用於無線充電系統的天線的製作方法

2023-05-04 02:07:31

本申請大體上涉及無線充電系統，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的超材料晶胞。

背景技術：

已經製造了多種無線充電系統用於將能量無線地傳送至電子裝置，在此，接收設備會使用所傳送的能量並將其轉化為電能。無線充電系統還能夠按照有意義的距離傳送能量。無線充電系統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位置處、進行測向以及增大容量。

新一代無線充電系統做出了將各種技術結合以實現高性能目標的多種嘗試。然而，由於存在包括天線陣列的設計在內的大量實際設計因素，新一代無線充電系統可實現的性能仍然受限。由於新一代無線充電系統中存在嚴格的空間限制，因此將多個間距大的天線容納在現代無線充電系統中就非常困難。通常，天線的維度是由對該天線而言所設計的工作頻率決定的。理想天線是電磁波長的若干倍，從而使得天線可以支持駐波(standingwave)。天線通常無法滿足這個約束，因為在新一代無線充電系統中的特定設計中，天線設計者要麼要求天線小於特定波長，要麼天線很簡單從而沒有被分配所需要的容積。當天線不具備理想維度時，天線將失去功效。通常，天線還被用於捕獲電磁波上所編碼的信息。然而，如果天線小於進入的電磁波長，那麼捕獲所述信息是低效的並且會損耗相當大的電力。為了滿足這樣的要求設計準則，不斷地促使天線設計者為新一代無線充電系統尋找能夠在其上建立天線系統的更好的材料。

近年來，天線設計者已經使用了多種超材料。超材料是一大類合成材料，這類合成材料已經被工程化成產生自然材料中未發現的介電常數值和磁導率值或其他物理特性，並且與天線系統需求保持一致。已經在理論上論證了：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(hostmedia)介質而產生的材料進行裁剪以展現出所期望的特性。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天線還能以可接受的效率工作。

在用於新一代無線充電系統的天線系統的背景下，已經將超材料作為基底或基頂用在現有天線上來增強現有天線的屬性。在現有技術中，通常將超材料集成在天線的後面，要麼與印刷天線一起被單片地集成在同一印刷電路板(pcb)上，要麼作為獨立結構設置成靠近天線。可代替地，可以將超材料集成到已定向天線以進一步增強其方向性和增益。將超材料集成到天線的益處在於其增強了天線的多種屬性，諸如，其創建了一個或更多個定向波束。應當注意的是，某些超材料在保持非常薄的外形的同時還可以將全向天線轉換成完全定向的天線。然而，由於同時存在天線層和超材料層，因此用於新一代無線充電系統的超材料天線系統無法實現最佳尺寸和性能。因此，在本領域中，存在具有如下性能的超材料天線系統的需求：能夠為具有嚴格空間限制的現有無線充電系統提供最佳尺寸和性能。

技術實現要素：

超材料是人工複合材料，該人工複合材料實現了超出了均勻材料限制的性能並且呈現出自然形成物中沒有發現的屬性。這類人工結構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展所述材料的電磁屬性範圍來構造的。當電磁波進入材料時，該電磁波的電場和磁場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動，從而改變了材料中的電磁波傳播特性，例如，速度、波長、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設計的人工晶胞相互作用。在一實施例中，超材料可以包括形成在電介質基底之上或其中的晶胞陣列，並且被配置成向電力電子設備輻射無線電力信號。

在一實施例中，無線傳輸設備包括超材料晶胞。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於表面的邊緣內並且間隔有一定距離。孔內設置有天線元件。

在另一實施例中，提供了一種用於形成晶胞的方法。該方法包括使用超材料基底形成超材料層。可以在超材料層上創建表面，並且可以在超材料層的表面中創建帶孔的金屬貼片。可以在孔中設置天線元件以形成晶胞。

在另一實施例中，無線傳輸設備的超材料系統(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，每個超材料晶胞均可以包括帶孔的表面。孔被限定為使得孔的邊緣位於表面的邊緣內並且間隔有一定距離。將天線元件設置在孔內。超材料系統還可以包括設置在位於超材料層下方的背襯層上的至少一個輸入rf埠，使得導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埠連接。

在另一實施例中，提供了一種用於形成超材料系統的方法。該方法包括形成背襯層。超材料層可以由超材料基底形成。可以在背襯層上方形成超材料層。可以在超材料層中創建多個分區，其中每個分區限定多個晶胞中的一個晶胞的一部分。該方法還包括在每個分區中創建孔，其中，孔被限定為使得孔的邊緣位於其中以一定間隔距離創建有孔的分區的邊緣內。可以在所述多個分區的每個分區中的孔中設置元件。可以在背襯層上形成至少一個輸入rf埠，使得背襯層與超材料層之間沒有短路。可以通過至少一組過孔將晶胞與輸入rf埠連接。

