(57)【要約】  電磁波信号を処理し取り扱う際に一つ又は複数の右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアル構造を使用する技術、装置、及びシステム。強化されたCRLHメタマテリアル構造に基づくアンテナ及びアンテナアレーは、さまざまな多帯域無線通信に対応した広帯域共振を行えるように構成される。【選択図】図２３
2010502131.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナデバイスであって、
第1の側に第1の表面を有し、前記第1の側の反対側の第2の側に第2の表面を有する誘電体基板と、
前記第1の表面上に形成されているセル導電性パッチと、
前記第2の表面上に形成され、前記セル導電性パッチにより前記第2の表面上に投影されたフットプリント内にあるセルグラウンド導電性電極と、
前記第2の表面上に形成され、前記セルグラウンド導電性電極から分離されている主グラウンド電極と、
前記セル導電性パッチを前記セルグラウンド導電性電極に接続するために、前記基板内に形成されたセル導電性ビアコネクタと、
アンテナ信号を前記セル導電性パッチに送るか、又は前記セル導電性パッチから送るように、前記第1の表面上に形成され、前記セル導電性パッチの近くに配置され、前記セル導電性パッチに電磁結合されている遠位端を有する導電性給電路と、
前記第2の表面上に形成され、前記セルグラウンド導電性電極を前記主グラウンド電極に接続する導電性ストライプ線とを備え、
前記セル導電性パッチ、前記基板、前記セル導電性ビアコネクタ、及び前記セルグラウンド導電性電極、及び前記電磁結合導電性給電路は、右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアル構造を形成するように構造化されているアンテナデバイス。
【請求項２】
アンテナ信号の共振周波数をサポートするためにインピーダンスマッチング条件の下で前記導電性給電路と前記セル導電性パッチとの間の静電結合を高めるように、前記導電性給電路の前記遠位端及び前記セル導電性パッチの近くに、かつ分離して形成される導電性ランチパッドを備える、
請求項1に記載のデバイス。
【請求項３】
前記セルグラウンド電極は、前記セル導電性ビアコネクタの断面より広く、前記セル導電性パッチの面積より狭い面積を有する
請求項1に記載のデバイス。
【請求項４】
前記セルグラウンド電極は、前記セル導電性パッチの面積より広い面積を有する
請求項1に記載のデバイス。
【請求項５】
前記導電性ストライプ線は、前記セル導電性パッチの寸法より小さい幅を有する
請求項1に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第2の表面上に形成された前記主グラウンド導電性電極は、前記セル導電性パッチにより前記第2の表面上に投影されたフットプリントの外側に配置される
請求項1に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第1の表面上に形成され、共平面導波路を形成するようにパターン形成された第2の主グラウンド電極を備え、
前記共平面導波路は、前記アンテナ信号を導電性給電路に、又は導電性給電路から送るように前記導電性給電路に接続されている
請求項6に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第1の表面上に形成された第2の主グラウンド電極は、第2の共平面導波路を形成するようにパターン形成され、
前記デバイスは前記基板上に形成され、前記第1の表面上の前記第2の共平面導波路及び前記第2の表面上の前記主グラウンドに電磁結合された第2の右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアル構造を備え、前記第2のCRLHメタマテリアル構造は、
前記第1の表面上に形成され、第2のアンテナ信号を前記第2のセル導電性パッチに送るか、又は前記第2のセル導電性パッチから送る前記第2の共平面導波路に電磁結合された第2のセル導電性パッチと、
前記第2の表面上に形成され、前記第2のセル導電性パッチにより前記第2の表面上に投影されたフットプリント内にある第2のセルグラウンド導電性電極と、
前記第2のセル導電性パッチを前記第2のセルグラウンド導電性電極に接続するために、前記基板内に形成された第2のセル導電性ビアコネクタと、
前記第2の表面上に形成され、前記第2のセルグラウンド導電性電極を前記主グラウンド電極に接続する第2の導電性ストライプ線とを備える
請求項7に記載のデバイス。
【請求項９】
前記セル導電性パッチ及び前記第2のセル導電性パッチは、前記セル導電性パッチにより形成された前記CRLHメタマテリアル構造及び前記第2のセル導電性パッチにより形成された前記第2のCRLHメタマテリアル構造に異なる共振周波数を持たせるように異なる寸法を有する
請求項8に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記セル導電性パッチにより形成された前記CRLHメタマテリアル構造は、受信機アンテナを形成し、
前記第2のセル導電性パッチにより形成された前記第2のCRLHメタマテリアル構造は、送信機アンテナを形成する
請求項9に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第1の表面上に形成された第2の主グラウンド電極は、第3の共平面導波路を形成するようにパターン形成され、
前記デバイスは前記基板上に形成され、前記第1の表面上の前記第3の共平面導波路及び前記第2の表面上の前記主グラウンドに電磁結合された第3の右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアル構造を備え、前記第3のCRLHメタマテリアル構造は、
前記第1の表面上に形成され、第3のアンテナ信号を前記第3のセル導電性パッチに送るか、又は前記第3のセル導電性パッチから送る前記第3の共平面導波路に電磁結合された第3のセル導電性パッチと、
前記第2の表面上に形成され、前記第3のセル導電性パッチにより前記第2の表面上に投影されたフットプリント内にある第3のセルグラウンド導電性電極と、
前記第3のセル導電性パッチを前記第3のセルグラウンド導電性電極に接続するために、前記基板内に形成された第3のセル導電性ビアコネクタと、
前記第2の表面上に形成され、前記第3のセルグラウンド導電性電極を前記主グラウンド電極に接続する第3の導電性ストライプ線とを備える
請求項10に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記第3のセル導電性パッチにより形成された前記第3のCRLHメタマテリアル構造は、第2の受信機アンテナを形成する
請求項11に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記第2の表面上の前記主グラウンド電極及び前記第1の表面上の前記第2の主グラウンド電極に電磁結合されている寄生セルを備え、前記寄生セルは、
前記第1の表面上に形成されている寄生セル導電性パッチと、
前記第2の表面上に形成され、前記寄生セル導電性パッチにより前記第2の表面上に投影されたフットプリント内にある寄生セルグラウンド導電性電極と、
前記寄生セル導電性パッチを前記寄生セルグラウンド導電性電極に接続するために、前記基板内に形成された寄生セル導電性ビアコネクタと、
前記寄生セル導電性パッチに電磁結合するように接続された第1の端部及び前記第2の主グラウンド電極に接続された第2の端部を備えるように前記第1の表面上に形成された第1の寄生導線と、
前記第2の表面上に形成され、前記寄生セルグラウンド導電性電極を前記主グラウンド電極に接続する第2の寄生導線とを備える
請求項7に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記寄生セルから分離され、前記第2の表面上の前記主グラウンド電極及び前記第1の表面上の前記第2の主グラウンド電極に電磁結合されている第2の寄生セルを備える
請求項13に記載のデバイス。
【請求項１５】
アンテナデバイスであって、
第1の側に第1の表面を有し、前記第1の側の反対側の第2の側に第2の表面を有する誘電体基板と、
互いに分離されて隣接し、二つの隣接するセル導電性パッチ同士の間に静電結合を生じさせられるように、前記第1の表面の上に形成された複数のセル導電性パッチと、
前記セル導電性パッチにより前記第2の表面上にまとめて投影されたフットプリントの外側の前記第2の表面上に形成された主グラウンド電極と、
それぞれ一つのセルグラウンド電極が一つのセル導電性パッチに対応する形で、前記セル導電性パッチに空間的に対応するように前記第2の表面に形成され、前記主グラウンド電極から空間的に分離されている複数のセルグラウンド電極であって、それぞれのセルグラウンド電極がそれぞれのセル導電性パッチにより前記第2の表面上に投影されるフットプリント内にある複数のセルグラウンド電極と、
前記セル導電性パッチを前記セルグラウンド電極に接続してそれぞれ右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアル構造を構成する複数のユニットセルを形成するように前記基板内に形成された複数の導電性ビアコネクタと、
前記複数のセルグラウンド電極を前記主グラウンド電極に接続するために、前記第2の表面上に形成された少なくとも一つの導電性ストライプ線とを備えるアンテナデバイス。
【請求項１６】
前記第2の表面上に形成された前記主グラウンド電極は、前記セル導電性パッチによりまとめて前記第2の表面上に投影されたフットプリントの外側にある電極部分を備え、
前記電極部分は、前記セル導電性パッチによりまとめて前記第2の表面上に投影されたフットプリントよりも大きく、前記セル導電性パッチによりまとめて投影されたフットプリントと重なり合うように配置されている開口を備えるようにパターン形成されている
請求項15に記載のデバイス。
【請求項１７】
それぞれのユニットセルは、前記CLRHメタマテリアル構造と共振する信号の波長の1/10以下の寸法を有する
請求項15に記載のデバイス。
【請求項１８】
それぞれのユニットセルは、前記CRLHメタマテリアル構造と共振する信号の波長の1/40以下の寸法を有する
請求項17に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記第1の表面上の前記複数のセル導電性パッチは、直線アレーの第1の端部上の第1のセル導電性パッチ及び前記直線アレーの第2の端部上の第2のセル導電性パッチを含む前記直線アレーを形成するように配列され、
アンテナ信号を前記第1のセル導電性パッチに送るか、又は前記第1のセル導電性パッチから送るように、前記第1の表面上に形成され、前記第1のセル導電性パッチに電磁結合されている給電路と、
前記第2のセル導電性パッチに静電結合されている導電性電極を備える終端キャパシタとを備える
請求項15に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記終端キャパシタの前記導電性電極は、前記第2のセル導電性パッチと前記第1の表面との間に配置される
請求項19に記載のデバイス。
【請求項２１】
アンテナデバイスであって、
第1の側に第1の上面を有し、前記第1の側の反対側の第2の側に第1の底面を有する第1の誘電体基板と、
第1の側に第2の上面を有し、前記第1の側の反対側の第2の側に第2の底面を有する第2の誘電体基板であって、
前記第1の誘電体基板と前記第2の誘電体基板とが前記第2の上面を前記第1の底面に係合させるように互いに積み重ねられている、前記第1及び第2の誘電体基板と、
互いに分離されて隣接し、二つの隣接するセル導電性パッチ同士の間に静電結合を生じさせられるように、前記第1の上面上に形成された複数のセル導電性パッチと、
前記第1の表面上に形成され、前記セル導電性パッチから空間的に分離され、前記セル導電性パッチの選択されたセル導電性パッチに電磁結合され、アンテナ信号を前記選択されたセル導電性パッチに、又は前記選択されたセル導電性パッチから送るための共平面導波路を形成するようにパターン形成された第1の主グラウンド電極と、
前記第1の基板と第2の基板との間に、また前記第2の上面及び前記第1の底面上に形成された第2の主グラウンド電極と、
それぞれ一つのセルグラウンド電極が一つのセル導電性パッチに対応する形で、前記セル導電性パッチに空間的に対応するように前記第2の底面に形成され、それぞれのセルグラウンド電極が、それぞれのセル導電性パッチにより前記第2の底面に投影されるフットプリント内にある複数のセルグラウンド電極と、
前記第2の主グラウンド電極の下にある前記第2の底面に形成された複数の底部グラウンド電極と、
それぞれ前記底部グラウンド電極を前記第2の主電極に接続するために前記第2の基板内に形成された複数のグラウンド導電性ビアコネクタと、
それぞれ前記複数のセルグラウンド電極を前記底部グラウンド電極に接続するために、前記第2の底面に形成された複数の底面導電性ストライプ線とを備えるアンテナデバイス。
【請求項２２】
前記第1の上面上の前記複数のセル導電性パッチは、前記複数のセル導電性パッチに面する前記第1の主グラウンド電極のエッジに平行な直線アレーを形成するように配列される
請求項21に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記選択されたセル導電性パッチに隣接する形で形成され、前記選択されたセルから間隙で分離され、前記ランチパッド及び前記間隙の寸法が前記アンテナ信号内のターゲット共振周波数で共振を引き起こすマッチング回路網を形成するように構成されている導電性ランチパッドと、
前記共平面導波路と前記導電性ランチパッドとの間に接続された導電性給電路とを備える
請求項21に記載のデバイス。
【請求項２４】
二つの隣接するセル導電性パッチの間の間隙の近くに形成され、金属絶縁体金属(MIM)構造を形成し、前記二つの隣接するセル導電性パッチの間の静電結合を高める、導電性パッチを備える
請求項21に記載のデバイス。
【請求項２５】
アンテナデバイスであって、
第1の側に第1の表面を有し、前記第1の側の反対側の第2の側に第2の表面を有する誘電体基板と、
前記第1の表面の上に形成されているセル導電性パッチと、
完全磁性体(PMC)表面を備え、前記PMC表面を前記第2の表面に押し付けるように前記基板の前記第2の表面に係合された完全磁性体(PMC)構造と、
前記セル導電性パッチを前記PMC表面に接続するために、前記基板内に形成されたセル導電性ビアコネクタと、
アンテナ信号を前記セル導電性パッチに送るか、又は前記セル導電性パッチから送るように、前記第1の表面上に形成され、前記セル導電性パッチの近くに配置されて前記セル導電性パッチに電磁結合されている遠位端を有する導電性給電路とを備え、
