数。
CPW馈送2911的尺寸可以被设计为约1.4mm x 8mm，每侧具有0.4mm间隙。天线缝隙部分2903的尺寸可以被设计为约3.00mm x 29.05mm。将天线缝隙分离为两部分的导电带2951可以是约2.5mm x 0.5mm。连接缝隙部分2904的尺寸可以被设计为约0.4mm x 6.0mm。匹配缝隙短截部分2909可以在顶接地2905-1的附近形成，其中，在离顶接地2905-1的顶边缘29195mm的位置，匹配缝隙短截部分2909短接至顶接地2905-1。在该实现中，耦合间隙2925的尺寸约0.5mm x 2mm，并且位于离天线缝隙部分2903的末端约1.05mm的位置。清除部分2915的尺寸可以被设计为约11mm x 60mm。CPW馈送2911可以被设计为使用各种阻抗，包括例如，50Ω。
在图29C中，呈现了MTM-B1缝隙天线设备2900的立体图，并示意了顶导电层2900-1、基板2901和底导电层2900-2的堆叠朝向。在图29C所示的立体图中呈现了在图29A-29B中呈现的各种元件，如，缝隙、CPW馈送以及顶层和底层的接地。
可以通过将RF源连接至CPW馈送端口2913和天线接地2905，以激励MTM-B1缝隙天线设备2900，来操作MTM-B1缝隙天线2900。可以沿由邻接开口形成的导电边缘并通过RF源提供的电流来引起串联电感LR、并联电容CR、并联电感LL和串联电容CL。限定电感LR的结构元件可以包括CPW馈送2911的一侧以及与天线缝隙2903的上侧相邻的导电边缘，如图30A所示的粗虚线3001所示。并联电容可以包括CR和C2，其中，CR由两个导电板3003和3005之间的间隙确定，该间隙限定了顶导电层2900-1中的右天线缝隙2903-1，C2归因于集总电容器2953。此外，串联电容可以包括CL和C1，其中，CL由耦合间隙2925产生，C1归因于集总电容器2929，如图29A所示。并联电感LL可以由天线缝隙设备2900的左封闭端2917处的附加电流形成，如粗虚线3002所示。
图30B示意了图29A-29C中所示的MTM-B1缝隙天线2900的等效电路模型。MTM-B1缝隙天线2900的CRLH参数可以包括串联电感器LR和并联电容器CR，对应于由形成了天线缝隙部分2903、连接缝隙部分2904和CPW缝隙部分2907的导电部分限定的电感和电容。在该示例中，并联电容可以包括电容器(CR和C2)，其中，CR由右天线缝隙2903-1的上侧和下侧导电板3003和3005产生，C2归因于集总电容器2953。此外，MTM-Bl缝隙天线2900的CRLH参数还可以包括由天线缝隙2903的左封闭端2917处的附加电流引起的并联电感器LL以及串联电容器(CL和C1)，其中，CL由耦合间隙2525产生，C1归因于集总电容器2529。关于1维(1D)CRLH MTM传输线(TL)单位单元的部分，串联电容(CL+C1)和并联电感(LL)表示单位单元的LH部分，并联电容(CR+C2)和串联电感(LR)表示单位单元的RH部分。
图31-33分别示意了MTM-B1缝隙天线2900的仿真的返回损耗、输入阻抗的实部和虚部以及效率图。在图31中，返回损耗图指示超材料缝隙天线设备2900操作于大约0.88GHz和1.9GHz的频率范围，0.88GHz和1.9GHz分别对应于LH和RH模式。与之前示例的图25所示的仿真的返回损耗相比，LH谐振的偏移显得可以忽略，这是由于在两个示例中串联电容(CL+C1)是相同的。然而，由于MTM-B1缝隙天线设备2900中额外的集总电容器C2，RH谐振明显地从3.26GHz移至1.9GHz。
图32示意了MTM-B1缝隙天线设备2900的输入阻抗的实部和虚部。LH和RH天线谐振分别大约位于0.88GHz和1.76GHz，并且与在仿真的返回损耗图中获得的LH和RH谐振相当。
图33示意了MTM-B1缝隙天线设备2900的所测量的辐射效率。0.88GHz和1.92GHz处的峰值效率分别是50％和81％，指示在两个谐振处可接受的效率级别是可能的。
总的来说，这些结果表明：LH和RH谐振可以分别由CL+C1和CR+C2来控制，并且该设计在LH和RH区域都可以提供适当的效率结果。
控制的C1和C2的其他修改结构可以包括使用交叉指型电容器和其他耦合间隙配置。交叉指型电容器包括例如：在导电层或不同导电层上印刷或图案化的两组交织的导电金属指。例如，图34A-34C示意了MTM-Bl缝隙天线设备2900的修改版本，此处被称为MTM-B2缝隙天线设备3400。图34A-34C分别示意了根据示例实施例的缝隙天线设备3400的顶层3400-1的顶视图、底层3400-2的顶视图以及立体图。在形式和功能上，MTM-B2缝隙天线设备3400基本类似于MTM-B1缝隙天线设备2900，除了：以交叉指型电容器C23451替换导电带2951和第二集总电容器2953；以及以扩展的耦合间隙CL3453替换耦合间隙2925和集总电容器2929，扩展的耦合间隙CL3453增大了耦合间隙2925的尺寸或形状。通过控制交叉指型电容器C23451和扩展的耦合间隙3453的尺寸，可以获得与图31-33类似的天线操作频率和效率结果。
