異向材料天線設備的制作方法
【專利摘要】提供了一種異向材料天線設備，包括：位于基片的第一表面上的地電極；位于基片的第二表面上的第一導電膜片；電磁耦合到導電膜片的饋電結構；連接到導電膜片的第一電感元件；和位于基片的第一表面上的第二電感元件，所述第二電感元件將第一電感元件連接到地電極。其中所述導電膜片、第一電感元件、第二電感元件和地電極的至少一部分被構造為形成復合左右手CRLH結構；并且其中所述地電極整個位于導電膜片從第二表面投影到第一表面上的覆蓋區的投影的外部。
【專利說明】異向材料天線設備
[0001]本申請是申請日為2007年4月27日、申請號為200780024716.3 (國際申請號為PCT/US2007/067696)、發明名稱為“基于異向材料結構的天線、設備和系統”的發明專利申請的分案申請。
[0002]優先權的權利要求和相關的申請
[0003]本申請要求下列美國臨時專利申請的權益:
[0004]1、序列號為 60/795,845,題為 “Compact Multiple Input MultipleOutput (ΜΙΜΟ) Antenna Systems Using Metamaterials”，并于 2006 年 4 月 27 日提交的；
[0005]2、序列號為60/840，181,題為“Broadband and Compact Multiband MetamaterialStructures and Antennas”，并于 2006 年 8 月 25 日提交的；以及
[0006]3、序列號為60/826，670,題為“Advanced Metamaterial Antenna Sub-Systems,并于2006年9月22日提交的。
[0007]通過引用的方式將上面的申請的公開并入，作為本申請的說明書的部分。
【技術領域】
[0008]本申請涉及異向材料(metamaterial, MTM)結構及其應用。
【背景技術】
[0009]電磁波在大多數材料中的傳播對于(E，H，β )矢量場遵守右手法則，其中E為電場，H為磁場,而β為波矢(wave vector)。相速度的方向與信號能量傳播(群速度(groupvelocity))的方向相同，并且折射率為正數。這樣的材料為“右手的” (right handed, RH)。大多數自然材料是RH材料。人工材料也能夠是RH材料。
[0010]異向材料是一種人工結構。當以結構化平均單位單元尺寸P來設計時，該尺寸P遠小于由異向材料引導的電磁能量的波長，對于所引導的電磁能量，異向材料能夠表現得像均勻介質一樣。與RH材料不同，異向材料能夠呈現負的折射率，其中相速度的方向與信號能量傳播的方向相反，在所述信號能量的傳播中(E，H，β )矢量場的相對方向服從左手法貝U。僅支持負折射率的異向材料為“左手的”(left handed，LH)異向材料。
[0011]許多異向材料為LH異向材料和RH材料的混合，從而為復合的左右手的(Composite Left and Right Handed, CRLH)異向材料。CRLH異向材料能夠在低頻處表現得像LH異向材料一樣，而在高頻處表現得像RH材料一樣。在Caloz和Itoh的“Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and MicrowaveApplications” (John ffiley&Sons, 2006)中，描述了各種各樣的CRLH異向材料的設計和特性。Tatsuo Itoh 在 “ Invited paper: Prospects for Metamaterials,，，(ElectronicsLetters, vol.40, N0.16，2004年8月)中描述了 CRLH異向材料和它們在天線中的應用。
[0012]能夠構造并制造CRLH異向材料以呈現為了特定應用而定制的電磁特性，并且能夠將所述CRLH異向材料用于其中使用其他材料可能為困難的、不切實際的或不能實行的應用中。此外，可以使用CRLH異向材料來發展新的應用并構建用RH材料不可能構建的新設備。

【發明內容】

[0013]其中，本申請描述將一個或多個復合左右手(CRLH)異向材料結構用于處理并操縱電磁波信號中的技術、裝置和系統。能夠基于CRLH異向材料結構來形成天線、天線陣和其他RF (Radio Frequency,射頻)設備。例如，能夠將所描述的CRLH異向材料結構用于無線通信RF前端和天線子系統中。
[0014]在一種實施方式中，所描述的設備包括異向材料天線設備。該異向材料天線設備包括:位于基片的第一表面上的地電極；位于基片的第二表面上的第一導電膜片；電磁耦合到導電膜片的饋電結構；連接到導電膜片的第一電感元件；和位于基片的第一表面上的第二電感元件，所述第二電感元件將第一電感元件連接到地電極。其中所述導電膜片、第一電感元件、第二電感元件和地電極的至少一部分被構造為形成復合左右手CRLH結構；并且其中所述地電極整個位于導電膜片從第二表面投影到第一表面上的覆蓋區的投影的外部。
[0015]在一種實施方式中，所描述的設備包括彼此間隔并被構造為形成復合左右手(CRLH)異向材料結構的天線元件。每一天線元件的尺寸為與CRLH異向材料結構諧振的信號的波長的十分之一，并且兩個相鄰的天線元件相互間隔該波長的四分之一或更小。