前記セル導電性パッチ、前記基板、前記セル導電性ビアコネクタ、電磁結合導電性給電路、及び前記PMC表面は、右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアル構造を形成するように構造化されているアンテナデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張と関連出願
本出願は、2006年8月25日に出願された「Broadband and Compact Multiband Metamaterial Structures and Antennas」という表題の米国仮特許出願第60/840,181号、及び2006年9月22日に出願された「Advanced Metamaterial Antenna Sub-Systems」という表題の米国仮特許出願第60/826,670号の利益を主張するものである。
【０００２】
上記の出願の開示は、参照により本出願の明細書の一部として組み込まれる。
【０００３】
本出願は、メタマテリアル(MTM)構造及びその応用に関する。
【背景技術】
【０００４】
大半の物質中の電磁波の伝搬は、Eを電場、Hを磁場、βを波数ベクトルとする(E,H,β)ベクトル場に対する右手の法則に従う。位相速度方向は、信号エネルギー伝搬の方向と同じであり(群速度)、屈折率は、正の数である。このような物質は、「右手系」(RH)の物質である。大半の天然材料は、RH物質である。人工物質も、RHの物質としてよい。
【０００５】
メタマテリアルは、人工構造である。構造平均ユニットセルサイズpをメタマテリアルにより誘導される電磁エネルギーの波長よりもかなり小さいものとして設計した場合、メタマテリアルは、誘導される電磁エネルギーに対し均質媒質のように振る舞う可能性がある。RH物質と異なるメタマテリアルは、位相速度方向が信号エネルギー伝搬の方向と反対であり、(E,H,β)ベクトル場の相対的方向が左手の法則に従う負の屈折率を示しうる。負の屈折率のみをサポートするするメタマテリアルは、「左手系」(LH)メタマテリアルである。
【０００６】
多くのメタマテリアルは、LHメタマテリアルとRH物質の混合物であり、したがって、右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアルである。CRLHメタマテリアルは、低い周波数ではLHメタマテリアルと似た挙動を示し、高い周波数ではRHメタマテリアルと似た挙動を示す。さまざまなCRLHメタマテリアルの設計及び特性が、カロズ(Caloz)及びイトウ(Itoh)、「Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications」、John Wiley & Sons (2006)において説明されている。CRLHメタマテリアル及びアンテナにおけるその応用は、タツオ・イトウ(Tatsuo Itoh)により「Invited paper: Prospects for Metamaterials」Electronics Letters, Vol.40, No.16 (August, 2004)において説明されている。
【０００７】
CRLHメタマテリアルは、特定の用途に合わせて手直しされた電磁的特性を示すように構造化及び設計され、また他の材料では使用するのが難しいか、又は非実用的であるか、又は実行不可能でありうる用途に使用できる。それに加えて、CRLHメタマテリアルは、新しい応用製品を開発したり、RHメタマテリアルでは実現できそうもない新しいデバイスを製作するために使用できる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本出願では、とりわけ、電磁波信号を処理し取り扱う際に一つ又は複数の右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアル構造を使用する技術、装置、及びシステムを説明する。CRLHメタマテリアル構造に基づき、アンテナ、アンテナアレー、及び他のRFデバイスをCRLHに基づいて形成することができる。例えば、説明されているCRLHメタマテリアル構造は、無線通信RFフロントエンド及びアンテナサブシステムで使用されうる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実装では、アンテナデバイスは、第1の側に第1の表面を有し、第1の側の反対側の第2の側に第2の表面を有する誘電体基板と、第1の表面上に形成されているセル導電性パッチと、第2の表面上に形成され、セル導電性パッチにより第2の表面上に投影されたフットプリント(footprint：第1の表面上のセル導電性パッチが、第2の表面上に投影する範囲)内のセルグラウンド導電性電極と、第2の表面上に形成され、セルグラウンド導電性電極から分離された主グラウンド電極と、セル導電性パッチをセルグラウンド導電性電極に接続するために、基板内に形成されたセル導電性ビアコネクタと、アンテナ信号をセル導電性パッチに送るか、又はセル導電性パッチから送るように、第1の表面上に形成され、セル導電性パッチの近くに配置されてセル導電性パッチに電磁結合されている遠位端を有する導電性給電路と、第2の表面上に形成され、セルグラウンド導電性電極を主グラウンド電極に接続する導電性ストライプ線とを備える。セル導電性パッチ、基板、セル導電性ビアコネクタ及びセルグラウンド導電性電極、及び電磁結合導電性給電路は、右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアル構造を形成するように構造化されている。セルグラウンド電極は、セル導電性ビアコネクタの断面より広く、セル導電性パッチの面積より狭い面積を有することができる。セルグラウンド電極は、セル導電性パッチの面積より広くてもよい。
【００１０】
他の実装では、アンテナデバイスは、第1の側に第1の表面を有し、第1の側の反対側の第2の側に第2の表面を有する誘電体基板と、互いに分離されて隣接し、二つの隣接するセル導電性パッチ同士の間に静電結合を生じさせられるように、第1の表面の上に形成されたセル導電性パッチと、セル導電性パッチにより第2の表面上にまとめて投影されたフットプリントの外側の第2の表面上に形成された主グラウンド電極と、それぞれ一つのセルグラウンド電極が一つのセル導電性パッチに対応する形で、セル導電性パッチに空間的に対応するように第2の表面上に形成されたセルグラウンド電極とを備える。それぞれのセルグラウンド電極は、それぞれのセル導電性パッチにより第2の表面上に投影されたフットプリント内にあり、セルグラウンド電極は、主グラウンド電極から空間的に分離されている。このデバイスは、さらに、セル導電性パッチをセルグラウンド電極に接続してそれぞれ右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアル構造を構成する複数のユニットセルを形成するように基板内に形成された導電性ビアコネクタと、複数のセルグラウンド電極を主グラウンド電極に接続するために、第2の表面上に形成された少なくとも一つの導電性ストライプ線とを備える。
【００１１】
他の実装では、アンテナデバイスは、第1の側に第1の上面を有し、第1の側の反対側の第2の側に第1の底面を有する第1の誘電体基板と、第1の側に第2の上面を有し、第1の側の反対側の第2の側に第2の底面を有する第2の誘電体基板とを備える。第1及び第2の誘電体基板は、第2の上面を第1の底面に係合させるようにして積み重ねられている。このデバイスは、互いに分離されて隣接し、二つの隣接するセル導電性パッチ同士の間に静電結合を生じさせられるように、第1の上面に形成されたセル導電性パッチと、第1の表面上に形成され、セル導電性パッチから空間的に分離されている第1の主グラウンド電極とを備える。第1の主グラウンド電極は、セル導電性パッチの選択されたセル導電性パッチに電磁結合された共平面導波路を形成するようにパターン形成され、これによりアンテナ信号を選択されたセル導電性パッチに送るか、又はセル導電性パッチから送る。第2の主グラウンド電極は、第1の基板と第2の基板との間に、また第2の上面及び第1の底面上に形成される。セルグラウンド電極は、それぞれ一つのセルグラウンド電極が一つのセル導電性パッチに対応する形で、セル導電性パッチに空間的に対応するように第2の底面に形成され、それぞれのセルグラウンド電極は、それぞれのセル導電性パッチにより第2の底面に投影されるフットプリント内にある。このデバイスは、さらに、第2の主グラウンド電極の下にある第2の底面に形成された底部グラウンド電極と、それぞれ底部グラウンド電極を第2の主電極に接続するために第2の基板内に形成されたグラウンド導電性ビアコネクタと、それぞれ複数のセルグラウンド電極を底部グラウンド電極に接続するために、第2の底面に形成された底面導電性ストライプ線とを備える。
【００１２】
さらに他の実装では、アンテナデバイスは、第1の側に第1の表面を有し、第1の側の反対側の第2の側に第2の表面を有する誘電体基板と、第1の表面の上に形成されているセル導電性パッチと、完全磁性体(PMC)表面を備え、PMC表面を第2の表面に押し付けるように基板の第2の表面に係合された完全磁性体(PMC)構造と、セル導電性パッチをPMC表面に接続するために、基板内に形成されたセル導電性ビアコネクタと、アンテナ信号をセル導電性パッチに送るか、又はセル導電性パッチから送るように、第1の表面上に形成され、セル導電性パッチの近くに配置されてセル導電性パッチに電磁結合されている遠位端を有する導電性給電路とを備える。このデバイスでは、セル導電性パッチ、基板、セル導電性ビアコネクタ、電磁結合導電性給電路、及びPMC表面は、右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアル構造を形成するように構造化されている。
【００１３】
これらの実装及び他の実装は、さまざまな応用例において一つ又は複数の利点をもたらすために使用できる。例えば、コンパクトなアンテナデバイスは、広帯域幅共振及びマルチモードアンテナ動作を行うように構成されうる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】CRLHメタマテリアルの分散図である。
【図２】四つのMTMユニットセルからなる一次元アレーを備えるCRLH MTMデバイスの一実施例を示す図であり、図2A、2B、及び2Cは、図2におけるそれぞれのMTMユニットセル内の部分の電磁的特性及び機能、並びにそれぞれの等価回路を例示する図である。
【図２Ａ−２Ｃ】四つのMTMユニットセルからなる一次元アレーを備えるCRLH MTMデバイスの一実施例を示す図であり、図2A、2B、及び2Cは、図2におけるそれぞれのMTMユニットセル内の部分の電磁的特性及び機能、並びにそれぞれの等価回路を例示する図である。
【図３】MTMユニットセルの二次元アレーに基づくCRLH MTMデバイスの他の実施例を示す図である。
【図４】一次元又は二次元アレー及びCRLH MTM構造内に形成されたアンテナ素子を含むアンテナアレーの一実施例を示す図である。
【図５】四つのユニットセルを備えるCRLH MTM伝送路の一実施例を示す図である。
【図６】図6、7A、及び7Bは、伝送路モード及びアンテナモードのいずれかにおける異なる状態の下にある図5のデバイスの等価回路を示す図である。
【図７】図6、7A、及び7Bは、伝送路モード及びアンテナモードのいずれかにおける異なる状態の下にある図5のデバイスの等価回路を示す図である。
【図８】図8、9A、及び9Bは、伝送路モード及びアンテナモードのいずれかにおける異なる状態の下にある図5のデバイスの等価回路を示す図である。
【図９】図8、9A、及び9Bは、伝送路モード及びアンテナモードのいずれかにおける異なる状態の下にある図5のデバイスの等価回路を示す図である。
【図１０】図5のデバイスにおけるベータ曲線にそった共振位置の実施例を示す図である。
【図１１】図5のデバイスにおけるベータ曲線にそった共振位置の実施例を示す図である。
【図１２】それぞれ切断グラウンド導電層設計によるCRLH MTMデバイスの一実施例及びその等価回路を示す図である。
【図１３】それぞれ切断グラウンド導電層設計によるCRLH MTMデバイスの一実施例及びその等価回路を示す図である。
【図１４】それぞれ切断グラウンド導電層設計によるCRLH MTMデバイスの他の実施例及びその等価回路を示す図である。
【図１５】それぞれ切断グラウンド導電層設計によるCRLH MTMデバイスの他の実施例及びその等価回路を示す図である。
【図１６】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図１７】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図１８】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図１９Ａ】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図１９Ｂ】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図１９Ｃ】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図１９Ｄ】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図１９Ｅ】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図２０】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図２１】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図２２Ａ−２２Ｂ】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図２２Ｃ−２２Ｄ】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図２２Ｅ】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図２２Ｆ】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図２２Ｇ】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図２３】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図２４】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図２５】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図２６】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図２７】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図２８】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図２９】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図３０】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図３１】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図３２Ａ−３２Ｂ】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図３２Ｃ−３２Ｄ】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図３３】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図３４Ａ】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図３４Ｂ】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図３４Ｃ−３４Ｄ】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図３４Ｅ−３４Ｆ】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図３４Ｇ−３４Ｈ】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図３４Ｉ−３４Ｊ】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図３５】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図３６】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図３７】さまざまな切断グラウンド導電層設計に基づくCRLH