本申請(qǐng)大體上涉及無線充電系統(tǒng)，以及更具體地涉及被配置成向電力電子裝置輻射無線電力信號(hào)的超材料晶胞。

背景技術(shù)：

已經(jīng)制造了多種無線充電系統(tǒng)用于將能量無線地傳送至電子裝置，在此，接收設(shè)備會(huì)使用所傳送的能量并將其轉(zhuǎn)化為電能。無線充電系統(tǒng)還能夠按照有意義的距離傳送能量。無線充電系統(tǒng)利用天線陣列來提供空間多樣性、將無線傳輸波聚焦在目標(biāo)位置處、進(jìn)行測(cè)向以及增大容量。

新一代無線充電系統(tǒng)做出了將各種技術(shù)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)高性能目標(biāo)的多種嘗試。然而，由于存在包括天線陣列的設(shè)計(jì)在內(nèi)的大量實(shí)際設(shè)計(jì)因素，新一代無線充電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的性能仍然受限。由于新一代無線充電系統(tǒng)中存在嚴(yán)格的空間限制，因此將多個(gè)間距大的天線容納在現(xiàn)代無線充電系統(tǒng)中就非常困難。通常，天線的維度是由對(duì)該天線而言所設(shè)計(jì)的工作頻率決定的。理想天線是電磁波長(zhǎng)的若干倍，從而使得天線可以支持駐波(standingwave)。天線通常無法滿足這個(gè)約束，因?yàn)樵谛乱淮鸁o線充電系統(tǒng)中的特定設(shè)計(jì)中，天線設(shè)計(jì)者要么要求天線小于特定波長(zhǎng)，要么天線很簡(jiǎn)單從而沒有被分配所需要的容積。當(dāng)天線不具備理想維度時(shí)，天線將失去功效。通常，天線還被用于捕獲電磁波上所編碼的信息。然而，如果天線小于進(jìn)入的電磁波長(zhǎng)，那么捕獲所述信息是低效的并且會(huì)損耗相當(dāng)大的電力。為了滿足這樣的要求設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，不斷地促使天線設(shè)計(jì)者為新一代無線充電系統(tǒng)尋找能夠在其上建立天線系統(tǒng)的更好的材料。

近年來，天線設(shè)計(jì)者已經(jīng)使用了多種超材料。超材料是一大類合成材料，這類合成材料已經(jīng)被工程化成產(chǎn)生自然材料中未發(fā)現(xiàn)的介電常數(shù)值和磁導(dǎo)率值或其他物理特性，并且與天線系統(tǒng)需求保持一致。已經(jīng)在理論上論證了：可以將通過將特定材料嵌入到通常為介電基底的某些主體基質(zhì)(hostmedia)介質(zhì)而產(chǎn)生的材料進(jìn)行裁剪以展現(xiàn)出所期望的特性。這些前景(promise)使得可通過重要的因素來使該天線微型化同時(shí)天線還能以可接受的效率工作。

在用于新一代無線充電系統(tǒng)的天線系統(tǒng)的背景下，已經(jīng)將超材料作為基底或基頂用在現(xiàn)有天線上來增強(qiáng)現(xiàn)有天線的屬性。在現(xiàn)有技術(shù)中，通常將超材料集成在天線的后面，要么與印刷天線一起被單片地集成在同一印刷電路板(pcb)上，要么作為獨(dú)立結(jié)構(gòu)設(shè)置成靠近天線。可代替地，可以將超材料集成到已定向天線以進(jìn)一步增強(qiáng)其方向性和增益。將超材料集成到天線的益處在于其增強(qiáng)了天線的多種屬性，諸如，其創(chuàng)建了一個(gè)或更多個(gè)定向波束。應(yīng)當(dāng)注意的是，某些超材料在保持非常薄的外形的同時(shí)還可以將全向天線轉(zhuǎn)換成完全定向的天線。然而，由于同時(shí)存在天線層和超材料層，因此用于新一代無線充電系統(tǒng)的超材料天線系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)最佳尺寸和性能。因此，在本領(lǐng)域中，存在具有如下性能的超材料天線系統(tǒng)的需求：能夠?yàn)榫哂袊?yán)格空間限制的現(xiàn)有無線充電系統(tǒng)提供最佳尺寸和性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

超材料是人工復(fù)合材料，該人工復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了超出了均勻材料限制的性能并且呈現(xiàn)出自然形成物中沒有發(fā)現(xiàn)的屬性。這類人工結(jié)構(gòu)化材料通常是通過圖案化或布置一種材料或多種材料以擴(kuò)展所述材料的電磁屬性范圍來構(gòu)造的。當(dāng)電磁波進(jìn)入材料時(shí)，該電磁波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)與材料的原子和分子的電子或其他電荷相互作用。這些相互作用改變了電磁波的運(yùn)動(dòng)，從而改變了材料中的電磁波傳播特性，例如，速度、波長(zhǎng)、方向、阻抗、折射率等。類似地，在超材料中，電磁波與宏觀地影響這些特性的適當(dāng)設(shè)計(jì)的人工晶胞相互作用。在一實(shí)施例中，超材料可以包括形成在電介質(zhì)基底之上或其中的晶胞陣列，并且被配置成向電力電子設(shè)備輻射無線電力信號(hào)。

在一實(shí)施例中，無線傳輸設(shè)備包括超材料晶胞。超材料晶胞可以包括具有帶孔的金屬貼片的表面。孔被限定為使得孔的邊緣位于表面的邊緣內(nèi)并且間隔有一定距離?？變?nèi)設(shè)置有天線元件。

在另一實(shí)施例中，提供了一種用于形成晶胞的方法。該方法包括使用超材料基底形成超材料層?？梢栽诔牧蠈由蟿?chuàng)建表面，并且可以在超材料層的表面中創(chuàng)建帶孔的金屬貼片。可以在孔中設(shè)置天線元件以形成晶胞。

在另一實(shí)施例中，無線傳輸設(shè)備的超材料系統(tǒng)(或者超材料板)包括超材料層。超材料層可以包括超材料晶胞陣列，其中，每個(gè)超材料晶胞均可以包括帶孔的表面?？妆幌薅槭沟每椎倪吘壩挥诒砻娴倪吘墐?nèi)并且間隔有一定距離。將天線元件設(shè)置在孔內(nèi)。超材料系統(tǒng)還可以包括設(shè)置在位于超材料層下方的背襯層上的至少一個(gè)輸入rf端口，使得導(dǎo)電背襯層和超材料層之間不存在短路。至少一組通孔可以將超材料晶胞陣列與輸入rf端口連接。

在另一實(shí)施例中，提供了一種用于形成超材料系統(tǒng)的方法。該方法包括形成背襯層。超材料層可以由超材料基底形成?？梢栽诒骋r層上方形成超材料層?？梢栽诔牧蠈又袆?chuàng)建多個(gè)分區(qū)，其中每個(gè)分區(qū)限定多個(gè)晶胞中的一個(gè)晶胞的一部分。該方法還包括在每個(gè)分區(qū)中創(chuàng)建孔，其中，孔被限定為使得孔的邊緣位于其中以一定間隔距離創(chuàng)建有孔的分區(qū)的邊緣內(nèi)。可以在所述多個(gè)分區(qū)的每個(gè)分區(qū)中的孔中設(shè)置元件?？梢栽诒骋r層上形成至少一個(gè)輸入rf端口，使得背襯層與超材料層之間沒有短路?？梢酝ㄟ^至少一組過孔將晶胞與輸入rf端口連接。

附圖說明

本專利或申請(qǐng)文件包含至少一個(gè)以彩色作成的附圖。經(jīng)過請(qǐng)求并支付了必要費(fèi)用之后，專利局會(huì)提供帶有彩色附圖的該專利或?qū)＠暾?qǐng)公開的副本。

附圖構(gòu)成本說明書的一部分并且示出了本發(fā)明的實(shí)施例，所述附圖與所述說明書一起用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。

圖1a示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板的結(jié)構(gòu)的等距視圖。

圖1b示出了用于描繪根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖1a中的具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板的回波損耗(returnloss)的圖形。

圖1c示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖1a中的具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板的輻射增益模式的等距視圖。

圖1d示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖1a中的具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板的輻射增益模式在線性標(biāo)度下的剖視圖。

圖1e示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖1c中的具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板的輻射增益模式在主y-z平面上的極化圖。

圖1f示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖1a中的具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板的在工作頻率下超材料晶胞層上的表面電流密度分布的幅值。

圖1g示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖1a中的具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板的在工作頻率下背襯導(dǎo)體層上的表面電流密度分布的幅值。

圖2示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的具有共面耦合機(jī)制的超材料板的結(jié)構(gòu)的等距視圖。

圖3a示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板的結(jié)構(gòu)的等距視圖。

圖3b示出了用于描繪根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖3a中的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板的回波損耗的圖形。

圖3c示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖3a中的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板的輻射增益模式的等距視圖。

圖3d示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖3a中的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板的在工作頻率下超材料晶胞層上的表面電流密度分布的幅值。

圖3e示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板的結(jié)構(gòu)的等距視圖。

圖3f示出了用于描繪根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖3e中的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板的回波損耗的圖形。

圖4示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的具有非接觸式電容耦合機(jī)制、共面耦合機(jī)制以及直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板的結(jié)構(gòu)的放大截面圖。

圖5a示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板的結(jié)構(gòu)的等距視圖。

圖5b示出了用于描繪根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖5a中的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板的回波損耗的圖形。

圖5c示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖5a中的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板的輻射增益模式的等距視圖。

圖5d示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板的結(jié)構(gòu)的等距視圖。

圖5e示出了用于描繪根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖5d中的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板的回波損耗的圖形。

圖5f示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖5d中的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板的輻射增益模式的等距視圖。

圖6a示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的用作可佩戴天線的超材料晶胞的配置。

圖6b示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的用作可佩戴天線的超材料晶胞的放大截面圖。

圖6c示出了用于描繪根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖6a中的用作可佩戴天線的超材料晶胞的回波損耗的圖形。

圖6d示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖6a中的用作可佩戴天線的超材料晶胞的輻射增益模式的等距視圖。

圖7a示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的被配置成可佩戴天線的超材料晶胞的結(jié)構(gòu)。圖7b示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的被配置成可佩戴天線的超材料晶胞的結(jié)構(gòu)的放大截面圖。

圖8a示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的被配置成天線陣列的超材料板的結(jié)構(gòu)的等距視圖。

圖8b示出了用于描繪根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖8a中的被配置成天線陣列的超材料板的回波損耗的圖形。

