TW200843201A - Metamaterial antenna arrays with radiation pattern shaping and beam switching - Google Patents

Description

200843201 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於適用於輻射圖形塑型及射束切換之 . 超常介質（metamaterial，MTM)架構及其應用。 ♦ 【先前技術】 在大部分材料中電磁波所傳遞之（E，H， /3 )向量場 • 會遵守右手定則（right handed rule)，其中E為電場，Η 為磁場’而/3為波向量。這些相速（phase vei〇city)方向 與#號能量傳遞的方向相同（群速（gr0Up vei〇city))，且 折射索引（refractive index)為正數。這樣的材稱為右手 (right handed，RH)材料。大部分的自然材料為抓材料。 人造材料亦可以是RH材料。 超常介質具有人造結構。當所設計之結構平均單元尺 寸p逆小於超常介質所導引之電磁能量波長時，超常介質 φ 的表現如同用來導引電磁能量的同質媒體。不同於RH材 料’超常介質可具有負折射索引（其介電常數 (permittivity) ε與μ可以同時為負值），且其相速方向 與信號能量傳遞的方向相反，其中（E，H， )向量場的相 對方向遵守左手定則。具有介電常數ε與从同時為負值且 僅提供負折射索引的超常介質為左手（LH)超常介質。 許多超常介質為LH超常介質和RH超常介值的混合 物’因此為複合左/右手（C〇mp〇s]te Left and Right Handed，CRLH)超常介質。CRLH超常介質的表現像是低頻 10 5 7D-9 5 0 7 -PF 5 200843201 ^ n 的LH超常介質以及高頻的rh介質。在Cal〇z與H〇h於 John Wiley & Sons (2006)所發表之，，電磁超常介質：傳 輸線理論與微波應用，，中說明了各種CRU超常介質的設 計與特性。在Tatsuo Itoh於2004年八月所發表的電子 期刊（ν〇1· 40, No. 16)”邀請演講：對超常介質的期望，， 中說明了 CRLH超常介質及其在天線上的應用。 CRLH超系貝可以被建立為具有適用於特定應用程 式之電磁特性並且可用於無法使用其他材料的應用程 式。另外，CRLH超常介質可用來發展新的應用程式，並且 可用來建構無法具有RH材料之新裝置。 【發明内容】 此應用包括使用MTM天線元件與陣列來提供輻射圖形 塑型與射束切換的裝置、系統與技術。 本發明實施例之天線系統，包括複數天線元件，無線 φ 地傳送與接收射頻信號，每個天線元件包括複合左/右手 (CRLH)超常介質（MTM)結構；射頻收發器模組，與天線元 件進订通訊而接收來自天線元件的射頻信號或是將射頻 L號傳达至天線元件；電力合併與分配模組，以單路徑的 方式連接於射頻收發器模組與天線元件之間，用來將來自 射頻收發器模組之射頻信號的射頻電力分散至天線元 件，並且將來自天線元件的射頻信號電力合併至射頻收發 器模組；複數切換元件，以單路徑的方式連接於電力合併 分配模組與天線元件之間，每個切換元件係用來啟動或停

1057D-9507-PF 200843201 止至少-天線元件以回應切換控制信號；以及射束切換控 制器，透過與切換㈣進行通訊產生切換控制信號來控制 每個切換元件啟動天線元件的至少一子集合來接收或傳 送射頻信號。

本發明實施例之天線系統更包括具有天線元件形成 #上之介電基底；第_導電層’由介電基底所支援並且被 圖案化為包括（1)第一主要接地電極，被圖案化為包括複 數個別的共面波導來導引並傳送心言號，⑵複數個別的 單元導電插線’與第-主要接地電極分離，以及⑻複數 導電餽線，每個導電魏線包括連接至個別共面波導之第一 端以及電磁搞接至個別單元導電插線之第二端，以傳送個 別共面波導與個別單元導電插線之間的個別RF信號；第 二導=層，由介電基底所支援並且與第—導電層隔開並平 行，第二導電層被圖案化為包括（1)第二主要接地電極， 設置於由第一接地電極投影在第二導電層的覆蓋區中，（2) 複數單元接地導電接墊，分別設置於由單元導電插線投影 在上述第二導電層的覆蓋區中，以及（3)複數接地導電 2，分別將單元接地接墊連接至第二主要接地電極；複數 單元導電通孔連接器，形成於基底，每個單元導電通孔連 接益係連接苐一導電層中的單元導電插線以及單元導電 插線杈影在第二導電層中的單元接地墊；以及複數接墊通 孔連接器，形成於基底，用來連接第一導電層中的第一主 要接地電極以及第二導電層中的第二主要接地電極。每個 單7L導電插線、基底、個別的單元導電通孔連接器以及單 1057D-9507-PF 7 200843201 *考 元接地導電接墊、個別的共面波導以及分別電磁耦和導電 餽線係被結構化而形成作為天線元件之複合左/右手 (CRLH)超常介質結構。 本發明另一實施例所述之天線系統，包括··複數天線 陣列，每個天線陣列用來傳送與接收輻射信號並且包括彼 此相對5又置之複數天線元件，以共同產生輻射傳輸圖案， 母個天線元件包括複合左/右手（CRLH)超常介質（JJTJI)結 構；複數圖形塑型電路，分別耦接至天線陣列，每個圖形 塑型電路係將輻射傳輸信號供應至個別天線陣列，並且用 來產生並將具有所選取相位與振幅之輻射傳輸信號之複 製品分別指向天線陣列的天線元件，而產生與天線陣列有 關的個別輻射傳輸圖形；以及天線切換電路，耦接至圖形 塑型電路，用以將輻射傳輸信號供應至至少一圖形塑型電 路，並且每次選擇性地將輻射傳輸信號指向至少一天線陣 列來傳送輻射傳輸信號。 • 本發明另一實施例所述之天線系統，包括··複數天線 元件，天線元件包括複合左/右手（CRLH)超常介質（MTM)結 構，複數圖形塑型電路，每個圖形塑型電路皆耦接至天線 几件之子集合，並且對與天線元件之子集合相關的輻射圖 形執仃塑型；以及天線切換電路，耦接至圖形塑型電路， 母次啟動至少一子集合來產生與至少一子集合相關的輻 射圖形，其中啟動係隨著時間而根據預定控制邏輯切換於 子集合之間。 本發明另一實施例所述之輻射圖形塑型以及射束切 1057D-9507-PF 8 200843201 換的方法，適用於白 、已括複數天線元件之天線系統，包括下 彳二驟w接收來自主要餽線的主要信號;藉由使用輻射電 /一併器/刀配器提供來自主要餽線之分裂路徑，將每個 "的“唬傳遞至複數圖形塑型電路之一者；藉由使用 轉接至子集合之圖形塑型電路來塑型與天線元件之子集 合相關的輻射圖开$ · R ^ ^ < 口开/，以及母次啟動至少一子集合來產生與 夕子集σ相關的輻射圖形，其中隨著時間而根據預定 控制邏輯切換於早鱼人+ ρ日 , • 、、子集曰之間，其中複合左/右手（CRLH)超 常介質（ΜΤΜ)結構係用來形成每個天線。 式 方 施 實 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作說 明如下： 實施例： 超常介質（MTM)結構可用來建構天線以及其他墊子元 件與裝置。本應用說明了用於需要高訊雜比（Signai忧 Noise Ratio，SNR)來增加流量與距離並同時降低干擾之 Wifi 存取點（access point， AP)、基地台（base station)、微基地台、筆記型電腦以及其他無線通訊裝置 之多MTM天線的例子。本應用說明了使用複合左/右手 (CRLH)超常介質來塑型輻射圖形以及射束切換天線的技 術、裝置以及系統。 1057D-9507-PF 9 200843201 ^ Μ 值得注意的是，本應用之天線陣列設計使用CLRH超 常介質來建構輻射圖形塑型以及射束切換天線系統中的 緊密天線陣列。多MTM天線陣列根據操作需求或偏好（例 如無線連結通訊狀態）建立可切換於多射束圖形之間的天 線系統。由CLRH超常介質所構成的天線之天線系統可用 來保留傳統智慧型天線系統（smart antenna system)的好 處，並且提供傳統智慧型天線系統中不具有的額外好處。 根據MTM結構降低天線尺寸係允許CRLH MTM天線陣列適 應大範圍的天線改良。 、在本發明貫施例中的每個射束圖形係由單一天線元 :或是透過合併來自對應於多天線元件之天線子集合的 乜號而建立。天線陣列内的天線元件配置係幾何地與單一 天線圖形以及期望射束圖形結合。本發明提供用來塑型輕 射圖形的各種技術。某些實施例包括相位偏移、電力結合 以及耦合電路。 ， • 本發明之天線系統實施天線交換電路，天線交換電路 係根據通訊連結狀態或是其他條件來活化射束圖案之至 )一子集合。切換元件（例如二極體以及RF切換ic)用來 追蹤天線元件和與RF收發模組接面之電力合併與分配模 組的連結。切換元件可設置於與輻射電力合併與分配模組 "2倍數的距離來改善匹配條件，其中几為行進波 (propagat i ng wave)的波長。RF收發器模組包括連接至電 力合併與分配模組之類比前端、類比數為轉換區塊以及後 端的數位信號處理器，可用來對接收信號執行數位處理並 1057D-9507-PF 10 200843201 產生輸出傳輸信號。數位處理器可以對接收信號執行各種 信號處理操作，例如估計接收信號的封包錯誤率或是判斷 接收信號的相對信號強度。 MTM輻射圖形塑型以及射束切換天線系統可支援多頻 帶’使得開關或二極體也可以是多頻帶。設計輻射電力合 併器/分配器、耦合器以及延遲線可提供多頻帶。在一些 貝施例中係將電磁能帶隙（Electromagnetic Band Gap， _ EBG)結構印刷於天線附近來修改天線輻射圖形。 本發明之天線系統可形成於各種電路平台。例如， FR一4印刷電路板可用來提供RF結構以及本發明實施例所 述之天線元件。另外，RF結構與本發明實施例所述之天線 元件可透過使用其他製造技術來實現，例如薄膜（thin film)製造技術、系統晶片（System on Chip, SoC)技術、 低溫共燒陶瓷（l〇w temperature co-fired ceramic, LTCC) 技術以及單石微波積體電路（m〇n〇Hthic micr()wave φ integrated circuit，MMIC)技術，然其並非用以限定本 發明之範圍。 第1A、1B以及1C圖顯示具有輻射圖形塑型以及射束 切換之MTM天線陣列的MTM天線系統示意圖。這些系統包 括可無線傳送接收射頻信號的天線元件1 〇 i，且每個天線 元件101皆包括複合左/右手（CRLH)超常介質（MTM)結構。 射頻收發器模組140係與天線元件101進行通訊而接收來 自天線元件101的射頻信號或是將射頻信號傳送至天線元 件101。電力合併與分配模組130係連接於射頻收發器模 1φ57Ε)-9507 - PF 11 200843201 *貧 組14〇與天線元件之間的信號通道，而直接將來自射頻收 發器模組之射頻信號的射頻電力與天線元件分離，並且直 接將來自天線元件101之射頻信號電力與射頻收發器模組 140合併。切換元件110係連接於電力合併與分配模組13〇 與天線元件101之間的信號通道，且每個切換元件11〇係 用來啟動或停止至少-天線元件101，以回應來自射束切 換控制器120的切換控制信號。射束切換控制器12〇係與 鲁卡刀換元# 110進行通訊而產生切換控制信冑來控制每個切 換元件110，以啟動天線元件101之至少一子集合來接收 或傳送射頻信號。每個切換元件110可用來啟動或停止信 號天線元件101與電力合併與分配模組13〇之間的信號通 道（如第1B圖所示）。另外，每個切換元件11〇可用來啟 動或停止至少兩個天線元件1〇1與電力合併與分配模組 130之間的信號通道（如第π圖所示）。 在天線兀件101以及電力合併與分配模組13〇之間的 _ 信號通道亦提供相位偏移元件或延遲線111來控制由切換 元件110所啟動之天線元件丨〇1的每個子集合所產生的輻 射圖形。在此實施例中，相位偏移元件或延遲線丨丨丨係設 置於天線元件101與切換元件11〇之間的信號通道。控制 至少兩個相鄰天線元件101之間的相對相位或延遲可與控 制關於天線元件的信號振幅合併來控制每個天線元件1〇1 之子集合的輻射圖形。一子集合中的天線元件可與如同天 線陣列般的與天線元件相鄰。當啟動不同的子集合時，該 系統具有多天線陣列。這樣的系統可啟動天線元件1 〇1的 1057D-9507-PF 12 200843201 _鵞 子本5或同時啟動天線元件101的至少兩個子集合。 射束切換控制器120可與所選取用於切換元件1〇1之 切換組態共同預編程。一方面，迴授控制可藉由使用射束 切換控制器120根據天線元件1〇1所接收信號的信號品質 來控制切換元件110。射頻收發器模組14〇包括數位信號 處理器，可用來處理天線元件101所接收的射頻信㈣估° 計信號效能參數。接下來，信號效能參數根據信號效能參 _ 數產生迴授控制信號來控制射束切換控制器120，射束切 換控制器120係回應迴授控制信號來控制切換元件ι〇ι的 切換狀態，因而改善接收信號中的估計信號效能。例如， 封包錯誤率以及相對信號強度可用來估計天線元件叫所 接收之信號的信號強度。 另一方面，當射束切換控制器12〇於特定位置與時間 向適用於通訊環境的最佳射束圖案收斂時，可透過下列^ 作模式而執行，包括掃瞄模式、閉鎖模式、再掃瞄模式= • 及多重輸入多重輸出（multiPle input and roultiple output，ΜΙΜΟ)模式。掃瞄模式為初始化程序，於轉換為 較窄射束之前先使用較寬的射束將強通道的方向變窄 方向可具有相同的信號強度。在記錄於記憶體之前，這= 圖形係標記著用戶資訊與時間。在閉鎖模式中，具有較= 信號品質（例如最高信號強度）的切換組態係用來傳 接收信號。若連結開始顯示較低信號品質效能，則會觸笋 再掃晦模式且射束切換控制器120會離開閉鎖模式二且^ 切換元件110的切換組態改變為其他切換組態，例如用於 1057D-9507-PF 13 200843201 某些記錄於記憶體中之射束圖形的預選切換組態。若這些 預選切換組態皆沒有產生令人滿意的信號品質，接下來7 系統會初* ΜΙΜΟ模式來找出強多通道連結的方向，並接 著將麵多天線圖形固定至這些方向。因此，天線的多 個子集合會同時進行操作且每個皆會連接至Μ·收發器。 第1C圖顯示具有輻射圖形塑型及射束切換之ΜΤΜ天 線陣列的MTM天線系統的其他實施例。每個m天線陣列 160包括至 > 兩個天線元件1Q1並且連接至^計給該陣列 160的圖形塑型電路15〇。不同的天線陣列16〇具有不同 的圖形塑型電路150。每個圖形塑型電路15〇皆供應輻射 傳送信號至個別的天、㈣们6()，並且產生並將具有選取 相位及振幅之輻射傳輸信號的複製品分別指向天線陣列 160中的天線元件101 ’以產生與天線陣列160有關的個 別輻射傳輸圖形。 例如，每個圖形塑型電路150將信號的相位值以及振 幅控制至陣列m中的天線元件m來產生在某些方向具 有增加增益的特定輻射圖形。例如，圖形塑型電路15〇可 包括相位偏移或延遲元件U1(如帛1Α^ ΐβ圖所示）。在 此實施例中，-切換元件11G係連接至唯―指^的圖形塑 型電路150，且不同圖形塑型電路150係連接至不同的切 換70件1 1 0。切換70件、射束切換控制器i 以及電力合 併與分配模組13G共同形成_接至圖形塑型電路15〇的天 線切換電路m來供應輻射傳輸信號至至少—圖形塑型電 路150,並選擇性的將輕射傳輪信號指向天線陣列之至少 1057D-9507-PF 14 200843201 一者來傳送輻射傳輸信號。此說明書係說明了本發明實施 例之天線切換電路1 7〇。