MTMアンテナ設計及び刺激と測定に基づくそれぞれの性能特性の実施例を示す図である。
【図３８】完全磁性体(PMC)表面を有するCRLH MTMアンテナの一実施例を示す図である。
【図３９】図39A、39B、39C及び39Dは、完全磁性体(PMC)表面を有するCRLH MTMアンテナの一実施例を示す図である。
【図４０】図38においてデバイスに対しPMC表面を形成するPMC構造の一実施例を示す図である。
【図４１】図41A及び41Bは、図38のデバイスのシミュレーション結果を示す図である。
【図４２】CRLH MTMデバイス内の上側セル金属パッチ及び対応するランチパッドのインターフェース境界に対する非直線的境界の実施例を示す図である。
【図４３】CRLH MTMデバイス内の上側セル金属パッチ及び対応するランチパッドのインターフェース境界に対する非直線的境界の実施例を示す図である。
【図４４】CRLH MTMデバイス内の上側セル金属パッチ及び対応するランチパッドのインターフェース境界に対する非直線的境界の実施例を示す図である。
【図４５】CRLH MTMデバイス内の上側セル金属パッチ及び対応するランチパッドのインターフェース境界に対する非直線的境界の実施例を示す図である。
【図４６】CRLH MTMデバイス内の上側セル金属パッチ及び対応するランチパッドのインターフェース境界に対する非直線的境界の実施例を示す図である。
【図４７】CRLH MTMデバイス内の上側セル金属パッチ及び対応するランチパッドのインターフェース境界に対する非直線的境界の実施例を示す図である。
【図４８】CRLH MTMデバイス内の上側セル金属パッチ及び対応するランチパッドのインターフェース境界に対する非直線的境界の実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
純粋なLH物質は、三つの要素からなるベクトル(E,H,β)に対する左手の法則に従い、位相速度方向は、信号エネルギー伝搬の方向と反対である。誘電率と透磁率は両方とも負である。CRLHメタマテリアルは、動作領域又は周波数に応じて左手系と右手系の両方の電磁波伝搬モードを示しうる。いくつかの状況の下で、CRLHメタマテリアルは、波数ベクトルがゼロの場合に非ゼロの群速度を示しうる。この状況は、左手系と右手系の両方のモードが平衡したときに生じる。不平衡モードでは、電磁波伝搬を禁止するバンドギャップがある。平衡状態の場合、分散曲線は、左手系モードと右手系モードとの間の遷移点β(ω0)=0で不連続を示さず、誘導波長は、無限大λg=2π/|β|→∞となるが、群速度は正
【数１】
2010502131.tif 000003
【００１６】
である。
【００１７】
この状態は、左手系領域内の伝送路(TL)の実装における0次モードm=0に対応する。CRHL構造は、近接場放射パターンを操作し、制御する独自の機能を有する電磁的に大きな物理的に小さいデバイスを組み立てることを可能にする負のβ放物型領域に従う分散関係を有する低周波の微細スペクトルをサポートする。このTLが、0次共振器(ZOR)として使用される場合、これにより、共振器全体にわたる一定の振幅及び位相の共振が可能になる。ZORモードは、MTMベースの電力結合器/スプリッタ、指向性カプラー、マッチング回路網、及び漏れ波アンテナを製作するために使用できる。
【００１８】
RH TL共振器において、共振周波数は、lをTLの長さとし、m=1,2,3...とする電気的長さθm=βml=mπに対応する。TL長は、共振周波数の低く、幅の広いスペクトルに到達するくらい長いものであるべきである。純粋なLH物質の動作周波数は、低い周波数である。CRLHメタマテリアル構造は、RH及びLH物質と非常に異なり、RH及びLH物質のRFスペクトル範囲の高位と低位の両方のスペクトル領域に到達するために使用できる。
【００１９】
図1は、平衡しているCRLHメタマテリアルの分散図である。CRLH構造は、低周波数の微細スペクトルをサポートすることができ、また無限大の波長に対応するm=0である遷移点を含むより高い周波数を発生する。これにより、CRLHアンテナ素子と指向性カプラー、マッチング回路網、増幅器、フィルタ、並びに電力結合器及びスプリッタとの継ぎ目のない統合が可能になる。いくつかの実装では、RF又はマイクロ波回路及びデバイスは、指向性カプラー、マッチング回路網、増幅器、フィルタ、並びに電力結合器及びスプリッタなどのCRLH MTM構造から作ることができる。CRLHベースのメタマテリアルを使用することで、電子制御漏洩波アンテナを漏洩波が伝搬する単一の大型アンテナ素子として製作することができる。この単一の大型アンテナ素子は、向きを制御できる細いビームを発生するように相隔てて並ぶ複数のセルを備える。
【００２０】
図2は、MTMユニットセルの一次元アレーを備えるCRLH MTMデバイス200の一実施例を示す。誘電体基板201は、MTMユニットセルをサポートするために使用される。四つの導電性パッチ211は、基板201の上面に形成され、直接接触することなく互いに離して並べられる。二つの隣接するパッチ211の間の間隙220は、それらの間を静電結合できるように設定される。隣接するパッチ211は、さまざまな幾何学的形状で互いにインターフェースすることができる。例えば、それぞれのパッチ211のエッジは、パッチとパッチとの間の結合を高めるように他のパッチ211のそれぞれの相互にかみ合うエッジと交互配置になる相互にかみ合う形状を取りうる。基板201の底面には、グラウンド導電層202が形成され、異なるユニットセルに対する共通電気的接触部を構成する。グラウンド導電層202は、デバイス200の所望の特性又は性能が達成されるようにパターン形成されうる。導電性ビアコネクタ212が基板201内に形成され、それぞれ導電性パッチ211をグラウンド導電層202に接続する。この設計では、それぞれのMTMユニットセルは、上面上にそれぞれの導電性パッチ211を有する体積、及びそれぞれの導電性パッチ211をグラウンド導電層202に接続するそれぞれのビアコネクタ212を備える。この実施例では、導電性給電路230は、上面上に形成され、ユニットセルの一次元アレーの一端においてユニットセルの導電性パッチ211の近くに、かつ分離して配置されている遠位端を有する。ユニットセルの付近に導電性ランチパッドが形成され、給電路230は、そのランチパッドに接続され、ユニットセルに電磁結合される。このデバイス200は、ユニットセルから右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアル構造を形成するように構造化される。このデバイス200は、パッチ211を介して信号を送信又は受信するCRLH MTMアンテナとすることができる。CRLH MTM伝送路は、さらに、MTMセルの一次元アレーの他端上に第2の給電路を結合することによりこの構造から構成することもできる。
【００２１】
図2A、2B、及び2Cは、図2のそれぞれのMTMユニットセル、及びそれぞれの等価回路の電磁波特性及び機能を例示している。図2Aは、それぞれのパッチ211とグラウンド導電層202との間の静電結合、及び上部パッチ211にそった伝搬による誘導を示している。図2Bは、二つの隣接するパッチ211の間の静電結合を示している。図2Cは、ビアコネクタ212による誘導結合を示している。
【００２２】
図3は、MTMユニットセル310の二次元アレーに基づくCRLH MTMデバイス300の他の実施例を示している。それぞれのユニットセル310は、図2のユニットセルとして構成することができる。この実施例では、ユニットセル310は、異なるセル構造を有し、金属絶縁体金属(MIM)構造内の上側パッチ211の下に他の導電層350を備え、これにより、二つの隣接するユニットセル310の間の左手系静電容量CLの静電結合を高める。このセル設計は、二つの基板と三つの金属層を使用することにより実装されうる。例示されているように、導電層350は、ビアコネクタ212を対称的に囲み、ビアコネクタ212から分離された導電性キャップを有する。二つの給電路331及び332は、基板201の上面に形成され、それぞれアレーの二つの直交方向にそってCRLHアレーに結合する。給電ランチパッド341及び342は、基板201の上面に形成され、給電路331及び332がそれぞれ結合されるセルのそれぞれのパッチ211から相隔てて並ぶ。この二次元アレーは、デュアルバンドアンテナを含む、さまざまな用途向けのCRLH MTMアンテナとして使用できる。上記のMIM構造設計に加えて、さらに、インターデジタル型キャパシタ又は他の湾曲形状を使用して二つの隣接するセルの上側パッチ間のインターフェース面積を増やすことによりセルを小型サイズに維持しながら二つの隣接するセル間の静電結合を高めることもできる。
【００２３】
図4は、サポート基板401上の一次元及び/又は二次元アレー内に形成されたアンテナ素子410を含むアンテナアレー400の一実施例を示す。それぞれのアンテナ素子410は、CRLH MTM素子であり、それぞれ特定のセル構造内にある一つ又は複数のCRLH MTMユニットセル412を備える(例えば、図2又は3のセル)。それぞれのアンテナ素子410内のCRLH MTMユニットセル412は、アンテナアレー400の基板401上に直接形成されるか、又は基板401に係合されている別の誘電体基板411上に形成できる。それぞれのアンテナ素子内の二つ又はそれ以上のCRLH MTMユニットセル412は、一次元アレー又は二次元アレーを含む、さまざまな構成で配列されうる。それぞれのセルに対する等価回路も、図4に示されている。CRLH MTMアンテナ素子は、アンテナアレー400の所望の機能又は特性、例えば、広帯域動作、多帯域動作、又は超広帯域動作をサポートするように設計されうる。CRLH MTMアンテナ素子は、さらに、多入力多出力(MIMO)アンテナを構成するために使用することができ、その場合、複数の送信機/受信機により使用可能にされる複数の無相関通信経路を使用することにより同じ周波数帯域上で同じ時刻に複数のストリームが送信されるか、又は受信される。
【００２４】
CRLH MTMアンテナは、アンテナ素子のサイズを縮小し、二つの隣接するアンテナ素子間の間隔を密にする一方で、異なるアンテナ素子とその対応するRFチェーンの間の望ましくない結合を最小にするように設計されうる。例えば、それぞれのMTMユニットセルは、CRLHメタマテリアル構造と共振する信号の波長の1/6又は1/10よりも小さい寸法を有し、二つの隣接するMTMユニットセルは、互いに波長の1/4又はそれ以下の間隔をあけて配置されうる。そのようなアンテナを使用することで、1)アンテナサイズの縮小、2)最適なマッチング、3)指向性カプラー及びマッチング回路網を使用することにより隣接するアンテナ間のカップリングを低減し、それらの間のパターン直交性を復元する手段、並びに4)フィルタ、ダイプレクサ/デュプレクサ、及び増幅器の潜在的集積化のうちの一つ又は複数を達成することができる。
【００２５】
無線通信用のさまざまな無線デバイスは、アナログ/デジタルコンバータ、オシレータ(直接変換には単一、多段RF変換には複数)、マッチング回路網、カプラー、フィルタ、ダイプレクサ、デュプレクサ、移相器、及び増幅器を備える。これらのコンポーネントは、その傾向として、高価な要素であり、密集させて集積化することが困難であり、多くの場合、信号電力の著しい損失を示す。また、MTMベースのフィルタ及びダイプレクサ/デュプレクサも、製作され、アンテナ及び電力結合器、指向性カプラー、並びに存在している場合にRFチェーンを形成するためのマッチング回路網と集積化されうる。RFICに直接接続されている外部ポートのみが、50Ωのレギュレーションに従えばよい。アンテナ、フィルタ、ダイプレクサ、デュプレクサ、電力結合器、指向性カプラー、及びマッチング回路網間の内部ポートは、これらのRF素子間のマッチングを最適化するために50Ωと異なることがある。したがって、MTM構造を使用してこれらのコンポーネントを効率的に、また高い費用効果をもたらすように集積化できる。
【００２６】
MTM技術は、既存のサイズの数分の1、例えば、λ/40程度のアンテナサイズ縮小で、従来のRF構造に似た、又はそれを超える性能を伴う無線周波(RF)コンポーネント及びサブシステムを設計し、開発するために使用できる。さまざまなMTMアンテナ及び共振器の制限の一つは、単一帯域又は多帯域アンテナでは共振周波数を中心とする帯域幅が狭いことである。
【００２７】
この点に関して、本出願では、アンテナなどのRFコンポーネント及びサブシステムで使用されるMTMベースの広帯域、多帯域、又は超広帯域伝送路(TL)構造を設計する技術について説明している。これらの技術は、低コストで、製造しやすい、しかも高い効率、利得、及びコンパクトなサイズを維持する好適な構造を識別するために使用できる。HFSSなどの全波シミュレーションツールを使用するこのような構造の実施例も提示される。