圖8c示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖8a中的被配置成天線陣列的超材料板的輻射增益模式的等距視圖。

圖9a示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的包括兩個(gè)正交子陣列的超材料板的等距視圖。

圖9b示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖9a中的包括兩個(gè)正交子陣列的超材料板的輻射增益模式的平面視圖。

圖9c示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖9a中的包括兩個(gè)正交子陣列的超材料板的輻射增益模式的平面視圖。

圖9d示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖9a中的包括兩個(gè)正交子陣列的超材料板的輻射增益模式的平面視圖。

圖9e示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖9a中的包括兩個(gè)正交子陣列的超材料板的輻射增益模式的等距視圖。

圖10示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的用于形成超材料板的方法。

具體實(shí)施方式

本文參考在此作為本申請(qǐng)的一部分的附圖中所描繪的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地描述。在不偏離于本發(fā)明的主旨或范圍的情況下，可以使用其他實(shí)施例和/或做出其他變更。詳細(xì)說明書中所描述的示例性實(shí)施例并非意在對(duì)本文所提出的主題進(jìn)行限制。

在一實(shí)施例中，以任意材料制作的結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的響應(yīng)可以通過如下全部參數(shù)來描述，諸如，材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，其中，結(jié)構(gòu)的維度要遠(yuǎn)小于電磁波的波長(zhǎng)。材料的每個(gè)點(diǎn)處的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可能相同或不同，使得材料的整體介電常數(shù)和磁導(dǎo)率在某種程度上規(guī)律地分布。規(guī)律分布的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)可以使得材料對(duì)于電磁波呈現(xiàn)出宏觀響應(yīng)，例如，聚集電磁波、分散電磁波等等。這樣的具有規(guī)律分布的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)的材料稱之為超材料。換言之，超材料是一大類合成材料，該合成材料被工程化為產(chǎn)生符合系統(tǒng)需求的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率特征。通過將通常為周期結(jié)構(gòu)的特定結(jié)構(gòu)嵌入到通常為介電基底的某些主體基質(zhì)，所產(chǎn)生的材料被裁剪成展現(xiàn)出所期望的特性。這些材料能夠使得通過一個(gè)重要因數(shù)來使得該天線微型化同時(shí)天線還能以可接受的效率工作。超材料還可以將全向輻射天線轉(zhuǎn)化為定向輻射天線。

在一實(shí)施例中，本發(fā)明的超材料不需要額外的天線層來使得超材料進(jìn)行輻射。超材料自身發(fā)生輻射，并且同時(shí)，超材料保持了傳統(tǒng)天線類型的超材料的屬性。換言之，超材料作為非常薄的反射器，同時(shí)，超材料不需要天線進(jìn)行輻射，因?yàn)槌牧献陨砭湍馨l(fā)生輻射。

在一實(shí)施例中，本發(fā)明的超材料的作用等同于人工磁導(dǎo)體。超材料被配置成非常薄的反射器，因此，很容易將超材料集成到外形非常薄的產(chǎn)品中，諸如，可佩帶手環(huán)。

在一實(shí)施例中，提供了包括至少兩個(gè)金屬層和一個(gè)薄基底的超材料系統(tǒng)(還稱之為超材料板)。相比于現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，本發(fā)明的超材料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不提供天線布置層，由于現(xiàn)有技術(shù)中存在用于布置天線的附加天線層，因此現(xiàn)有技術(shù)需要至少三層金屬層。此外，因?yàn)槿狈Ω郊犹炀€層，本發(fā)明的超材料系統(tǒng)的尺寸要比現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式更薄，通常以規(guī)定的相對(duì)于普通超材料而言不可忽略的差異大大地降低了包含超材料系統(tǒng)的整體系統(tǒng)的厚度。因此，由于不存在任何天線層使得本發(fā)明的超材料系統(tǒng)具有非常薄的輪廓，并且適合于以低成本進(jìn)行高密度集成。

在一實(shí)施例中，提供了一種由幾個(gè)子波長(zhǎng)尺寸的“人工原子”或輻射超材料晶胞組成的超材料系統(tǒng)。該超材料系統(tǒng)是通過同時(shí)對(duì)所有的輻射超材料晶胞進(jìn)行電磁激勵(lì)的方式來工作的。超材料系統(tǒng)還具有多個(gè)自由度，這些自由度可以轉(zhuǎn)化成使用傳統(tǒng)單天線無法獲得的波束形成可能性。在一示例中，超材料系統(tǒng)的一些區(qū)域包含輻射超材料晶胞，這些區(qū)域與同一超材料系統(tǒng)的其他區(qū)域相比具有不同的設(shè)計(jì)和輻射屬性。輻射超材料晶胞有利于創(chuàng)建波束形成和/或光束控制而無需引入任何移相網(wǎng)絡(luò)。

在一實(shí)施例中，提供了一種由幾個(gè)輻射超材料晶胞組成的超材料系統(tǒng)。通過恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)輻射超材料晶胞，超材料系統(tǒng)可以獲得線性、圓形或橢圓極化。通過由輻射超材料晶胞的區(qū)域組成的超材料系統(tǒng)，可以獲得線性、圓形或橢圓極化屬性，其中，每個(gè)輻射超材料晶胞相對(duì)于其他超材料晶胞具有不同的設(shè)計(jì)。換言之，由于輻射超材料晶胞自身能夠進(jìn)行輻射，因此恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)輻射超材料晶胞可以獲得各種不同的功能，諸如，線型、圓形或橢圓形極化。

在一實(shí)施例中，提供了一種由多個(gè)輻射超材料晶胞組成的超材料系統(tǒng)。這些輻射超材料晶胞可以通過由集成二極管、rf微機(jī)電(mem)設(shè)備或其他裝置實(shí)現(xiàn)的開關(guān)進(jìn)行電氣互連，從而形成更大的輻射域或不同超材料的“超級(jí)晶胞”，更大的輻射域或不同超材料的“超級(jí)晶胞”能夠掃描所選定的工作頻率，在該工作頻率下的電磁輻射是所期望的。

在一實(shí)施例中，提供了由一個(gè)晶胞陣列構(gòu)成的超材料系統(tǒng)。該晶胞陣列自身能夠進(jìn)行輻射并且具有工程化的超材料。在一種實(shí)現(xiàn)方式中，可以通過將晶胞陣列中的相鄰晶胞連接來構(gòu)造開關(guān)陣列。換言之，超材料系統(tǒng)由晶胞的晶格組成，并且可以通過二極管將相鄰的晶胞的晶格連接來制造開關(guān)的晶格。開關(guān)的晶格可以疊加在晶胞的晶格上，并且由于開關(guān)將相鄰的晶胞電氣連接，因此可以存在超材料具有兩種類型的晶胞的結(jié)構(gòu)，一種類型的晶胞沒有被連接，而另一種類型的晶胞是每對(duì)晶胞都被連接。在后一種情況下，電氣尺寸可以根據(jù)開關(guān)是斷開還是閉合而發(fā)生變化。在該結(jié)構(gòu)中，可以根據(jù)開關(guān)是否與相鄰的晶胞連接來改變頻率。這也稱為智能輻射超材料，其中頻率調(diào)諧是通過開關(guān)的連接性來設(shè)置的。

在一實(shí)施例中，提供了一種由多個(gè)輻射超材料晶胞組成的超材料系統(tǒng)。超材料晶胞尺寸非常小，由此產(chǎn)生的超材料天線占據(jù)了小形狀因數(shù)，并且理想地適合于遵循可佩戴和其他適形應(yīng)用的彎曲形狀。換言之，形狀因數(shù)與超材料晶胞的尺寸成比例。由于更小的尺寸，超材料晶胞可以被設(shè)置在柔性/可佩戴基底上以實(shí)現(xiàn)可佩戴天線或具有可彎曲幾何形狀的天線。

在一實(shí)施例中，提供了一種由幾個(gè)輻射超材料晶胞組成的超材料體系統(tǒng)。超材料晶胞尺寸非常小，由此其具有較小的形狀因數(shù)，并且由于小形狀因數(shù)，輻射超材料晶胞可以被設(shè)置成沿著正交方向緊密間隔，從而形成能夠以正交線性極化方式同時(shí)發(fā)送或接收電磁波的雙線性極化天線系統(tǒng)。以正交線性極化方式來同時(shí)進(jìn)行電磁波的發(fā)送和接收可以在諸如彎曲的可佩帶平臺(tái)(例如，可佩戴手環(huán))之類的非常小的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

在一實(shí)施例中，提供了一種由多個(gè)輻射超材料晶胞組成的超材料系統(tǒng)。在接收模式中的輻射超材料晶胞操作為均勻材料，其以高吸收效率吸收電磁輻射。輻射超材料晶胞還可以在寬范圍的頻率上(包括微波頻譜)工作。輻射超材料晶胞具有非常高吸收效率(90％或更高)。在另一實(shí)施例中，可以通過將局部化射頻(rf)端口插入任意超材料晶胞來對(duì)輻射超材料晶胞進(jìn)行分接。然后，該電力特定地指向這些rf端口。因此，輻射超材料晶胞用作具有接收所吸收能量的多個(gè)rf端口的密集天線陣列。這種超材料系統(tǒng)對(duì)于非常小的接收器是理想的，其中，所接收的電力可以同時(shí)分發(fā)到多個(gè)信道?？梢詫?shí)現(xiàn)高密度的rf端口，其中，每個(gè)這樣的rf端口分接相鄰的輻射超材料晶胞。只要采用額外的去耦技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)甚至更高密度的rf端口，一些rf端口分接相同的輻射超材料晶胞。此外，這些多個(gè)密集設(shè)置的rf端口可以接受相位控制，從而產(chǎn)生電子調(diào)制rf模式。

現(xiàn)在將參考附圖中所示的示意性實(shí)施例，并且這里將使用特定語(yǔ)言來描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解，因此不意圖限制本發(fā)明的范圍。對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員以及擁有本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到的本文所示的本發(fā)明特征的改變和進(jìn)一步的修改，以及本文所示的本發(fā)明的原理的其他應(yīng)用被認(rèn)為在發(fā)明的范圍內(nèi)。圖1a示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100的結(jié)構(gòu)的等距視圖。在此，所示出的超材料板100是通過標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板(pcb)技術(shù)利用三層金屬層來實(shí)現(xiàn)的。這三層層金屬層可以包括導(dǎo)電背襯層102、超材料層104以及耦合層106。此外，導(dǎo)電背襯層102與超材料層104之間設(shè)置有介電層108。