附圖說明

本專利或申請文件包含至少一個以彩色作成的附圖。經過請求並支付了必要費用之後，專利局會提供帶有彩色附圖的該專利或專利申請公開的副本。

附圖構成本說明書的一部分並且示出了本發明的實施例，所述附圖與所述說明書一起用於對本發明進行說明。

圖1a示出了根據示例性實施例的具有非接觸式電容耦合機制的超材料板的結構的等距視圖。

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

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

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

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

圖2示出了根據示例性實施例的具有共面耦合機制的超材料板的結構的等距視圖。

圖3a示出了根據示例性實施例的具有直接饋電激勵機制的超材料板的結構的等距視圖。

圖3b示出了用於描繪根據示例性實施例的、圖3a中的具有直接饋電激勵機制的超材料板的回波損耗的圖形。

圖3c示出了根據示例性實施例的、圖3a中的具有直接饋電激勵機制的超材料板的輻射增益模式的等距視圖。

圖3d示出了根據示例性實施例的、圖3a中的具有直接饋電激勵機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示出了根據示例性實施例的具有直接饋電激勵機制的超材料板的結構的等距視圖。

圖3f示出了用於描繪根據示例性實施例的、圖3e中的具有直接饋電激勵機制的超材料板的回波損耗的圖形。

圖4示出了根據示例性實施例的具有非接觸式電容耦合機制、共面耦合機制以及直接饋電激勵機制的超材料板的結構的放大截面圖。

圖5a示出了根據示例性實施例的具有直接饋電激勵機制的超材料板的結構的等距視圖。

圖5b示出了用於描繪根據示例性實施例的、圖5a中的具有直接饋電激勵機制的超材料板的回波損耗的圖形。

圖5c示出了根據示例性實施例的、圖5a中的具有直接饋電激勵機制的超材料板的輻射增益模式的等距視圖。

圖5d示出了根據示例性實施例的具有直接饋電激勵機制的超材料板的結構的等距視圖。

圖5e示出了用於描繪根據示例性實施例的、圖5d中的具有直接饋電激勵機制的超材料板的回波損耗的圖形。

圖5f示出了根據示例性實施例的、圖5d中的具有直接饋電激勵機制的超材料板的輻射增益模式的等距視圖。

圖6a示出了根據示例性實施例的用作可佩戴天線的超材料晶胞的配置。

圖6b示出了根據示例性實施例的用作可佩戴天線的超材料晶胞的放大截面圖。

圖6c示出了用於描繪根據示例性實施例的、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示出了根據示例性實施例的、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示出了根據示例性實施例的被配置成可佩戴天線的超材料晶胞的結構。圖7b示出了根據示例性實施例的被配置成可佩戴天線的超材料晶胞的結構的放大截面圖。

圖8a示出了根據示例性實施例的被配置成天線陣列的超材料板的結構的等距視圖。

圖8b示出了用於描繪根據示例性實施例的、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示出了根據示例性實施例的、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示出了根據示例性實施例的包括兩個正交子陣列的超材料板的等距視圖。

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

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

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

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

圖10示出了根據示例性實施例的用於形成超材料板的方法。

具體實施方式

本文參考在此作為本申請的一部分的附圖中所描繪的實施例對本發明進行詳細地描述。在不偏離於本發明的主旨或範圍的情況下，可以使用其他實施例和/或做出其他變更。詳細說明書中所描述的示例性實施例並非意在對本文所提出的主題進行限制。

在一實施例中，以任意材料製作的結構對電磁波的響應可以通過如下全部參數來描述，諸如，材料的介電常數和磁導率，其中，結構的維度要遠小於電磁波的波長。材料的每個點處的介電常數和磁導率可能相同或不同，使得材料的整體介電常數和磁導率在某種程度上規律地分布。規律分布的磁導率和介電常數可以使得材料對於電磁波呈現出宏觀響應，例如，聚集電磁波、分散電磁波等等。這樣的具有規律分布的磁導率和介電常數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生符合系統需求的介電常數和磁導率特徵。通過將通常為周期結構的特定結構嵌入到通常為介電基底的某些主體基質，所產生的材料被裁剪成展現出所期望的特性。這些材料能夠使得通過一個重要因數來使得該天線微型化同時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化為定向輻射天線。

在一實施例中，本發明的超材料不需要額外的天線層來使得超材料進行輻射。超材料自身發生輻射，並且同時，超材料保持了傳統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，超材料不需要天線進行輻射，因為超材料自身就能發生輻射。

在一實施例中，本發明的超材料的作用等同於人工磁導體。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品中，諸如，可佩帶手環。