【００２８】
一実装では、設計アルゴリズムは、(1)構造共振周波数を識別することと、(2)帯域幅を分析するために共振の付近の分散曲線勾配を決定することとを含む。このアプローチは、TL及び他のMTM構造についてだけでなく、その共振周波数で放射するMTMアンテナについても帯域幅拡張の本質をとらえ、指針を与える。このアルゴリズムは、さらに、(3)BWサイズが実現可能なものであると判定された後、給電路及びエッジ終端(存在する場合)に対する好適なマッチングメカニズムを見つけることも含み、これは、共振を中心とする広い周波数帯域にわたる一定のマッチング負荷インピーダンスZL(又はマッチング回路網)を提示する。このメカニズムを使用するBB、MB、及び/又はUWB MTM設計は、伝送路(TL)分析を用いて最適化され、次いで、HFSSなどの全波シミュレーションツールを使用することによりアンテナ設計に採用される。
【００２９】
MTM構造は、RFコンポーネント、回路、及びサブシステムの設計及び能力を増強し、拡張するために使用できる。RH及びLHの両方の共振が発生しうる、右手/左手系複合(CRLH)TL構造は、所望の対称性を示し、設計の柔軟性をもたらし、動作周波数及び動作帯域幅などの特定アプリケーション要件に対応することができる。
【００３０】
この出願のMTM一次元及び二次元伝送路の設計は、アンテナ及び他の出願について一次元及び二次元広帯域、多帯域(MB)、及び超広帯域(UWB)TL構造を構成するために使用されうる。一設計実装では、周波数帯域及びその対応する帯域幅を設定するために、Nセル分散関係及び入出力インピーダンスが解決される。一実施例では、二次元MTMアレーは、二次元異方性パターンを含むように設計され、アレーの二つの異なる方向にそって二つのTLポートを使用し、それらのセルの残りが終端されている間に異なる共振を励起する。
【００３１】
入力が一つ、出力が一つある伝送路(TL)について、二次元異方性分析が実施された。行列表記は式II-1-1で表されている。顕著なのは、中心外れTL給電解析を実施し、x及びy方向にそった複数の共振を集約し、周波数帯域を広げていることである。
【数２】
2010502131.tif 000004
【００３２】
CRLH MTMアレーは、広帯域共振を示すように、及び特徴として(1)構造の下のグラウンド平面(GND)が縮小されている一次元及び二次元構造、(2)構造の下に全GNDがあるオフセット給電を有する二次元異方性構造、(3)改善された終端及び給電インピーダンスマッチングのうちの一つ又は複数を備えるように設計されうる。本出願で説明されている技術及び実施例に基づき、広帯域、多帯域、及び超広帯域機能を備えるように、さまざまな一次元及び二次元CRLH MTM TL構造及びアンテナを構成することができる。
【００３３】
CRLH MTM素子の一次元構造は、シャント(LL、CR)と直列(LR、CL)パラメータを有する直線アレー内にN個の同一セルを含むことができる。これら五つのパラメータは、N個の共振周波数、対応する帯域幅、及びこれらの共振を中心とする入出力TLインピーダンス変動を決定する。これら五つのパラメータは、さらに、構造/アンテナのサイズも決定する。したがって、ターゲットのコンパクト設計は、λを自由空間内の伝搬波長として、λ/40ほどの寸法となるように慎重に考察される。TLとアンテナの両方の場合において、共振上の帯域幅は、それらの共振の近くの分散曲線の勾配が急峻である場合に拡大される。一次元の場合、勾配方程式は、セルの個数Nに無関係であり、したがって帯域幅を拡張するさまざまな方法が得られることが実証されている。RH周波数ωRが高い(つまり、シャント容量CR及び直列インダクタンスLRが低い)CRLH MTM構造は、より広い帯域幅を示す。例えば、ビアを通してGNDに接続されているパッチの下のGND領域を切り詰めることにより、CR値を低くすることができる。
【００３４】
周波数帯域、帯域幅、及びサイズが、指定された後、次のステップは、ターゲットの周波数帯域及び帯域幅に到達するように構造をエッジセルの給電路及び適切な終端にマッチングさせることを考察する段である。給電路の幅を広げ、所望の周波数でマッチング値に近い値を持つ終端キャパシタを追加することでBWが増大した具体的な実施例を示す。CRLH MTM構造を設計する際の課題の一つは、所望の帯域上で周波数と独立しているか、又は周波数とともにゆっくりと変化する適切な給電/終端マッチングインピーダンスを識別することである。共振周波数のあたりで類似のインピーダンス値を持つ構造を選択するように完全な解析が実施される。
【００３５】
実施された解析とFEMシミュレーションの実行により、周波数ギャップに異なるモードが存在することが示される。典型的なLH(n≦0)及びRH(n≧0)は、TEMモードであるが、LHとRHとの間のモードは、TEモードであり、RH/LH混合モードであると考えられる。これらのTEモードは、純粋なLHモードと比べて高いBWを有し、同じ構造に対しより低い周波数に到達するように操作できる。本出願では、混合モードを示す構造のいくつかの実施例を提示する。
【００３６】
二次元CRLH MTM構造の解析及び設計は、いくつかの面で一次元構造に類似しており、一般的にはなおいっそう複雑なものである。二次元の利点は、一次元の構造の上に有する自由度が加わることである。二次元構造を設計する場合、帯域幅を一次元の設計の場合と同様のステップに従って拡張することができ、またx及びy方向にそって複数の共振を結合してデバイスの帯域幅を拡張することができる。
【００３７】
二次元CRLH MTM構造は、それぞれx及びy方向にそってNx個のセルの列とNy個のセルの行を含み、合計でNy×Nx個のセルを形成する。それぞれのセルは、それぞれx及びy軸にそったその直列インピーダンスZx(LRx,CLx)及びZy(LRy,CLy)並びにシャントアドミッタンスY(LL,CR)により特徴付けられる。それぞれのセルは、4本のブランチを持つRF回路網により表されるが、ただし、2本のブランチはx軸にそっており、残り2本のブランチはy軸にそっている。一次元構造では、ユニットセルは、解析するのに二次元構造よりも複雑さの少ない2本のブランチを持つRF回路網により表される。これらのセルは、4本の内部ブランチを通してレゴ構造のように相互接続される。一次元では、セルは、2本のブランチにより相互接続される。二次元構造では、外部ブランチは、エッジとも呼ばれ、出力ポートとして使用するために外部ソース(入力ポート)により励起されるか、又は「終端インピーダンス」により終端される。二次元構造内には合計Ny×Nxのエッジブランチがある。一次元構造では、入力、出力、入出力、又は終端ポートとして使用されうるエッジブランチが二つしかない。例えば、アンテナ設計で使用される一次元TL構造は、一端が入出力ポートとして使用され、他端がZtインピーダンスで終端され、ほとんどの場合、拡張アンテナ基板を表し、無限大である。(除外する--上と下とで数回述べている)
二次元構造では、それぞれのセルは、集中素子Zx(nx,ny)、Zy(nx,ny)、及びY(nx,ny)並びにすべての終端Ztx(1,ny)、Ztx(Nx,ny)、Zt(nx,1)、及びZt(nx,Ny)の異なる値により特徴付けることができ、給電は不均一である。このような構造は、ある種のアプリケーションに適した固有の特性を持つことがあるけれども、その解析は、複雑であり、実装は、対称性の高い構造に比べて実用性を大きく欠いている。これは、もちろん、共振周波数を中心とする帯域幅拡張を利用することに加えてなされる。本出願の二次元構造の実施例は、それぞれx方向、y方向にそって、またシャントを通して、等しいZx、Zy、及びYを持つCRLH MTMユニットセルに対するものである。CRの異なる値を持つ構造も、さまざまな応用例で使用されうる。
【００３８】
二次元構造では、構造は、入力及び出力ポートにそってインピーダンスマッチングを最適化するインピーダンスZtx及びZtyにより終端されうる。簡単のため、無限大のインピーダンスZtx及びZtyが、シミュレーションで使用されており、またこれらの終端されたエッジにそった無限大の基板/グラウンド平面に対応する。
【００３９】
Ztx及びZtyの値が非無限大である二次元構造は、本出願で説明されているのと同じ解析アプローチを使用して解析され、また代替えマッチング制約条件を使用することができる。このような非無限大の終端の一実施例では、表面電流を操作して、電磁(EM)波を二次元構造内に封じ込め、干渉を引き起こすことなく他の隣接する二次元構造を利用できるようにする。興味深い事は、入力給電部がx又はy方向にそったエッジセルの一つの中心からオフセット位置に置かれる場合である。これにより、x及びyの両方向に非対称的に伝搬するEM波が生じるが、給電部がそれらの方向の一つにしかそっていない場合であってもそうである。Nx=1及びNy=2の二次元構造では、入力は(1,1)セルにそって置かれ、出力は(2,1)セルにそって置かれるようにできる。伝送[A B C D]行列を解き、散乱係数S11及びS12を計算することができる。E電場GNDの代わりに、切り詰められたGND、混合RH/LH TEモード、及び完全なHについて類似の計算を行う。一次元と二次元の両方の設計が、間にあるビアとともに基板の両側(2層)にプリントされるか、又は上部金属化層と底部金属化層との間にサンドイッチ状に挟まれた追加の金属化層を持つ多層構造上にプリントされる。
【００４０】
＜広帯域(BB)、多帯域(MB)、及び超広帯域(UWB)共振特性を持つ一次元CRLH MTM TL及びアンテナ＞
図5は、四つのユニットセルに基づく一次元CRLH材料TLの一実施例を示している。四つのパッチが、誘電体基板の上に置かれ、センタリングされたビアがグラウンドに接続される。図6は、図11のデバイスの類似している等価回路網を示している。ZLin'及びZLout'は、それぞれ入力及び出力負荷インピーダンスに対応し、それぞれの端部のTLカップリングによるものである。これは、プリントされた2層構造の一実施例である。図2A〜2Cを参照すると、図5と図6との対応関係が例示されており、(1)ではRH直列インダクタンス及びシャントキャパシタは、パッチとグラウンド面との間に誘電体がサンドイッチ状に挟まれていることによるものである。(2)では、直列LHキャパシタンスは、二つの隣接するパッチが存在することによるものであり、ビアは、シャントLHインダクタンスを誘導する。
【００４１】
個々の内部セルは、直列インピーダンスZ及びシャントアドミッタンスYに対応する二つの共振ωSE及びωSHを有する。これらの値は、関係式
【数３】
2010502131.tif 000005
【００４２】
により与えられる。
【００４３】
図6の二つの入出力エッジセルはCLキャパシタの一部を含まないが、それは、このキャパシタンスがこれらの入出力ポートに欠けている二つの隣接するMTMセルの間のキャパシタンスを表すからである。エッジセルのCL部分が存在していないため、ωSE周波数は共振周波数とならない。したがって、ωSHのみがn=0共振周波数として現れる。
【００４４】
計算解析を簡単にするため、ZLin'とZLout'の直列キャパシタの一部を含めて、図8に示されているように欠落しているCL部分を補償するが、ただし、N個のセルはすべて、同一のパラメータを持つ。
【００４５】
図7A及び図9Aは、負荷インピーダンスのない図6及び8の回路に対する2ポート回路網行列表現を示している。図7B及び9Bは、TL設計がアンテナとして使用されている場合の図6及び8の回路に対する類似のアンテナ回路を示している。式II-1-1と似た行列表記により、図9Aは関係式
【数４】
2010502131.tif 000006
【００４６】
を表している。ただし、図8内のCRLH回路は、Vin端とVout端から見たときに対称的であるため、AN=DNという条件が設定される。パラメータGRは、放射抵抗に対応する構造であり、ZTは、終端インピーダンスである。終端インピーダンスZTは、基本的に、2CL直列キャパシタを加えた図7Aの構造の望ましい終端である。同じことが、ZLin'とZLout'についても言える、つまり、
【数５】
2010502131.tif 000007
【００４７】
となる。
【００４８】
パラメータGRは、アンテナを組み立てるか、又はそれをHFSSでシミュレートすることにより導出されるので、設計を最適化するためにアンテナ構造を操作するのは難しい。したがって、TLアプローチを採用して、さまざまな終端ZTを使って対応するアンテナをシミュレートするのが好ましい。式II-1-2の表記は、二つのエッジセルのところで欠けているCL部分を反映する修正された値AN'、BN'、及びCN'を含む図6の回路についても成り立つ。
【００４９】
＜一次元CRLH MTM構造における周波数帯域＞
周波数帯域は、N個のCRLHセル構造を、n=0、±1、±2、...±Nに対するnπの伝搬位相長で共振させることにより導出された分散式から決定される。N個のCRLHセルはそれぞれ、式II-1-2においてZ及びYにより表され、CLが末端セルから欠落している図6に示されている構造と異なる。したがって、これら二つの構造に関連する共振は異なるものと予想できるであろう。しかし、大量の計算の結果から、すべての共振はn=0の場合を除き同じであり、ωSEとωSHは両方とも、第1の構造で共振し、ωSHのみが、第2の構造で共振することが示される(図6)。正の位相オフセット(n>0)は、RH領域共振に対応し、負の値(n<0)は、LH領域に関連する。
【００５０】
式II-1-2で定義されている、Z及びYパラメータを含むN個の同一のセルの分散関係式は、関係式
【数６】
2010502131.tif 000008
【００５１】
により与えられる。
【００５２】
ただし、Z及びYは、式II-1-2により与えられ、ANは、N個の同一のCRLH回路の直線的カスケード又は図8に示されている回路から導出され、pはセルサイズである。奇数n=(2m+1)及び偶数n=2mの共振は、それぞれAN=-1及びAN=1に関連付けられている。図6及び図7AのAN'では、末端セルにおいてCLが欠落しているため、セルの個数に関係なく、n=0モードは、ω0=ωSHでのみ共振し、ωSEとωSHの両方において共振しない。より高い周波数は、表1で指定されているχの異なる値に対する式
【数７】
2010502131.tif 000009
【００５３】
により与えられる。
【００５４】
表1は、N=1、2、3、及び4に対するχの値をまとめたものである。興味深いことに、より高い共振|n|>0は、完全なCLがエッジセルに存在しようが(図8)しまいが(図6)同じである。さらに、n=0に近い共振は、χ値が小さいが(χの下限0に近い)、より高い共振は、式II-1-5に示されているようにχ上限4に到達する傾向がある。
【表１】
2010502131.tif 000010
【００５５】