在超材料板100的制造過程中，將導(dǎo)電背襯層102設(shè)置在超材料板100的結(jié)構(gòu)的底部?？梢詫⒊牧蠈?04沉積在導(dǎo)電背襯層102上方，然后可以將超材料層蝕刻以創(chuàng)建超材料晶胞104a陣列。在下文中，術(shù)語(yǔ)“晶胞”和“超材料晶胞”可以互換使用。在一實(shí)施例中，導(dǎo)電背襯層102與超材料層104之間的間距使得導(dǎo)電背襯層102與超材料層104之間不存在短路，從而使得超材料晶胞104a能夠進(jìn)行輻射?？梢栽诔牧蠈?04下方、導(dǎo)電背襯層102上方沉積介電層108或者通常為二氧化硅的絕緣材料。

超材料層104包括晶胞104a陣列。在示意性圖示中，超材料板100的超材料層104包括以4乘4(4×4)排列的16個(gè)輻射超材料晶胞104a。每個(gè)超材料晶胞104a均可以包括表面。在一實(shí)施例中，該表面可以是大體上平坦的表面。在另一實(shí)施例中，該表面可以既不是平坦表面也不是大體上平坦的表面。超材料晶胞104a陣列中的每個(gè)超材料晶胞的大體平坦的表面可以是方形表面，該方形表面包括方形金屬貼片104b，該方形金屬貼片內(nèi)刻劃(inscribe)有孔104c。方形金屬貼片104b并不完全填充超材料晶胞的表面，而是略小于超材料晶胞?？?04c被限定成使得該孔104c的邊緣位于方形金屬貼片104b的邊緣內(nèi)并且間隔有一定距離。在一個(gè)示例中，孔104c可以是圓形孔?？梢詫⒃?04d設(shè)置在孔104c內(nèi)以形成圓形槽(slot)。在另一示例中，孔可以是由圓形孔104c以及設(shè)置在該圓形孔104c內(nèi)的元件104d形成的狹窄圓形槽。在所示實(shí)施例中，因?yàn)榭?04c的形狀為圓形，所以作為圓形金屬盤的元件104d被設(shè)置到孔104c內(nèi)形成了圓形槽。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，孔104c的形狀并非限定于圓形，并且，不偏離于本公開實(shí)施例的范圍的情況下，孔104c可以是任意其他合適的形狀。此外，由超材料晶胞104a組成的陣列包括方形金屬貼片，因?yàn)槌牧暇О谋砻媛源笥谄渲锌虅澋姆叫谓饘儋N片104b的表面，因此這些金屬貼片彼此不接觸而由狹窄直槽隔開。此外，存在將圓形元件104d與方形金屬貼片104b的邊緣隔開的細(xì)槽。在一實(shí)施例中，超材料晶胞104a的陣列的一個(gè)子集可以具有相同的形狀和尺寸，而超材料晶胞104a的陣列的另一子集可以具有其他形狀和尺寸。

在一實(shí)施例中，一個(gè)超材料晶胞104a其自身無法進(jìn)行高效地輻射并且也無法與所需的阻抗值進(jìn)行匹配。換言之，一個(gè)超材料晶胞104a不具備用作標(biāo)準(zhǔn)天線的性能。超材料晶胞104a的陣列或集合一起用作天線。因此，超材料板100可以包括16個(gè)晶胞104a。然而，應(yīng)當(dāng)注意的是，在不偏離于所公開的實(shí)施例的情況下，其他實(shí)施例中超材料板100可以包括任意數(shù)量的晶胞104a。

在另一實(shí)施例中，超材料層104可以包括形成于介電基底之上或內(nèi)部的晶胞104a的陣列。在一些實(shí)施例中，超材料層104可以包括晶胞104a的一堆二維陣列，其中，晶胞104a的每個(gè)二維陣列是形成在各自的介電基板之上或內(nèi)部。在該實(shí)施方式中，通過堆積晶胞104a來構(gòu)造磁導(dǎo)率增強(qiáng)超材料，并且磁導(dǎo)率增強(qiáng)超材料可以借助于其結(jié)構(gòu)來存儲(chǔ)磁能。在本發(fā)明的實(shí)施例中，晶胞104a由圓形元件104d和方形金屬貼片104b組成，其中，圓形元件104d可以嵌入到介電材料中。當(dāng)磁場(chǎng)法向地穿過圓形元件104d的平面并且環(huán)路中感應(yīng)出電流時(shí)，晶胞104a中會(huì)創(chuàng)建磁能存儲(chǔ)。

介電層108可以被掩模并刻蝕以打開公知為過孔的狹窄側(cè)面開口110。每個(gè)過孔110作為開口分別穿過介電層108延伸至最上面的耦合層106的一部分。在一實(shí)施例中，存在過孔110的目的是為了在超材料板100的不同金屬層之間提供電氣路徑。過孔110可以從超材料板100的表面行進(jìn)并且穿過超材料板100的每一層。在另一實(shí)施例中，過孔110可以從超材料板100的一層或超材料板的表面行進(jìn)并且穿過超材料板100的其它層，然而卻在未行進(jìn)穿過這些層之一便停止。在超材料板100的第一表面，過孔110可以終止于耦接至集成電路的連接焊點(diǎn)。超材料板100的相對(duì)面被耦接至pcb。如上面所討論的，某些過孔110可以完全地穿過超材料100的整個(gè)核心。其他過孔110可以是獨(dú)立的過孔110，這些過孔僅穿過超材料板100的一部分。所利用的特定分層和過孔110配置是一種涉及與特定超材料板100所起到的作用有關(guān)的幾個(gè)因素的設(shè)計(jì)選擇的問題。為了形成上述具有過孔110的超材料板100，一旦確定出穿過各層的過孔110的模式，可以通過機(jī)械鉆孔、沖壓或者蝕刻方式形成穿過各層的這些特定過孔110?？梢岳糜糜谠诟鲗又g提供電氣路徑的可替代技術(shù)。

在所示出的圖示中，過孔110從最上面的耦合層106延伸至輸入rf端口112。這些rf端口113可以位于導(dǎo)電背襯層102之上或之后。rf端口112可以包括具有任意形狀并且由塑料、金屬或任意其他便利材料制成的外殼。輸入rf端口112可以被配置成使得兩個(gè)或更多個(gè)子模塊能夠可拆卸地位于外殼內(nèi)或附接至外殼。即，子模塊被可拆卸地電氣耦接，并且可拆卸地插入到外殼內(nèi)。在可替代實(shí)施例中，子模塊可拆卸地附接至外殼的外部。輸入rf端口112并不限于兩個(gè)子模塊，并且可以被配置成容納有3個(gè)、4個(gè)或甚至更多個(gè)這種子模塊。這些子模塊可以包括經(jīng)由rf能量進(jìn)行通信的多種電氣元件。通常，這些子模塊能夠?qū)崿F(xiàn)這些部件的許多功能。

在另一實(shí)施例中，介電層108上方可以沉積有另一層金屬。所沉積的金屬填充過孔110，形成將所露出的底層金屬結(jié)合在過孔的底部的金屬接觸結(jié)構(gòu)，并且使得接觸點(diǎn)穿過導(dǎo)電背襯層102與最上面的耦合層106之間的層。過孔110的幾何圖形以及現(xiàn)在填充過孔110的接觸結(jié)構(gòu)通常是圓形的，然而，過孔110還可以是諸如溝槽形狀的其他形狀。過孔110可以被設(shè)置成使得填充過孔110的金屬結(jié)構(gòu)提供超材料板100的兩個(gè)獨(dú)立的金屬層之間的接觸。

在一實(shí)施例中，非接觸式電容耦合激勵(lì)機(jī)制被用于激勵(lì)超材料板100的結(jié)構(gòu)。非接觸式電容耦合激勵(lì)機(jī)制所利用的一些部件被設(shè)置在超材料層104的上方并且位于超材料板100的中央以激勵(lì)超材料板100的結(jié)構(gòu)。這些部件至少包括位于耦合層106上的多個(gè)襯墊114。多個(gè)襯墊114被用于激勵(lì)超材料板100的超材料晶胞。多個(gè)襯底114通過過孔110進(jìn)行連接，過孔110穿過超材料板100的超材料層104向上到達(dá)超材料板100的導(dǎo)電背襯層106。在本實(shí)施例中，在與將rf電源從輸入rf端口112耦接至超材料層104的電容結(jié)構(gòu)沒有直接接觸的情況下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超材料層104的超材料晶胞的激勵(lì)。此外，位于超材料層104上方并且穿過過孔110到達(dá)超材料板100的結(jié)構(gòu)后部的多個(gè)(方形)襯墊114激勵(lì)作為電容器的超材料晶胞，因此，這樣的耦合被稱為電容耦合。非接觸式電容耦合激勵(lì)機(jī)制使得三層金屬層的超材料板100有效。在本文進(jìn)一步描述的可替代實(shí)施例中，超材料板100的激勵(lì)可以利用少于或多余三層金屬層。在一實(shí)施例中，兩個(gè)過孔110連接至rf端口112，從而具有正極性和負(fù)極性。負(fù)電位處的一個(gè)過孔110被配置成激勵(lì)超材料晶胞104a的一半，而兩個(gè)過孔110中位于正電位處的的另一個(gè)過孔被配置成激勵(lì)剩余一半超材料晶胞104a。在非接觸式電容耦合機(jī)制中，單個(gè)過孔110與相應(yīng)的襯墊114同時(shí)對(duì)超材料板100的相鄰超材料晶胞進(jìn)行激勵(lì)，因?yàn)橄鄳?yīng)的襯墊114尺寸有限并且對(duì)應(yīng)的襯墊114等同地與兩個(gè)相鄰超材料晶胞耦接。

在一個(gè)示意性實(shí)施例中，超材料晶胞104a是包括孔的方形金屬104b以及被設(shè)置在孔104c內(nèi)的金屬元件104d周圍的方形表面。金屬元件104d是直徑小于孔104c的直徑的圓形金屬盤?？?04c的尺寸與工作頻率成反比。如果孔104c的尺寸減小，被設(shè)置在孔104c內(nèi)部的金屬元件104d的尺寸也減小，則工作頻率增大。如果孔104c的尺寸增大，被設(shè)置在孔104c內(nèi)部的金屬元件104d的尺寸也增大，則超材料晶胞104a的工作頻率將減小?？?04c可以是圓形。在一個(gè)可替代實(shí)施例中，孔104c可以是橢圓形?？梢岳每商娲螤睢?/p>