在第1C圖中，天線切換電路17〇接收來自射頻收發 模組140的迴授控制。此迴授控制可以為隨著時間而改變 信號狀態的動態㈣。射頻收發器餘14〇中的數位信號 處理益可監視信號狀態並通知天線切換電路丨信號狀態 的改變’且天線切換電路170之控制羅即可調整射束形成 圖形以及射束切換而動態改善天線系統的效能。在操作 中’天線㈣電路17〇係啟動子集合或是天線元件的天線 陣列之至少一者來產生與至少一子集合有關的輻射圖 形。隨著時間的流逝，啟動根據預定或適合的控制邏輯切 換於子集合之間。 本發明實施例之MTM天線系統在尺寸和效能上比其他 天線系統提供更顯著的優點。由於目前在_天線社構中 的分佈，這些天線元件可以最小間距與相鄰天線元件門 隔。此特徵可用來取得具有期望輕射圖形之緊密天線陣 列。例如，某些ΜΤΜ天線結構可用來實現本發明的天線 統，例如於2007年4月27日提出之美國專利申言主第 11八41，674號”以超常介質結構為基礎之天線、裝置^ 統”以及纟2007年8月24曰提出之美國專利申：第 1 1/844,982號，，以超常介質為基礎之天線，，，這 ^ 本發明的參考文件。 ^ MTM天線或傳輸線可作為具有至少—m單元的 結構。詩每個ΜΤΜ單元的等效電路具有右手⑽）串㈣ 1057D-9507-PF 15 200843201 感（series inductance)LR、並聯（shunt)電容 cr 以及左 手（lh)串聯電容α以及並聯電感u。並聯電感ll與串連 電容CL係組織並連結以將左手特徵提供至該單元。此 CRLH TL可藉由分散式電路元件、集總電路元件或是兩者 之結合而實現。每個單元皆小於λ /1G，#中λ為傳輸於 CRLH TL或天線中之電磁信號的波長。

純LH材料遵循適用於向量組（Ε，Η，石）的左/右手定 則’且相速方向與信號能量傳遞的方向相反。U材料的介 電常數與導磁係數（permeability)皆為負數。crlh超常介 質根據操作狀態或頻率可具有左手與右手兩種電磁傳遞 模式。在某些情況下，當信號的波向量為零時，CRLH超常 =質具有非零群速。當左手與右手模式達到平衡時會發生 延樣的狀況。在未平衡模式中具有能帶隙，在能帶隙中不 允許傳遞電磁波。在平衡的例子中，色散（dispersi〇n)曲 線在左/右手模式之間傳遞常數的傳輸點處不 —doo 會顯示任何的不連續性，其中當群速為正數時vg=^M>0 導引波長為無窮大λδ =2π/|β| — 00。此狀態對應至應用 於LH手區域中傳輸線（TL)的零皆模式。CRLH結構支 以允許建立實體上小但是在操作與控制近場輻射圖形中 /、有獨特此力的大電磁裝置。當TL作為零階共振器

Order Resonator，Z0R)時係允許橫跨整個共振器的常數 振巾田與相位共振。讀模式可用來建立以Μ·為基礎的電 力合併器與分配器或是分配器、定向耦合器、匹配網路以 1057D-9507-PF 16 200843201 及漏波天線（leaky wave antenna)。以下會說明以MTM為 基礎的電力合併器與分配器。

在RH TL共振器中，對應至電長度為θ^β,Ι^ιηπ (m = 1，2, 3，··.）的共振頻率，其中1為几的長度。TL長度應 該足夠延伸至共振頻率的低與較寬頻譜。純LH材料係操 作於低頻。CRLH超常材料結構與rl與LH材料相當不同， 並且可延伸至RH與LH材料之rf頻譜範圍的高頻與低頻 區域。在CRLH的例子中θπ]=βιη1=ιιιπ，其中1為CRLH几長 度且參數 m = 0, ±1，±2, ±3，…±〇〇。 第2圖提供以四單位單元為基礎之一維CRLH材料傳 輸線（TL)的示意圖。四個插線（patch)係設置於介電基底 上方，其中中央通孔（vias)係連接至接地電極。第2a圖 顯示第2圖之裝置的類比等效網路電路。由於在每一端的 TL麵合，使得ZLin，#ZL〇ut，分別對應至輸入與輸出負 載阻抗。這是印刷兩層結構的實施例。第％圖顯示用於 具有四個MTM單位單元（如笛9η ^一、 平兀1如弟2D圖所不）天線的等效電 路。標示” GR”的阻抗代丰|； 代表天線的輕射電阻。在第2Α-2c 圖中係顯示第2圖與第2Α圖之間的對應，其中右手（則 串聯電感LR以及並聯電容CR係由於插線與接地面之間^ 介電質而產生，串聯左手(LH)電容CL係由於兩相鄰電】 而產生，而通孔則引起並聯LH電感u。 /、 g τ啊叫仇△興並聯導 的兩個諧振㈣與c〇SH。其值係透過下列關係式而取得 1057D-9507-PF 17 200843201

JSH ^lTcl where,Z == j^LR + T-T^r and Y = j〇)CR + —1— (1)

J^CL )dLL 由於CL電容代表兩相鄰MTM單元（遺失於這些輪 輸出埠)之間的電容’因此第2A圖中的兩個輸入/―二/ 緣單元不包括部分的CL電容1邊緣單元處不具有 分時可避免_頻率產生共振。因此#㈣時，共: 只會出現CDsh。 " 為了簡化計算上的解析，我們 7τ , 竹我們將部分的ZLin,盥 ZLout串聯電容包含在内來彳π ^ qa面、 木補彳貝逍失CL·的部分（參考第 3A圖）。在此情況下，所有N個單元 第圖與第⑽圖分別提供第 ，、 目同的參數。 供弟2A圖與第3A圖之不且 有負載阻抗的雙連接埠網路矩車。 一 提供…計作為天線時的類車比=二圖與第％圖係 法中，第犯圖代表下„以、比天線電路。在矩陣表示 iVinV ’AN BN) UnJ ,CN AN j 其中當從Vin與V〇ut端檢視時， （2) %, # + ^ 门，α 弟3Α圖中的CRLH電路 為對％的，因此AN = DN。阻抗，，Γ];>，，& ^ Μ , Η 7Τ ^ ^ . R為對應至輻射電阻的 釔構，且ΖΤ為.終端阻抗。基本上 2CL ^ Φ ^ ^ ^ 為弟2B圖中具有額 外扎L串聯電谷之結構的期望終 來說也是相同的，因此可表示為·、； ZLln;與ZLout’ • 2 ZLin’=ZLin + ^^5 ZL〇uf=ZUn +丄 JC〇LL jmCL^ ZT-2T + ^. jcoCZ /οχ 由於輻射電阻” GR”係透

遷立天線或是透過HFSS

1057D-9507-PF 18 200843201

執行模擬而得，因此很難與天線結構合作來將設計最佳 化□此較么為採用TL方法並接著模擬對應之具有各 種終端ZT的天線。方@ r 1、i 琛方％式（1)中的表示法也適用於第2A 圖中具有修正值AN， rkp ^λτ, ，ΒΝ與CN (這反應在兩邊緣單元 處遺失的CL部分）的電路。 藉由使N個CRLH單元結構與ηπ傳遞相位長度產生共 振而取侍的色散方程式可用來判斷頻帶，其中η=〇 ±2，一 ±Ν。因此，_CRLH單元之每一者皆由方程式^ 中的z與γ表示，其與第2A圖中所顯示的結構不同，其 中末端單元處不具有因此’期望關於這兩個結構的共 振會有所不同。’然而’詳細的計算顯示除了㈣之外所有 的八振白相同其中在第一結構中①“與①⑶皆會產生丘 振’而在第二結構(第2Α圖)中只有-會產生共振。正： 位偏移WO)係對應至RH區域共振，而負相位偏移(η<〇) 則對應至LH區域共振。 方程式⑴所定義之具有Ζ與Υ參數的Ν個相同單元 之色散關係式係透過下列關係式而得： N^p = cos (An)? An |<1 0<^ = -ZY<4 VN whereA, = Steven resonances |n| = 2m ef 0,2,4,...2 xlnt! and An = -1 at odd resonances |n| = 2m +1 e {l 3 (4) 2xlnt