図12には、ωSE=ωSHでバランス状態(図10)とωSE≠ωSH非バランス状態(図1)の両方の場合について、分散曲線βがωの関数として示されている。後者の場合、min(ωSE,ωSH)とmax(ωSE,ωSH)との間に周波数ギャップがある。制限周波数ωmin及びωmax値は、式
【数８】
2010502131.tif 000011
【００５６】
に示されているようにχが上限χ=4に到達する式II-1-6の同じ共振方程式により与えられる。
【００５７】
図10及び11は、β曲線にそった共振位置の実施例を示している。図10は、LR CL=LL CRであるバランス状態の場合を示し、図11は、LH領域とRH領域との間にギャップがある非バランス状態の場合を示している。RH領域(n>0)では、pをセルサイズとする構造サイズl=Npは、周波数が低くなると増加する。しかし、LH領域と比べると、Npの値が小さい場合により低い周波数に到達し、したがって、サイズが縮小する。β曲線は、これらの共振を中心とする帯域幅の何らかの指標となる。例えば、LH領域ではβ曲線がほとんど平坦であるためLH共振の帯域幅が狭くなるのは明らかである。RH領域では、β曲線が急峻であるため帯域幅が高くなるであろう、つまり、言い換えると
【数９】
2010502131.tif 000012
【００５８】
となる。
【００５９】
ただし、χは、式II-1-5で与えられ、ωRは、式II-1-2で定義される。式II-1-5の分散関係式から、共振は、|AN|=1のときに発生し、その結果、式II-1-8の第1のBB条件(COND1)の中の分母が0になる。注意しなければならないのは、ANは、N個の同一のセルの最初の伝送行列要素である(図8及び図9A)。計算の結果、COND1は、実際にはNと無関係であり、式II-1-8の第2の式で与えられることがわかる。分散曲線の勾配、したがって可能な帯域幅を定義するのは、共振における分子とχの値であり、これらは表1で定義されている。ターゲット構造は、サイズが高々Np=λ/40であり、BWは4%を超えている。小さなセルサイズpを有する構造では、式II-1-8は、明らかに、高いωR値はCOND1、つまり、低いCR及びLR値という条件を満たすことを示しているが、これは、n<0について、共振が表1の4の近くのχ値で生じる、言い換えると(1-χ/4→0)となるからである。
【００６０】
＜一次元CRLH MTM伝送路及びアンテナにおけるインピーダンスマッチング＞
すでに示されているように、分散曲線勾配が急勾配値になると、次のステップは、好適なマッチングを識別することである。理想的なマッチングインピーダンスは、固定値を有し、マッチング回路網に広いフットプリントを必要としない。ここで、「マッチングインピーダンス」という語句は、アンテナなどの片側給電の場合の給電路及び終端を指す。入出力マッチング回路網を解析するために、図9AのTL回路についてZin及びZoutを計算する必要がある。図8の回路網は対称的なので、Zin=Zoutという条件は満たされる。それに加えて、Zinは、式
【数１０】
2010502131.tif 000013
【００６１】
に示されているようにNと無関係である。B1/C1が0よりも大きい理由は、式II-1-5における|AN|<1の条件によるものであり、その結果、0≦ZY=χ≦4というインピーダンス条件が得られる。
【００６２】
第2のBB条件は、一定のマッチングを維持するようにZinが共振に近い周波数でわずかに変動することである。実マッチングZin'は、式II-1-4に示されているようにCL直列キャパシタンスの一部を含むことに留意されたい。
【数１１】
2010502131.tif 000014
【００６３】
図5及び図7AのTLの実施例とは異なり、アンテナ設計は、典型的には構造エッジインピーダンスとのマッチングがよくない無限大のインピーダンスを持つ終端開放側面を有する。キャパシタンス終端は、式
【数１２】
2010502131.tif 000015
【００６４】
により与えられる。
【００６５】
LH共振は典型的にはRH共振よりも狭いので、選択されたマッチング値は、n>0の場合よりもn<0の場合に導き出される値に近い。
【００６６】
本出願の一次元及び二次元CRLH MTMアンテナの実施例では、インピーダンスマッチングのいくつかの技術を例示している。例えば、給電路とユニットセルとの間の結合は、給電路の終端部のサイズ及び形状、給電路とユニットセルとの間に形成されるランチパッドのサイズ及び形状を適切に選択することによりインピーダンスマッチングを助けるように制御されうる。ランチパッドの寸法及びランチパッドからユニットセルまでの間隙は、アンテナ内でターゲットの共振周波数が励起されるようにインピーダンスマッチングを行うように構成できる。他の実施例では、終端キャパシタを、MTMアンテナの遠位端に形成し、これを使用してインピーダンスマッチングを補助することができる。上記の二つの例示的技術は、さらに、適切なインピーダンスマッチングとなるように組み合わせることができる。それに加えて、他の好適なRFインピーダンスマッチング技術を使用することで、一つ又は複数のターゲットの共振周波数に対し望ましいインピーダンスマッチングを行うこともできる。
【００６７】
＜切断グラウンド電極を備えるCRLH MTMアンテナ＞
CRLH MTM構造では、LH共振の帯域幅を増大するために、シャントキャパシタCRを低減することができる。この低減により、式II-1-8に説明されているようにより急な勾配を持つβ曲線のωR値が高くなる。CRを下げるさまざまな方法があり、1)基板厚さを増す、2)上部セルパッチ面積を減らす、又は3)上部セルパッチの下のグラウンド電極を縮小する方法を含む。CRLH MTMデバイスを設計する際に、これら三つの方法のうちの一つを他の一つ又は二つの方法と併用するか、又は組み合わせて、所望の特性を有するMTM構造を形成することができる。
【００６８】
図2、3、及び5の設計では、導電層を使用して、完全グラウンド電極としてMTMデバイス用の基板の表面全体を覆う。基板表面の一つ又は複数の部分を露出するようにパターン形成された切断グラウンド電極を使用することで、グラウンド電極のサイズを完全基板面よりも小さくなるように縮小し、共振帯域幅を増やし、共振周波数を同調させることができる。図12及び14の切断グラウンド電極設計は、基板のグラウンド電極側のMTMセルのフットプリント内の領域におけるグラウンド電極の大きさが縮小され、MTMセルのセルビアをMTMセルのフットプリントの外側にある主グラウンド電極に接続するためにストライプ線が使用される二つの実施例である。この切断グラウンド電極アプローチは、広帯域共振を行わせるためにさまざまな構成で実装されうる。
【００６９】
例えば、CRLH MTM共振装置は、第1の側に第1の表面を有し、第1の側の反対側の第2の側に第2の表面を有する誘電体基板と、第1の表面上に形成され、互いに分離されて二つの隣接するセル導電性パッチを静電結合するセル導電性パッチと、それぞれ第2の表面上に形成され、上部パッチの下に配置されているセルグラウンド電極と、第2の表面上に形成された主グラウンド電極と、それぞれ導電性パッチの下で導電性パッチをそれぞれのセルグラウンド電極に接続するために、基板内に形成された導電性ビアコネクタと、それぞれのセルグラウンド電極と主グラウンド電極との間を接続する少なくとも一つのグラウンド導線とを備える。この装置は、第1の表面上に配置され、複数のセル導電性パッチのうちの一つに静電結合されて装置の入力及び出力を形成する給電路を備えることができる。この装置は、右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアル構造を形成するように構造化されている。一実装では、セルグラウンド電極は、ビア断面積と等しいか、又はそれより大きく、ビアの真下に配置されGND線を通して主GNDに接続される。他の実装では、セルグラウンド電極は、セル導電性パッチに等しいか、又はそれより大きい。
【００７０】
図12は、切り詰められたGNDの一実施例を示しており、GNDは上部セルパッチの下の一方向にそって上部パッチよりも小さい寸法を有する。グラウンド導電層は、ユニットセルの少なくとも一部の導電性ビアコネクタに接続され、ユニットセルの部分の導電性パッチの下を通るストリップ線路1210を備える。ストリップ線路1210は、それぞれのユニットセルの導電経路の寸法よりも狭い幅を有する。切り詰められたGNDの使用は、基板厚さが小さく、アンテナ効率が低いため上部パッチ領域を縮小できない市販のデバイスで実装する他の方法よりも実用的と思われる。底部GNDが切り詰められた場合、他のインダクタLp(図13)は、図14Aに示されているようにビアを主GNDに接続する金属化ストリップから現れる。
【００７１】
図14及び15は、切り詰められたGND設計のもう一つの実施例を示している。この実施例では、グラウンド導電層は、共通グラウンド導電性領域1401及びストリップ線路1410の第1の遠位端のところで共通グラウンド導電性領域1401に接続され、ストリップ線路1410の第2の遠位端がユニットセルの一部の導電性パッチの下のユニットセルの少なくとも一部の導電性ビアコネクタに接続されているストリップ線路1410を備える。ストリップ線路は、それぞれのユニットセルの導電経路の寸法よりも狭い幅を有する。
【００７２】
切り詰められたGNDに対する式を導くことができる。共振は、以下で説明されるように式II-1-6及び表1のと同じ式に従う。
【表２】
2010502131.tif 000016
【００７３】
式II-1-12のインピーダンスは、二つの共振ω及びω'が、それぞれ低いインピーダンスと高いインピーダンスを有することを示す。したがって、ωの共振の近くに同調させることは容易である。
【表３】
2010502131.tif 000017
【００７４】
第2のアプローチの場合、複合シャント誘導(LL+Lp)は増大するが、シャントキャパシタは減少し、その結果、LH周波数が低くなる。
【００７５】
いくつかの実装では、CRLH MTM構造に基づくアンテナは、上部層上の50Ωの共平面導波(CPW)給電路、上部層内のCPW給電路の周りにある上部グラウンド(GND)、上部層内のランチパッド、及び一つ又は複数のセルを備えることができる。それぞれのセルは、上部層内の上部金属化セルパッチ、上部及び底部層を接続する導電性ビア、並びにビアを底部層内の主底部GNDに接続する狭いストリップを備えることができる。このようなアンテナの特徴は、HFSS EMシミュレーションソフトウェアを使用してシミュレートできる。
【００７６】
CRLH MTM構造のさまざまな特徴及び設計については、____年__月__日に米国特許出願第___号として公開される、2007年4月27日に出願された「ANTENNAS, DEVICES AND SYSTEMS BASED ON METAMATERIAL STRUCTURES」という表題の米国特許出願第11/741,674号で説明されている。(書き込む必要がある)米国特許出願第11/741,674号の開示は、参照により本出願の明細書の一部として組み込まれる。
【００７７】
図16は、同調可能な終端キャパシタを有する四つのCRLH MTMセルからなる一次元アレーの一実施例を示している。四つのCRLH MTMセル1621、1622、1623、及び1624は、直線方向(y方向)にそって誘電体基板1601上に形成され、間隙1644により互いに分離されている。CRLH MTMセル1621、1622、1623、及び1624は、静電結合されアンテナを形成する。セルアレーの一端において、x方向にそってそれぞれのセルの幅に実質的に等しい幅を持つ導電性給電路1620が、基板1601の上面に形成され、y方向にそって第1のセル1621から間隙1650で分離されている。給電路1620は、セル1621に静電結合されている。アレーの他端では、容量性同調素子1630が、金属パッチ1631を含むように基板1601上に形成され、アレーを電気的に終端するようにセル1624に静電結合されている。底部グラウンド電極1610は、基板1601の底面に形成され、セル1621〜1624と重なり合わない主グラウンド電極領域並びにセル1621〜1624の直線アレーのフットプリント及び容量性同調素子1631の金属パッチ1631と空間的に重なり合うようにy方向にそって、またy方向に平行に細長いグラウンドストライプ線を含むようにパターン形成される。x方向にそったグラウンドストライプ線1612の幅は、ユニットセルの幅よりも狭く、したがって、グラウンド電極は、切断グラウンド電極であり、それぞれのセルのフットプリントよりも小さい。この切断グラウンド電極設計により、LH共振の帯域幅を大きくし、シャントキャパシタCRを小さくすることができる。その結果、より高い共振周波数ωRが得られる。
【００７８】
図17A、17B、17C、及び17Dは、図16のアンテナ設計の詳細を示している。それぞれのユニットセルは、基板1601の底部にある共通グラウンドストライプ線1612、基板1601の上部に形成された上部セル金属パッチ1641、及び基板1601の上面の近く、上部セル金属パッチ1641の下に形成された静電結合金属パッチ1643の三つの金属層を備える。セルビア1642は、上部セル金属パッチ1641とグラウンドストライプ線1612を接続するように上部セル金属パッチ1641の中心のところに形成される。セルビア1642は、静電結合素子1630から分離されている。図17Bを参照すると、三つの静電結合金属パッチ1643が、y方向にそって金属パッチの直線アレーを形成し、金属絶縁体金属(MIM)構造の上部セル金属パッチ1641の下に配置され、二つの隣接するユニットセルの間の左手系静電容量CLの静電結合を高める。明らかに、それぞれの金属パッチ1643は、セル間間隙1644のフットプリントと重なり合うように二つの隣接するセルの間に配置され、二つのセルの上部セル金属パッチ1641から分離されており、二つのセルの間の静電結合を高める。隣接する金属パッチ1643は、セルビア1642と接触することなく、セルビア1642を十分に通せる間隙で互いから分離される。
【００７９】
静電結合素子1630は、金属パッチ1631及びビア1642を備える。パッチ1631は、少なくとも部分的に、セル1624の上部セル金属パッチ1641のフットプリントと重なり合う。セルビア1642と直接接触していない金属パッチ1643と異なり、ビア1632は、金属パッチ1631と直接接触し、金属パッチ1631をグラウンドストライプ線1612に接続する。したがって、金属パッチ1631及び最後のセル1624の上部セル金属パッチは、キャパシタを形成し、セル1624との静電結合の強度は、設計プロセスの一部として金属パッチ1631と最後のセル1624の上部金属パッチ1643との間に適切な間隔を設けることにより制御できる。
【００８０】