[0016]在另一種實施方式中，設備包括天線，在基片上形成，并且包括被構造為形成復合左右手(CRLH)異向材料結構的單位單元；和RF電路元件，在第二 CRLH異向材料結構中的基片上形成，并被耦合到天線。
[0017]在再一種實施方式中，設備包括在基片上形成并包含天線元件的天線陣。每一天線元件被構造為包括形成復合左右手(CRLH)異向材料結構的單位單元。在基片上形成信號濾波器，并且將每一信號濾波器耦合到天線陣的各自的天線元件的信號通路。所述設備還包括在基片上形成的信號放大器，其中將每一信號放大器耦合到天線陣的各自的天線元件的信號通路。在基片上形成模擬信號處理電路，并將其經由信號濾波器和信號放大器耦合到天線陣。模擬信號處理電路可操作用于處理被導向天線陣的信號或從所述天線陣接收的信號。
[0018]在再一種實施方式中，設備包括:電介質基片，在第一側上具有第一表面，并在與第一側相對的第二側上具有第二表面；導電膜片，在第一表面上形成并且彼此分離；接地導電層，在第二表面上形成；導電通路連接器，在基片中形成以將導電膜片連接到接地導電層，以分別形成單位單元，而所述每一單位單元包含具有在第一表面上的、各自的導電膜片的容積(volume)，和將各自的導電通路連接到接地導電層的各自的通路連接器；和導電饋線，具有位于導電膜片之中的一個導電膜片附近并被電耦合到該個導電膜片的遠端。所述設備被構造為從單位單元形成復合左右手(CRLH)異向材料結構，并且每一單位單元的尺寸不大于與CRLH異向材料結構諧振的信號的波長的六分之一。
[0019]在再一種實施方式中，設備包括:電介質基片，在第一側上具有第一表面，并在與第一側相對的第二側上具有第二表面；導電膜片，在第一表面上形成并彼此分離；接地導電層，在第二表面上形成；和導電通路連接器，在基片中形成以將導電膜片分別連接到接地導電層，以便形成多個單位單元。每一單位單元包括具有在第一表面上的、各自的導電膜片的容積和將各自的導電通路連接到接地導電層的、各自的通路連接器。所述設備被構造為從單位單元形成復合左右手(CRLH)異向材料結構，并且接地導電層被制成(patterned)具有在各自的導電膜片下方的維度，以比各自的導電膜片的尺寸更小。
[0020]在再一種實施方式中，設備包括:電介質基片，在第一側上具有第一表面，并在與第一側相對的第二側上具有第二表面；導電膜片，在第一表面上形成并彼此分離以形成二維陣列；導電饋線，在第一表面上形成并被電連接到所述導電膜片中的一個；接地導電層，在第二表面上形成；和導電通路連接器，在基片中形成以將導電膜片分別連接到接地導電層，以便在呈現空間各向異性的二維陣列中形成單位單元。每一單位單元包括具有在第一表面上的、各自的導電膜片的容積和將各自的導電通路連接到接地導電層的、各自的通路連接器。所述設備被構造為從單位單元形成復合左右手(CRLH)異向材料結構，并且將導電饋線耦合到單位單元，所述單位單元偏離二維陣列的對稱位置以在兩個不同的頻率處激發兩種模式。
[0021]在再一種實施方式中，設備包括:電介質基片，在第一側上具有第一表面，并在與第一側相對的第二側上具有第二表面；導電膜片，在第一表面上形成并彼此分離以形成二維陣列；第一導電饋線，在第一表面上形成并被電耦合到所述導電膜片中的一個，所述導電膜片中的一個為沿著沿第一方向的二維陣列的中心對稱線的；第二導電饋線，在第一表面上形成并被電耦合到所述導電膜片中的一個，所述導電膜片中的一個為沿著沿第二方向的二維陣列的中心對稱線的；接地導電層，在第二表面上形成；和導電通路連接器，在基片中形成以將導電膜片分別連接到接地導電層，以便在二維陣列中形成單位單元。每一單位單元包括具有在第一表面上的、各自的導電膜片的容積和將各自的導電通路連接到接地導電層的、各自的通路連接器。所述設備被構造為從單位單元形成復合左右手(CRLH)異向材料結構，并且由單位單元形成的CRLH異向材料結構為空間各向異性的，以便在兩個不同的頻率處支持兩種模式，所述兩種模式分別在第一饋線和第二饋線中。
[0022]在再一種實施方式中，設備包括:異向材料天線，包含電介質基片；公共的導電層，在電介質基片的一側上形成；導電襯墊的陣列，在電介質基片的另一側上彼此間隔，并與所述電介質基片接觸；和導電通路連接器，將導電襯墊分別連接到公共導電層。金屬材料的天線被構造為呈現在第一頻率處的、沿著異向材料天線的第一方向的第一諧振和在不同的第二頻率處的、沿著異向材料天線的第二方向的第二諧振。所述設備還包括第一導電饋線，被耦合到異向材料以引導在第一頻率處的信號；第二導電饋線，被耦合到異向材料天線以引導在第二頻率處的信號；和頻分雙工(FDD)電路，包含被連接到第一導電饋線以接收在第一頻率處的信號的接收機端口，并包含被連接到第二導電饋線以產生在第二頻率處的發送信號的發送端口，所述在第二頻率處的發送信號被導向用于發送的異向材料天線。沒有被耦合于異向材料天線和FDD電路之間的分頻雙工器。
[0023]在再一種實施方式中，描述了一種方法，包括:提供復合左右手(CRLH)異向材料結構，包含單位單元，由基片的一側形成的、分離的導電膜片在電介質基片上形成；接地導電層，在基片的另一側上形成；和多個導電通路連接器，在基片中形成以將導電膜片分別連接到接地導電層。本方法包括將導電饋線耦合到CRLH異向材料結構以激發TE模式，所述TE模式為右手TEM模式和左手TEM模式的混合，以在每一 TE模式中獲得比TEM模式中的每一種模式中的帶寬更寬的帶寬。