N， T 一 1 其"與y係定義於方程式⑴中，AN係根據n個相同_ 電路或是第3A圖的電路之線性咖⑽而取得，且p為

1057D-9507-PF 19 200843201 單元尺寸。積數n=(2m+l)以及偶數\ m，、振分別與M = -1 以及AN = 1相關。對於第2A圖與第2B圖ψ从 Q甲的AN，來說， 由於末端單元不具有CL，因此不論單元數旦 里為何，n=〇模 式僅於COo-COsb處產生共振（而不是在①知 H處皆產生共 振）。對於表1中不同的χ值來說，透過下 <卜列方程式可取得 較高的頻率： -±-

fr 1 ^ 1 2 —J

For η > 0,< 2 …1 ⑸ 表1提供當N = l，2，3以及4時的χ值。值得注意的 是，不論全CL出現於邊緣單元（第3Α圖）痞η τ « " 疋不具有CL(第 2A圖）’較高的共振丨η丨>〇皆相同。另外， 1 如方程式（4)， 共振接近11=0時具有小χ值（接近χ的下限〇 U ^ 而車父鬲的共 振傾向於達到χ的上限4。 表 N\模式 ^ 11 A ?厶 5 ϋ 从 ln|=0 ^吁丨回平7〇 0； |Π|=1~Π Ιη|=2 ---- 1 η 1 =Q N=1 χ (ι，〇)=0 ; ω〇 = cosh ' 、 > 丨：J …^-- 1 ι υ N=2 X (2. 0)=0 ; ω〇 = qsh χ (2,1)=2 -$ - ，〆 \〆，，ί、 N=3 X (3,〇)=〇 ; ω〇 = (Osh X (3,1)=1 —---—_ X (3,2)=3 ;卜 黎黎鑛ij鱗緣鸾齡:¾錄総漆咨縛袭鑛務鐵緣錄 N=4 χ (4,0) = 〇 ； 〇)〇 =： 0δΗ ------- Χ{α,\) = 2 - X (4, 2) = 2 圓 ---—-— 第4Α與4Β圖分別顯示當g>se=C0sh(平衡）以及 QSE尹°°SH(未平衡）時作為①函式之色散曲線β的示意圖。在 接下來的實施例中，min(c〇SE，cosh)與maxf^sE，0SH)之間具有 頻率間隙（frequency gap)。從方程式（5)的共振等式可取 得受限的頻率ωιπίη與⑽"之值，其中χ到達其上限χ=4，方 1057D-9507-PF 20 200843201 程式如下： mm --- 2

SE 2 · +-

ySH 2 Λ2 + ωΙΕ +4ω2Ε

(6) 第4Α與4Β圖顯示沿著β曲線之共振位置的示意圖。 第4Α圖顯示平衡狀態（LR CL=LL CR)的例子，而第4Β圖 顯不未平衡狀態（LH與RH區域間具有能帶隙）的例子。

在RH區域（n>0)中的結構尺寸7=Np，其中p為會隨著 頻率減少而增加之單元尺寸。相反的，在LH區域中，由 於單元尺寸縮小的緣故，因此較小的Np值可達到較低的 頻率。β曲線會指出這些共振周圍的頻帶。例如，由於尽曲 線幾乎是平坦的，因此LH共振會受到窄頻帶的影響。在 RH區域中由於β曲線較陡或是以其他形式顯示，因此應該 具有更南的頻帶：

CONDI: 1st BB condition άβ d(AN) άω άω res λ/(ι-ΑΝ2) «1 near 必=：, 必〇，矽±1，似土2· => dZ άω άω 2pJz ι~ί «1 with ρ = cell size and -fe άω

^SE^SH 其中χ可以從方程式（4)取得，且Qr係定羞 ， 心我於方程式（1) 中。當lANhl時，方程式（4)的色散關係式會產生共振， 並且使得方程式（7)第一 ββ狀態（C0ND1)為愛八 又 π +分母。作為 1057D-9507-PF 21 200843201 提醒項目的AN為N個相同單元（第3A圖與第3B圖）之第 一傳輸矩陣項目。計算顯示C0ND1的確與N沒有關係，因 而導出方程式（7)中的第二方程式。表1係定義分子 (Numerator)值與共振處的χ，表1也定義了色散曲線的斜 率以及可能的頻帶。目標結構當頻帶超過4%時，其尺寸至 多為Νρ = λ/40。對於具有小單元尺寸ρ的結構來說，在表 1中由於η<0的共振發生於χ值接近4處，因此方程式（7) 清楚的指出高⑽值滿足C0ND1 (也就是低CR與LR值），也 可表示為（Ι-χ/4 — O)。 如上所述，一旦色散曲線斜率具有較陡之值，接下來 的步驟就是辨識適當的匹配。理想的匹配阻抗具有固定值 並且不需要大的匹配網路覆蓋區（f00tprint)。在此，” 匹配阻抗”代表魏線（feed line)，並且於單邊饋送（例如 天線)的情況下終止。為了分析輸入/輸出匹配網路，因此 必須計算適用於第3B圖 丁 、 口々冤路的Ζιη與Zout。下列方

程式可證明Z i η與N無關： CN C1 4j ⑻ 只具有正實數 方程式（4)中丨AN|S1 的條件， B1/C1大於零的原因為 這會導致下列阻抗條件： = χ<4 一 BB條件疋為了讓Zin盥 ^ ^ % ii ^ ^ nr 一接近共振的頻率有些微的不 U求維持常數匹配。必須 ^ ^ . .πN 住的疋，實體匹配Zin，包括 方私式⑺中的部分CL串聯電容。 。括

1057D-9507-PF 22 200843201 第二條件 第二仙條件：接近共振$1_«1

dZin I (9) 不同於第 9m A + 圖/、弟2B圖中傳輸線的例子，天線設計 "有”、、線阻抗之開方端邊（〇Pen-ended side)，這通常與 構邊緣阻抗不匹配。從下列方程式可取得電容終端(終 止）·· 、 z r C# ’ &取決於N並且為純虛數 （10)

由於LH共振通常比跗共振更窄，因此所選取的匹配值較 接近n<0日守（與η>〇時相比）所取得之值。 為了 4加LH共振的頻寬’因此可降低並聯電容。 降低並聯電容CR合, π θ v致方私式（7)之steeper β曲線具有 較咼的⑽值。降低並聯電容CR的方法有許多種，包括J ) 支曰加基底厚度，2)降低上單元插線區域，或是3)降低上單 凡插線下方的接地電極。在設計裝置時可結合這三種方法 來產生期望的設計。 第5Α圖顯示4單元傳輸線中截斷接地電極（GND)的示 思圖，其中GND的尺寸小於沿著上單元插線下方一個方向 的上插線。接地導電層包括導波線51 0，連接至至少一部 份單位單元的導電通孔連接器，並且通過部分單位單元之 導電插線下方。導波線51 〇的寬度小於每個單位單元之導 電路徑的尺寸。使用截斷GND比使用其他方法來實現商用 裝置更可行，其中由於較低的天線效能使得基底厚度很小 且無法減上插線區域。當截斷下GND時，其他電感Lp(第 5β圖）出現於金屬化導波而將通孔連接至第5A圖的主要 1057D-9507-PF 23 200843201 GND結構。第5C圖顯示以第5八圖結構為基礎之4單元天 線。

第6A圖與第6B圖顯示截斷GND設計的另一實施例。 在此實施例中’接地導電層包括一般接地導電區域6〇1以 及導波線6H)，導波線61〇係H末端連接至—般接地 導電區域60卜導波線610的第二末端係連接至部分單位 單元導電#線下t之至少部分單位單元料電通孔連接 器。導波線610的寬度小於每個單位單元導電路徑的尺寸。 因此可導出用於截if⑽时程式。共振係二遵循方程 式（5)以及表1，說明如下： 方法1 (第5A與5B圖） 共振：在以LR+Lp取代LR之後，與方程式（1)，（5)與 (6)以及表1相同 ’、 CR變的非常小 另外’當丨η丨关0時，每個模式具有兩個諧振 對應至

(1) 〜±η，若以LR + Lp取代LR (2) β±η，若以LR+Lp/N取代LR，其中N為單元數旦 阻抗方程式變為： 2 BN Bl 2ιη =-二— CN Cl

Z^Zp) Q-Z^Zp) 4

(ID 其中Zp= jeLp且Z與Y係定義於方程式（2)中 從方程式（11)的阻抗方程式中，可以看出兩個諧振①與①， 分別具有低阻抗與高阻抗。因此，大部分的例早# 4 丁各易接近 ω共振。 1057D-9507-PF 24 200843201 方法2 (第6A與6B圖） 共振：在以LL + Lp取代LL之後，與方程式（1)，（5)與 (6)以及表1相同 CR變的非常小 在方法2中，當並聯電容減少時合併並聯電容（LL+Lp)會 增加’因而導致較低的LH頻率。 由於MTM結構中的電流分佈，MTM天線可以最小交互 作用緊密設置（Caloz 與 Itoh 於 2006 年 John Wiley &Sons 的第172-177頁中所發表的”電磁超常介質：傳輸線理論 以及微波應用”）。緊密設置的天線使得輻射圖形塑型更 容易定軌。 • 質傳輸線進行相位合併、超常介質耦合器以及電磁能帶隙 (Electromagnetic Band Gap，EBG)結構為基礎的方法。、 參照第1圖，圖形塑型電路係將RF信號分割為具有 所需振幅與相位的不同天線餽送信號來建立期望輻射圖 形。許多不同的方法皆可用來將輻射圖形塑型，包括以相 位合併、Wilkinson電力合併器/分配器、使用零度超常介 參照第1圖，天線切換電路係將來自無線射頻的卯

直輻射合併器/分配器。 I的至少一圖形塑型電 的k號強度列入考量。 :1)傳統RF切換IC，2)以切換 )終止的傳統射頻分配器/合併 如二極體與開關）終止的超常介

1057D-9507-PF 25 200843201 第7A-7D圖係顯示可用來實現本系統天線元件之 線MTM陣列的例子。上與下層可形歧第π圖之^ 底上的上與下金屬化層。 土 具有天線元件設置於上的介雷美 導雪展Μ “ 的"罨基底包括兩個不同的 帽。第-導電層為介電基底所提供的上層，被圖案化 為包括第-⑴主要接地電極⑽，接地電極742被_ 化為包括分離之共平面波導71(Μ與71()_2來