図17Aは、上部給電路1620、上部セル金属パッチ1621〜1624を形成するようにパターン形成された上部金属層を示している。間隙1650及び1644は、互いに直接接触しないようにこれらの金属素子を分離し、二つの隣接する素子の間に静電結合が生じうるようにする。図17Cは、セル1621〜1624のフットプリントの外側に配置されている底部グラウンド電極1610及び底部グラウンド電極1610に接続されたグラウンドストライプ線1612を示している。図17Bでは、静電結合金属パッチ1643は、容量性同調素子1630の金属パッチ1631と同じ金属層内にあるように示されている。それとは別に、金属パッチ1631は、結合金属パッチ1643と異なる層内にあってもよい。
【００８１】
したがって、図16の一次元アンテナでは、「マッシュルーム」型セル構造を使用して、分散CRLH MTMを形成する。高いC_L値を達成するために、静電結合金属パッチ1643及び上部セル金属パッチ1641により形成されるMIMキャパシタが、マイクロストリップパッチ1641の間の間隙の下で使用される。給電路1620は、間隙1650を介してMTM構造に静電結合し、間隙1650は、マッチングが最適になるように調節されうる。アンテナ共振を所望の動作周波数に合わせて微調整し、所望の帯域幅(BW)を得るために容量性同調素子1630が使用される。同調は、マイクロストリップパッチに関してその素子の高さを変更することにより行われ、そうすることで、GNDへの静電結合を強めたり、弱めたりして、共振周波数及びBWに影響を及ぼす。
【００８２】
基板1601の誘電体材料は、ロジャーズコーポレーション(Rogers Corporation)の「RT/Duroid 5880」という商標名の材料を含む、さまざまな材料のうちから選択できる。一実装では、基板は、厚さを3.14mmとすることができ、またMTMアンテナ素子の全体的サイズは、基板厚さによって設定されるように幅8mm、長さ18mm、及び高さ3.14mmとしてよい。ユニットCRLHセルの上部パッチ1641は、x方向で幅8mm、y方向で長さ4mm、二つの隣接するセルの間のセル間間隙を0.1mmとすることができる。隣接するセル間の結合は、二つのパッチの中心から等距離の位置で幅8mm、長さ2.8mmとし、高さ5ミル以下とすることができるMIMパッチを使用することにより高められる。給電路は、第1のユニットセルのエッジから0.1mmの間隙でアンテナに結合されている。終端セル上部パッチは、幅がユニットCRLHセルと同じくらいで、長さが4である。第4のCRLHセルと終端セルとの間の間隙は、5ミルである。すべての上部パッチングを底部セルGNDと接続するビアは、直径0.8mmであり、上部パッチの中心に配置されている。
【００８３】
上記のデバイスパラメータを使用して図17の設計で全波HFSSシミュレーションを実施し、アンテナの特性を調べた。図18は、HFSSシミュレーションに対する図17の対称的デバイスの半分のモデルを例示しており、図19A〜19Eは、シミュレーション結果を示している。
【００８４】
図19Aは、アンテナのリターンロスS11を示している。S11が-10dBレベル以下である領域は、アンテナのBWを測定するために使用される。S11スペクトルは、二つの明確に定義された帯域、つまり、BWが150MHz(4.4%の相対的BW)である3.38GHzを中心とする第1の帯域、及び相対的BWが30%よりも大きい、4.43GHzから始まり6GHzを超える第2の帯域を示している。
【００８５】
図19B及び19Cは、それぞれ3.38GHz及び5.31GHzにおけるxz平面及びyz平面内のアンテナ放射パターンを示している。3.38GHzでは、アンテナは、2dBiの最大利得G_maxを持つダイポール型放射パターンを示す。5.31GHzでは、アンテナは、G_max=4dBiである変形されたパッチに似たパターンを示す。
【００８６】
給電路とMTM構造とのマッチングの効果及び容量性同調終端の効果を評価するために、HFSSシミュレーションも使用された。図19D及び19Eは、アンテナのリターンロスを信号周波数の関数として表したプロットを示している。このようなプロットを使用して、共振の位置とその帯域幅を決定することができる。図19Dは、給電路の幅を変化させることにより得られるアンテナのリターンロスを示している。図19Eは、終端キャパシタの高さ(例えば、金属パッチ1631と上部セル金属パッチ1641との間の間隔)を変化させてアンテナの同調を行うことにより得られるアンテナのリターンロスを示している。これらのシミュレーション結果は、終端キャパシタの幅又は間隔の調節が、アンテナ共振及びBWに対し有意な効果をもたらしうることを示唆している。したがって、両方のパラメータを単独で、又は組み合わせて使用し、設計段階でアンテナの共振周波数及び帯域幅の同調を行うことにより、所望の又は最適な性能を得ることができる。
【００８７】
図20及び21Aから21Dまでは、調節可能な給電路幅を有する2層、3セル・アンテナの一実施例を示している。図16のアンテナ設計と同様に、このアンテナも、切断グラウンド電極設計及び終端キャパシタ設計を使用する。セル2021、2022、及び2023を備える一次元セルアレーは、図16のと似た設計であるが、ただし、セルの個数とセルの寸法が異なる。図20では、MTM構造の全体寸法は、15mm×10mm×3.14mmである。特に、図20の給電路設計では、セル2021〜2023と比べて幅が狭い給電路2020を使用しており、また給電路2020に接続され、給電路2020とセル2021〜2023との間の静電結合を最適なものにするようにセル2021〜2023の幅と整合するランチパッド2060を使用している。そこで、それに加えて、セルの全幅及び終端キャパシタ1630の間隔を調節するために、給電路2020の幅は、アンテナの共振及び帯域幅を自在に構成できるように独立して構成されうる。
【００８８】
図22Aは、図20の3セル一次元MTMアンテナ設計におけるアンテナBWを増やす縮小グラウンド平面アプローチのHFSSシミュレーションモデルを示している。この設計のHFSSモデルは、アンテナのx>0側のみを示している。HFSSシミュレーションでは、図22Aのモデルに以下のパラメータが使用される。ユニットCRLHセルの上部パッチは、幅10mm(x方向)、長さ5mm(y方向)で、二つの隣接するセルの間の間隙は0.1mmである。隣接するセル間の結合は、二つのパッチの中心から等距離の位置で幅10mm、長さ3.8mm、高さ5ミル以下であるMIMパッチを使用することにより高められる。給電路は、第1のユニットセルのエッジから0.05mmの間隙を持つ10mm×5mmの上部パッチからなるランチパッドとともにアンテナに結合されている。すべての上部パッチングを底部セルGNDと接続するビアは、直径0.8 mmであり、上部パッチの中心に配置されている。
【００８９】
図22Bは、このアンテナのリターンロスを信号周波数の関数として示している。シミュレーションにより、それぞれ相対的BWが〜10%及び23%である、2.65GHz及び5.30GHzを中心とする二つの広い共振であることが明らかになる。図22C及び22Dは、それぞれ上記周波数におけるアンテナの放射パターンを示している。図22Eは、アンテナ給電部幅によるリターンロスのバリエーション、及びアンテナ素子とのGNDの重なりを示している。第1のもの(凡例を参照)を除くすべてのバリエーションにおいて、共振の構造は保持される。最良のマッチングは、給電部幅が10mmの場合に達成される。
【００９０】
基板/GND平面のサイズも、図20の3セル一次元MTMアンテナ設計におけるアンテナ共振及びそれぞれのBWに対する強いGND平面縮小の影響を調べるように調節される。図22Fは、異なる基板/GNDサイズに対するシミュレーションから得られたリターンロスを示している。S11パラメータは、注目する周波数範囲上で著しく変化し、一つを除くすべての設計のバリエーションが、2から6GHzまでの間の数GHzの大きなBWを示す。大きなBWは、縮小されたGNDへのより強い結合の結果である。
【００９１】
図22Gは、図22Aのアンテナモデルに対する2.5GHzのアンテナ放射パターンを示している。GNDサイズが小さいにもかかわらず、アンテナ放射パターンは、GND平面を超えて十分に延びる放射素子に関連する同じ望ましいダイポール型特性を有する。
【００９２】
図23は、3×3個のMTMセルからなる二次元アレーにより形成されたアンテナの一実施例を示している。誘電体基板2301は、MTMセルアレーをサポートするために使用される。図24A、24B、24C、及び24Dは、このアンテナの詳細を示している。図3の二次元アレーを再び参照すると、図23のそれぞれのユニットセル2300は、図3のセルと似た形で構成され、静電結合金属パッチ350は、基板上面の上部にある上部セル金属パッチ211の下に設けられ、セル間間隙320と重なり合い、パッチ211に静電結合される位置に置かれている。図3の基板の底部にある連続的で、一様なグラウンド電極202と異なり、図23のグラウンド電極2310は、MTMセルアレーのフットプリントよりわずかに大きいグラウンド電極開口2320を有し、また底部電極2310の周辺導電性領域に接続された平行なグループストライプ線2312を備えるようにパターン形成される。底部グラウンド電極2310の設計は、CRLH MTMアンテナの共振帯域幅を増やす切断グラウンド電極設計のもう一つの実施例となっている。
【００９３】
図24Cは、図23の二次元MTMセルアレーに対する切断グラウンド電極2310の詳細を示している。グラウンドストライプ線2312は、互いに平行であり、それぞれ、MTMセル2300の三つの行の中心に揃えられ、それぞれのグラウンドストライプ線2312は、三つの異なる列のMTMセルのセルビア212と直接接触する。この設計の場合、MTMセルアレーの放射状部分の周りでグラウンド電極2310の面積が縮小され、すべてのMTMセル2300は、共通グラウンド電極2310に接続される。
【００９４】
このように放射素子の近くにあるGND平面の一部を排除してアンテナ帯域幅を増やすと、意味のある利点がもたらされる。放射素子の方向に給電点を超えて延びるGND平面の部分を完全になくす代わりに、MTM構造よりも信号数波長分だけ大きいGND電極の正方形領域を切り取る。幅の狭い金属片2312が構造の下に残り、セルビア212をすべてのMTMセル2300により共有されるGND電極2310に接続する。
【００９５】
一実装では、図23のアンテナは、互いに重なるように取り付けられた2枚の基板を使用して製作することができる。例えば、上部基板は、厚さ0.25mm、誘電率10.2とすることができ、また底部基板は、厚さ3.048mm、誘電率3.48とすることができる。上部セル金属パッチ211、中間静電結合金属パッチ350、及び底部グラウンド電極2310に対する三つの金属化層は、薄い上部基板、二つの基板の間の接触面、及び底部の厚い基板の上にそれぞれ配置される。中間層の役割は、金属絶縁体金属(MIM)キャパシタを使用することにより、二つの隣接するセルの間、及び第1の中心セルと給電路との間の静電結合を高めることである。ユニットCRLHセルの上部パッチは、幅4mm(x方向)、長さ4mm(y方向)とし、二つの隣接するセルの間の間隙を0.2mmとすることができる。給電路は、第1のユニットセルのエッジから0.1mmの間隙でアンテナに結合される。すべての上部セルパッチを底部セルGNDと接続するビアは、直径0.34mmであり、上部パッチの中心に配置される。中間のMIMパッチは、上部パッチから45度回転され、3.82mm×3.82mmの寸法を持つことができる。
【００９６】
図25Aは、図23に示されている切断グラウンド電極の複数の異なる設計について、リターンロスのHFSSシミュレーション結果を信号周波数の関数として示している。GNDカットアウトのサイズに関するアンテナの共振及び帯域幅の特性を調べた。これらのシミュレーションから得られたアンテナのリターンロスに対する結果から、図23のグラウンド電極設計は、アンテナの共振及び帯域幅を設計するうえで効果的な方法であることが証明される。3×3のMTMセルアレーの四つの側部上で等しく並ぶ四つの異なるGNDカットアウト量に対するリターンロスが、図25Aに示されている。MTMセルアレー構造に比べて0.5mmしか大きくないGNDカットアウトでは、共振は、GND全体を含むアンテナの共振に近く、狭いままである(<1%相対的BW)。GNDカットアウトが3mm、5.5mm、及び8mmだけ延びている設計では、共振は、より高い周波数(〜2.70GHz)の方へシフトし、共振帯域幅が約4%だけ増える。
【００９７】
比較すると、完全な連続的グラウンド電極を有する同じMTMセルアレーアンテナだと、いくつかの無線通信用途、とりわけ802.11b及びg規格によるWiFiネットワークで注目されている周波数である2.4GHzにおいて近似的にn=-1を示す。しかし、完全な連続的グラウンド電極を備えるMTMセルアレーアンテナの共振BWは、1%未満であり、したがって、広い帯域幅を必要とするさまざまな実用的用途において使用が制限されることがある。
【００９８】
図25Bは、2.62GHzのアンテナ放射パターンに対するHFSSシミュレーション結果を示している。GND平面が縮小されている他のアンテナ設計と比べると、この設計は、GND平面内に比較的小さな空き領域を有しており、したがって、放射パターンは、より対称的であり、GND層から上方に、遠ざかる領域内でより強い放射電力を有する。
【００９９】
図26は、LH、混合、及びRH共振モードを発生する一次元CRLH MTMセルアレーを伴う多モード伝送路の一実施例を示している。このTLは、図27A及び27Bに例示されているような二つの金属層を有する。二つの上部給電路2610及び2620は、一次元アレーの両端に静電結合される。分散CRLH MTM構造では、純粋なLH、純粋なRH、及び混合モードが存在する。LH及びRHモードは、その性質上TEMであるが、混合モードは、TEモードであり、LHモードとRHモードとの間の周波数空間内に出現する。図26は、広い範囲の共振動作周波数を対象範囲とするために三つの種類のモードすべてを利用する多モードCRLH MTM構造を示している。
【０１００】
図26では、それぞれのユニットセル2600は、6mm×18mm×1.57mmの寸法を有する。基板材料は、誘電定数3.2、損失正接0.0009のRogers RT 5880である。基板は、長さ100mm、幅70mm、厚さ1.57mmである。ビア2602は中心に揃えられ、パッチされた上部を底部完全GNDに接続する。給電路2620は、0.1mmの間隙を有する第1のユニットセルに接続されている。上記の特定の構造上でHFSSシミュレーションを実行し、給電路のS21及びS11パラメータを求め、等価回路構成要素CL、LL、CR、LRの値を推定した。S11の結果は、HFSSシミュレーション及び理論から得ることができる。RHモードに関して、理論及びシミュレーションは、優れた呼応を示している。LH側では、理論的結果は、低い周波数に少しシフトすることを示しており、これは、LHパラメータが推定しにくいことを考慮すれば当然のことである。混合モードは、HFSSシミュレーションで示され、解析表示からは導き出せない。これらのシミュレーションは、異なる種類のモードが、MTM構造におけるセルの個数に等しいことを示唆している。