[0024]在再一種實施方式中，設備包括:天線陣；RF電路元件，被電耦合到天線陣；和模擬RF電路，被耦合到RF電路元件。RF電路元件包括復合左右手(CRLH)異向材料結構。
[0025]在再一種實施方式中，設備包括:RF收發模塊，用以發送并接收RF信號。RF收發模塊包括天線陣，其包含彼此間隔并被構造以形成復合左右手(CRLH)異向材料結構的天線元件。每一天線元件的尺寸為大于與CRLH異向材料結構諧振的信號的波長的十分之一。兩個相鄰的天線元件相互間隔等于或大于波長的六分之一的間距。RF收發模塊能夠為無線接入點或基站。
[0026]所描述的CRLH異向材料結構能夠用于獲得一個或更多優點，包括在不同的信號信道之間的減少的干擾、改進的波束形成與調零、用于減少的天線和天線陣的形狀因子、設計RF電路元件與設備的靈活性和減少的制造成本。
[0027]在附圖、說明書和權利要求中更加詳細地描述這些及其他的實施方式。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1示出CRLH異向材料的色散曲線。
[0029]圖2示出有四個MTM單位單元的一維陣列的CRLH MTM設備的示例。
[0030]圖2A、圖2B和圖2C說明在圖2內的每一 MTM單位單元中的部分的電磁特性和功能以及各自的等效電路。
[0031]圖3說明基于MTM單位單元的二維陣列的CRLH MTM設備的另一個示例。
[0032]圖4示出包括一維或二維陣列中形成的并且以CRLH MTM結構的天線元件的天線陣的示例。
[0033]圖5說明基于圖4中的天線陣的MMO天線子系統。
[0034]圖6A和圖6B示出對于CRLH MTM天線子系統的無線應用的兩個示例。
[0035]圖7示出實現圖6A和圖6B的無線通信系統的示例。
[0036]圖8A、圖8B、圖9A、圖9B和圖9C說明在無線發送和接收無線通信中的各種各樣的條件。
[0037]圖10說明在無線網絡中的控制算法的一個示例。
[0038]圖11示出有四個單位單元的CRLH MTM傳輸線的示例。
[0039]圖11A、圖11B、圖11C、圖12A、圖12B和圖12C示出在傳輸線模式和天線模式之一中、在不同條件下圖11中的設備的等效電路。
[0040]圖13A和圖13B示出沿著圖11內的設備中的beta曲線的諧振位置的示例。
[0041]圖14A和圖14B示出具有被截切的接地導電層設計的CRLH MTM設備的示例。
[0042]圖15A和圖15B示出具有被截切的接地導電層的設計的CRLH MTM設備的另一個示例。
[0043]圖16A至圖19D示出CRLH MTM天線的示例。
[0044]圖20A - 20E示出基于二維單位單元的空間各向異性設計的雙端口、雙頻CRLHMTM天線系統的示例。
[0045]圖20F示出圖20A中的天線的性能。
[0046]圖20G示出基于圖20A中的天線的FDD設備。
[0047]圖2IA — 2IE示出單端口、雙頻CRLH MTM天線的示例。
[0048]圖22、圖23、圖24、圖25、圖26和圖27示出基于CRLH MTM天線或RF電路元件的裝置和子系統的示例。
【具體實施方式】
[0049]對于三重矢量(E，H，β )，純粹的LH材料服從左手法則，并且相速度方向與信號能量傳播相反。介電常數和磁導率兩者都為負的。CRLH異向材料依賴于操作的方式(regime)和頻率呈現左手和右手電磁傳播模式兩種模式。在某些境況之下，當波矢為零時它能夠呈現非零的群速度。當左手和右手模式兩種模式平衡時出現所述情況。在不平衡的模式中，存在禁止ω以不同于零的群速度穿越(cross)的帶隙(bandgap)。也就是，0((0。)=0為在左右手模式之間的轉變點(transition point)，而在所述轉變點中被引導的波長為無限的，λ g=2 31 / β I —c?，同時群速度為正的:
[0051]該狀態相應于在LH左手區域內的傳輸線(TL)實現方式中的零階模式m=0。CRLH結構支持具有服從負的β拋物線區域的色散關系的低頻精細頻譜(fine spectrum)，其允許建立物理上小型設備，該物理上小型設備具有電學上的、在操作并控制近場輻射圖案方面強大的獨特能力。當該TL被用作零階諧振腔(Zeroth Order Resonator, Z0R)時,它允許橫過整個諧振腔的固定幅度(constant amplitude)和相位諧振。能夠使用ZOR模式以建立基于MTM的功率合成器/分離器(power combiner/splitter)、定向賴合器(directionalcoupler)、匹配網絡(matching networks)和漏波天線(leaky wave antenna)。
[0052]在RH TL諧振腔中，諧振頻率相應于電學長度0m=i3ml=mji，其中I為TL的長度，并且m=l，2，3，……。TL長度應該長到達到諧振頻率的低的并且更寬的頻譜。純粹的LH異向材料的工作頻率為低頻。CR`LH異向材料結構非常不同于RH和LH異向材料，并能夠被用于達到RH和LH材料的RF頻譜范圍的高頻譜區域和低頻譜區域兩者。