叩信號。單元導電插線㈣與㈣係與第一主要= 電極742隔離並且設置於第一層中。單元導電饋線 與718-2係形成於第—層上，使得每個單元導電饋線具有 連接至個料平面波導的第—端以及透過電容輕合電磁 搞合至個另4單元導電插線的第二端來實現個別共平面波 導與個別單元導電插線之間的個W RF信號。在每個單元 中，單元導電發射墊Π4-〗或714_2係形成於第一層並且 設置於每個單元導電插線以及和單元導電插線具有窄間 隙的個別導電饋線之間，以允許電磁耦合至單元導電插 線。發射墊係連接至個別導電饋線的第二端。 介電基底所提供的第二（下）導電層係與第一（上）導 電層分離並且平行。此導電層被圖案化來包括設置於透過 第一接地電極742投影至第二導電層之覆蓋區中的第二主 要接地電極738。單元接地導電接墊726-1與726-2分別 設置於透過單元導電插線7224與722__2投影至第二導電 層的覆蓋區中。接地導電線734 —丨與734 —2分別將單元接 地導電接墊726-1與726-2連接至第二主要接地電極 1057D-9507-PF 26 200843201 ^ to 728。在此實施例中，單元接地導電接墊的尺寸係小於截 斷接地設計中個別單元導電插線的尺寸。 單元導電通孔連接器730 —丨與73〇 —2係形成於基底， 且每個單元導電通孔連結皆連接至單元導電插線以及對 應的單元接地墊。多個接地通孔連接器係形成於基底而將 第一導電層的第一主要接地電極742連接至第二導電層的 第一主要接地電極738。在此實施例中係建構每個單元導 • 電插線、基底、個別的單元導電通孔連接器以及單元接地 導電墊、個別的共面波導、以及個別的電磁耦合導電傀線 而形成作為天線元件的複合左/右手（CRLH)超常介質結 構。圖中兩個天線元件在結構上是相同的，然其定向為相 反方向，以減少耦合並且增加分集增益（diversity gain)。 第7β、7C與7D圖顯示天線不同的切面圖。每個5〇ω 共面波導（cpw)線皆標示為編號710。每個天線包括ΜΤΜ 單元、發射墊714以及餽線718，其中ΜΤΜ單元透過發射 • 塾714與魏線718連接至5〇 Ω CPW線710。ΜΤΜ單元包括 單元插線722(在此實施例中為矩形）、接地（GND)墊726、 筒形通孔730係將單元插線722連接至接地（GND)墊726， 以及連接至接地墊726的接地線734，使得MTM單元具有 主要接地點738。單元插線722、發射墊714以及傀線718 係設置於上層。發射墊714和單元插線722之間具有間 隙。在此實施例中的GND墊726具有小方形並且將通孔73 0 的底部連接至GND線734。GND墊726與GND線734係設 置於下層。上接地點742被CPW餽線所圍繞。 1057D-9507-PF 27 200843201 使用HFSS EM模擬軟體來模擬天線。另外，透過量測 可製造並說明某些設計。 在本發明實施例中，基底為具有介電常數ε=4. 4、寬 度=64mm、長度=38mm且厚度=1.6mni的FR4。GND尺寸為 64*30ιηιη。單元尺寸為3*6·2ππη並且設置於距離上接地點 742 8mm處。在-1〇分貝（dB)處的頻帶為2.38一2 72GHz。

在此實施例中使用特定的天線幾何形狀以及尺寸。必 須瞭解的是，各種其他的天線變化也可遵守其他印刷電路 板（Printed Circuit Board，PCB)執行因素。以下列出幾 種變化的例子： -發射墊714具有不同的幾何形狀，例如矩形、螺旋 狀（環形、橢圓形以及其他形狀）或是f曲狀（zander)， 然其並非用來限定本發明的範圍。 —單元插、線722具有不同的幾何形狀，例如矩形、螺 旋狀(環形、橢圓形以及其他形狀)或是f曲狀，然其並非 用來限定本發明的範圍。 —發射墊m與單元插線722之間的間隙可以是不同 t形式，例如直線、曲線、[形、彎曲形、鋸齒形或是不 連縯線’然其並非用來限定本發明的範圍。 —-將MTM單元連接至GND的gn J b㈣線734可設置於上或 下增。 --天線可設置於基底上方數毫米處。 一單元串接而 -額外的MTM單元可以串聯的方式與第 形成多單元一維結構。 1057D-~9507~pp 28 200843201 一一額外的MTM單元可在+ # , t 干 止乂方向串接而產生二維結 構。 --天線的設計可支援單一或多頻帶。 如上所述，天線共振係受到左手模式的影響。當執行 下列操作之一者時，阻抗與回波耗損（return loss)中的 最低共振會消失： 鲁 --關閉發射墊714與單元插線722之間的間隙。這對 應至電感負載單極（m〇n〇P〇le)天線。 --移除將MTM單元連接至GND的GND線734。 --移除GND線並且關閉間隙。這對應至印刷單極共振。 左手模式有助於激發最低共振的較佳匹配並且改善較高 共振的匹配。 第8A圖與第8B圖顯示使用相位合併信號執行圖形塑 型的實施例。在這兩個實施例中，兩個MTM天線元件80 j _ 與802彼此連接，以接收一般RF信號的副本。三連接埠 的RF分配器係將rF信號提供至兩個天線元件8〇1與 802。RF分配器包括主要CPW餽線800(用來接收由射頻收 發器模組所產生之RF信號）、分支點814、兩個CPW分支 餽線810與820。兩個分支餽線810與820的終端811與 812分別連接至兩個天線元件801與802。 弟8 A圖中的天線系統的兩分支餽線8 01與8 〇 2之間 具有0度的相位偏移。因此，以相位的方式饋送兩個MTM 天線8 01與8 0 2 ’此同等相位狀態係於Y Z平面產生類偶極 1057D—9507—PF 29 200843201 輻射圖形並且在χγ平面產生 顯示輻射圖形。 方向輪射圖形。第8C圖係 第8B圖的天線系統對於 ’ 90度相位偏移的兩個分 支CPW餽線810與820具有不 门 J長度。因此，以彼此9 0 度不同相一細)的方式饋送兩個天線斷與 “V弟8D圖’此不同相狀態在_x方向會產生且有高 增盈的方向性圖形’而在χ方向產生很好的排斥作用。在 这樣的天線系統卜輻射圖形係取決於信號的相位偏移以 ^天線如肖⑽之間的距離。兩天線謝肖m之間 的輕射信號相位偏移可藉由改變連接至個別天線的兩分 支餽線810與820之間的相對長度而改變。值得注意的 是，如第8A圖與第8B圖所示，相位偏移取決於具有=支 點814連接至第-天線輸人點之第—魏線81()的長度以及 具有分支·點814連接至第二天線輸入點812之第二餽線 820的長度之間的差別。由於設計固有的連接路徑，使得 此相位合併機制中難以控制兩天線8〇1與8〇2之間的耦 合。因此，兩天線共同作為單一天線。 第9A圖與第9B圖顯示使用威爾金森功率分配器 (Wilkinson power divider)之圖形塑型電路的實施例。

John Wiley & Sons 於 2005 年 Pozar 的第 31 8-323 頁中發 表的”微波工程”可以找到威爾金森功率分配器的例 子。第9A圖顯示結構的3D檢索，而第9B圖顯示結構的 上視圖。威爾金森功率分配器910是用來產生與主要cpw 餽線9 01所接收之一般rf信號具有相同振幅與相位的兩 1057D-9507-PF 30 200843201 個複製信號。兩個分# rpw 刀支餽線911與912分別連接至威 广率分配器910的輸出點914來接收兩個信號，並 二SI信號饋送至兩個_天線元件。在此實施例中由 f功率分配器910的設計，使得兩個餽線911與 -有：t j輕&。#射信號的相位偏移係取決於從威爾 金森功率分配器輪出914至個別天線輸入點之魏線9n與 長度的差異’也就是威爾金森功率分配器輸出914與

弟一天線輸入點9 1 H夕PI B r^ 〇 1之間的第一長度以及威爾金森功率 刀酉-輸出914與第二天線輸入點9 j 8 — 2之間的第二長度 之間的差異。使用此相位偏移結合兩天線之間的距離便可 產生各種輻射圖形。 第9C圖顯示在χγ、χζ# γζ平面所量測的輕射圖形 的例子。輻射圖形在ΧΥ平面θ = 14〇處以最大增益I 7 dBi 來塑型’ XY平面θ = 15處的排斥作用大於i〇dB。 使用零度CRLH傳輸線（TL)可以用來塑型輻射圖形。 以下將摘要對零度CRLH傳輸線設計的理論與分析。這樣 CRLH傳輸線的例子係於2007年12月21日所提出之美國 專利申請第1 1/963, 71 0號，，以複合左/右手超常介質結構 為基礎的功率合併器與分配器，，中有詳細說明，在此作為 本發明的參考文件。 參照第4A圖與第4B圖以及方程式（1)，在未平衡的 情況下关hG)具有兩種可支援無限波長的不同共振 頻率W與^; M D在y ^與〜d處的群速（& = /(/々） 為零且相速（Fp = α /Θ )為無限大。當串聯與並聯共振相 1057D-9507-PF 31 200843201 ㈣，結構會達到平衡且共振頻率 同時（也就是

60 sF ύΰ Sh= (jj L 對於平衡的例子，相位響應可近似為·· (Pc=9rh^9lh=^1=--~ c φΗΗ^-Ν2πί^Ι^ Ν Ψιη ~7~Ρ==· lnf4^ch 其中Ν為單位單元的數量。相位的斜率為··

^^- = -Ν2π ίΓτ' Ν df 队广

特性阻抗為·· 可選取並控制電感與電容 屯令值术屋生選取頻率的期望 可選取並控制電感與電容值 值木產生選取頻率的期望斜 率。另外，可將相位設定為於 ~ 處具有正相位偏移。這 兩個因素係提供多頻帶今斗ώ # °冲从及其他ΜΤΜ電力合併與分配

結構。 -接下來提i、判斷雙頻模式_結構< 參數的例 同樣的技術也可用來判斷具有三或更多頻的謂參數。

在雙頻MTM結構中，昔A 自无選取適用於兩不同相位值的 兩個信號頻率：0 fll 且0 2於f 2。N為CRLH TL與特性 阻抗Zt中單位單元的數晋 I里參數Lr、CR、Ll與Cl之值可以 被計算為： ωι 'Φι Φι Νω2 ---- 7 \ 1=: 2 一 、- V ω2 J 1 一 fi R (\2] {ωι) Nco2Zt 1- - {ωι) ^

L

1057D-9507-PF 32 200843201 Φΐ Ζ^Η

Lr =- ωι 在未平衡的例子中，傳遞常數為

P = mWLRcR 其中咖〕J-1 “<-+一4沾 1 lf ω>ΤΆ<ω^Υ RHrange 在平衡的例子中： β = 6)4^RCR 具有N單位單元的CRLH TL的實 元的長度為p，且d=N.p。信 、-為d，每個單位單 # 诅值為卜-你。因此 (N.p) d 對於兩不同頻率^與f2 刀乃j、擇兩個不同相位0 !禾 0 2· ωι4^Κ 相比之下’傳統RH微帶傳輸線具有下列色散關係： & =Α)+β 〜《 = 0，±1，土2，... ρ 考參照在2005年由John Wiley & Sons在 Pozar第三用 第370頁所說明的，，微波工程”，以及wiley-IEEE Colli 1057D-9507-ρρ 33 200843201 第二版（ 1 990年12月1日）第263頁所說明的”導引波之 場論”。 雙頻與多頻CRLH TL裝置可根據美國專利申請第 1 1/844, 982號中描述的矩陣逼近法來設計。在此矩陣逼近 法中，每個一維CRLH傳輸線包括N個具有並聯（U，Cr)與 串聯（Lr, Cl)參數之相同的單元。這舞個參數係判斷N個共 振頻率與相位曲線、對應的頻寬以及這些共振周圍的輸入 /輸出TL阻抗變異。 藉由使色散方程式的N個CRLH單元與ηπ傳遞相位長 度產生共振可取得頻帶，其中η=0，±1，…土（Ν-1)。這代 表，當Ν = 3個CRLH單元時可使零與2π產生相位共振。另 外可使用N = 5 CRLH單元來設計三頻電力合併器與分配 器，其中零2π以及4π單元係用來定義共振。 當ω〇 = ωδΗ時η = 0模式會產生共振，且藉由設定表1中 不同的Μ值使下列方程式可取得較高的頻率：

For η > 0, ωΙη + ΜωΙ ±.