【０１０１】
図28は、図26のTL設計に基づく2セルMTM直線アレーに基づく多モードアンテナを示している。図29A及び29Cは、このアンテナのHFSSシミュレーションを示している。アンテナのリターンロスは、一貫して、二つのLHモード、n=0及びn=-1、並びにそのLHの対となる片方に非常に近いところに現れる二つの混合モードの存在を示している。プロットからわかるように、n=0のLH共振は、BW>1%を示しており、これはさらに、50Ωへのマッチングをよくすることで高められる。異なるCRLHパラメータを使用するシミュレーションの結果は、LH共振が混合モードに近いところに現れるほど、それらは広くなることを示唆している。この挙動は、平衡CRLH MTM構造における共振の広がりに似ている。そのため、LH、RH、及び混合モードの位置を操作することにより、融通の利く多モードアンテナを製作することができる。混合モードの位置は、TEモードカットオフ周波数によりゼロ次に決定される。
【０１０２】
アンテナ用途に混合モードを利用する他の利点は、小さなアンテナの場合に、RH共振が、無線通信では使用されない高い周波において出現するという事実に由来する。混合モードは、このような用途に簡単に利用できる。また、導体損失のせいで最小の減衰を示すので、これらのモードには、アンテナ利得及び効率に関する利点もさらにある。
【０１０３】
上記のMTM設計の多くでは、グラウンド電極層は、基板の片側に配置される。しかし、グラウンド電極は、MTM構造の基板の両側に形成できる。このような構成では、MTMアンテナは、電磁寄生素子を備えるように設計することができる。このようなMTMアンテナは、一つ又は複数の寄生素子の存在によりいくつかの技術的特徴を実現するために使用できる。
【０１０４】
図30は、MTM寄生素子を備えるMTMアンテナの一実施例を示している。このアンテナは、上部及び底部グラウンド電極3040及び3050とともに誘電体基板3001上に形成される。二つのMTMユニットセル3021及び3022は、このアンテナ内に同一のセル構造を備えるように形成される。ユニットセル3021は、能動アンテナセルであり、その上部セル金属パッチは、送信すべき伝送信号を受信するために給電路3037に接続される。上部セル金属パッチ、及びユニットセル3022のセルビアは、それぞれ、上部及び底部のグラウンド電極3040及び3050に接続される。そのようなものとして、ユニットセル3022は、放射を行わず、寄生MTMセルとして動作する。
【０１０５】
図31A及び31Bは、基板3001の両側の上部及び底部の金属層の細部を例示している。寄生素子は、それが上部GNDに短絡していることを除きアンテナ設計と同一である。ユニットセルは、基板3001の上面の上部金属パッチ3031、基板3001の底面のグラウンド電極パッド3033、及びグラウンドパッド3033を上部セルパッチ3031に接続するために基板3001を貫通するセルビア3032を備える。グラウンド電極ストライプ線3034は、底面に形成され、これにより、パッド3033を、セル3022及び3021のフットプリントの外側にある底部グラウンド電極3050に接続する。上面では、上部ランチパッド3036が、間隙3035を介して上部セル金属パッチ3031と静電結合するように形成される。上部給電路3037は、寄生ユニットセル3022の上部ランチパッド3036を上部グラウンド電極3040に接続するように形成される。ユニットセル3022と異なり、共平面導波路(CPW)3030が上部グラウンド電極3040内に形成され、能動ユニットセル3021の上部給電路3037に接続する。図30及び31Aに示されているように、CPW 3030は、周囲の上部グラウンド電極3040を伴う金属ストライプ線及び間隙により形成され、アンテナとしての能動MTMセル3021に伝送信号を供給するRF導波路を実現する。この設計では、グラウンド電極パッド3033及びグラウンド電極ストライプ線3034は、上部セル金属パッチ3031の寸法よりも小さい寸法を有する。したがって、能動ユニットセル3021は、広い帯域幅を実現するように切断グラウンド電極を有する。
【０１０６】
図30の上記の設計の具体的な一実施例として、図32Aでは、誘電率4.4、損失正接0.02の厚さ1.6mmの単一のFR4基板上に作製されたアンテナを示している。ユニットCRLHセルの上部パッチは、幅5mm(x方向)、長さ5mm(y方向)である。給電路は、長さ3mm、幅0.3mmのストライプであり、長さ5mm、幅3.5mmのランチパッドを介して能動アンテナセルに結合される。ランチパッドは、ユニットセルのエッジから0.1mmの間隙でユニットセルに結合される。すべての上部パッチを底部セルGNDと接続するビアは、直径0.25 mmであり、上部パッチの中心に配置されている。
【０１０７】
寄生素子3022は、選択された方向にそって能動素子3021の最大利得を高める働きをする。図32Aのアンテナは、5.6dBiの最大利得を持つ指向性総利得を有するアンテナパターンを形成する。比較すると、寄生素子を持たない同一構造のMTMセルアンテナ素子は、2dBiの最大利得を持つ無指向性パターンを有する。能動素子と寄生素子との間の距離は、能動アンテナセルの放射パターンを制御して異なる方向で最大利得を得られるように設計されうる。図32B及び32Cは、それぞれ、能動アンテナMTMセルのシミュレートされたリターンロスと図32Aのアンテナの入力インピーダンスの実部及び虚部を示している。ランチパッド2036とセル金属パッチ3031の寸法は、所望のアンテナ性能特性が得られるように選択できる。例えば、図32Aの実施例の寄生素子のランチパッドの長さが、3.5mmから2.5mmに縮小され、セル金属パッチの長さが、5mmから6mmに延長された場合、能動素子のリターンロスは、図32Dに示されているようにS11=-10dBで2.35GHzから4.42GHzまでのより広い動作周波数帯域がもたらされるように変更される。
【０１０８】
図30の上記の実施例は、単一の能動素子及び単一の寄生素子を備えるアンテナである。能動素子と寄生素子の両方の組合せをこのように使用することで、さまざまなアンテナ構成を実現することができる。例えば、一つの単一の能動素子及び二つ又はそれ以上の寄生素子を一つのアンテナに備えることができる。このような設計では、単一の能動素子に関する複数の寄生素子の位置及び間隔を制御することで、結果として得られるアンテナ放射パターンを操作することができる。他の設計では、アンテナは、二つ又はそれ以上の能動MTMアンテナ素子及び複数の寄生素子を備えることができる。能動MTM素子は、寄生MTM素子と構造の点で同一であるか、又は異なることがある。結果として得られる利得パターンの操作及び制御に加えて、能動素子を使用することで、所定の周波数でBWを増やすか、又は追加の(複数の)動作周波数帯域をもたらすことができる。
【０１０９】
MTM構造は、さらに、ラップトップコンピュータ用の無線カードなどのコンパクトなパッケージに収められたさまざまな応用製品向けのトランシーバアンテナ、PDA、GPSデバイス、及び携帯電話などの移動体通信デバイス用のアンテナを製作するために使用されうる。少なくとも一つのMTM受信機アンテナ及び一つのMTM送信機アンテナを共通基板上に集積化することができる。
【０１１０】
図33A、33B、33C、及び33Dは、切断グラウンド設計に基づく二つのMTM受信機アンテナ及び一つのMTM送信機アンテナを備えるトランシーバアンテナデバイスの一実施例を例示している。図33Bを参照すると、基板3301は、上部基板面の一部に取り付けられている上部グラウンド電極3331及び底部基板面の一部に取り付けられている底部電極3332を備えるように加工されている。二つのMTM受信機アンテナセル3321及び3322、並びに一つのMTM送信機アンテナセル3323は、上部及び底部グラウンド電極3331及び3332のフットプリントの外側にある基板3301の領域内に形成される。三つの独立しているCPW 3030は、上部グラウンド電極3331内に形成され、これにより、それぞれ、三つのアンテナセル3321、3322、及び3323に対するアンテナ信号を誘導する。三つのアンテナセル3321、3322、及び3323は、図33Aに示されているようにそれぞれ、ポート1、3、及び2のラベルが付けられている。測定S11、S22、及びS33は、それぞれこれら三つのポート1、2、及び3で行うことができ、またポート1と2との間の信号結合測定S12及びポート3と1との間の信号結合測定S31を行うことができる。これらの測定により、デバイスの性能が特徴付けられる。それぞれのアンテナは、ランチパッド3360及びCPW 3030とランチパッド3360を接続するストライプ線を介して対応するCPW 3030に結合される。
【０１１１】
アンテナセル3321、3322、及び3323はそれぞれ、上部基板面、導電性ビア3340、及び寸法が上部セル金属パッチよりも小さいグラウンドパッド3350を備える構造を有する。グラウンドパッド3350は、ビア3340の断面よりも広い面積を持つことができる。他の実装では、グラウンドパッド3350は、上部セル金属パッチの面積よりも広い面積を持つことができる。それぞれのアンテナセルにおいて、ストライプ線3351が底部基板面上に形成され、これにより、グラウンドパッド3350を底部グラウンド電極3332に接続する。図に示されている実施例では、二つの受信機アンテナセル3321及び3322は、CPW 3030の細長い方向に垂直な方向にそって細長く延びる矩形形状を有するように構成され、二つの受信機アンテナセル3321と3322との間に配置される、送信機アンテナセル3323は、CPW 3030の細長い方向にそって細長く延びる矩形形状を有するように構成される。図33B及び33Dを参照すると、それぞれのグラウンドストライプ線3351は、それぞれのグラウンドパッド3350に接続し、少なくとも部分的にはそれを囲み、それぞれのアンテナセルに対する共振周波数を低い周波数にシフトするらせん形ストライプパターンを備える。アンテナセルの寸法は、異なる共振周波数を発生するように選択され、例えば、受信機アンテナセル3321及び3322は、受信機アンテナセル3321及び3322に対する共振周波数が送信機アンテナセル3323に対する共振周波数よりも高くなるように、送信機アンテナセル3323に比べて長さを短くすることができる。
【０１１２】
上記のトランシーバアンテナデバイス設計は、送信機アンテナセルに対する1.7GHz、及び受信機アンテナセルに対する2.1GHzで動作する2層MTMクライアントカードを形成するために使用されうる。三つのMTMアンテナセルは、幅45mmのPCMCIAカードにそって配列され、そこでは、中間アンテナセルが、1710MHzから1755MHzまでの周波数帯域内で送信機を共振させ、また二つの受信機側アンテナは、データサービス、ビデオサービス、及びメッセージングサービスを提供するために移動体通信を行う高度無線サービス(AWS)システムについて2110MHzから2155MHzまでの周波数帯域内の周波数で共振する。50Ωのインピーダンスマッチングは、ランチパッド(例えば、その幅)を整形することにより達成することができる。アンテナセルは、後述の仕様に基づき構成される。1.1mmの厚さで具現化されたFR4は、セルをサポートするために使用される。側部セルとGNDとの間の距離は、1.5mmである。底層のビア線は、幅0.3mmの2本の直線と半径0.5mmの円の3/4とからなる。真ん中のアンテナは、底部GND線が長いため、低い周波数で共振する。ランチパッドと上部GNDとの間の間隙は、0.5mmである。このらせん形は、0.6mmの半径を有し、グラウンドパッドの中心から0.6mmの間隔を有する完全円からなる。
【表４】
2010502131.tif 000018
【表５】
2010502131.tif 000019
【０１１３】
図34A及び34Bは、上記のトランシーバデバイスのシミュレートされ、測定されたリターンロスを示している。リターンロス及び分離度は類似しているが、ただし、上部及び底部の層のソルダーマスクにより中心周波数にわずかなシフトがある。2.1GHzアンテナと1.7GHzアンテナとの分離度は、隣接するTXアンテナとRXアンテナとの分離距離が、約λ/95である1.5mm未満であるとしても-25dBを著しく下回る。二つのRxアンテナセル2.1GHzアンテナ間の分離度は、分離距離が3mm未満(つまり、λ/45未満)であれば-10dB未満である。
【０１１４】
図34C及び34D〜Fは、それぞれ、2.1GHz帯域における効率及び放射パターンを示している。効率は、50%より高く、ピーク利得は、1.8GHzで得られる。これらは、アンテナセル3323がコンパクトなアンテナ構造を有し、寸法がλ/20(長さ)×λ/35(幅)×λ/120(深さ)であることを考慮すると優れた数値である。
【０１１５】
図34G及び34H〜Jは、それぞれ、1.71GHz帯域における効率及び放射パターンを示している。効率は、50%に達し、ピーク利得は、1.6GHzで得られる。これらは、アンテナセル3323がコンパクトなアンテナ構造を有し、寸法がλ/17(長さ)×λ/35(幅)×λ/160(深さ)であることを考慮すると優れた数値である。
【０１１６】
ラップトップなどの一部用途では、GND平面の表面に垂直な方向でアンテナの長さに空間的な制約が加わる。アンテナセルは、コンパクトなアンテナ構成となるように上部GNDに対し平行な方向に配列することができる。
【０１１７】
図35は、この構成における例示的なMTMアンテナ設計を示している。図36A、36B、及び36Cは、図35の3層設計の詳細を示している。三つのグラウンド電極層、つまり、基板3501の上面にある上部グラウンド電極3541、二つの基板3501と3502との間にある中間グラウンド電極3542、及び基板3502の底部にある底部グラウンド電極パッド3543をサポートするように二つの基板3501及び3502が互いに積み重なる3層グラウンド電極設計が、この実施例では使用される。グラウンド電極3451及び3452は、デバイスに対する二つの主GNDである。それぞれの底部グラウンド電極パッド3543は、MTMセルに関連付けられ、中間グラウンド電極3542の下に電流を引き回すように備えられる。
【０１１８】