[0053]圖1示出平衡CRLH異向材料的色散曲線。CRLH結構能夠支持低頻的精細頻譜，并產生包括有轉變點m=0的更高頻率，該轉變點相應于無限長波長。這允許具有定向耦合器、匹配網絡、放大器、濾波器和功率合成器與分離器的CRLH天線元件的無縫集成。在某些實現方式中，可以用諸如定向耦合器、匹配網絡、放大器、濾波器和功率合成器與分離器這樣的CRLHMTM結構來做RF或微波電路和設備。能夠使用基于CRLH的異向材料以建立電子控制的漏波天線作為漏波在其中傳播的單個的大型天線元件。所述單個的大型天線元件包括間隔開以便生成能夠被操控的窄束的多個單元。
[0054]圖2示出有四個MTM單位單元的一維陣列的CRLH MTM設備200的示例。電介質基片201用以支撐MTM單位單元。四個導電膜片211在基片201的上表面上形成，并且彼此間隔而沒有直接的接觸。兩個相鄰膜片211之間的間隙220被設置為允許它們之間的電容耦合。相鄰的膜片211可以以各種各樣的幾何形狀相接。例如，每一膜片211的邊緣可以具有相互交叉的形狀，來與另一個膜片211的相應相互交叉的邊緣交織，以便獲得增強的膜片到膜片的耦合。在基片201的底面上，形成接地導電層202并且其對不同的單位單元提供公共的電接觸。可以在接地導電層202上繪制圖案以獲得設備200的期望特性或性能。在基片201中形成導電通路連接器(conductive via connector) 212,以將導電膜片211分別連接到接地導電層202ο在該設計中，每一MTM單位單元包括這樣的體積(volume),其具有在上表面上的各個導電膜片211、和將各個導電膜片211連接到接地導電層202的各個通路連接器212。在本示例中，導電饋線230在上表面上形成并且具有一個遠端(distalend)，該遠端位于單位單元的一維陣列的一端處的單位單元的導電膜片211附近，但與該導電膜片211分離。
[0055]可以在單位單元附近形成導電發射襯墊(conductive launching pad),饋線230連接到發射襯墊并且電耦合到單位單元。所述設備200被構造為從單位單元形成復合的左右手(CRLH)異向材料結構。所述設備200能夠是經由膜片211發送或接收信號的CRLH MTM天線。還能夠通過耦合在MTM單元的一維陣列的另一末端上的第二饋線，來從所述結構構建CRLH MTM傳輸線。
[0056]圖2A、圖2B和圖2C說明在圖2內的每一 MTM單位單元中的部分電磁特性和功能以及各自的等效電路。圖2A示出在每一膜片211和接地導電層202之間的電容耦合和由于沿著頂部膜片211的傳播而造成的感應。圖2B示出在兩個相鄰膜片211之間的電容耦合。圖2C示出通過通路連接器212的電感耦合。
[0057]圖3說明基于MTM單位單元310的二維陣列的CRLH MTM設備300的另一個示例。可以將每一單位單元310構建為圖2中的單位單元。在本示例中，單位單元310具有不同的單位結構，并且包括另一個導電層350在金屬-絕緣體-金屬(MM)結構中的頂部的膜片211下面，以便增強兩個相鄰單位單元310之間的左手電容CL的電容耦合。能夠通過使用兩個基片和三個金屬層來實現所述單元的設計。如所示的那樣，導電層350具有對稱地圍繞通路連接器212并與所述通路連接器212分離的導電蓋。在基片201的上表面上形成兩條饋線331和332，以便沿著陣列的兩個正交方向分別耦合到CRLH陣列。饋電器發射襯墊341和342在基片201的上表面上形成，并且與它們各自的、單元的膜片211間隔，饋線331和332分別耦合到所述單元的膜片。對于各種各樣的應用，能夠將所述二維陣列用作為CRLH MTM天線，包括雙頻天線。
[0058]圖4示出天線陣400的示例，其包括在支撐基片(support substrate)401上的一維和/或二維陣列中形成的天線元件410。每一天線元件410均為CRLH MTM元件，并且包括分別在特殊單元結構(例如，在圖2或圖3中的單元)中的一個或更多CRLH MTM單位單元412。對于天線陣400，每一個天線元件410中的CRLH MTM單位單元412可以直接在基片401上形成，或者在接合到基片401的、分離的電介質基片411上形成。可以以各種各樣的配置將兩個或更多CRLH MTM單位單元412布置在每一個天線元件中，包括一維陣列或二維陣列。還在圖4中示出針對每一單元的等效電路。能夠制造CRLH MTM天線元件以支持在天線陣400中的期望功能或特性，例如，寬帶、多帶或超寬帶操作。
[0059]通過使用由多個發送器/接收器使能的多個不相關的通信通路，在相同的時間和位置處、在相同的頻帶上發送和/或接收多個流的技術。該方法已知為多入多出(MultipleInput Multiple Output, ΜΙΜΟ),其為智能天線(Smart Antenna, SA)的特殊情況。