ySH Λ2

^SH 表2提供N = l，2，3以及4時的M值。 表2 : N=l，2，3以及4時的共振 N \模式 I η I = 0 ! n | = 1 1 n | =2 1 n | =3 N = 1 M = 0 ； ω 〇 = Osh N = 2 M = 0 ; ω 〇 = ω s a M = 2 · , N = 3 M = 0 ； ω〇 = (Osh M=1 M = 3 N = 4 M = 0 ； COo = COSH M = 2-V2 M = 2 1057D-9507-PF 34 200843201 第ί 〇圖顯示CRLH TL的相位響應，其中CRLH TL為 RH το件之相位與LH元件之相位的結合，並且顯示、 RH與LH傳輸線的相位曲線。低頻時，CRLH相位曲線達到 LH TL相位，尚頻時，CRLH相位曲線達到相位。值 得主w的疋’ CRLH相位曲線在頻率偏移零的情況下橫跨零 相位軸。偏移零頻率可致能CRLH曲線截取任意的頻率對 _ 、』望相位對。藉由選取並控制LH與的電感與電容值 來產生逾齡頻率（DC)處具有正偏移的期望斜率。透過此實 施例，第10圖顯示第一頻率fl為零度以及第二頻率匕為 ;360度時的相位。兩頻率fi與匕彼此之間不具有諸波頻 f的關係。這樣.的特徵符合使用於？卜1?1應用程式之各種 標準（例如2.401!2以及5.8(；仳頻帶）的頻率。零度的（：孔{1 傳輸線代表CRLH單位單元於操作頻率處提供零度相位偏 移的例子。 • 第UA圖顯示分散式MTM單位單元結構的例子，盆中 分散式_單位單元結構可用於零度crlh傳輸線的設 心分散式MTM單位單元結構可有各種不同的配置，在 ⑽Wiley與“於2_年Cal〇z “她中提出的” 電磁超常介質：傳輸線理論與微波應用，，有說明及分析一 些實施例。 在第11A圖中，MTM單位單元包括第一組連結電極位 數1110以及第二組連結電極位數1114。這兩組電極數字 為分開的並且沒有直接的接觸，並且在空間上為交插配 1057D-9507-PF 35 200843201

Vm 置，以提供與其他電極數字的電磁耦合。正交線段電極 (stub electr〇de)1118係連接至第一組連結電極位數 1110並且沿著正父於電極位數1110與1114的方向延伸。 正交線段電極1118係連接至接地電極來致能並聯電感。 在本發明實加例中係指定下列各種尺寸。單元是為了 1· 6mm厚的FR4基底所設計。串聯電容包括具有12位數的 指狀組合（interdigital)電容，每個位數的寬度為5mU。 ❿ 位數之間的間距為5mil。每個位數的長度為5. 9_。並聯 電感為長7.5mm寬1.4mm的短路線段（sh〇rted stub)。使 用直徑為1 Omi 1的通孔將造成線段i丨丨8與接地點之間短 路。 第11B圖顯示以第ΠΑ圖之分散式CRLH單位單元為 基礎的3連接埠CRLH傳輸線電力分配器與合併器的實施 ^圖中3連接埠CRLH TL電力分配器與合併器包括兩個 第11A圖中具有正交短路線段電極1118的單 干兀。兩 • 餘分支餽線1121與n22分別連接至兩個MTM單元來提供 兩個分支連接埠2與3。分散式CRLH傳輸線可建構為零度 傳輸線來形成具有第11B圖之結構的第零階電力入三= 分配器。 σ幵态與 第11C圖顯示使用4分支零度CRLH傳輸線來對由四 個MTM天線元件之兩相鄰MTM天線元件所發射 四 JM 平田射圖形 仃』聖的天線系統的實施例。在此實施 單位罝；齡摄丄 1』Τ，由四ΜΤΜ 早位早兀所構成的四個ΜΤΜ天線元件i—4係透過四 串接在一起而形成兩組2天線MTM陣列，复中箓 " ，、甲弟一組相鄰 1057D-9507-PF 36 200843201 的天線元件i與2彼此緊密設置於電路板的一側，而第二 組相鄰的天線元件3與4彼此緊密設置於電路板的另一 側。4分支零度CRLH傳輸線係以第11A圖與第11B圖之分 散式MTM單位單元設計為基礎。來自TL之輸入點1122的 信號輸入係於四輸出點1124-1至1124-4處分裂。TL·的設 计使得兩相鄰分裂信號於Π24-1與1124-2之間的相位偏 移為零度，且兩相鄰分裂信號於1124-3與1124-4之間的 _ 自位偏#為零度。猎由改變天線間的距離以及餽線間的長 度差異可改變輕射圖形，並因而改變相位偏移。每條餽線 係藉由對應的天線連接輸出點ί124 —丨至1124-4之一者。 由於‘度CRLH TL的設計係使得這些輸出點彼此獨立，因 此可獨立處理個別的MTM天線。因此，使用零度CRLH傳 輸線2圖形塑型裝置的效能並非取決於連結天線的數量。 第11D圖顯示使用具有零度CRLH傳輸線的兩組2天 線MTM陣列（也就是總共四個MTM天線）來量測在、η • 與以平面的輻射圖形。輻射圖形在ΧΥ平面θ = 210度處 以取大增盈2.9dBi來塑型，並且在^平面θ = 9〇度處產 生大於1 OdB的排斥作用。 藉由使用MTM疋向耦合器（directi〇nal c〇Upier)可 以對輻射圖形進行塑型。對於設計MTM耦合器的理論與分 =係於2007年12月21日所提出之美國優先權專利申'請 第60/987, 750號，，先進超常介質多天線子系統，，中有說 明，在此作為本發明的參考文件，且其結論如下。 MTM耦合器的技術特徵可透過使用第丨2圖中的四連

1057D-9507-PF 37 200843201 接淳微波定向輕合器而將多耦合天線去耦合。在此圖片 中’路徑1至路徑4的耦合振幅與相位分別標示為Cll與 η ’其中n=l，2，3，4。理想的情況下， c,=c2*c3*c4 6^2 + 6^3+ <94-01 = -180° ’並且可取得兩輸入連接埠之間的零耦合。因此，MTM耦 合器可增加不同信號連接埠之間的隔離，並且回存輸出處 g 多路徑信號間的正交性。 在第13A圖的實施例中，定向MTM耦合器藉由補償天 線饋送信號而於兩輸入連接埠處產生適合天線的正交輻 射圖形組。MTM定向耦合器具有四輸入/輸出連接埠，在此 實施例中的連接埠1與連接埠2係用於rf輸入，且兩輸 出係連接至兩個天線的MTM陣列。在此實施例中係將MTM 耗合器各種部分的尺寸的規定如下。包括兩個矩形CPW區 段以及兩個CPW彎曲的總CPW媿線長度為〇· 83mm*4. 155mm _ 並且具有〇· 15mm的槽寬（slot width)。此CPW傀線具有 約5 0 Ω的特性阻抗。CPW彎曲的連接側的寬度為〇 · 8 3mm。 耦合器的耦合部分係藉由CPW MTM耦合線來實現，其中兩 個CPW MTM傳輸線彼此平行設置且耦合電容cm係連接於 兩者之間。此實施例之單元CPW MTM耦合線的總長度為 4· 4min且兩CPW MTM傳輸線之間的間隙為。此處的 〇· 4pF的片電容（Cm)係用來提升兩CPW MTM傳輸線之間的 耦合效應。每個CPW MTM傳輸線包括兩片段的CPW線、電 容接墊、兩串聯電容（2*Cl)以及一短路線段。此MTM耦合 1057D-9507-PF 38 200843201 r· 器設計中的所有CPW片段皆相同，且每個片段為 0. 83mm*1.5mm。一側的兩個cpW區段係藉由兩個串聯電容 2Cl來連結。兩CPW片段之間的電容接墊為一金屬基底， 使知串聯電容可設置於其上方。在此實施例的G係使用 1 · 5pF的片電容來實現。cpw片段與電容接墊之間的間距 為0. 4mm電各接墊的尺寸為〇· 6mm*0· 8mm。短路線段係 藉由使用cpw線段來實現，其中cpw線段的一侧係固定至 φ 電容接墊且另—側係直接連接至CPW接地點。在此實施例 中的CPW線|又為〇· 15mm*2· 5mm並且具有〇· 225mm的槽寬 (slot width)。 第13B圖顯示對具有MTM耦合器之2天線MTM陣列所 ϊ測的輻射圖形。在此，在連接埠1與連接埠2處根據上 述解耦合機制所建立的信號圖形彼此正交。一般來說，傳 統RH輕合器的實際尺寸係取決於操作頻率以及相位1。 因此，電路尺寸會變的太大以致於無法符合某些無線通訊 • 系統。相反的，本發明係藉由使用MTM耦合器來降低尺寸， 使传電路尺寸可用於具有尺寸限制的應用。 在其他輻射塑型技術中，單負超常介質（single negative metamaterial，SNG)係用於兩 MTM 天線之間使 得輻射圖形疋像於特定方向。SNG材料被視為微波狀態中 的電磁能帶隙（EBG)結構，為具有有效頻帶（ε χμ )<〇特性 的材料，其中ε為介電常數而μ為SNG材料的導磁係數。 這二頻τ中，SNG材料不支援傳遞波。例如，參考2〇 〇 6 年6月由j〇hn Wiley所發表的，，超常介質：實體與工程

1057D-9507-PF 39 200843201 探測”。 在本發明實施例中，關於SNG超常介值的特性係用來 對兩緊密設置天線輻射圖形執行塑型。當天線緊密設置 % ’天線間的互耦合（mutuall⑽pling)很高並且會明顯 的降低天線效率。藉由在兩天線之間使用sng材料，便可 於降低互耦合的同時將輻射圖形塑型為正交。 第UA圖的實施例使用娜材料來抑制兩m天線之 籲 合作用。在不具有SNG材料的情況下，天線之間最 大的麵合作用為-5.77dB。在此實施例中係將兩SNG平板 插入基底中：SNG平板i係設置於兩MTM天線間，SNG平 板2係設置於兩MTM天線上方（如第UA圖所示）。在此實 %例中SNG平板1在X方向的寬度為〇. 8咖，平板2 在Y方向的寬度為〇.6mm，ε =-600且卜兩天線之間 的間距為9.2随，且平板2設置於正γ方向與天線邊緣距 離1.9mm處。第14Β圖顯示對於使用SNG例子之平板天線 鲁的回波耗損與麵合作用。圖中顯示天線的操作頻率區域 些微的偏向較高的區域，但是耦合作用係從_5. U仙降低 至-15.38 dB。值得注意的是可以藉由將最佳化天線尺寸 來調整天線的操作頻帶至原始操作頻帶。 第14C圖與第14D圖分別顯示具有SNG平板與不具有 SNG平板的情況下，^平面的輻射圖形。藉由比較這些圖 表可以發現輻射圖形在具有s N G平板的情況下更具有定向 性。在不具有SNG平板的情況下，系統的最大增益在 2. 63GHz處為2. 27dB，然而在使用SNG平板後其最大增益 1057D-9507-PF 40 200843201 在3.09GHz處增加為3.448 dB。 電力合併器或分配器可建構於被切換裝置終止的輻 射配置，以提供第1Α、1β與1(：圖中的天線切換電路。在 此應用中係摘要了與結合零度CRU傳輸線之CRLh結構為 基礎之電力合併器與分割器設計的理論與分析。在美國專 利應用第⑽认川號”以複合左/右手超常介質結構為 基礎之電力合併器與分配器，，中有詳細的說明。 φ 參照第1C圖，天線切換電路170可應用餘各種配置。 第15:圖與$ 15B圖顯示2元件MTM天線陣列的兩個例 子。=15A圖中的設計係使用i邛開關151〇來將射頻收 發器模組140連接至適用於不同天線陣列16〇的圖形塑型 電路150。第ι5Β圖中的設計係使用射頻電力分配器與合 併為以及分支中的切換元件來控制必須啟動那個天線陣 歹〗在此μ靶例中，當停用其他兩天線陣列時係啟動天線 陣列#1來連接對於RF的傳送與接收。 • 第16A圖顯示在操作頻率處使用具有180度之電長度 的傳統RH微帶所形成之傳統單頻N連接璋輕射電力合併 2/分配器的實施例。餽線係連接至RH微帶終端將來自微 π的電力σ併，以輸出合併信號或是將餽線所接收信號中 的電力分散為指向微帶的信號。該電力合併器或分配器之 實體尺寸的最低限制係受限於具有180度電長度之每個微 帶長度。 第16Β圖顯示單頻Ν連接埠CRLH几輻射電力合併器 /分配器。該褒置包括分支CRLH傳輸線，每個分支π』