在一個(gè)示意性實(shí)施例中，超材料板100的輻射結(jié)構(gòu)是線性極化，以及具有傳送模式和接收模式。在傳送模式/配置下，超材料板100的輻射結(jié)構(gòu)發(fā)射輻射，其中，電場(chǎng)具有沿著單一直線的特定方向。在接收模式/配置中，超材料板100的輻射結(jié)構(gòu)接收輻射。

圖1b示出了用于描繪根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖1a中的具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100的回波損耗的圖形。具有非接觸式電感耦合的超材料板100的回波損耗(反射功率)是以db來度量的。具有非接觸式電感耦合的超材料板100在中心頻率6ghz下發(fā)生諧振。在此，與50歐姆的rf端口的進(jìn)行阻抗匹配是在低于-25db處。阻抗匹配表示具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100與標(biāo)準(zhǔn)rf端口相匹配，該標(biāo)準(zhǔn)rf端口的阻抗通常為50歐姆。-10db級(jí)別下的阻抗匹配帶寬為350mhz或者是超材料板100的中心頻率的6％。阻抗匹配限定了具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100的結(jié)構(gòu)的工作頻帶。在一實(shí)施例中，可以將具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100的維度選擇成使得具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100被調(diào)諧至大約500ghz的標(biāo)準(zhǔn)工作頻率。在另一實(shí)施例中，在不偏離于本公開實(shí)施例的范圍的情況下，通過修改所提出的形狀也是可以實(shí)現(xiàn)與其他rf端口值的阻抗匹配。

圖1c示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖1a中的具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100的單位為db的輻射增益模式的等距視圖。如圖1c所示出的，具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100具有單個(gè)具有能量的定向電磁能波束，該定向電磁能波束向上/向前(即沿著z軸)輻射。該單個(gè)定向電磁波束是通過對(duì)超材料板100的整個(gè)16個(gè)超材料晶胞104a進(jìn)行激勵(lì)而產(chǎn)生的。

圖1d示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖1a中的具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100的輻射增益模式在線性標(biāo)度下的極化圖。如圖1d所示出的，具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100具有單個(gè)具有能量的定向電磁能波束，該定向電磁能波束直接朝向側(cè)面，在超材料板100后面的輻射忽略不計(jì)。該單個(gè)定向電磁波束是通過對(duì)超材料板100的整個(gè)16個(gè)超材料晶胞104a進(jìn)行激勵(lì)而產(chǎn)生的。

圖1e示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖1c中的具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100的單位為db的輻射增益模式在主y-z平面上的極化圖。具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100所發(fā)射的電磁輻射是線性極化的，交叉極化級(jí)別比共極化輻射低40db。在一個(gè)實(shí)施例中，超材料板100的背側(cè)輻射被抑制，而前后增益比為大約17db。

圖1f示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖1a中的具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100的在工作頻率下超材料晶胞層上的表面電流密度分布的幅值。圖1f示出了當(dāng)超材料板100的超材料晶胞104a發(fā)出輻射時(shí)，在工作頻帶上具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100的輻射超材料晶胞上所分布的表面電流密度的幅值。在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)非接觸式電容耦合機(jī)制對(duì)超材料板100的多個(gè)超材料晶胞104a進(jìn)行了激勵(lì)，于是，超材料板100的每個(gè)超材料晶胞104a的方形貼片邊緣和圓形槽邊緣上會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電流。這導(dǎo)致超材料板100的多個(gè)超材料晶胞104a同時(shí)產(chǎn)生電磁輻射，從而使得超材料板100產(chǎn)生高輻射增益。在另一實(shí)施例中，由于超材料板100的每個(gè)超材料晶胞104a的方形貼片邊緣和圓形槽邊緣上都產(chǎn)生了強(qiáng)電流，根據(jù)非接觸式電容耦合機(jī)制對(duì)超材料板100的所有超材料晶胞104a進(jìn)行了激勵(lì)，在該實(shí)施例中，這導(dǎo)致超材料板100的所有超材料晶胞104a同時(shí)產(chǎn)生電磁輻射，從而使得超材料板100產(chǎn)生高輻射增益?？梢栽O(shè)想，一個(gè)可替代實(shí)施例可以主動(dòng)或被動(dòng)將多個(gè)超材料晶胞104a但不是所有的超材料晶胞104a結(jié)合以進(jìn)行電磁輻射。在一個(gè)實(shí)施例中，盡管使用非接觸式耦合機(jī)制將超材料板100的超材料晶胞104a的激勵(lì)定位于超材料板100的中心，然而，如圖所示，電流在超材料板100的所有超材料晶胞104a上擴(kuò)散以進(jìn)行輻射。在一個(gè)可替代實(shí)施例中，使用非接觸式耦合機(jī)制可以將超材料板100的超材料晶胞104a的激勵(lì)定位于超材料板100的任意位置，使得電流在超材料板100的多個(gè)超材料晶胞104a上擴(kuò)散以進(jìn)行輻射。

在一實(shí)施例中，為了進(jìn)行輻射，使用非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100導(dǎo)致多于一個(gè)的超材料晶胞104a被激勵(lì)以進(jìn)行輻射。在這種情況下，超材料板100的多個(gè)超材料晶胞104a具有作為標(biāo)準(zhǔn)天線的性能。在一個(gè)可替代實(shí)施例中，為了進(jìn)行輻射，使用非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100可以具有可以被激勵(lì)以進(jìn)行輻射的單個(gè)超材料晶胞104a。在這種情況下，單個(gè)超材料晶胞104a具有作為標(biāo)準(zhǔn)天線的性能。

圖1g示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖1a中的具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100的在工作頻率下背襯導(dǎo)體層上102的表面電流密度分布的幅值。如圖1g所示，電流集中在超材料板100的導(dǎo)電背襯層102的中心處，并且從而產(chǎn)生聚焦效應(yīng)，該聚焦效應(yīng)引導(dǎo)超材料板100的超材料晶胞104a所輻射的電磁能量沿著向上方向，即，沿著z軸。

圖2示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的具有共面耦合機(jī)制的超材料板200的結(jié)構(gòu)的等距視圖。在該實(shí)施例中，共面耦合機(jī)制被用于激勵(lì)超材料板200的超材料晶胞陣列。共面耦合機(jī)制是非接觸式耦合機(jī)制，其中，可以使用少量金屬層，從而降低了制造成本。

超材料板200可以通過標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板(pcb)技術(shù)利用兩層金屬層實(shí)現(xiàn)。這兩層金屬層包括導(dǎo)電背襯層202和超材料層204。此外，導(dǎo)電背襯層202與超材料層204之間設(shè)置有介電層206。在超材料板200的制造過程中，導(dǎo)電背襯層202被設(shè)置在超材料板200的結(jié)構(gòu)的底部。超材料層204可以被沉積在導(dǎo)電背襯層202上方，然后可以被蝕刻以創(chuàng)建超材料晶胞204a陣列。在一實(shí)施例中，導(dǎo)電背襯層202與超材料層204之間的間距使得導(dǎo)電背襯層202與超材料層204之間不存在短路，從而使得超材料晶胞204a能夠進(jìn)行輻射。可以在超材料層204下方、導(dǎo)電背襯層202上方沉積介電層206或者通常為二氧化硅的絕緣材料。

超材料層204包括晶胞204a陣列。在示意性圖示中，超材料板100的超材料層204包括以4乘4(4×4)排列的16個(gè)輻射超材料晶胞204a。每個(gè)超材料晶胞204a均可以包括表面。在一實(shí)施例中，該表面可以是大體上平坦的表面。在另一實(shí)施例中，該表面可以既不是平坦表面也不是大體上平坦的表面。超材料晶胞204a陣列中的每個(gè)超材料晶胞的大體平坦的表面可以是方形表面，該方形表面包括方形金屬貼片204b，該方形金屬貼片內(nèi)刻劃(inscribe)有孔204c。方形金屬貼片204b并不完全填充晶胞的表面，而是略小于晶胞。晶胞204a陣列中的每個(gè)晶胞的大體平坦的表面可以是帶孔204c的方形金屬貼片204b，孔204c被刻劃在方形金屬貼片204b內(nèi)?？?04c被限定成使得該孔204c的邊緣位于方形金屬貼片204b的邊緣內(nèi)并且間隔有一定距離。在一個(gè)示例中，孔204c可以是圓形孔?？?04c內(nèi)可以設(shè)置有元件204d以形成圓形槽。在所示實(shí)施例中，因?yàn)榭?04c的形狀為圓形，所以作為圓形金屬盤的元件204d被設(shè)置到孔204c內(nèi)形成了圓形槽。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，孔204c的形狀并非限定于圓形，并且，不偏離于本公開實(shí)施例的范圍的情況下，孔204c可以是任意其他合適的形狀。此外，由超材料晶胞204a組成的陣列包括方形金屬貼片204b，因?yàn)槌牧暇О谋砻媛源笥谄渲锌虅澋姆叫谓饘儋N片204b的表面，因此這些金屬貼片204b彼此不接觸而由狹窄直槽所隔開。在所示出的圖示中，每個(gè)晶胞204a被附接至相鄰晶胞204a，但是與這些晶胞相對(duì)應(yīng)的所刻劃的方形金屬貼片204b被小尺寸槽分開。此外，存在將圓形元件204d與方形金屬貼片204b的邊緣隔開的細(xì)槽。在一實(shí)施例中，超材料晶胞204a的陣列的一個(gè)子集可以具有相同的形狀和尺寸，而超材料晶胞204a的陣列的另一子集可以具有其他形狀和尺寸。

介電層206被掩模并刻蝕以打開公知為過孔的狹窄側(cè)面開口208。每個(gè)過孔208作為開口分別穿過介電層206延伸至最上層的一部分。存在過孔208的目的是在超材料板200的不同金屬層之間提供電氣路徑。在所示出的圖示中，過孔208從超材料層204延伸至輸入rf端口210。這些rf端口210可以位于導(dǎo)電背襯層202之上或之后。過孔208的幾何圖形以及現(xiàn)在填充過孔208的接觸結(jié)構(gòu)通常是圓形的，然而，過孔208還可以是諸如溝槽形狀的其他形狀。過孔208可以被設(shè)置成使得填充過孔208的金屬結(jié)構(gòu)提供超材料板200的兩個(gè)獨(dú)立的金屬層之間的接觸。為了形成上述具有過孔208的超材料板200，一旦確定出穿過各層的過孔208的模式，可以通過機(jī)械鉆孔、沖壓或者蝕刻方式形成穿過各層的這些特定過孔208。可以利用用于在各層之間提供電氣路徑的可替代技術(shù)。在一實(shí)施例中，共面耦合機(jī)制的激勵(lì)部件可以被設(shè)置在超材料板200的超材料晶胞204a的平面上以激勵(lì)超材料板200的結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，在與將rf電源從輸入rf端口210耦接至超材料層204的電容結(jié)構(gòu)沒有直接接觸的情況下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超材料層204的超材料晶胞204a的激勵(lì)。rf端口210被設(shè)置在導(dǎo)電背襯層202上，其中rf端口210饋電襯底被設(shè)置在導(dǎo)電背襯層202中的小孔內(nèi)。共面耦合激勵(lì)機(jī)制利用的是兩層金屬層的超材料板200。