[0060]圖5說明基于具有圖4中的CRLH MTM天線元件410的天線陣400的MMO天線子系統500。能夠將每一天線元件410連接到濾波器510和放大器520以形成信號鏈。濾波器510和放大器520還可以為CRLH MTM設備。模擬信號處理設備530被提供為在天線元件410和MMO數字信號處理單元之間的接口。可以將所述MMO天線子系統500用于各種各樣的應用中，包括諸如WiFi路由器這樣的無線接入點(AP)、在無線網絡中的BS和用于計算機和其他設備的無線通信USB連接器(USB dongle)或卡(例如，高速PCI卡或PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association,個人計算機內存卡國際聯合會)卡)。
[0061]圖6A示出基于CRLH MTM天線610的無線訂戶站601。訂戶站601能夠為被預訂到無線通信網絡并與所述無線通信網絡通信的PDA、移動電話、膝上型計算機、桌面計算機或其他無線通信設備。能夠使用CRLH MTM結構來將CRLH MTM天線610設計為緊湊型的。例如，每一MTM單位單元能夠具有小于與CRLH異向材料結構諧振的信號的波長的六分之一或十分之一的尺寸，并且兩個相鄰的MTM單位單元相互間隔該波長的四分之一或更小。在一種實施方式中，CRLH MTM天線610可以為MIMO天線。在本申請中的CRLH MTM設計和技術的實現可以組合MIMO和CRLH MTM技術，以將多個信道，例如兩個或四個信道，提供到小型設備601中。
[0062]圖6B示出在無線通信系統內的BS或AP602中使用的CRLH MTM天線620。不同于圖6A中的示例，可以將相對大的CRLH MTM天線陣用作為天線620。例如，可以將圖5中的天線子系統用于BS或AP602中。再例如，可以將具有多個CRLH MTM單位單元的CRLH MTM漏波天線用作為天線620。
[0063]圖7示出實現圖6A和圖6B中的設計的無線通信系統。圖7中的無線通信系統使用空氣中的電磁波以提供各種各樣的通信服務。對于更高的通信速度以支持新興的寬帶應用的需要正在通過優化頻譜利用率以及位/秒/赫茲的數目，將無線通信技術推動到“最新的前沿”，以便克服在優化功率效率時的RF頻譜缺乏和高成本。在無線通信系統的數字信號處理子系統中，通過達到由所需的誤碼率(BER)和信噪比(SNR)參數規定的“Shannon容量”限制來完成優化。對于不同的應用和目標部署方案，已經確認了改進信道容量的最佳壓縮、編碼和調制技術。這些先進的數字技術推動所能夠達到的dB增益的最后一片，這使得工程師除了征服最新的無線通信前沿“空氣接口”、例如模擬空間之外別無選擇。從而，有了這樣的想法:通過使用由多個發送器/接收器使能的多個不相關的通信通路，在相同的時間和位置處、在相同的頻帶上發送和/或接收多個數據流。該技術已知為ΜΜ0，其為SA的特殊情況。智能天線指的是能夠使波束在最佳的視距(Line of Sight,L0S)方向上成形并操控所述波束的空氣接口子系統。在接收側上，這些天線能夠通過執行簡單并且先進的測向(direction finding)技術,將沿著Tx-Rx通信通路的Rx天線增益最大化。此外,這些技術還能夠應用調零權重(nulling weight)以最小化或者甚至消除不想要的干擾信號，從而改進Tx-Rx SNR。
[0064]用每個元件的“權重”指代由各種各樣的饋網絡驅動的天線元件的陣列構成的SA，這些饋網絡動態地調整Tx信號相位、振幅或兩者。依賴于孔的幾何形狀和對稱性，這些定相陣列天線能夠為窄束的、寬帶的或甚至為頻率無關的。在九十年代，已經將SA概念延伸到包括其它數字信號處理技術，這些數字信號處理技術影響多徑干擾(Multipathinterference ),而非消除它。所述將初始SA進行延伸的、不同類型的算法集中于沿著傳統的LOS SA的非視距(NLOS)鏈接。定義了兩種類型的算法，以便在鏈接的兩側使用Tx和Rx天線陣列、元件、RF鏈和平行編碼的數字信號處理算法，來推動更多的位/秒/赫茲。
[0065]無線系統可以被設計為使用具有多個天線的收發器以供輸入和輸出，并且可以被稱為MMO系統。MIMO天線為SA設備，并且天線在MMO系統中的發送器和接收器二者的使用開發了 NLOS多徑傳播，以提供許多好處，包括在容量和頻譜效率上的提高、減小由于分集造成的裳落和提聞對干擾的抵抗力。
[0066]端到端系統模型應該包括其中將信號發送到空氣中的方式，例如，諸如極化、圖案或空間分集這樣的天線/天線系統的特性。因為設計涵蓋三種不同的無線通信技術范圍:數字RF、RF天線和天線-空氣接口，所以這對系統工程師提出了巨大的挑戰。貫穿每一步驟，應該最小化信道之間的耦合以保證最佳的MMO性能。當信號被沿著NLOS通信通路反射時，只通過三個可利用的完全正交的極化(然而，因為實際的限制，所以只典型地使用兩個——垂直的/水平的或左手圓極化和右手圓極化)和它們的變形，僅依靠極化分集來有效地實現MMO可能是困難的。有對使用空間分集的需要，其中全方向的MMO天線間隔得很遠，以便使它們的信號沿著不同的多徑方向傳播，而這暗示大型天線陣。另一方面，圖案分集依賴于MIMO陣列中天線元件的近似正交(不相關的)輻射圖案，并且從而更加合適于緊湊型MIMO陣列應用，它們被提供給各個天線元件的小型化。
[0067]為了簡化MMO系統模型，某些通信系統工程師遵循如channel=RF+antenna+airpropagation (信道=RF +天線+空氣傳播)那樣的、通信信道“H”的傳統定義，以提供簡單的關系r(t)=H(t) □ s (t)，其中r為所接收的數字信號，s為所發送的數字信號，H為在之間的信道，并且□運算依賴于Tx和Rx系統體系結構。例如，NTXNR的系統具有像NRxl矢量那樣的r (t)，像NTxl向量那樣的s (t)，像NRxNT那樣的H，和像矩陣乘法運算那樣的□。