1057D-9507-PP 41 200843201 傳輸線係形成於基底上方而於操作頻率處具有零度的電 長度。每個分支CRLH傳輸線具有連接至其他分

之第一終端的第一終端以及開放端或耦接至電負載的第 二終端。主要信號餽線係形成於基底上而包括電力耦接至 分支CRLH傳輸線之第一終端的第一餽線終端，以及開放 端或耗合致電負㈣第二魏線終#。主要餽線分別用來接 收來自第一餽線終端處之分支CRLH傳輸線的電力並將其 合併而於第二魏線終端輸出合併信號，或是將第二傀線： 端處所接收的信號電力分散為指向適用於輸出分支MU 傳輸線之第二終端處的分支CRLH傳輸線之第一終端的作 號。第16B圖中的每個CRLHTL在操作頻率處可且有零^ 的相位值，以形成緊密的N連接埠CRLH TL電力'入併号〇 分配器。零度CRLH TL的尺寸係受到使用集總元件…咖 element)、分散線或是垂直配置（例如Mim)來實施執行的 • 在第16B圖中，每個CRLH傳輸線包括至少一個串聯 祕的CRLH MTM單位單元。各種m單位單元配置可用 來形成這樣的CRLH傳輸線。美國專利中請第u觸71〇 號中包括某些單位單元設計的例子 散式MTM單位單元的實施例。 · 77 第ΠΑ圖與第17B圖的兩個實施例分別顯示用於u :==ΓΜΤΜ單位單元以及用於右手部分的微 π。在第17Α圖中的微帶用來串聯不同的單位單元，而分 開且電容搞合的電容C“系輕合於微帶之間。LH並聯電感 1057D-9507-PF 42 200843201

Ll為形成於基底上方的集總電感元件。在第丨7B圖中的lh 串聯電感為形成於基底上方的印刷電感元件。第17B圖中 的單一 MTM單位單元可被設定為2連接埠CRLH TL零度單 頻輕射電力合併器/分配器。第17C圖顯示第17β圖作為 頻率函式之單位單元的相位響應。第17C圖指出於24GHz 處的零度相位差。 第18A圖顯示傳統（RH)3連接埠單頻輻射電力合併器 瞻 /分配器’這是傳統（RH)單頻N連接埠輻射電力合併器/分 配器的特例（如第16A圖所示）。該電力合併器/分配器之 實際尺寸的下限係受限於具有18〇度之電長度的每個微帶 長度。這對應至使用具有〇.787mm高之FR4基底之33.7觀 的實體電長度LRh。 s 第18B圖顯示3連接埠crlh零度輻射電力合併器/分 配器裝置的示意圖。此係藉由對每個分支使用顯示於第 17B圖之零度CRLH TL單位單元而產生第16β圖之單頻n _ 連接埠CRLH TL輻射電力合併器/分配器的特例。每個分 支CRLH傳輸現在操作頻率處具有零度的電長度。這對應 至使用具有0.787mm高之FR4基底之10.2mm之實體電長 度Lcrlh。因此，第18A圖與第18B圖中的兩個裝置之尺寸 比列約為3 :1。藉由此實施例，用於零度CRLH TL之等校 電路的參數值為：匕=1· 6pF，Zz=4nH，並且藉由使用集總 電容來實現。對於該值之右手部分為：ζ^2· 65nH且 CV lpF。這些值係藉由在基底 FR4 (£r = 4.4，ίί=〇 78了1!111〇 上使用傳統微帶來實現。 1057D—9507-PF 43 200843201 第18C圖顯示對3連接埠RH 1 80度微帶輻射電力合 併器/分配器裝置之S參數的模擬與量測值為丨 S21@2. 4 2 5GHz | = -0·631dB 且 |Si 1 @2. 42 5GHz 丨=-30.391dB。第18D圖顯示對3 連接埠CRLH TL零度單頻輻射電力合併器/分配器之s參 數的核擬與篁測值為丨S21@2. 528GHz丨=-〇 · 6 0 3dB 且 丨 Si 1@2· 528GHz j = - 2 8 · 0 2 7dB。在模擬與量測結果之頻率間具 有些微的偏移’這可歸因於所使用的集總元件。在兩個例 • 子中位於頻率2. 45GHz處的Sn是好的。也就是，由於其 他的輸出端使得從I鬼線至具有開放不一致輸出端之一者 的傳輸是好的。必須注意的是在CRLH TL零度單頻輻射電 力合併器/分配器的例子中Sn值的些微改善。 第1 9A圖顯示5連接埠CRLH TL零度單頻輻射電力合 併器/分配器的示意圖。本發明實施例之5連接埠裝置可 藉由使用形成第18B圖之3連接埠CRLH TL零度單頻輻射 電力合併器/分配器之第17B圖的零度crlh TL單位單元 _ 來貫現。第19B圖顯示對此應用的s參數量測值。在頻率 2· 665GHz處具有零度相位時所量測的參數值為 |S21@2.665GHz| - -0.700 dB 以及 |Sll@2.665GHz| = 一 33 84373dB。 對於5連接埠裝置來說，S21值代表好的效能。’ 第20A圖顯示具有使用MTM天線陣列之輻射圖形塑型 以及射束切換之天線系統的示意圖。此系統可開啟來自天 線陣列的至少一輻射圖形，而使得射束指向期望方向。此 系統可用來實現傳統全向天線難以達成之特定方向的高 增益（例如2-4dB)。在第20A圖的實施例中之天線系統包 1057D-9507-PF 44 200843201 括三組2天線MTM陣列、2〇1〇_2以及2〇1〇_3。藉 由Wi inson電力5併器2014可將每個陣列中的兩μ· 天線與相同的相位合併，信號係藉由使用輻射電力合併 器/分配器2018而切換於天線子集合之間，其中輻射電力 合併器/分配器2018包括主要餽線2〇19以及三分支魏線 2020-丨、2020-2以及2〇2〇_3。三切換元件（例如二極 體）2022-1、2Q22-2以及2G22_3係設置於分支魏線

2020 1 2G2G-2以及2D2G-3與分流點相隔約λ/2處，其 中λ為傳遞波的波長。在本發明實施例中，設置於與分流 點相隔約36mm處的切換二極體202^、2〇22_2以^ 2022-3可於操作頻率2. 4GHz處達到最佳效能。 第20B圖顯示三天線子集合2〇1(Μ、2〇ι〇_2以及 2010-3之輻射圖形的示意圖。第遺圖中的每個圖形顯示 將天線的3D輻射圖形展示於2D表面的示意圖。輻射強度 以顏色來表示。藍色區域代表低強度’紅色區域代表高強 度。輻射圖形顯示這三個天線子集合會產生在所有方向皆 具有好覆蓋區的三個非重疊輻射圖形。 第21圖顯示形成於PCB上用於無線收發器(例如η” 存取點收發态)之緊捃12天線陣列的示意圖。i 2㈣天線 元件係形成於接近PCB的邊緣處（如圖所示），以形成呈有 作為第-對之相鄰MTM天線元件以及作為第二對之 相鄰MTM天線元件3與4等等的6天線對。此對2天線元 件在結構上與另一對相同，但是設置於pcB上的不同位 置。每對的2天線元件皆相同但是印刷於相反的方向，以 1057D-9507-PF 45 200843201 將耦合作用最小化並且將分集增益（diversity gain)最大 化。另外，天線元件被分為三群組，其中第一群組包括天 線元件卜4,第二群組包括天線元件5_8，而第三群組包 括天線π件9-12。4連接埠RF耦合器係將12 MTM天線元 件連結至射頻收發器模組，其中耦合器的主要餽線係連結 至射頻收發器模組’而三分支餽線分別連結至三天線群 組。 馨參照具有天線元件卜4之第一天線群組，三個 Wilkinson合併器卜2與3係將這些天線元件連結至個別 的4連接埠耦合器之分支餽線。Wilkins〇n合併器工係設 置並耦接至地一對天線元件丨，而Wilkins〇n合併器2係 认置並搞接至苐二對天線元件3與4。W丨1 ^inson合併器3 之主要魏線係耦接至4連接埠耦合器並且耦合至 Wilkinson合併器1與2的主要餽線，因此來自4連接埠 麵合器的RF信號首先被Wilkins〇n合併器3分離為第一 ⑩ 4 一 RF 4號’弟一 RF信號係饋送至Wi Ikinson合併器 1而第二RF信號係饋送至Wilkinson合併器2。Wilkinson 合併器1與2更將個別的RF信號分為用於個別兩天線元 件的兩個部分。 在每個兩天線對群組中，藉由Wilkinson合併器1一3 可將4天線元件的相位合併而形成單一合併天線。從12 天線了取传這樣的三個合併天線。這三個合併天線係提供 具有高增益並且提升干擾抑制（interference mitigateion)的圖形。這三個合併天線係透過三方輻射 1057D-9507-PF 46 200843201 ^并器連接至RF連接蟑。透過設置於將合併器連接至天 各的線上的PIN二極體可以將每個 Φ本八*说曰士土 尺间啟或關閉。由於 、、刀有較小的間距’因此PIN二極體盡可 近合併器。對於其他兩分支來說 、 併器1/2波長處。 -極體係設置於距離合 型的ΪΙΓ不形成於FR4基底中之此12天線系統原 i的天線規袼。第7A圖至第7E圖顯示每個天線元件以及 天線元件對的設計。表4詳細說明建構用於原型中之每個 :線元件不同的部分，並且提供天線參數值。第6圖顯示 每-層以及金屬化層的厚度。第7E圖顯示上印刷層的示 意圖。 表3 :天線規格 頻率範圍 2.4-2.52 GHz 隔離 -12 dB 峰值增益 2 dBi 表4 :天線元件部分 參數 ------------ 說明 位置 天線元件 每個天線元件係由透過發射墊以及餽 線連接至50 Ω CPW線的MTM單元所構 成。發射墊與餽線皆設置於FR4基底上。 餽線 將發射墊連接至50 Ω CPW線 第一層 發射墊 將MTM單元連接至餽線的矩形。發射墊 與MTM單元間具有一間隙WGaP。參照表2 的mm值。 —.^ w 第一層 單元插線矩形 第一層 1057D-9507-PF 47 200843201 MTM單元 通孔 圓柱形，並且將單元插線連 接至接地墊。 接地墊 將通孔底部連接至接地線的 小塾。 第4層 接地線 透過MTM單元將 ——--- 第4層 至主要接地點。 ---------__ 表5 :天線陣列尺寸與位置 ----—~ 天線部分的總長度 -------- 天線部分的總寬度 llTotal 總基底厚度 LcPff CPW饋送長度

Wcpw CPW饋送寬度

WcPW GAP CPW線與接地點之間的間隙寬度

Lcel 1

Wee 11

Wg ap 單元插線與發射墊之間的間隙

LgND Pad

WgND Pad L1GN0 lint 通孔的直徑 發射墊的長度 饋送寬度 連接至CPW線之饋送長度 -------- 來自發射墊的饋送長度 接地墊的長度 接地塾的寬度 連接至下接地點的線長度 皁元插線的長度 單元插線的寬度

1057D-9507-PF 48 200843201 L2 GND lii 來自接地墊之饋送長度 w G NB Line 接地線寬度 4. 7mm 〇. 2ram 第4層 第4層 以上只揭露了 一些實施例。然而，必須瞭解的是可以 變化或修改上述實施例。例如’除了使用傳統微帶（rh)傳 輸線將圖形塑型電路麵接至MTM天線之外，也可使用crlh 傳輸線來取得具有小於傳統RH傳輸線之覆蓋區的等效相 位。在另-實施例中可以將零階共振器作為圖形塑型電 路。在另-實施例中，餽線或傳輸線可應用於包括微帶線 以及共面波導（CPW)以及MTM傳輸線之各種配置，然盆並 非用來限定本發明的範圍。各種RF耦合器皆可用來實現 本應用中所說明的技術，包括分支線耦合器、環形波導 (rat-race)耦合器以及根據兩輸出餽線至天線之間所需 要的相位偏移而使用的其他耦合器，然其並非用來限定本 發明的範圍。另外，陳列φ可4 4 Γ丨早夕j甲可包括任意數量的ΜΤΜ天線， 且每個陣列中的天線數量都會有所不同。 本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定 本發明的範圍，任何熟習此項技#者，在不脫離本發明之 精神和範圍内，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之 保護範圍當視後附之中請專㈣圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 第1A 1B與1 c圖顯示具有輻射圖形塑型以及射束切 換之MTM天線陣列的MTM天線系統。 弟2圖顯示具右四置/留一 、百四早位早兀之CRLH MTM傳輸線的示