在一實(shí)施例中，兩個(gè)過孔208連接至rf端口210，從而具有正極性和負(fù)極性。負(fù)電位處的一個(gè)過孔208被配置成激勵(lì)超材料晶胞204a的一半，而兩個(gè)過孔208中位于正電位處的的另一個(gè)過孔被配置成激勵(lì)剩余一半超材料晶胞204a。在一個(gè)示意性實(shí)施例中，超材料晶胞204a是包括孔204c的方形金屬204b以及被設(shè)置在孔204c內(nèi)的金屬元件204d周圍的方形表面?？?04c的尺寸與工作頻率成反比。如果孔204c的尺寸減小，被設(shè)置在孔204c內(nèi)部的金屬元件204d的尺寸也減小，則工作頻率增大。如果孔204c的尺寸增大，被設(shè)置在孔204c內(nèi)部的金屬元件204d的尺寸也增大，則超材料晶胞204a的工作頻率將減小?？?04c可以是圓形。在一個(gè)可替代實(shí)施例中，孔204c可以是橢圓形。還可以利用其它可替代形狀。

超材料板200的輻射結(jié)構(gòu)是線性極化的，并且具有傳送模式且接收模式。在傳送模式/配置中，超材料板200的輻射結(jié)構(gòu)發(fā)射輻射，其中，電場(chǎng)具有沿著單一直線的特定方向。在接收模式/配置中，超材料板200的輻射結(jié)構(gòu)接收輻射。在一實(shí)施例中，具有共面耦合機(jī)制的超材料板200的輻射和阻抗匹配屬性等同于圖1a超材料板100的結(jié)構(gòu)的輻射和阻抗匹配屬性。

圖3a示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300的結(jié)構(gòu)的等距視圖。在該實(shí)施例中，所使用的激勵(lì)機(jī)制是通過導(dǎo)電過孔進(jìn)行的直接饋電機(jī)制。直接饋電激勵(lì)機(jī)制可以使用兩層金屬層，從而降低制造成本。在直接饋電激勵(lì)機(jī)制中，在電容耦合或共面耦合情況下均不會(huì)發(fā)生對(duì)超材料板300的超材料晶胞的激勵(lì)，只有當(dāng)過孔直接地連接至超材料晶胞的情況下才會(huì)發(fā)生對(duì)超材料板300的超材料晶胞的激勵(lì)。

在此，超材料板300可以通過標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板(pcb)技術(shù)利用兩層金屬層實(shí)現(xiàn)。這兩層金屬層可以包括導(dǎo)電背襯層302和超材料層304。此外，導(dǎo)電背襯層302與超材料層304之間可以設(shè)置有介電層306。在超材料板300的制造過程中，導(dǎo)電背襯層302被設(shè)置在超材料板300的結(jié)構(gòu)的底部。超材料層304被沉積在導(dǎo)電背襯層302上方，然后可以被蝕刻以創(chuàng)建超材料晶胞304a陣列。在一實(shí)施例中，導(dǎo)電背襯層302與超材料層304之間的間距使得導(dǎo)電背襯層202與超材料層204之間不存在短路以便于使得超材料晶胞304a能夠進(jìn)行輻射?？梢栽诔牧蠈?04下方、導(dǎo)電背襯層302上方沉積介電層306或者通常為二氧化硅的絕緣材料。

超材料層304包括晶胞304a陣列。在示意性圖示中，超材料板300的超材料層304包括以4乘4(4×4)排列的16個(gè)輻射超材料晶胞304a。在示意性圖示中，每個(gè)超材料晶胞304a不互相附接，且存在小尺寸的槽來使這些超材料晶胞304a相互隔開。每個(gè)超材料晶胞304a均可以包括表面。在一實(shí)施例中，該表面可以是大體上平坦的表面。在另一實(shí)施例中，該表面可以既不是平坦表面也不是大體上平坦的表面。超材料晶胞304a陣列中的每個(gè)超材料晶胞的大體平坦表面可以是方形表面，該方形表面包括方形金屬貼片304b，該方形金屬貼片內(nèi)刻劃(inscribe)有孔304c。方形金屬貼片304b并不完全填充晶胞的表面，而是略小于晶胞。超材料晶胞304a陣列中的每個(gè)超材料晶胞的大體平坦的表面可以是其中刻劃有孔304c的方形金屬貼片304b。孔304c被限定成使得該孔304c的邊緣位于方形金屬貼片304b的邊緣內(nèi)并且間隔有一定距離。在一個(gè)示例中，孔304c可以是圓形孔。孔304c內(nèi)可以設(shè)置有元件304d以形成圓形槽。在所示實(shí)施例中，因?yàn)榭?04c的形狀為圓形，所以作為圓形金屬盤的元件304d被設(shè)置到孔304c內(nèi)形成了圓形槽。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，孔304c的形狀并非限定于圓形，并且，不偏離于本公開實(shí)施例的范圍的情況下，孔304c可以是任意其他合適的形狀。此外，由超材料晶胞304a組成的陣列包括方形金屬貼片304b，因?yàn)槌牧暇О谋砻媛源笥谄渲锌虅澋姆叫谓饘儋N片304b的表面，因此這些金屬貼片304b彼此不接觸而由狹窄直槽隔開。在所示出的圖示中，每個(gè)晶胞304a被附接至相鄰晶胞304a，但是與這些晶胞304a相對(duì)應(yīng)的所刻的劃方形金屬貼片304b被小尺寸槽隔開。此外，存在將圓形元件304d與方形金屬貼片304b的邊緣隔開的細(xì)槽。在一實(shí)施例中，超材料晶胞304a的陣列的一個(gè)子集可以具有相同的形狀和尺寸，而超材料晶胞304a的陣列的另一子集可以具有其他形狀和尺寸。

介電層306可以被掩模并刻蝕以打開公知為過孔308的狹窄側(cè)面開口。每個(gè)過孔208作為開口分別穿過介電層306延伸至最上層的一部分。存在過孔308的目的是在超材料板300的不同金屬層之間提供電氣路徑。在所示出的圖示中，過孔308從超材料層304延伸至輸入rf端口310。這些rf端口310可以位于導(dǎo)電背襯層302之上或之后。過孔308的幾何圖形以及現(xiàn)在填充過孔308的接觸結(jié)構(gòu)通常是圓形的，然而，過孔308還可以是諸如溝槽形狀的其他形狀。過孔308可以被設(shè)置成使得填充過孔308的金屬結(jié)構(gòu)提供超材料板300的兩個(gè)獨(dú)立的金屬層之間的接觸。

在一實(shí)施例中，直接饋電機(jī)制的激勵(lì)部件可以被設(shè)置在超材料板300的超材料晶胞304a的平面上以激勵(lì)超材料板300。在本實(shí)施例中，超材料層304的超材料晶胞304a的激勵(lì)是通過過孔308來實(shí)現(xiàn)的。在一實(shí)施例中，過孔308可以連接至rf端口310，從而具有正極性和負(fù)極性。負(fù)電位處的一個(gè)過孔308a被配置成激勵(lì)超材料晶胞304a的一半，而兩個(gè)過孔中位于正電位處的另一個(gè)過孔308b被配置成激勵(lì)剩余一半的超材料晶胞304a。

在一個(gè)示意性實(shí)施例中，超材料晶胞304a可以是包括孔304c的方形金屬304b以及被設(shè)置在孔304c內(nèi)的金屬元件304d周圍的方形表面?？?04c的尺寸與工作頻率成反比。如果孔304c的尺寸減小，被設(shè)置在孔304c內(nèi)部的金屬元件304d的尺寸也減小，則工作頻率增大。如果孔304c的尺寸增大，被設(shè)置在孔304c內(nèi)部的金屬元件304d的尺寸也增大，則超材料晶胞304a的工作頻率將減小。孔304c可以是圓形。在一個(gè)可替代實(shí)施例中，孔304c可以是橢圓形。可以利用其它可替代形狀。

超材料板300的輻射結(jié)構(gòu)是線性極化，并且具有傳送模式且接收模式。在傳送模式/配置，超材料板300的輻射結(jié)構(gòu)發(fā)射輻射，其中，電場(chǎng)具有沿著單一直線的特定方向。在接收模式/配置中，超材料板200的輻射結(jié)構(gòu)接收輻射。

圖3b示出了用于描繪根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖3a中的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300的回波損耗的圖形。具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300的回波損耗(反射功率)是以db來度量的。具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300在中心頻率5.9ghz下發(fā)生諧振。在此，與50歐姆的rf端口310的進(jìn)行阻抗匹配是在-25db處。阻抗匹配表示具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300與標(biāo)準(zhǔn)rf端口310相匹配，該標(biāo)準(zhǔn)rf端口的阻抗通常為50歐姆。-10db級(jí)別下的阻抗匹配帶寬為350mhz或者是超材料板300的中心頻率的6％。阻抗匹配限定了具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300的工作頻帶。

圖3c示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖3a中的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300的輻射增益模式的等距視圖。如圖3c所示出的，具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300具有單個(gè)具有能量的定向電磁能波束，該定向電磁能波束向上/向前(即沿著z軸)輻射。該單個(gè)定向電磁波束是通過對(duì)超材料板300的整個(gè)16個(gè)超材料晶胞304a進(jìn)行激勵(lì)而產(chǎn)生的。