[0068]第一 MMO算法沿著每一天線元件/信道發送NT個不同的數據流，這允許NR個接收天線/信道中的每一個接收所有NT個信號。依賴于接收算法，NR能夠為低于、等于或高于NT，以便將所接收的信號去相關來恢復NT個傳輸數據流。這通過將信道參數應用到NR個接收信號和被初始處理的NT個Tx數據來完成。對于成功地恢復NT個Tx數據流的關鍵需求為貫穿NT個通信通路，將信號保持為“不相關的”。這被稱作為“信道分集(ChannelDiversity, ChDiv)，，。
[0069]空間復用(SM)為不同的數據流在NT個Tx信道之上通過其進行傳輸的方法，并且當所有NT個信道不相關并且在每一信道之上所獲得的增益為最大的時，所述SM達到它的峰值頻譜效率。當在MIMO天線元件之間的耦合最小并且通信環境在由鄰近結構的反射和衍射導致的多徑中是富裕的、典型地與NLOS情況關聯時，不相關的信道出現。在不存在多徑、即LOS的情況下，SM所接收的信號不再是不相關的，以防止接收器將NT個Tx數據流去相關。因此，如果在固定的Tx和Rx節點的情況下，總能夠將節點放置在最大化多徑信號的位置中，則通信鏈接充分發揮SM的效益。由于用戶通常不是優化多徑鏈接方面的專家，因此有用的是定義一個系統，其能夠適用于所有終端用戶的專門技術和使用場景。
[0070]對于能夠在接收器處恢復所發送的信息，以移動性恒定地特征化信道(信道矩陣H)的需要變得非常重要。這由使用前置位/導頻位或其他技術的“信道測量(channelsounding)”來完成。需要將H進行更新的速度依賴于移動節點的速度。因為過多的“信道測量”消耗了一些指定的通信時間，所以頻繁的信道更新最終將有力地減小位/秒/赫茲的“有效的”數目。
[0071]為了緩解所述問題，使用第二類型的MIMO算法,空時分組編碼(Space-Time BlockCoding，STBC)。STBC對于精確的信道參數化比較不受影響，即容忍信道誤差，從而不需要頻繁的信道測量。此外，如先前所討論的那樣，另一個需要是對于通信系統能夠在混合的NLOS和LOS環境中工作，S卩，Rx信號包括直接的Tx-Rx Los通路和多徑軌跡的一小部分。在空時分組編碼(STBC)中，以不同地編碼每一個流來將相同的Tx數據流復制NT次，而非像在SM中那樣傳輸NT個不同的數據流。發送器在發送之前執行空間(參考天線空間分集-SpDiv)和時間(參考位延遲線)編碼。
[0072]至少有兩種不同種類的SA和三種用于增加頻譜效率的技術:(1)基于定相的陣列天線或頻率無關的多臂天線的波束形成(Beamforming, BF)和波束形成與調零(Beamforming and nulling，BFN) ; (2) MMO和高級信號處理，能夠(i )在多個信道上發送不同數據流(SM):NL0S、精確的信道特征化與高度不相關的信道，(ii)在多個信道上發送相同數據流(STBC):NL0S、NL0S+L0S、容忍信道特征化中的誤差和信道中的小的相關性)，和
(iii)BF和BFN，其中有信道特征化的LOS依賴于波束圖案和精確的信道特征化，以便實現下列之一:1)在不同的波束圖案之間的模擬切換，2)適應性地使波束成形，并操控所述波束，3)使用除了模擬波束切換和成形之外的數字BF和BFN來優化性能。
[0073]此外，在數字域中還能夠通過MMO系統完成傳統的BF和BFN，而不需要模擬移相器、延遲線或其他定向耦合器和匹配網絡。所述數字BF和BFN需要巨大數量的信號處理而使得其實現為不切實際的。更加合適的方法為組合的數字/模擬BF和BFN方法。
[0074]已批準包括MMO的兩種無線通信商業標準，提供具有較高通信速度的載波，以便支持現有的和未來的寬帶應用服務。第一標準IEEE 802.1ln集中于局域網(LAN)，并且第二標準IEEE 802.16e集中于移動廣域網(WAN)并也能夠應用于LAN。有要求MMO技術的其他正在進行的標準，諸如IEEE802.20和未來的4G UMTS (Universal MobileTelecommunications Service,通用移動通信服務)系統。在大部分這些標準中，推薦上至4X4的ΜΜ0。那意味著在客戶端和AP/BS側兩者上使用4個Tx和4個Rx天線。
[0075]迄今為止，已批準的商業標準包括SM、STBC和BF算法，這為開發商留下了這樣的挑戰:首先在小型客戶端設備上實現不相關的MMO通路的概念，所述小型客戶端為諸如無線通信USB連接器、PCMCIA/高速PCI卡和手持式計算與多媒體設備，其次適應性地選擇依賴于L0S、NL0S、固定的和動態的信道條件的適當方法。
[0076]本申請中的設計和技術被應用于處理眾多具有挑戰性的問題中的一個，以面對固定無線通信和移動實現以寬帶終端用戶應用為目標的、完整的商業標準，并且所述寬帶終端用戶應用需要更高的位/秒/赫茲頻譜效率。可行的技術基于如下:
[0077]為了使多個天線和無線電收發器符合小型形狀因子(form factor)，可能需要在不損害性能和吞吐量的條件下的低功耗，這為手機集成者、無線通信卡開發商(例如，PCMCIA與高速PCI卡和無線通信USB連接器)和PDA制造商、甚至是輕薄的膝上型計算機設計者帶來了巨大的挑戰。本申請中的設計和技術的實現方式可以用來提供一個總體MIMO子系統，其對任何便攜式設備和固定設備使能多個平行信道，而不論設備的形狀因子或功耗需要為何。
[0078]許多MMO系統使用傳統的用于MMO天線的右手(RH)材料，其中電磁波的電場和磁場的特性遵守右手法則。RH天線材料的使用對每一天線的尺寸(典型地，信號的一個波長的一半)和天線陣中兩個相鄰天線的間距(例如，大于信號的一個波長的一半)設置較低的限制。這樣的限制嚴重地阻礙MIMO系統在諸如手機、PDA和其他有無線通信能力的手持式設備這樣的、各種緊湊型無線通信設備中的應用。
[0079]本申請中所描述的天線陣的設計、無線系統和相關聯的通信技術使用復合的左右手(Composite Left and Right Handed, CLRH)異向材料來構建實現MIMO系統的緊湊型天線陣。這種使用由CLRH異向材料做的天線的MMO系統可以被設計為保留傳統MMO系統的好處，并提供通過傳統MIMO系統為不可用的或難于實現的其它好處。
[0080]本申請中的設計和技術可以被實現為包括下列特征中的一個或多個:
[0081]1、小型印刷天線元件，在尺寸上大于λ/6，以考慮到小接近度的集成(例如，以波長的四分之一即λ/4的量級或更小的天線間距)和天線元件之間的最小耦合。該緊湊型MMO天線設計適合于SM和空時分組編碼，并支持由更加大的基本BS或接入點提供的BS和調零的特征。通過使用CLRH高級異向材料實現尺寸的減小。
[0082]2、印刷MTM定向f禹合器和匹配網絡的使用，以便進一步減小近場(Near-Field,NF)和遠場(Far-field，FF)耦合。
[0083]3、多個MTM天線的使用，以便建立單個的MMO天線，通過或者不通過MMO算法來實現波束成形、切換和操控。
[0084]4、使用印刷的基于MTM的I至N的功率合成器/分離器，以便組合多個MTM天線來形成一個子MIMO陣列天線。
[0085]5、使用單個MTM漏波天線來通過或者不通過MMO算法實現波束成形、切換和操控。
[0086]6、還能夠建立基于MTM的濾波器和雙工機(diplexer) /雙工器(duplexer)，并且在提出形成RF鏈時將其與天線和功率合成器、定向耦合器和匹配網絡集成。只有被直接連接到RFIC (Radio Frequency Integrated Circuit,射頻集成電路)的外部端口需要遵照50 Ω規則。天線、濾波器、雙工機、雙工器、功率合成器、定向耦合器和匹配網絡之間的所有內部端口可以不同于50 Ω，以便優化這些RF元件之間的匹配。
[0087]7、天線饋網絡和RF電路設計，其驅動四個或更多的信道。在減小耦合損失的同時，CRHL MTM設計考慮這些小型天線與它們的饋網絡、放大器、濾波器和功率分離器/合成器的簡單集成，以優化總體RF電路。用有源天線(Active Antenna, AA)指代總體集成結構。
[0088]8、第I項和第2項中的特征考慮具有被集成于二維膜表面內的小型天線元件的“ΜΙΜ0膜”，該二維膜表面符合如圖5中所示那樣集成的通信設備。
[0089]9、后(Tx側)和前(Rx側)數字信號處理，其優化如下的通信鏈接性能:a)非對稱的和對稱的鏈接(BS-客戶端、客戶端-客戶端和模型-空間分集等)，b)動態信道，c)依從商業標準的系統。
[0090]剩下一個技術挑戰為:使四個或更多MMO信道(天線和RF鏈)符合緊湊型形狀因子，諸如手持式設備、無線USB連接器或卡(例如，PCMCIA或高速PCI)、無線通信USB連接器、薄的膝上型計算機、便攜式BS、緊湊型AP和其他可應用產品，同時仍然遵照商業標準，支持SM、STBC和BF與零位，在典型地從幾十到幾百MHz范圍內變動的多個帶上工作，并且能夠遵照在可應用時的功耗。
[0091]本申請中的設計和技術的實現方式可以用于來克服三個技術難題:
[0092]1、小型天線元件，其尺寸足夠小以允許它們通過最小的耦合以小接近度進行集成。所述高級緊湊型MMO天線設計適合于SM和空時分組編碼，并支持由更大的結構BS(BS)或接入點(AP)提供的BS與調零特征。通過使用CRLH高級異向材料實現尺寸的縮減和集成。
[0093]2、驅動四個信道的天線饋網絡和RF電路設計。CRHL考慮這些小型天線與它們的饋網絡、放大器、濾波器和功率分離器/合成器的簡單集成，以在減小耦合損失的同時優化全部的RF子組件。用AA指代總體集成結構。沿著這些線，介紹“ΜΙΜ0膜”的新概念，其使得二維MIMO天線能夠符合設備的幾何形狀。
[0094]3、后(Tx側)和前(Rx側)信號處理，其為依從商業標準的、并能夠適應緊湊型MIMO天線(例如，手機)、大型MIMO天線系統(不包括BS)鏈接以及兩個緊湊型的天線系統(peer-to-peer,對等網路)之間的鏈接。
[0095]MMO分集是無線通信想要的。能夠在諸如BS這樣的大型MMO系統中使用空間分集(SpDiv)或SpDiv和極化分集(PoDiv)的組合。緊湊型MMO系統會影響圖案分集(PaDiv)0當端到端通信系統將信道考慮為僅空氣中傳播的部分、即從傳統的H矩陣中提取天線和RF電路時，可以獲得所述圖案分集，并將其指派到通信模塊。