1057D-9507-PF 49 200843201 意圖。 第 2 A、ο ΐ) 一 、2C與2D圖以及第31、33與3(：圖分別顯 不在不同傳輪線桓含 候式與天線杈式時，第2圖裝置之等效電 路。 第A ” 4B圖顯示沿著第2圖裝置之貝塔曲線的共振 位置。 十 ” 5B圖顯示具有截斷接地導電層設計之crlh $ MTM裝置的示意圖。 第5C圖顯示以第5A圖之結構為基礎之具有截斷接地 導電層設計之4 MTM單元CRLH MTM天線的示意圖。 第6A與6B圖顯示具有截斷接地導電層設計之 MTM裝置的另一實施例。 第6C圖顯示以第6A圖之結構為基礎之具有截斷接地 導電層設計之4 MTM單元CRLH MTM天線的示意圖。 第7A圖顯示2天線MTM陣列之三維示意圖。 ❿ 第7B圖顯示第7A圖中2天線MTM陣列的上層。 第7C圖顯示第7A圖中2天線MTM陣列的下層。 弟7D圖顯示弟7A圖中基底的側視圖。 第7E圖顯示形成第7A —7D圖結構之FR4印刷電路板 的不意圖。 第8A、8B、8C與8D圖顯示具有用來塑型輻射圖形之 相位合併裝置的2天線MTM陣列：（1)相位偏移=〇度，機 械配置以及對應的輕射圖形；（2 )相位偏移=g 〇产。

第9A圖顯示具有Wilkinson電力分配器之2天線mtM 1057D-9507-PF 50 200843201 陣列的三維示意圖。 第9B圖顯示具有Wilkinson電力分配器之2天線MTM 陣列的上視圖。 第9C圖顯示在二個不同平面皆具有wi 1 kinson電力 分配器之2天線MTM陣列的輻射圖形。 第10圖顯示CRLH傳輸線的相位響應為rh傳輸線與 LH傳輸線的相位組合。 φ 第11A與11β圖分別顯示分散式MTM單位單元以及以 ΜΤΜ單位單元為基礎之零度CRLH傳輸線的示意圖。 第11C圖顯示具有用來塑型輻射圖形之零度cRLH傳 輸線的4天線MTM陣列。 第11D圖顯示在三個不同平面皆具有零度cRLII傳輸 線之4天線MTM陣列的輻射圖形。 弟12圖顯示具有搞合振幅以及用於四個不同路徑之 相位的4連接埠定向輕合器。 Φ 第13A圖顯不具有用來塑型輻射圖形之定向mTM耦合 益的2天線MTM陣列。 第1 3B圖顯不在三個不同平面皆具有定向mtm耦合器 之2天線MTM陣列的輕射圖形。 第14A圖顯示具有用來塑型輻射圖形之SNG平板的2 天線MTM陣列。 第14B圖顯示具有SNG平板之2天線MTM陣列的$參 數模擬值。

第14C圖顯示不具有SNG平板之2天線MTM陣列的輻 1057D-9507-PF 51 200843201 射圖形。 弟14 D圖翻~ q , ·' "、’、有SNG平板之2天線MTM陣列的輕身 圖形〇 田牙τ 第15A # 15B圖顯示第1C目中天線切換電 實施例。 呵1固 第16A圖顯示傳統N連接埠輻射電力合併器/分 的示意圖。 配斋

第 16B 圖 + . 口·肩不使用零度CRLH傳輸線之N連接線赶私 電力合併器/分配器的示意圖。 射

17 A

/、17B圖顯示以集總元件為基礎之mtm W 元的示意圖。 早 第17C圖顯示用於具有第ΠΒ圖之單MTM單位單元的 2連接璋傳輸線之零度CRLH傳輸線的相位響應。 第18A圖顯示傳統3連接埠輻射電力合併器/分配器 的示意圖。 口 第18B圖顯示使用零度CRLH傳輸線之3連接埠輻射 電力合併器/分配器的示意圖。 第18C圖顯示對第18A圖之傳統3連接埠輻射電力合 併器/分配器之參數的模擬與量測值。 第18D圖顯示對零度CRLH傳輸線之3連接埠輻射電 力合併器/分配器之S參數的模擬與量測值。 第19A圖顯示使用零度CRLH傳輸線之5連接埠輻射 電力合併器/分配器的示意圖。 第19B圖顯示使用第19A圖之零度CRLH傳輪線對5 1057D-9507-PF 52 200843201

I 連接埠輻射電力合併器/分配器之s參數的量測值。 第20A圖顯示用於輻射圖形塑型以及射束切換之6天 線元件的天線系統。 第20B圖顯示在第20A圖之天線系統中三個天線子集 合的輻射圖形。 第21圖顯示具有用於輻射圖形塑型與射束切換之工2 天線元件的天線系統。 ® 【主要元件符號說明】 101〜MTM天線元件 110、2022-1、2022-2、2022-3〜切換元件 111〜相位偏移或延遲元件 120〜射束切換控制器 130〜電力合併與分配模組 140〜射頻收發器模組 0 150〜圖形塑型電路 160〜MTM天線陣列 17 0〜天線切換電路 510、610〜導波線 601〜一般接地導電區域 710-1、710-2〜共面波導 714-1、714-2〜單元導電發射墊 718-1、718-2〜單元導電餽線 722-1、722-2〜單元導電插線 1057D-9507-PF 53 200843201 726-1、726-2〜單元接地導電接塾 730-1、730-2〜單元導電通孔連接器 734-1、734-2〜接地導電線 738、742〜接地電極 800、 901〜主要CPW餽線 801、 802〜MTM天線元件 810 、 820 、 1121 、 1122 、 2020-1 、 2020-2 、 2020-3〜 分支餽線 ’ 811、812〜終端 814〜分支點 91 0〜威爾金森功率分配器 911、912〜分支CPW餽線 914〜輸出點 918-1、918-2〜天線輸入點 1110、1114〜電極位數 I 1118〜正交線段電極 1124-；[、1124-2、1124-3、1124-4〜輸入點 2010-1、2010-2、2010_3 〜2 天線 MTM 陣列 2014-1、2014-2、2014-3〜？111^118〇11電力合併5| 2018〜輻射電力合併器/分配器 2019〜主要餽線 1057D—9507—PF 54

Claims (1)

1. 200843201 十、申請專利範圍： 1.種天線系統，包括： 複數天線元株，& …、線地傳送與埃收射頻作 述天線元件包括一福人士 , 了頰彳。諕，母個上 構； 複合左/右手（CRLH)超常介質（MTM)結 -射頻收發器模組，與上述天線元件 來自上述天線元件 仃通訊而接收 至上述天線元件；、將-射頻信號傳送 射頻收二::开與分配模組，以單路徑的方式連接於上述 組與上述天線元件之間，將來自上述射頻收 且將來自上ΓΛ 頻電力分散至上述天線元件，並 收發器模組； ㈣㈣電力合併至上述射頻 複數切換元件，以單路徑的方式連接於上述電力合併 分配模組與上述天線弓 .,,L 戍凡件之間，母個切換元件係用來啟動 或停止至少一天線元件以回應-切換控制信號；以及 射束㈣控❹’透過與上述切換元件進行通訊產 :上述切換控制信號來控制每個切換元件啟動上述天線 凡件的至7子集合來接收或傳送射頻信號。 2.^申請專利範圍第1項所述之天線系統，包括： ^電基底，上述天線元件係形成於上述介電基底 Jl， 、 第^電層，由上述介電基底所支援並且被圖案化 為包括（1)-第一主要接地電極’被圖案化為包括複數個 1057D-9507-PF 55 200843201 別的共面波導來導I 术V引並傳迗RF信號，（2)複數個別的單元 導電插線’與上述第一 弟主要接地電極分離，以及（3 )複數 導電魏線’每個導電媿線包括連接至個別共面波導之一第 -端以及電_接至個科元導電插線之—第二端，以傳 送上述個別共面波導與上述個別單元導電插線之間的個 別RF信號； 一弟二導電層’由上述介電基底所支援並且與上述第 一導電層隔開並平;f子，