MTMアンテナセル3531、3532、及び3533は、グラウンド電極3541、3542、及び3543の境界と平行な方向にそって細長いアンテナを形成するように位置決めされる。したがって、三つの底部グラウンド電極パッド3543が、基板3502の底部に形成される。それぞれのアンテナセルは、基板3501の上面上の上部セルパッチ3551、基板3501の上面と基板3502の底面との間に延び、上部セル金属パッチ3551と接触しているセルビア3552、及び基板3502の底面にあり、セルビア3552と接触している底部グラウンドパッド3553を備える。セルビア3552は、上部基板3501内の第1のビア及び底部基板3502内の分離している第2のビアとを備えることができ、これらは、基板3501と3502との間の接続面において互いに接続される。底部グラウンドストライプ線3554が基板3502の底面に形成され、これにより、グラウンドパッド3553を底部グラウンド電極パッド3543に接続する。中間グラウンド電極3542及びグラウンド電極パッド3543は、図36Aの上部層から俯瞰する形でも見える導電性中間底部ビア3620により接続される。上部グラウンド電極3541に対する金属層は、MTMセル3531、3532、及び3533により形成されるアンテナに給電するためのCPO 3030を形成するようにパターン形成される。給電路3510は、CPW 3030を、第1のMTMセル3531の隣に配置され、間隙を介してセル3531に静電結合されているランチパッド3520に接続するように形成される。この設計では、中間電極3542は主GNDのエッジを超えて底層上にGND線を延ばし、これにより電流経路を主GNDの下に延ばして共振周波数を下げる。
【０１１９】
一実装では、上部基板3501は、厚さ0.787mmであり、下側基板3502は、厚さ1.574mmである。両方の基板3501及び3502は、誘電率4.4の誘電体材料から作ることができる。他の実装では、基板3501及び3502は、異なる誘電率値の誘電体材料から作ることができる。ユニットCRLH MTMセルの上部パッチは、幅2.5mm(y方向)、長さ4mm(x方向)であり、二つの隣接するセルの間の間隙は0.1mmである。給電路は、第1のユニットセルのエッジから0.1mmの間隙でアンテナに結合される。すべての上部パッチングを底部セルGNDと接続するビアは、直径12ミルであり、上部パッチの中心に配置されている。GND線は、周波数共振を低くするように中間層の主GNDの3.85mm下に延びており、底層GND線を中間層の主GNDに接続するために長さ1.574mm、直径12ミルのビアが使用される。
【０１２０】
図37は、上記アンテナのリターンロスのFHSSシミュレーション結果を周波数の関数として示している。デバイス上のそれぞれのアンテナの電界分布は、さらに、2.22GHz、2.8GHz、3.77GHz、及び6.27GHzの信号周波数について例示されている。最低共振は、周波数が構造にそった導波の減少とともに下がるため、LHである。導波は、3セル構造にそった二つのピークの間の距離とみなされる。2.2GHzでは、共振波は、二つの連続するセル境界の間に閉じ込められるが、それより高い周波数では、共振波は二つ又はそれ以上のセルにまたがる。
【０１２１】
＜完全磁性体構造を持つCRLH MTMアンテナ＞
上記CRLH MTM構造設計は、基板の片側にグラウンド電極として完全導体(PEC)を使用することに基づく。PECグラウンドは、基板面全体を覆う金属層とすることができる。上記の実施例に示されているように、PECグラウンド電極を、寸法が基板面よりも狭くなるように切断して、アンテナ共振の帯域幅を増やすことができる。上記の実施例では、切断PECグラウンド電極は、基板面の一部を覆うように設計することができるが、MTMセルのフットプリントには重ならない。このような設計では、グラウンド電極ストライプ線は、セルビアと切断PECグラウンド電極を接続するために使用できる。MTMアンテナ構造の下のGND平面のこのような縮小を用いてRH静電容量C_Rを小さくし、それと対になるLH静電容量C_Lを大きくする。その結果、共振の帯域幅を増やすことができる。PECグラウンド電極は、MTM構造の金属グラウンド平面を形成する。金属グラウンド平面は、完全磁性体平面又は完全磁性体(PMC)構造の表面により置き換えることができる。PMC構造は、合成物質構造であり、天然には存在しない。PMC構造は、実質的に広い周波数範囲にわたってPMC特性を示しうる。PMC構造の実施例は、「High-Impedance Electromagnetic Surfaces」(カリフォルニア大学(ロサンゼルス所在)博士学位論文)(1999)においてシーベンパイパー(Sievenpiper)が説明している。以下の節では、CRLH MTM構造とPMC構造の組合せに基づくアンテナ及び他の応用向けのMTM構造について説明する。MTMアンテナは、MTM構造の下にPEC平面の代わりにPMC平面を入れるように設計されうる。HFSSモデルに基づく初期調査により、このような設計は、一次元と二次元の両方の構成におけるMTMアンテナ用に金属GND平面を持つMTMアンテナよりも大きいBWを実現できることが確認されている。したがって、MTMアンテナは、例えば、第1の側に第1の表面を、第1の側と反対側の第2の側に第2の表面を有する誘電体基板、第1の表面上に形成された少なくとも一つのセル導電性パッチ、第2の表面と接触するPMC表面をサポートするように基板の第2の表面上に形成されたPMC構造、及び導電性パッチをPMC表面に接続してCRLH MTMセルを形成する
ように基板内に形成された導電性ビアコネクタを備えることができる。第2の基板は、PMC構造をサポートするために使用することができ、この基板と係合して、MTMアンテナを構成する。
【０１２２】
図38は、PMC表面上に形成された二次元MTMセルアレーの一実施例を示している。第1の基板3801は、アレー内でCRLH MTMユニットセル3800をサポートするために使用される。二つの隣接するセル3800は、セル間間隙3840により相隔てられ、互いに静電結合する。それぞれのセルは、二つの表面の間の第1の基板3801内に延びる導電性セルビア3812を備える。第2の基板上に形成されたPMC構造は、第1の基板3801の底面に係合され、PMC表面3810をグラウンド電極層の代用として備える。給電路3822は、アレー内のユニットセル3800に静電結合される。ランチパッド3820は、給電路3822の下に形成され、給電路3822とユニットセルとの間の間隙を覆うように位置決めされ、給電路3822とユニットセルとの間の静電結合を高めることができる。図39A、39B、39C、及び39Dは、図38の設計の詳細を示している。静電結合金属パッチ3920の層は、上部セル電極パッチ3910の下に形成され、セル間間隙3840の下に配置され、これによりMIMキャパシタを形成することができる。ランチパッド3820は、静電結合金属パッチ3920とともに同じ層内に形成されうる。
【０１２３】
図40は、図38でPMC表面3810を実装するために使用されうるPMC構造の一実施例を示している。第2の基板4020は、PMC構造をサポートするように形成される。基板4020の上面に、二つの隣接するセルパッチの間にセル間隙4003を持つように金属セルパッチ4001の周期的アレーが形成される。完全グラウンド電極層4030は、基板4020の他方の側、つまり底側に形成される。セルビア4002が基板4020内に形成され、それぞれ金属セルパッチ4001を完全グラウンド電極層4030に接続する。この構造は、バンドギャップ材料を形成し、金属セルパッチアレーを備える上面をPMC表面3810にするように構成されうる。図40のPMC構造を基板3801に積み重ねて、基板3801の底面と接触する金属セルパッチアレーとともに上面を配置することができる。この組合せ構造は、図40のPMC構造上に構築されるMTM構造である。
【０１２４】
完全HFSSモデルは、GND電極をPMC表面で置き換えることにより図3及び23の二次元MTMアンテナ設計に基づくことができる。図38のMTMアンテナについて、HFSSシミュレーションが実行された。HFSSシミュレーションのアンテナでは、互いに重ねて装着されている2枚の基板を使用する。上部基板は、厚さ0.25mmであり、10.2と高い誘電率を有する。底部基板は、厚さ3.048mmであり、誘電率3.48を有する。三つの金属化層が、上部、底部に、そして2枚の基板の間に配置されている。中間層の役割は、金属絶縁体金属(MIM)キャパシタを使用することにより、二つの隣接するセルの間、及び第1の中心セルと給電路との間の静電結合を高めることである。ユニットCRLHセルの上部パッチは、幅4mm(x方向)、長さ4mm(y方向)で、二つの隣接するセルの間の間隙は0.2mmである。給電路は、第1のユニットセルのエッジから0.1mmの間隙でアンテナに結合される。すべての上部パッチングを底部セルGNDと接続するビアは、直径0.34mmであり、上部パッチの中心に配置されている。MIMパッチは、上部パッチから45度回転され、2.48mm×2.48mmの寸法を有する。
【０１２５】
図41A及び41Bは、アンテナのHFSSシミュレートされたリターンロス及びアンテナ放射パターンを示している。アンテナのBWは、2.38GHzから5.90GHzまで広がり、これは、広範囲にわたる無線通信用途の周波数帯域をカバーする(例えば、WLAN 802.11a、b、g、n、WiMax、BlueToothなど)。縮小されたGND金属平面を使用する以前のMTM設計と比較すると、PMC表面を備えるMTM構造で得られるBWは、著しく拡大できる。それに加えて、アンテナは、図41Bに示されているようなパッチに似た放射パターンを示す。この放射パターンは、さまざまな用途において望ましいものである。
【０１２６】
上記の実施例では、上部セル金属パッチ及びランチパッドなどのCRLH MTM構造のさまざまなコンポーネントに対する電極の境界は、まっすぐである。図42は、ユニットセルの上部セル金属パッチ及びこのようなまっすぐな境界を持つそのランチパッドの一実施例を示している。しかし、このような境界は、CRLH MTM構造における電界の空間分布及びCRLH MTM構造のインピーダンスマッチング条件を制御するため凹又は凸のいずれかの境界を持つように湾曲させるか、又は曲げることができる。図43〜48は、上側セル金属パッチ及び対応するランチパッドのインターフェース境界に対する非直線的境界の実施例を示している。図44、45、47、及び48は、さらに、他の電極の境界との接触面を持たない上部セル金属パッチの自立境界も、CRLH MTM構造の電界の分布又はインピーダンスマッチング条件を制御するため湾曲又は曲がった境界を持つことができる実施例を示している。
【０１２７】
一次元及び二次元構成のさまざまなCRLH MTMデバイスにおいて、RFチップパッケージング技術に適合するように、単一の層及び複数の層を設計することができる。第1のアプローチでは、低温同時焼成セラミック(LTCC)設計及び加工技術を使用することによりシステムオンパッケージ(SOP)コンセプトを利用する。多層MTM構造は、高い誘電定数又は誘電率εを持つ材料を使用することによりLTCC加工用に設計されている。このような材料の一実施例は、DuPont 951であり、これはε=7.8、損失正接0.0004である。ε値が高いほど、サイズの縮小はさらに推し進められる。したがって、ε=4.4のFR4基板を使用して前の節で示されたすべての設計及び実施例は、LTCCのより高い誘電率の基板に適合するように直列及びシャントのキャパシタ及びインダクタを調節することでLTCCに移すことができる。GaAs基板及びポリアミド薄層を使用するモノリシックマイクロ波IC(MMIC)も、印刷されたMTM設計をRFチップに縮小するために使用できる。FR4又はRoger基板上のオリジナルのMTM設計は、LTCC及びMMIC基板/層の誘電率及び厚さに適合するように調節される。
【表６】
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【０１２８】
本明細書は、多くの詳細事項を含んでいるが、これらは、本発明の範囲又は請求内容の範囲に対する制限として解釈すべきではなく、むしろ本発明の特定の実施形態に特有の特徴の説明として解釈すべきである。別々の実施形態の背景状況において本明細書で説明されているいくつかの特徴も、単一の実施形態において組み合わせて実装されうる。逆に、単一の実施形態の背景状況において説明されているさまざまな特徴は、複数の実施形態で別々に、又は好適な部分的組合せで、実装することも可能である。さらに、上ではいくつかの特徴を特定の組合せで動作するものとして説明することができ、さらには最初にそのようなものとして請求されうるが、請求されている組合せから得られる一つ又は複数の特徴は、場合によっては、組合せから切り取られ、また請求された組合せは、部分的組合せ又は部分的組合せの変更形態を対象とするものとすることもできる。
【０１２９】
ごく少数の実装が開示されている。しかし、変更形態及び機能強化を構成できることは理解されるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ−２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図１９Ｄ】
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【図１９Ｅ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ−２２Ｂ】
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【図２２Ｃ−２２Ｄ】
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【図２２Ｅ】
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【図２２Ｆ】
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【図２２Ｇ】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２Ａ−３２Ｂ】
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【図３２Ｃ−３２Ｄ】
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【図３３】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３４Ｃ−３４Ｄ】
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【図３４Ｅ−３４Ｆ】
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【図３４Ｇ−３４Ｈ】
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【図３４Ｉ−３４Ｊ】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【国際調査報告】
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