圖3d示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖3a中的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300的在工作頻率下超材料晶胞層302上的表面電流密度分布的幅值。圖3d示出了當(dāng)超材料板發(fā)出輻射時(shí)，具有直接饋電機(jī)制的超材料板300的輻射超材料晶胞304a上所分布的表面電流密度的幅值。在一實(shí)施例中，根據(jù)直接饋電激勵(lì)機(jī)制對(duì)超材料板300的多個(gè)超材料晶胞304a進(jìn)行了激勵(lì)，于是，超材料板300的每個(gè)超材料晶胞304a的方形貼片邊緣和圓形槽邊緣上會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電流。這導(dǎo)致超材料板300的多個(gè)超材料晶胞304a同時(shí)產(chǎn)生電磁輻射，從而使得超材料板300產(chǎn)生高輻射增益。在另一實(shí)施例中，由于超材料板300的每個(gè)超材料晶胞304a的方形貼片邊緣和圓形槽邊緣上均產(chǎn)生了強(qiáng)電流，根據(jù)直接饋電激勵(lì)機(jī)制對(duì)超材料板300的所有超材料晶胞304a進(jìn)行了激勵(lì)，在該實(shí)施例中，這導(dǎo)致超材料板300的所有超材料晶胞304a同時(shí)產(chǎn)生電磁輻射，從而使得超材料板300產(chǎn)生高輻射增益。

在一實(shí)施例中，盡管使用直接饋電耦合機(jī)制將超材料板300的超材料晶胞304a的激勵(lì)定位于超材料板300的中心，然而，如圖所示，電流在超材料板300的所有超材料晶胞304a上擴(kuò)散以進(jìn)行輻射。在一個(gè)可替代實(shí)施例中，可以將超材料板300的超材料晶胞304a的激勵(lì)定位于超材料板300的任意位置，使得電流在超材料板300的多個(gè)超材料晶胞304a上擴(kuò)散以進(jìn)行輻射。

在一實(shí)施例中，為了進(jìn)行輻射，使用直接饋電耦合機(jī)制的超材料板300可以利用多于一個(gè)的超材料晶胞304a來引起激勵(lì)以進(jìn)行輻射。在這種情況下，超材料板300的多個(gè)超材料晶胞304a具有作為標(biāo)準(zhǔn)天線的性能。在一個(gè)可替代實(shí)施例中，為了進(jìn)行輻射，使用直接饋電耦合機(jī)制的超材料板300可以具有可以被激勵(lì)以進(jìn)行輻射的單個(gè)超材料晶胞304a。在這種情況下，單個(gè)超材料晶胞304a具有作為標(biāo)準(zhǔn)天線的性能。

圖3e示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300a的結(jié)構(gòu)的等距視圖。除了超材料板300a的超材料晶胞304a的維度和尺寸不一樣之外，圖3e中的超材料板300a的結(jié)構(gòu)類似于圖3a中的超材料板300的結(jié)構(gòu)。部件的維度和尺寸不同(諸如超材料板300a的超材料晶胞304a相比于超材料板300的超材料晶胞的維度和尺寸)有利于實(shí)現(xiàn)工作頻率的縮放(scaling)。在本實(shí)施例中，超材料板300a比圖3a中的超材料板300的每個(gè)超材料晶胞的圓形槽要狹窄。此外，超材料板300a的超材料晶胞304a的方形貼片之間的間距比圖3a中的超材料板300的超材料晶胞的方形貼片之間的間距狹窄。在所示出的示例中，相比于圖3a中的超材料板300的每個(gè)超材料晶胞上的圓形槽寬度0.15mm，超材料板300a的每個(gè)超材料晶胞304a的圓形槽的寬度為0.1mm。在所示出的示例中，圖3a和圖3e中所描述的實(shí)施例中的超材料板的總尺寸為20mm×20mm，然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，在不偏離于本公開實(shí)施例的范圍的情況下，其他實(shí)施例中可以改變所述尺寸。

圖3f示出了用于描繪根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖3e中的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300a的回波損耗的圖形。具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板100的回波損耗(反射功率)是以db來度量的。具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300a在中心頻率5.8ghz下發(fā)生諧振。在不增大超材料板300a的整體結(jié)構(gòu)的尺寸的情況下，中心頻率相對(duì)于圖3a所討論的實(shí)施例而言會(huì)減小150-100mhz。與50歐姆的rf端口進(jìn)行阻抗匹配是在-28db處。阻抗匹配表示具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板300a與標(biāo)準(zhǔn)rf端口相匹配，該標(biāo)準(zhǔn)rf端口的阻抗通常為50歐姆。-10db級(jí)別下的阻抗匹配帶寬為350mhz或者是超材料板300a的中心頻率的6％。

圖4示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的具有非接觸式電容耦合機(jī)制、共面耦合機(jī)制以及直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板的結(jié)構(gòu)的放大截面圖。具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100、具有共面耦合機(jī)制的超材料板200以及具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300具有相同或大體上相同的物理特征、工作帶寬以及性能。在另一實(shí)施例中，可以使用其他激勵(lì)機(jī)制來激勵(lì)超材料板進(jìn)行輻射。在又一實(shí)施例中，可以使用具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100、具有共面耦合機(jī)制的超材料板200以及具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300的混合組合。在一實(shí)施例中，具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100使用三層金屬層。具有共面耦合機(jī)制的超材料板200和具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300使用兩層金屬層。相比于具有共面耦合機(jī)制的超材料板200和具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300，具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100使用了額外的金屬層。每層金屬層都會(huì)增大制造成本，因此，具有共面耦合機(jī)制的超材料板200和具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300的制造成本要小于具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100的制造成本。因?yàn)榫哂兄苯羽侂娂?lì)機(jī)制的超材料板300使用了兩層金屬層，對(duì)具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300的制造過程的控制更具魯棒性，通過直接將過孔設(shè)置在實(shí)際的超材料晶胞上，而無需使用具有特定槽的任意圓形貼片來激勵(lì)超材料板300的中央超材料晶胞。

在一實(shí)施例中，對(duì)于具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100、具有共面耦合機(jī)制的超材料板200以及具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300的超材料晶胞的尺寸的選擇是基于所期望的工作頻率進(jìn)行的。超材料晶胞以及其相鄰的超材料晶胞的尺寸決定了具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100、具有共面耦合機(jī)制的超材料板200以及具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300的工作頻率。所述晶胞的頻率被配置成在介于900mhz至100ghz之間的頻帶下操作。在一實(shí)施例中，對(duì)于具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100、具有共面耦合機(jī)制的超材料板200以及具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300的超材料晶胞的形狀(諸如狹窄槽)對(duì)于頻率調(diào)諧是非常主要的。在一實(shí)施例中，對(duì)于具有非接觸式電容耦合機(jī)制的超材料板100、具有共面耦合機(jī)制的超材料板200以及具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板300的每個(gè)超材料晶胞的直徑大約為工作頻率下波長(zhǎng)的十分之一。

圖5a示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板500的結(jié)構(gòu)的等距視圖。如先前所描述的那樣，超材料晶胞的數(shù)量影響超材料板的性能。在所示實(shí)施例中，超材料板500的尺寸等同于或大體上等同于圖3a所示的超材料板300的尺寸，但是，相對(duì)于圖3a所示的超材料板300具有16個(gè)超材料晶胞304a而言，所示實(shí)施例中的超材料板500具有四個(gè)超材料晶胞502。在該實(shí)施例中，所使用的激勵(lì)機(jī)制是通過導(dǎo)電過孔進(jìn)行的直接饋電激勵(lì)機(jī)制。直接饋電激勵(lì)機(jī)制使用兩層金屬層，從而降低制造成本。在直接饋電激勵(lì)機(jī)制中，在電容耦合或共面耦合情況下均不會(huì)發(fā)生對(duì)超材料板500的超材料晶胞502的激勵(lì)，只有當(dāng)過孔504直接地連接至超材料晶胞502的情況下才會(huì)發(fā)生對(duì)超材料板500的超材料晶胞502的激勵(lì)。圖3a更詳細(xì)地對(duì)直接饋電激勵(lì)機(jī)制進(jìn)行了說明。

圖5b示出了用于描繪根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖5a中的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板500的回波損耗的圖形。具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板500的回波損耗(反射功率)是以db來度量的。具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板500在中心頻率5.8ghz下發(fā)生諧振。這說明工作諧振頻率是由超材料晶胞502的設(shè)計(jì)決定的而不是取決于超材料晶胞502的數(shù)量。與50歐姆rf端口的阻抗匹配在-30db處或低于-30db處，這小于先前所討論的具有16個(gè)超材料晶胞的實(shí)施例中的阻抗匹配情況。阻抗匹配表示超材料板500與標(biāo)準(zhǔn)rf端口相匹配，該標(biāo)準(zhǔn)rf端口的阻抗通常為50歐姆。-10db級(jí)別下的阻抗匹配帶寬為240mhz或者是超材料板500的中心頻率的4％。阻抗匹配限定了超材料板500的結(jié)構(gòu)的工作頻帶。

圖5c示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖5a中的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板500的輻射增益模式的三維等距視圖。如圖5c所示出的，具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板500具有單個(gè)具有能量的定向電磁能波束，該定向電磁能波束向上/向前輻射。該單個(gè)定向電磁波束是通過對(duì)超材料板500的整個(gè)四個(gè)超材料晶胞502進(jìn)行激勵(lì)而產(chǎn)生的。在所示實(shí)施例中，最大增益為5dbi，其比先前所討論的具有16個(gè)超材料晶胞的實(shí)施例中的最大增益小1db。由于本實(shí)施例中的導(dǎo)電背襯層的尺寸與先前實(shí)施例中的導(dǎo)電背襯層的尺寸相同，因此，和先前的實(shí)施例一樣，本實(shí)施例中直接輻射也是由多個(gè)超材料晶胞502的集體激勵(lì)引起的。

圖5d示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板500a的結(jié)構(gòu)的等距視圖。所示實(shí)施例具有超材料板500a，該超材料板500a等同于圖4a所描述的超材料板500被配置，但是不是所有的晶面(facet)都是一樣的，從而使得該結(jié)構(gòu)具有緊湊的形狀因數(shù)。

圖5e示出了用于描繪根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖5d中的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板500a的回波損耗的圖形。具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板500a的回波損耗(反射功率)是以db來度量的。超材料板500a在中心頻率5.75ghz處發(fā)生諧振。在此，與50歐姆的rf端口進(jìn)行阻抗匹配是-25db處或低于-25db處。阻抗匹配表示超材料板500a與標(biāo)準(zhǔn)rf端口相匹配，該標(biāo)準(zhǔn)rf端口的阻抗通常為50歐姆。-10db級(jí)別下的阻抗匹配帶寬為160mhz或者是超材料板500a的中心頻率的3％。阻抗匹配限定了超材料板500a的結(jié)構(gòu)的工作頻帶。