在一實施例中，提供了包括至少兩個金屬層和一個薄基底的超材料系統(還稱之為超材料板)。相比於現有技術的實現方式，本發明的超材料系統的結構不提供天線布置層，由於現有技術中存在用於布置天線的附加天線層，因此現有技術需要至少三層金屬層。此外，因為缺乏附加天線層，本發明的超材料系統的尺寸要比現有技術實現方式更薄，通常以規定的相對於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的整體系統的厚度。因此，由於不存在任何天線層使得本發明的超材料系統具有非常薄的輪廓，並且適合於以低成本進行高密度集成。

在一實施例中，提供了一種由幾個子波長尺寸的「人工原子」或輻射超材料晶胞組成的超材料系統。該超材料系統是通過同時對所有的輻射超材料晶胞進行電磁激勵的方式來工作的。超材料系統還具有多個自由度，這些自由度可以轉化成使用傳統單天線無法獲得的波束形成可能性。在一示例中，超材料系統的一些區域包含輻射超材料晶胞，這些區域與同一超材料系統的其他區域相比具有不同的設計和輻射屬性。輻射超材料晶胞有利於創建波束形成和/或光束控制而無需引入任何移相網絡。

在一實施例中，提供了一種由幾個輻射超材料晶胞組成的超材料系統。通過恰當地設計輻射超材料晶胞，超材料系統可以獲得線性、圓形或橢圓極化。通過由輻射超材料晶胞的區域組成的超材料系統，可以獲得線性、圓形或橢圓極化屬性，其中，每個輻射超材料晶胞相對於其他超材料晶胞具有不同的設計。換言之，由於輻射超材料晶胞自身能夠進行輻射，因此恰當地設計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。

在一實施例中，提供了一種由多個輻射超材料晶胞組成的超材料系統。這些輻射超材料晶胞可以通過由集成二極體、rf微機電(mem)設備或其他裝置實現的開關進行電氣互連，從而形成更大的輻射域或不同超材料的「超級晶胞」，更大的輻射域或不同超材料的「超級晶胞」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。

在一實施例中，提供了由一個晶胞陣列構成的超材料系統。該晶胞陣列自身能夠進行輻射並且具有工程化的超材料。在一種實現方式中，可以通過將晶胞陣列中的相鄰晶胞連接來構造開關陣列。換言之，超材料系統由晶胞的晶格組成，並且可以通過二極體將相鄰的晶胞的晶格連接來製造開關的晶格。開關的晶格可以疊加在晶胞的晶格上，並且由於開關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構，一種類型的晶胞沒有被連接，而另一種類型的晶胞是每對晶胞都被連接。在後一種情況下，電氣尺寸可以根據開關是斷開還是閉合而發生變化。在該結構中，可以根據開關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，其中頻率調諧是通過開關的連接性來設置的。

在一實施例中，提供了一種由多個輻射超材料晶胞組成的超材料系統。超材料晶胞尺寸非常小，由此產生的超材料天線佔據了小形狀因數，並且理想地適合於遵循可佩戴和其他適形應用的彎曲形狀。換言之，形狀因數與超材料晶胞的尺寸成比例。由於更小的尺寸，超材料晶胞可以被設置在柔性/可佩戴基底上以實現可佩戴天線或具有可彎曲幾何形狀的天線。

在一實施例中，提供了一種由幾個輻射超材料晶胞組成的超材料體系統。超材料晶胞尺寸非常小，由此其具有較小的形狀因數，並且由於小形狀因數，輻射超材料晶胞可以被設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發送或接收電磁波的雙線性極化天線系統。以正交線性極化方式來同時進行電磁波的發送和接收可以在諸如彎曲的可佩帶平臺(例如，可佩戴手環)之類的非常小的區域內實現。

在一實施例中，提供了一種由多個輻射超材料晶胞組成的超材料系統。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範圍的頻率上(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)。在另一實施例中，可以通過將局部化射頻(rf)埠插入任意超材料晶胞來對輻射超材料晶胞進行分接。然後，該電力特定地指向這些rf埠。因此，輻射超材料晶胞用作具有接收所吸收能量的多個rf埠的密集天線陣列。這種超材料系統對於非常小的接收器是理想的，其中，所接收的電力可以同時分發到多個信道。可以實現高密度的rf埠，其中，每個這樣的rf埠分接相鄰的輻射超材料晶胞。只要採用額外的去耦技術，就可以實現甚至更高密度的rf埠，一些rf埠分接相同的輻射超材料晶胞。此外，這些多個密集設置的rf埠可以接受相位控制，從而產生電子調製rf模式。