   上述弟一夺電層被圖案化為包括（1) 弟一主要接地電極，設置於由t n M tv, L 罝、田上述弟一接地電極投影在上 述第二導電層的覆蓋區中一 τ 複數早兀接地導電接墊， 分別，置於由上述單元導電插線投影在上述第二導電層 的覆蓋區中’以及（3)複數接地導電線，分別將上述單元 接地接墊連接至上述第二主要接地電極； 複數單元導電通孔連接器，形成於上述基底，每個單 元導電通孔連接器係連接i述第—導電^巾#—單元導 電插線以及上述單元導電插線投影在上述第二導電層中 的一單元接地塾；以及 複數接墊通孔連接器，形成於上述基底，用來連接上 述第一導電層中的上述第—纟要接地電極以及上述第二 導電層中的上述第二主要接地電極， 其中每個單7L導電插線、基底、個別的單元導電通孔 連接器以及單元接地導電接塾、個別的共面波導以及分別 電磁耦和導電餽線係被結構化而形成作為一天線元件之 一複合左/右手（CRLH)超常介質結構。 1057D-9507-PF 56 200843201 3·=申請專利範圍第2項所述之天線系統，其中設置 於上？第、二導電層中一單元接地導電接墊的尺寸係：於 上述第一導電層中的每個單元導電插線的尺寸。 4.如申請專利範圍第2項所述之天線系統，包括·· 一一單元導電發射墊，形成於上述第一導電層中的每個 單元導電插線與個別導電媿線之間，上述單元導電發射墊 係與上述單元導電插線隔開，並且電磁麵接至上述單元導 I 電插線，並且連接至個別導電餽線之第二端。 5·如申請專利範圍第！項所述之天線系統，其中上述 射頻收發器模組包括一數位信號處理器，用來處理上述天 線元件所接收的一射頻信號，以估測一信號效能參數並根 據上述钨號效能參數產生一回授控制信號來控制上述射 束切換控制器，上述射束切換控制器會依序對上述回授控 制k號起作用而控制上述切換元件之切換狀態。 6 ·如申请專利範圍第5項所述之天線系統，其中上述 _ 信號效能參數係為上述接收射頻信號之一封包錯誤率。 7 ·如申請專利範圍第5項所述之天線系統，其中上述 信號效能參數係為上述接收射頻信號之一接收信號強度。 8·如申請專利範圍第1項所述之天線系統，包括： 一相位偏移元件或是延遲線，設置於上述天線元件與 電力合併分配模組之間的信號通道，以控制由上述切換元 件所啟動上述天線元件的每個子集合所產生之一幅射圖 形。 9.如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中每個 1057D-9507—PF 57 200843201 f 切換7G件係與上述電力合併分配模組間隔由上述天線元 件所接收或傳送之射頻信號的1/2波長。 10.如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中上 述電力5併分配模組包括一 Wi inson電力合併器與分配 器單元。 11 ·如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中上 述電力合併與分配模組包括一 CRLH MTM結構。 _ 12.如申請專利範圍第11項所述之天線系統，其中上 述CRLH MTM結構包括一零度crlh MTM傳輸線。 13 ·如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中每 個切換元件係用來啟動或停止一天線元件。 14·如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中每 個切換元件係用來啟動或停止至少兩個天線元件。 15. —種天線系統，包括： 複數天線陣列，每個天線陣列係用來傳送與接收輻射 φ 信號並且包括彼此相對設置之複數天線元件，以共同產生 一輻射傳輸圖案，每個天線元件包括一複合左/右手（crlh) 超常介質（MTM)結構； 複數圖形塑型電路，分別耦接至上述天線陣列，每個 圖形塑型電路係將一輻射傳輸信號供應至一個別天線陣 列，並且用來產生並將具有所選取相位與振幅之上述輻射 傳輸信號之複製品分別指向上述天線陣列的天線元件，而 產生與上述天線陣列有關的個別輻射傳輸圖形；以及 一天線切換電路，耦接至上述圖形塑型電路，用以將 1057D-9507-PF 58 200843201 上述粒射傳輸抬號供應至至少一上述圖形塑型電路，並且 母次選擇性地將上述輻射傳輸信號指向至少一上述天線 陣列來傳送上述輻射傳輸信號。 16.如申請專利範圍第丨5項所述之天線系統，包括·· 一介電基底’上述天線陣列係設置於上述介電基底 上，並且包括平行的一第一與第二層，上述第二層包括一 主要接地電極；以及 _ 其中每個天線元件包括（1)上述第一層中的一單元導 電插線，（2)上述第一層中的一單元導電餽線，用來傳送 上述天線切換電路與上述單元導電插線之間的一信號，並 且在沒有與上述單元導電插線直接接觸的情況下電磁耦 接至上述導電插線，（3)上述第二層中的一單元接地導電 接塾，設置於上述單元導電插線所投影之覆蓋區，（4) 一 接地導電線，將上述單元接地導電接墊連接至上述住要接 地電極，以及（5)—單元導電通孔連接器，形成於上述基 _ 底中，並且將上述第一層之上述單元導電插線連接至上述 第二層之上述單元接地墊。 17·如申請專利範圍第16項所述之天線系統，其中每 個圖案塑型電路皆形成於上述第一層中，並包括複數具有 選取電長度之導電分支分別連接至上述天線元件的單元 餽線，且連接至上述導電分支的一共用導電餽線係用來傳 遞來自上述導電分支所分裂之上述天線切換電路之一輻 射傳輸“號，並用來接收一輻射傳輸信號，上述輻射傳輸 信號係用來合併上述導電分支所接收的信號。 1057D-9507-PF 59 200843201 18·如申請專利範圍第16項所述之天線系統，其中每 個圖形塑型電路係形成於上述第一層，並且包括一 Wi Ikinson電力分配器、連接至上述Wi Ikinson電力分配 器的兩個導電分支以及兩個天線元件，一導電餽線係連接 至上述Wi lkinson電力分配器而將來自上述天線切換電路 之一輻射傳輸信號傳遞至上述Wi Ikinson電力分配器，並 且接收來自上述W i 1 k i ns on電力分配器之一輻射傳輸信 _ 號’上述Wi Ikinson電力分配器係用來合併上述兩個導電 分支所接收的信號。 19·如申請專利範圍第16項所述之天線系統，其中每 個圖形塑型電路係形成於上述第一層，並且包括具有分別 連接至上述天線元件之複數CRLH MTM單元的一 CRLH MTM 傳輸線。 20·如申請專利範圍第16項所述之天線系統，其中每 個圖形塑型電路係形成於上述第一層，並且包括輕接至上 _ 述天線元件之單元餽線的一定向耦合器。 21·如申請專利範圍第16項所述之天線系統，其中每 個圖形塑型電路係形成於上述第一層，並且包括以設置於 兩相鄰天線元件之間一電磁能帶隙配置為基礎的一單一 負超常介質結構。 22·如申請專利範圍第丨6項所述之天線系統，其中上 述天線切換電路包括—電力合併器，具有一共用連接埠來 傳遞來自或疋指向上述圖形塑型電路之上述輕射傳輸信 唬複數天線連接埠分別連接至上述圖形塑型電路，且連 1057D-9507-PF 60 200843201 接於上述天線連接埠與上述圖形塑型電路之間的複數切 換元件係用來啟動或停用每個天線連接埠與個別圖形塑 型電路之間的一單一路徑。 2 3 ·如申睛專利範圍第2 2項所述之天線系統，其中上 述天線切換電路中的上述電力合併器包括一 CRLH μτμ έ士 構。 、、口 24· 一種天線系統，包括： • 複數天線元件，上述天線元件包括一複合左/右手 (CRLH)超常介質（ΜΤΜ)結構； 複數圖形塑型電路，每上述圖形塑型電路係耦接至上 述天線元件之子集合，並且對與上述天線元件之子集合相 關的一輻射圖形執行塑型；以及 一天線切換電路，耦接至上述圖形塑型電路，每次係 啟動至少一子集合來產生與至少一子集合相關的上述輻 射圖形’其中啟動係隨著時間而根據一預定控制邏輯切換 _ 於上述子集合之間。 2 5 ·如申請專利範圍第2 4項所述之天線系統，其中上 述圖形塑型電路包括一相位合併裝置，用來輸入具有一預 疋相位偏移的信號至上述子集合。 26·如申請專利範圍第25項所述之天線系統，其中上 述相位偏移係取決於上述相位合併裝置之幾何配置，且與 上述子集合相關的上述輻射圖形係取決於上述相位偏移 以及上述子集合中上述天線元件的相對位置。 27·如申請專利範圍第24項所述之天線系統，其中上 1057D-9507-PF 61 200843201 述圖形塑型電路包括： 一 Wilkinson電力分配器，用氺 刀i益用來輸出相同相位的信 號；以及 複數媿線，每個上述I線係將上述WUkin咖電力分 配器連接至上述子集合中上述天線元件之一者， 其中與輸入至上述子隼合之# t 录口之仏唬相關的相位係取決 於上述魏線的幾何配置，且與上述子集合相關的上述輕射 圖形係取決於上述相位以及上述子集合中天線元件的相 對位置。 28.如申請專利範圍第24項所述之天線系統，其中上 述圖形塑型電路包括： 一零度CRLH傳輸線（TL)係輸出相同相位的信號；以 及 複數飽線，上述餽線係將上述零度CRLH TL連接至上 述子集合中天線元件之一者， 春 其中與輸入至上述子集合之信號相關的相位係取決 於上述餽線的幾何配置，且與上述子集合相關的上述輕射 圖形係取決於上述相位以及上述子集合中天線元件的相 對位置。 29·如申請專利範圍第24項所述之天線系統，其中上 述圖形塑型電路包括一 MTM耦合器，用來隔離不同的信號 連接埠，因而產生與上述子集合相關的一正交輻射圖形 組。 30·如申請專利範圍第24項所述之天線系統，其中上 1057D-9507-PF 62 200843201 述圖形塑型電路包括一單負超常介質(SNG)結構，用來蛤 蝴上述子集合之天線元件，因而產生與上述子集合相關的 一正交輻射圖形組。 31 ·如申明專利範圍第24項所述之天線系統，其中上 述天線切換電路包括·· 幸田射電力合併器/分配器，藉由使用一右手（rh)微 帶而形成；以及 鲁 稷數切換裝置，每個上述切換裝置係耦接至上述微帶 之一者’並且由上述預定控制邏輯所控制。 32·如申請專利範圍第24項所述之天線系統，其中上 述天線切換電路包括： 一輻射電力合併器/分配器，藉由使用一 CRLH傳輸線 而形成，包括複數分支CRLH傳輸線，其中每個上述分支 CRLH傳輸線於一操作頻率處具有零度的電長度；以及 複數切換裝置，每個上述切換裝置皆耦接至上述分支 φ CRLH傳輸線之一者，並且由上述預定控制邏輯所控制。 33·如申請專利範圍第32項所述之天線系統，其中每 個分支CRLH傳輸線具有一第一端，連接至其他分支 傳輸線的地一端，以及一第二端，透過上述切換裝置之一 者耦接至上述圖形塑型電路之一者，其中上述地一端係耦 接至一主要信號餽線。 34·如申請專利範圍第32項所述之天線系統，其中每 個上述切換裝置係以距離上述輻射電力合併器/分配器數 個λ/2的距離設置於上述分支CRLH傳輪線與上述圖形塑 1057D-9507-PF 63 200843201 型電路之間的一路徑，其中λ為上述傳遞波的波長。 35· —種輻射圖形塑型以及射束切換的方法，適用於 包括複數天線元件一天線系統，包括下列步騾： 接收來自一主要餽線之一主要信號； 藉由使用一輻射電力合併器/分配器提供來自上述主 要餽線之分裂路徑，用來將每個路徑上的信號傳遞至複數 圖形塑型電路之一者；

   藉由使用耦接至上述子集合之上述圖形塑型電路來 塑型與天線元件之一子集合相關之一輻射圖形；以及 每次啟動至少一子集合來產生與上述至少一子隼人 相關的上述輻射圖形’丨中係隨著時間而根據一預定：： 邏輯切換於上料集合之間，其中—複合左/右手（crlh) 超常介質omo結構係用來形成每個上述天線元件。 36.如申請專利範圍第35項所述之轄射圖形塑型以及 來二換方法’其中提供分裂路徑包括使用右手⑽)微帶 少成上述輻射電力合併器/分配器。 37·如申請專利範圍第 射 項所述之輻射圖形塑型以及 射束切換方法，其中提供分 CRT π 塔位匕括使用包含複數分支 傳輸線之CRLH傳輸 分配器。 '、來形成上述輻射電力合併器/ M·如申請專利範圍 射束切換方法，其中塑型上、+、：:斤这之輪射圖形塑❹ 圖形塑型電心—士 &射圖形包括使用作為J 入至呈有_葙衣置而將上述信號轉換J -有預定相㈣移之上述子集合。 1057D-9507-PF 64 200843201 3 9 ·如申請專利範圍第3 8項所述之輻射圖形塑型以及 射束切換方法，其中塑型上述輻射圖形包括根據上述相位 合併裝置之幾何配置來判斷上述相位偏移，以及判斷上述 子集合中上述天線元件的相對位置，其中上述輻射圖形係 取決於上述相位偏移以及上述相對位置。 4 0 ·如申明專利範圍弟3 5項所述之輻射圖形塑型以及 射束切換方法，其中塑型上述輻射圖形包括使用一 φ Wilkinson電力分配器以及複數餽線，當上述圖形塑型電 路將上述#號轉換為具有相同相位之一轉換信號時，每條 上述餽線係將上述Wi lkins〇n電力分配器連接至上述子集 口中天線元件之者，上述轉換信號接下來會被轉換而將 具有不同相位信號輸入至上述子集合。 41 ·如申明專利範圍第40項所述之輻射圖形塑型以及 射束切換方法，其中塑型上述輕射圖形包括根據上述魏線 之幾何配置判斷輸入至上述子集合的相位，以及判斷上述 φ子集合中天線元件之相對位置’其中上述輻射圖形係取決 於上述輸入信號的相位以及相對位置。 42·如申請專利範圍第35項所述之輻射圖形塑型以及 射束切換方法’其中塑型上述輻射圖形包括使用一零度 CRLH傳輸線以及餽線，當上述圖形塑型電路將上述信號轉 換為具有相同相位之-轉換信號時，每個上述餽線係將上 述零度CRLH傳輸線連接至上述子集合中天線元件之一 者，上述轉換信號接下來會被轉換而將具有不同相位信號 輸入至上述子集合。 1057D-9507-PF 65 200843201 43·如申請專利範圍第42項所述之輻射圖形塑型以及 射束切換方法，其中塑型上述輻射圖形包括根據上述魏線 之幾何配置判斷輸入至上述子集合之信號的相位，以及判 斷上述子集合中天線元件的相對位置，其中上述輻射圖形 係取決於上述輸入信號之相位以及上述相對位置。 44·如申明專利範圍第π項所述之輻射圖形塑型以及 射束切換方法，其中塑型上述輻射圖形包括使用一 耦 • 合器來隔離複數信號連接埠，以產生與上述子集合相關之 一正交輻射圖形組。 45.如申請專利範圍第35項所述之輻射圖形塑型以及 射束切換方法，其中塑型上述輻射圖形包括使用一單負超 常介質（SNG)結構來隔離上述子集合之天線元件，以產生 與上述子集合相關之一正交輻射圖形組。

   1057D-9507-PF 66