圖5f示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖5d中的具有直接饋電激勵(lì)機(jī)制的超材料板500a的輻射增益模式的等距視圖。如圖5d所示出的，超材料板500a具有單個(gè)具有能量的定向電磁能波束，該定向電磁能波束向上/向前輻射。該單個(gè)定向電磁波束是通過對(duì)整個(gè)四個(gè)超材料晶胞502進(jìn)行激勵(lì)而產(chǎn)生的。在所示實(shí)施例中，最大增益為4.4dbi，比先前圖5a所描述的實(shí)施例的最大增益小0.6db，而比先前包括16個(gè)超材料晶胞的實(shí)施例的最大增益小1.6db。由于本實(shí)施例中的導(dǎo)電背襯層的尺寸與先前實(shí)施例中的導(dǎo)電背襯層的尺寸相同，因此，和先前的實(shí)施例一樣，本實(shí)施例中直接輻射也是由所有超材料晶胞502的集體激勵(lì)引起的。

圖6a示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的用作可佩戴天線的超材料晶胞的配置，以及

圖6b示出了圖6a所描繪的結(jié)構(gòu)的放大截面圖。超材料晶胞602具有小尺寸，并且超材料晶胞602的尺寸小于任意手腕可佩帶手環(huán)的曲面半徑。這種尺寸的靈活性使得超材料晶胞602能夠被蝕刻到手環(huán)的曲面上。在所示出的示例中，存在可佩戴手環(huán)604。該可佩戴手環(huán)604是由柔性塑料制成的并且是柔性隔離器。在一個(gè)示例中，塑料的厚度大約為1.5毫米，以及內(nèi)徑約為60毫米。超材料晶胞602的數(shù)量為四個(gè)，并且超材料晶胞602以線性陣列配置進(jìn)行設(shè)置。在所示出的示例中，這四個(gè)超材料晶胞602中的每個(gè)的尺寸約為6毫米，然而，應(yīng)當(dāng)注意的是，在不偏離于本公開實(shí)施例的情況下，其他實(shí)施例中超材料晶胞602可以具有不同的尺寸。

在所示實(shí)施例中，用于激勵(lì)超材料晶胞602的激勵(lì)機(jī)制是直接饋電激勵(lì)機(jī)制。應(yīng)當(dāng)理解的是，在不偏離于本公開實(shí)施例的情況下，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，可以使用任意其他激勵(lì)機(jī)制來激勵(lì)超材料晶胞602。在直接饋電激勵(lì)機(jī)制中，一組通孔可以直接地激勵(lì)超材料晶胞602。在所示實(shí)施例中，僅存在單行超材料晶胞602，因此，可以不使用兩組通孔，而是可以使用單組通孔來激勵(lì)單行超材料晶胞602。在單組通孔中，一個(gè)通孔606a被配置成具有正極性接觸，以及另一個(gè)通孔606b被配置成具有負(fù)極性接觸。正極性通孔606a饋電和/或激勵(lì)一行超材料晶胞602的一半，以及負(fù)極性通孔606b饋電和/或激勵(lì)一行超材料晶胞602的另一半。圖3a更詳細(xì)地對(duì)直接饋電激勵(lì)機(jī)制進(jìn)行了說明。

在所示出的示例中，每個(gè)超材料晶胞602的尺寸為6mm×6mm×1.5mm(手環(huán)厚度)或0.11×0.11×0.03λ³，其中，λ為操作頻率下的波長(zhǎng)。手環(huán)604的內(nèi)徑為60mm，其類似于標(biāo)準(zhǔn)尺寸手腕佩戴式手環(huán)的內(nèi)徑。出于不同的目的，可以使用可替代尺寸的手環(huán)604。

圖6c示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖6a中的用作可佩戴天線的超材料晶胞的回波損耗的圖形。作為可佩戴天線的超材料晶胞602的回波損耗(反射功率)是以db來度量的。作為可佩戴天線的超材料晶胞602在5.75ghz的中心頻率處發(fā)生諧振，此時(shí)反射最小。工作諧振頻率是由超材料晶胞602的設(shè)計(jì)決定的而不是取決于超材料晶胞602的數(shù)量。在此，與50歐姆的rf端口進(jìn)行阻抗匹配是在-10db處或低于-10db處。阻抗匹配表示所述結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)rf端口相匹配，該標(biāo)準(zhǔn)rf端口的阻抗通常為50歐姆。-10db級(jí)別下的阻抗匹配帶寬為500mhz，這相當(dāng)大并且限定了被配置為可佩戴天線的超材料晶胞602的結(jié)構(gòu)的工作頻帶。除了上述其他優(yōu)點(diǎn)以外，由于該較大自然帶寬，本實(shí)施例對(duì)于可佩戴天線而言是理想的，原因在于具有調(diào)節(jié)阻抗的多余帶寬是可取的，而該阻抗提供了來自于相鄰結(jié)構(gòu)(諸如手環(huán)604后面的對(duì)象(例如，人手))的調(diào)諧效應(yīng)。圖6d示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖6a中的用作可佩戴天線的超材料晶胞的輻射增益模式的三維等距視圖。如圖6d所示出的，作為可佩戴天線的超材料晶胞602具有單個(gè)具有能量的定向電磁能波束，該定向電磁能波束向上/向前(即沿著z軸)輻射。該單個(gè)定向電磁能波束是通過激勵(lì)多個(gè)超材料晶胞602的方式生成的，并且存在朝向手環(huán)604的內(nèi)側(cè)進(jìn)入人的手腕的最小輻射。在所示實(shí)施例中，最大增益為3.7dbi，以及天線輻射效率為91％。

圖7a示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的被配置成可佩戴天線的超材料晶胞的結(jié)構(gòu)，以及圖7b示出了圖7a所描繪的結(jié)構(gòu)的放大截面圖。圖7a示出了作為可佩戴/柔性/保形天線的輻射超材料晶胞702的另一實(shí)施例。在該實(shí)施例中，手環(huán)704的尺寸可以與圖6a的實(shí)施例中所描述的手環(huán)的尺寸相同，然而，存在附接在手環(huán)704的曲面上的三個(gè)小尺寸的超材料晶胞702。

在所示實(shí)施例中，三個(gè)超材料晶胞702是使用四個(gè)rf端口706進(jìn)行探測(cè)的，使得其結(jié)構(gòu)等同于密度極高的4天線陣列。在接收模式配置中，三個(gè)超材料晶胞702吸收指向不同的規(guī)定位置的rf能量。換言之，這三個(gè)超材料晶胞702操作為以高吸收效率吸收電磁輻射的統(tǒng)一材料。

通過將四個(gè)局部化rf端口706插入三個(gè)超材料晶胞702的方式對(duì)三個(gè)超材料晶胞702進(jìn)行分接。然后該電力特定地指向局部化rf端口706。基于此，這種具有超材料晶胞702的結(jié)構(gòu)作為具有接收所吸收的能量的多個(gè)rf端口706的密集天線陣列。這種結(jié)構(gòu)對(duì)于物理上非常小的接收器而言是理想的，其中，需要將所接收的電力同時(shí)分發(fā)給多個(gè)信道。此外，多個(gè)密集設(shè)置的rf端口706可以接收相位控制，從而產(chǎn)生電子調(diào)制rf模式。

在一實(shí)施例中，這種具有超材料晶胞702的結(jié)構(gòu)具有與接收器asci(未示出)相匹配的非常小的形狀因數(shù)。asci位于該結(jié)構(gòu)底部處的導(dǎo)電背襯層后中央，并且將被配置成將其輸入端連接至四個(gè)rf端口706。由于可以在不同的位置處執(zhí)行所述分接，因此asci要求每個(gè)rf端口具有較小的電力。為了獲得該結(jié)構(gòu)的帶寬，需要該基底的間距以及厚度。在示意性實(shí)施例中，使用包括三個(gè)超材料晶胞702和四個(gè)rf端口706的結(jié)構(gòu)可以獲得2ghz帶寬。

圖8a示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的被配置成可以在標(biāo)準(zhǔn)pcb板上制造的平坦天線陣列的超材料板800的結(jié)構(gòu)的等距視圖。在一實(shí)施例中，輻射超材料晶胞802被配置成天線陣列以接收和/或發(fā)送rf信號(hào)。超材料晶胞802被連接至4個(gè)rf端口，使得該結(jié)構(gòu)等同于間隔相當(dāng)近的四個(gè)天線。本實(shí)施例與圖7a中的可佩戴配置等同，但是，適合于系統(tǒng)的平坦平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)平板上的。在工作的接收模式下，所吸收的電力特定地指向局部化rf端口804和806。該結(jié)構(gòu)對(duì)于物理上的小接收器而言是理想的，其中，需要將所接收的電力同時(shí)分發(fā)給多個(gè)信道。此外，多個(gè)密集設(shè)置的rf端口804和806可以接收相位控制，從而產(chǎn)生電子調(diào)制rf模式。

在所示出的示例中，每個(gè)超材料晶胞802的尺寸為6mm×6mm×1.5mm(手環(huán)厚度)或0.11×0.11×0.03λ³，其中，λ為工作頻率下的波長(zhǎng)。整個(gè)超材料結(jié)構(gòu)的尺寸為6mm×18mm×1.5mm或者0.11×0.33×0.03λ³。可以使用可替代尺寸的超材料晶胞802和可替代的手環(huán)厚度。

圖8b示出了用于描繪根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖8a中的被配置成天線陣列的超材料板800的回波損耗的圖形。作為天線陣列的超材料板800的回波損耗(反射功率)是以db來度量的。阻抗匹配是在-10db處。阻抗匹配表示作為天線陣列的超材料板800與標(biāo)準(zhǔn)rf端口相匹配，該標(biāo)準(zhǔn)rf端口的阻抗通常為50歐姆。-10db級(jí)別下的阻抗匹配帶寬為2ghz或者是超材料板800的中心頻率的35％。這限定了作為平坦天線陣列的超材料板的工作頻帶。

圖8c示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的、圖8a中的被配置成天線陣列的超材料板的輻射增益模式的等距視圖。如圖1c所示出的，作為天線陣列的超材料板800具有單個(gè)具有能量的定向電磁能波束，該定向電磁能波束向上/向前(即沿著z軸)輻射。該單個(gè)定向電磁波束是對(duì)所有的超材料晶胞802進(jìn)行激勵(lì)而產(chǎn)生的。在所示實(shí)施例中，最大增益為3.6dbi至3.8dbi。由于導(dǎo)電背襯層(位于超材料板800的底部)的尺寸與先前的實(shí)施例所定義的尺寸相同，因此，與先前的實(shí)施例一樣，本實(shí)施例中的直接輻射也是由多個(gè)超材料晶胞802的集體激勵(lì)引起的。此外，在超材料板800的背側(cè)存在最小輻射，且天線輻射效率約為90％。