由于MTM-B2缝隙天线设备3400的尺寸、形状和结构基本类似于之前的缝隙天线设备2900，之前的天线设备2900的若干设计参数和特征可以直接应用于MTM-B2缝隙天线设备3400。在之前的示例中，提供了对这些设计参数的完整描述。
在图34C中，呈现了MTM-B2缝隙天线设备3400的立体图，并示意了顶导电层3400-1、基板3401和底导电层3400-2的堆叠朝向。在图34C所示的立体图中呈现了在图34A-34B中呈现的各种元件，如，缝隙、CPW馈送以及顶层和底层的接地。
可以通过将RF源连接至CPW馈送端口3413和天线接地3405，以激励MTM-B2缝隙天线3400，来激活MTM-B2缝隙天线设备3400。MTM-B2缝隙天线3400的CRLH参数可以包括串联电感器LR和并联电容器CR，对应于由形成了天线缝隙部分3403、连接缝隙部分3404和CPW缝隙部分3407的导电部分限定的电感和电容。并联电容可以包括电容器(CR和C2)，其中，CR由右天线缝隙3403-1和左天线缝隙3403-1的上侧和下侧导电板3408和3410产生，C2归因于交叉指型电容器3451。此外，MTM-B2缝隙天线3400的CRLH参数还可以包括由天线缝隙3403的左封闭端3417处的附加电流引起的并联电感器LL以及串联电容器(CL和C1)，其中，CL由耦合间隙3425产生，C1由扩展的耦合间隙3453确定。在该示例中，与之前的示例一样，串联电容(CL+C1)和并联电感(LL)表示单位单元的LH部分，并联电容(CR+C2)和串联电感(LR)表示单位单元的RH部分。因此，可以通过修改对扩展的耦合间隙3453和交叉指型电容器3451的电容产生影响的特定属性(如，形状和尺寸)，来分别控制LH和RH谐振。
这些天线结构可以产生多个谐振，并且可以通过在单层或多层PCB上使用印刷技术来制造这些天线结构。此外，此处描述的MTM天线结构可以覆盖多个非连续和连续频带(如，双带或多带操作)。
尽管本说明书包含许多细节，但是这些不应解释为对本发明或要求保护的范围的限制，而是对特定实施例专有的特征的描述。在分离实施例的上下文中，在本说明书中描述的特定特征还可以组合在单一实施例中实现。相反，在单一实施例的上下文中描述的各个特征还可以在多个实施例中分离地实现或者以任何合适的子组合来实现。此外，尽管特征可能在以上描述为以特定组合来操作，以及甚至在原始权利要求中限定为如此，但是在一些情况下来自要求保护的组合的一个或多个特征可以从组合中去除，要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变型。
因此，描述了特定实施例。可以基于所描述和示意的内容，做出变型、改进和其他实施例。

Claims (10)

1.一种天线设备，包括：
基板，具有第一表面和第二表面；
第一导电层，形成在基板的第一表面上，所述第一导电层限定：
顶接地区域；
馈线导体；
匹配缝隙短截部分，由馈线导体的第一边缘限定；
连接缝隙部分，由馈线导体的与第一边缘相对的第二边缘限定，并由顶接地区域的第一边缘限定；
金属板；
耦合间隙，将顶接地与金属板分离；
天线缝隙部分，部分地由顶接地区域的第二边缘限定，并由金属板的边缘限定；
封闭端，将金属板导电耦合至顶接地，所述封闭端限定天线缝隙部分的末端边缘；
第二导电层，形成在基板的第二表面上，所述第二导电层包括底接地，
其中，第一导电层和基板形成复合右手和左手CRLH超材料结构；以及
其中，与所述封闭端相比，所述耦合间隙位于靠近所述馈线导体。
2.根据权利要求1所述的天线设备，其中，底接地耦合至顶接地的一部分。
3.根据权利要求1所述的天线设备，包括：共面波导CPW缝隙，其中馈线和CPW缝隙形成CPW结构。
4.根据权利要求1所述的天线设备，包括：集总电容器，跨过耦合间隙耦合在第一导电层的顶接地与分离的金属板区域之间。
5.根据权利要求1所述的天线设备，其中，所述缝隙被交叉指型电容器分离为两个缝隙部分。
6.根据权利要求5所述的天线设备，其中，交叉指型电容器或位于导电带的一部分和分离的金属板区域之间的集总电容器提供的第一电容至少部分限定右手RH谐振频率。
7.根据权利要求1所述的天线设备，其中，耦合间隙或跨过耦合间隙耦合的集总电容器提供的电容至少部分限定左手LH谐振频率。
8.根据权利要求1所述的天线设备，其中，CRLH材料结构支持双频带或多频带频率。
9.根据权利要求1所述的天线设备，其中，部分地限定天线缝隙的顶接地区域的第二边缘和金属板的边缘平行。
10.根据权利要求1所述的天线设备，其中，天线缝隙是直线形状。
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