[0096]因為PaDiv相應于角度分布和輻射波束的極化特性，所以清楚的是，用于修改波束或使所述波束傾斜的裝置是必不可少的。然而，利用異向材料，不僅能夠操作近場輻射以消除鄰近天線元件之間的近場耦合，而且能夠使波束成形、切換所述波束并操控所述波束以在富裕的多徑環境中實現圖案分集。這些異向材料天線能夠容易地支持圖案和極化分集的組合。
[0097]PaDiv 能夠用于支持 0FDM-MIM0 (OFDM:orthogonal frequency divisionmultiplexing,正交頻分復用)、FH_MIM0 (FH !frequency hopping,跳頻)和 DSS-MIMO (DSS:direct spread spectrum,直接擴頻)通信系統及其組合。能夠使用PaDiv支持MIMO數字調制。
[0098]本申請中的設計和技術的一種實現方式為這樣一種無線通信系統，其涵蓋多帶、和/或寬帶、和/或超寬帶RF頻譜，同時通過使用適合于諸如PDA、手機和無線通信USB連接器或卡(例如，PCMCIA和高速PCI)這樣的緊湊型通信設備的新型空氣接口、模擬和數字的MMO處理，來影響OFDM或DSS實現中的多徑效應。MMO包括SA陣列系統，其跨越多個信道將數字信號處理部署到所發送的數字信號。其包括用于在NL0S、LOS和組合NLOS與LOS的環境中工作的固定場景和移動場景的SM、STBC和BM/BFN。
[0099]圖8A示出兩種地理上分離的、具有LOS鏈接的線性Tx和Rx天線陣。圖8B示出兩種地理上分離的、具有LOS和NLOS鏈接的線性Tx和Rx天線陣。
[0100]圖9A示出對于BF和/或調零的定相陣列天線系統。
[0101]圖9B示出基于SM算法的MMO系統。
[0102]圖9C示出基于STBC算法的MMO系統。
[0103]在前MMO時期中，SA包括發送相同信號的定相陣列天線，將所述信號移位相位延遲線的振幅和時間，以使波束成形或操控所述波束(圖9A)。在接收器側上，也使用類似的模擬抽頭延遲線來掃描，增大發送方向上的接收器增益，并使不想要的信號為零。這些定相陣列技術大多數是在模擬域中的，并通過集中接收器方向上的信號能量來提高SNR，從而提高它對于LOS環境的限制。[0104]通過反射和/或衍射過程跳過(bounce off)障礙(圖SB)的發送信號作為具有不同幅度并具有不同延遲時間的信號集合到達接收器，這使得總體SNR降低，導致所謂的“多徑干擾”并引入NLOS信號。定相陣列天線和傳統的SISO (single input single output,單入單出)系統都不能克服多徑干擾，并且不能將這些信號視為噪聲對待。
[0105]在富裕的多徑環境中，發送信號通過創建不相關信道
【權利要求】
1.一種異向材料天線設備，包括: 位于基片的第一表面上的地電極； 位于基片的第二表面上的第一導電膜片； 電磁耦合到導電膜片的饋電結構； 連接到導電膜片的第一電感元件；和 位于基片的第一表面上的第二電感元件，所述第二電感元件將第一電感元件連接到地電極； 其中所述導電膜片、第一電感元件、第二電感元件和地電極的至少一部分被構造為形成復合左右手CRLH結構；并且 其中所述地電極整個位于導電膜片從第二表面投影到第一表面上的覆蓋區的投影的外部。
2.如權利要求1所述的異向材料天線設備，其中所述導電膜片、第一電感元件和第二電感元件組成CRLH結構的第一單位單元；并且 其中所述CRLH結構包括多個單位單元。
3.如權利要求2所述的異向材料天線設備，其中所述多個單位單元形成一維陣列。
4.如權利要求3所述的異向材料天線設備，其中所述多個單位單元中的每一個包括導電通路連接器； 其中第二導電元件包括配置用來將各個導電通路連接器導電地耦合到地電極的條帶線.其中所述條帶線位于第一表面上多個單位單元的覆蓋區中；并且 其中所述條帶線的寬度比多個單位單元中各個單位單元的橫向尺寸要小。
5.如權利要求2所述的異向材料天線設備，其中每個單位單元各自的尺寸不大于與CRLH結構諧振的信號的波長的六分之一。
6.如權利要求2所述的異向材料天線設備，其中多個單位單元中的相鄰單位單元相互間隔與CRLH結構諧振的信號的波長的四分之一或更少。
7.如權利要求2所述的異向材料天線設備，包括第一導電饋電線，具有位于第一導電膜片附近并被電磁耦合到該第一導電膜片的遠端。
8.如權利要求7所述的異向材料天線設備，包括第二導電饋電線，具有位于所述多個單位單元中包括的不同導電膜片附近并被電磁耦合到該不同導電膜片的遠端。
9.如權利要求1-8中任一個所述的異向材料天線設備，其中所述第一電感元件包括導電通路連接器。
10.如權利要求9所述的異向材料天線設備，其中所述第二電感元件包括配置用來將導電通路連接器導電地耦合到地電極的條帶線。
【文檔編號】H01Q5/10GK103441339SQ201310367294
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2007年4月27日 優先權日:2006年4月27日
【發明者】馬哈.阿喬爾, 阿杰伊.格默勒, 馬林.斯托伊特切夫, 弗蘭茲.伯克納 申請人:泰科電子服務有限責任公司