圖9a示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的包括兩個(gè)正交子陣列的超材料板的等距視圖。在所示實(shí)施例中，存在布局在公共介電基板上的兩個(gè)子陣列902a和902b。兩個(gè)子陣列902a和902b均具有與4個(gè)rf端口連接的三個(gè)超材料晶胞，從而使得每個(gè)子陣列902a和902b的結(jié)構(gòu)都等同于間隔非常近的四個(gè)天線。對(duì)于所有的8個(gè)rf端口而言，兩個(gè)子陣列902a和902b的阻抗匹配可以等于圖8b所示出的每個(gè)超材料板800。

在一實(shí)施例中，如果僅圖9a中的子陣列902a的超材料晶胞是有效的，則圖9b示出了從頂部所觀看的3d輻射增益。圖9b還示出了結(jié)構(gòu)在z軸上的遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)處的極化，即，電場(chǎng)方向。在一實(shí)施例中，如果僅圖9a中的子陣列902b的超材料晶胞是有效的，則圖9c示出了從頂部所觀看的3d輻射增益。圖9c還示出了結(jié)構(gòu)在z軸上的遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)處的極化，并且沿著z軸的極化與圖9c中的極化正交。

在所示實(shí)施例中，當(dāng)該結(jié)構(gòu)的所有8個(gè)rf端口是有效的，即，當(dāng)兩個(gè)子陣列902a和902b均具有有效rf端口，則輻射增益如圖9d和圖9e所示。輻射增益為菱形或旋轉(zhuǎn)方形。當(dāng)所述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)為按照所示出的輻射增益模式的接收器時(shí)，明顯的是，該結(jié)構(gòu)接收要么沿著x軸要么沿著y軸方向極化的電磁能量。因此，這種具有兩個(gè)子陣列902a和902b的超材料板結(jié)構(gòu)是非常緊湊且相當(dāng)高效的雙線性極化接收器陣列。這種結(jié)構(gòu)能夠接收這兩種極化，從而始終存在根據(jù)所接收的rf信號(hào)為電池或其他可充電裝置進(jìn)行充電的信號(hào)。

圖10示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的用于形成超材料板的方法。

在步驟1002處，形成背襯層。在超材料板的制造過程中，導(dǎo)電背襯層被設(shè)置在超材料板的結(jié)構(gòu)的底部。在步驟1004處，形成超材料層。超材料層可以由超材料基底形成。在一實(shí)施例中，可以將超材料層沉積在導(dǎo)電背襯層上方，然后將超材料層蝕刻以在步驟1006處創(chuàng)建超材料晶胞陣列。此后，術(shù)語(yǔ)“晶胞”和“超材料晶胞”可以互換使用。在一實(shí)施例中，導(dǎo)電背襯層與超材料層之間的間距使得導(dǎo)電背襯層與超材料層之間不存在短路以便于使得超材料晶胞能夠進(jìn)行輻射。可以在超材料層下方、導(dǎo)電背襯層102上方沉積介電層或者通常為二氧化硅的絕緣材料。

在步驟1006處，可以創(chuàng)建多個(gè)分區(qū)。在超材料層中創(chuàng)建表面。在一實(shí)施例中，所創(chuàng)建的表面是大體上平坦表面。在另一實(shí)施例中，所創(chuàng)建的表面可以不是大體上平坦表面或平坦表面。超材料層的表面可以由多個(gè)分區(qū)組成。所述多個(gè)分區(qū)被創(chuàng)建在超材料層的表面上。多個(gè)分區(qū)中的每個(gè)分區(qū)包括相同的晶胞。在一個(gè)可替代實(shí)施例中，兩個(gè)不同的分區(qū)可以包括不同的晶胞。

在步驟1008處，在每個(gè)分區(qū)中創(chuàng)建晶胞。晶胞被限定成表面，其周期性地重復(fù)填充每個(gè)分區(qū)的表面。在晶胞的表面內(nèi)，可以刻劃有方形或其他任意形狀的金屬貼片。在金屬貼片內(nèi)存在孔?？妆幌薅ǔ墒沟迷摽椎倪吘壩挥诮饘儋N片的邊緣內(nèi)且具有一定的間距。在步驟1010處，將金屬元件設(shè)置在每個(gè)孔中以形成晶胞。在一實(shí)施例中，該元件是可以被設(shè)置在每個(gè)孔中以形成晶胞的圓形元件(或盤)。因此，晶胞被限定為包括晶胞表面、所刻劃的金屬貼片、金屬貼片內(nèi)的孔以及孔內(nèi)的金屬元件組成的復(fù)合形狀。共同形成超材料層的多個(gè)分區(qū)中的每個(gè)不同的分區(qū)可以由不同類型的晶胞組成。

在步驟1012處，在背襯層上形成rf端口。這些rf端口可以位于導(dǎo)電背襯層之上或之后。rf端口可以包括具有任意形狀并且由塑料、金屬或任意其他便利材料制成的外殼。在步驟1014處，將晶胞連接至rf端口。介電層以被掩模并刻蝕以打開公知為過孔的狹窄側(cè)面開口。每個(gè)過孔作為開口分別穿過介電層延伸至超材料層的一部分。在一實(shí)施例中，存在過孔的目的是通過將晶胞與rf端口連接來在超材料板的不同金屬層之間提供電氣路徑。

所提供的前述方法描述和處理流程圖僅作為示例性目的并且并非意在要求或暗示各個(gè)實(shí)施例中的步驟必須按照所提出的順序來執(zhí)行。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，可以按照任意順序來執(zhí)行前述實(shí)施例。文字(諸如，“然后”，“接下來”等)并非意在限制步驟的順序；這些文字僅簡(jiǎn)單地用于引導(dǎo)讀者閱讀對(duì)方法的描述。盡管處理流程圖可能將操作描述為順序處理，但是多個(gè)這些操作可以并行地或同時(shí)執(zhí)行。此外，操作的順序可以被重新布置。處理可以對(duì)應(yīng)于方法、函數(shù)、過程、子例程、子程序等。當(dāng)處理對(duì)應(yīng)于函數(shù)時(shí)，該函數(shù)的終止可以對(duì)應(yīng)于所述函數(shù)返回到調(diào)用函數(shù)或主函數(shù)。

本文中結(jié)合實(shí)施例所描述的各個(gè)示意性邏輯塊、模塊、電路以及算法步驟可以實(shí)現(xiàn)為電子硬件、計(jì)算機(jī)軟件或兩者的組合。為了清楚地說明硬件和軟件的這種可互換性，以上主要按照功能對(duì)各種示例性的組件、塊、模塊、電路和步驟進(jìn)行了說明。這種功能是實(shí)施為硬件還是軟件取決于特定應(yīng)用和施加于整個(gè)系統(tǒng)上的設(shè)計(jì)限制條件。對(duì)于每個(gè)特定應(yīng)用，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以用不同方式實(shí)現(xiàn)所描述的功能性，但是這些實(shí)現(xiàn)決策不應(yīng)該被解釋為導(dǎo)致偏離本發(fā)明的保護(hù)范圍。

各種實(shí)施在計(jì)算機(jī)軟件中的實(shí)施方式可以通過硬件、軟件、固件、中間件、微代碼、硬件描述語(yǔ)言、和/或它們的組合來實(shí)現(xiàn)。可以用代碼段或可執(zhí)行的機(jī)器指令來表示過程、函數(shù)、子程序、程序、例程、子例程、模塊、軟件包、類、或指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或程序語(yǔ)句的任意組合。通過傳遞和/或接收信息、數(shù)據(jù)、變?cè)?、參?shù)、和/或存儲(chǔ)器內(nèi)容，代碼段便可以耦合到另一個(gè)代碼段或硬件電路。信息、變?cè)?shù)、數(shù)據(jù)等可以通過任何合適的方式被傳遞、轉(zhuǎn)發(fā)或發(fā)送，所述方式包括存儲(chǔ)器共享、消息傳遞、令牌傳遞、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)取?/p>

用于實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)和方法的實(shí)際軟件代碼或?qū)Ｓ每刂朴布幌拗票景l(fā)明。因此，在沒有參考具體軟件代碼的情況下描述了這些系統(tǒng)和方法的操作和行為，應(yīng)當(dāng)理解，軟件和控制硬件可以被設(shè)計(jì)成實(shí)現(xiàn)基于本文描述的系統(tǒng)和方法。

當(dāng)在軟件中執(zhí)行功能時(shí)，該功能可作為一條或多條指令或代碼存儲(chǔ)在非易失性計(jì)算機(jī)可讀或處理器可讀存儲(chǔ)介質(zhì)上。本文所公開的方法或算法的步驟可以體現(xiàn)在處理器可執(zhí)行軟件模塊中，該處理器可執(zhí)行軟件模塊可以駐留在計(jì)算機(jī)可讀或處理器可讀存儲(chǔ)介質(zhì)上。非易失性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或處理器可讀介質(zhì)包括計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)和有形的存儲(chǔ)介質(zhì)二者，所述二者有利于將計(jì)算機(jī)程序從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方。非易失性處理器可讀存儲(chǔ)介質(zhì)可以是計(jì)算機(jī)能夠訪問的任意可獲得的介質(zhì)。以示例而非限制的方式，該非易失性處理器可讀介質(zhì)可包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其它光盤存儲(chǔ)設(shè)備、磁盤存儲(chǔ)設(shè)備或其它磁性存儲(chǔ)設(shè)備，或可用于存儲(chǔ)以指令或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式可被計(jì)算機(jī)或處理器訪問的所需程序代碼的任何其他有形存儲(chǔ)介質(zhì)。本文所使用的磁盤和光盤包括壓縮盤(cd)、激光盤、光學(xué)盤、數(shù)字多功能盤(dvd)、軟盤和藍(lán)光盤，其中，磁盤通常以磁的方式再現(xiàn)數(shù)據(jù)，而光盤采用激光以光學(xué)的方式再現(xiàn)數(shù)據(jù)。上述的組合也應(yīng)該包含在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的范圍內(nèi)。此外，方法或算法的操作可作為代碼和/或指令的一個(gè)或任何組合或集合而存在于非易失性處理器可讀介質(zhì)和/或計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上，這些介質(zhì)可以合并到計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品中。