[发明专利]具有机械连接的超材料天线

说明书

技术领域

本申请涉及超材料(metamaterial)天线结构。

背景技术

电磁波在大多数材料中的传播服从(E，H，β)向量场的右手定则，其中，E是电场，H是磁场，并且β是波矢量(或传播常数)。相速度方向和信号能量传播(群速度)方向相同，并且折射率是正数。这样的材料是“右手(RH)”材料。大多数自然材料是RH材料。人工材料也可以是RH材料。

超材料(MTM)具有人工结构。当被设计成具有比超材料所传导的电磁能量波长更短的结构平均单位单元(structural average unit cell)尺寸ρ时，超材料对于所传导的电磁能量可表现为像均质介质。和RH材料不一样，超材料可以展示出负折射率，并且相速度方向与信号能量传播方向相反，其中，(E，H，β)向量场的相对方向遵循左手定则。仅支持负折射率并且介电常数ε和磁导率μ同时为负的超材料是纯“左手”(LH)超材料。

已经有表现为MTM的电结构。这样，可以利用被配置为表现为MTM的传导材料来设计设备，并将这样的设备称为“基于MTM的”结构或“由MTM启发的(MTM-inspired)”结构，并且，如本文所使用，术语MTM包括这样的结构。将这些结构配置为具有与LH超材料和RH材料的混合体相类似的性能。将这些结构称为复合左右手(CRLH)结构或CRLH MTM结构。CRLH结构在低频可以表现得像LH MTM，而在高频表现得像RH结构。

例如，在Caloz和Itoh著的“Electromagnetic Metamaterials：Transmission Line Theory and Microwave Applications”，John Wiley&Sons(2006)，中描述了各种CRLH结构的实现和特性。Tatsuo Itoh在Electronics Letters，第40卷，No.16(2004年8月)的“Invited paper：Prospects for Metamaterials”中描述了CRLH超材料及其在天线中的应用。

这样，可以设计和实现CRLH结构，使其展现出为特定应用定制的电磁特性，并且可将其用于对于其它材料而言困难、不现实、不能实行的那些应用中。此外，可以使用CRLH超材料来开发用RH材料无法开发的新应用，构造用RH材料无法构造的新设备。

发明内容

本申请公开了超材料天线设备的示例，所述超材料天线设备具有由导电材料制成的一个或更多个机械连接单元，从而同时为所述天线设备提供了机械式接合和电导通。所述机械连接单元是用来对设备的各个部件进行机械式耦合的结构。

在一个方面中，CRLH结构可用来设计天线设备，所述天线设备包括基底结构以及一个或多个金属层，其中，由所述基底结构来支持所述一个或多个金属层，并将所述一个或多个金属层设置为包括：在所述一个或多个金属层中的一个金属层内形成的地电极；以及在所述一个或多个金属层中的至少一个金属层内形成的导电部件。还可将所述天线设备设计为利用一个或者多个机械连接单元。一些机械连接单元机械式接合基底结构的部件，诸如使得将多个印刷电路板(PCB)固定在一起。一些机械连接单元将基底结构接合或固定到设备外壳。有各种结合了机械连接单元的构造、结构和应用，其中，由导电材料制成机械连接单元，并将该机械连接单元电耦合到至少一个导电部件。将导电部件、一个或多个机械连接单元以及至少部分基底结构配置为形成具有CRLH结构的天线，其中，CRLH结构展现出与天线信号相关联的多个频率谐振。在具有多个基底结构的一些天线设备中，这些结构可以由一个或多个机械连接单元共同保持，以防止错位或分离。例如，机械连接单元包括诸如螺丝、锚、栓、钉子、夹子、隔片和托脚、连杆和螺栓以及插入物的机械连接器或紧固件，机械连接单元可以与螺丝基座(screw boss)、螺母、垫圈、环图等相结合来进行使用。

在另一个方面中，一种天线设备包括设备外壳，存在于设备外壳内部的基底结构，由基底结构支持的地电极，由基底结构支持的导电部件以及机械连接单元。机械连接单元由导电材料制成。机械连接单元将基底结构机械式接合到设备外壳，并且该机械连接单元电耦合到多个导电部件中的至少一个。将机械连接单元、地电极、至少部分基底结构和导电部件配置为形成CRLH天线结构，该CRLH天线结构展现出与天线信号相关的一个或多个频率谐振。

在附图、详细说明和权利要求书中具体描述了这些和其它方面以及它们的实施方式及其各种变化。

附图说明