現在將參考附圖中所示的示意性實施例，並且這裡將使用特定語言來描述。然而，應當理解，因此不意圖限制本發明的範圍。對於相關領域的技術人員以及擁有本公開內容的本領域技術人員將想到的本文所示的本發明特徵的改變和進一步的修改，以及本文所示的本發明的原理的其他應用被認為在發明的範圍內。圖1a示出了根據示例性實施例的具有非接觸式電容耦合機制的超材料板100的結構的等距視圖。在此，所示出的超材料板100是通過標準印刷電路板(pcb)技術利用三層金屬層來實現的。這三層層金屬層可以包括導電背襯層102、超材料層104以及耦合層106。此外，導電背襯層102與超材料層104之間設置有介電層108。

在超材料板100的製造過程中，將導電背襯層102設置在超材料板100的結構的底部。可以將超材料層104沉積在導電背襯層102上方，然後可以將超材料層蝕刻以創建超材料晶胞104a陣列。在下文中，術語「晶胞」和「超材料晶胞」可以互換使用。在一實施例中，導電背襯層102與超材料層104之間的間距使得導電背襯層102與超材料層104之間不存在短路，從而使得超材料晶胞104a能夠進行輻射。可以在超材料層104下方、導電背襯層102上方沉積介電層108或者通常為二氧化矽的絕緣材料。

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個輻射超材料晶胞104a。每個超材料晶胞104a均可以包括表面。在一實施例中，該表面可以是大體上平坦的表面。在另一實施例中，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，該方形金屬貼片內刻劃(inscribe)有孔104c。方形金屬貼片104b並不完全填充超材料晶胞的表面，而是略小於超材料晶胞。孔104c被限定成使得該孔104c的邊緣位於方形金屬貼片104b的邊緣內並且間隔有一定距離。在一個示例中，孔104c可以是圓形孔。可以將元件104d設置在孔104c內以形成圓形槽(slot)。在另一示例中，孔可以是由圓形孔104c以及設置在該圓形孔104c內的元件104d形成的狹窄圓形槽。在所示實施例中，因為孔104c的形狀為圓形，所以作為圓形金屬盤的元件104d被設置到孔104c內形成了圓形槽。本領域技術人員應當理解的是，孔104c的形狀並非限定於圓形，並且，不偏離於本公開實施例的範圍的情況下，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，因為超材料晶胞的表面略大於其中刻劃的方形金屬貼片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的邊緣隔開的細槽。在一實施例中，超材料晶胞104a的陣列的一個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。

在一實施例中，一個超材料晶胞104a其自身無法進行高效地輻射並且也無法與所需的阻抗值進行匹配。換言之，一個超材料晶胞104a不具備用作標準天線的性能。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個晶胞104a。然而，應當注意的是，在不偏離於所公開的實施例的情況下，其他實施例中超材料板100可以包括任意數量的晶胞104a。

在另一實施例中，超材料層104可以包括形成於介電基底之上或內部的晶胞104a的陣列。在一些實施例中，超材料層104可以包括晶胞104a的一堆二維陣列，其中，晶胞104a的每個二維陣列是形成在各自的介電基板之上或內部。在該實施方式中，通過堆積晶胞104a來構造磁導率增強超材料，並且磁導率增強超材料可以藉助於其結構來存儲磁能。在本發明的實施例中，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。當磁場法向地穿過圓形元件104d的平面並且環路中感應出電流時，晶胞104a中會創建磁能存儲。

介電層108可以被掩模並刻蝕以打開公知為過孔的狹窄側面開口110。每個過孔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的表面行進並且穿過超材料板100的每一層。在另一實施例中，過孔110可以從超材料板100的一層或超材料板的表面行進並且穿過超材料板100的其它層，然而卻在未行進穿過這些層之一便停止。在超材料板100的第一表面，過孔110可以終止於耦接至集成電路的連接焊點。超材料板100的相對面被耦接至pcb。如上面所討論的，某些過孔110可以完全地穿過超材料100的整個核心。其他過孔110可以是獨立的過孔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所起到的作用有關的幾個因素的設計選擇的問題。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，可以通過機械鑽孔、衝壓或者蝕刻方式形成穿過各層的這些特定過孔110。可以利用用於在各層之間提供電氣路徑的可替代技術。

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埠112。這些rf埠113可以位於導電背襯層102之上或之後。rf埠112可以包括具有任意形狀並且由塑料、金屬或任意其他便利材料製成的外殼。輸入rf埠112可以被配置成使得兩個或更多個子模塊能夠可拆卸地位於外殼內或附接至外殼。即，子模塊被可拆卸地電氣耦接，並且可拆卸地插入到外殼內。在可替代實施例中，子模塊可拆卸地附接至外殼的外部。輸入rf埠112並不限於兩個子模塊，並且可以被配置成容納有3個、4個或甚至更多個這種子模塊。這些子模塊可以包括經由rf能量進行通信的多種電氣元件。通常，這些子模塊能夠實現這些部件的許多功能。

在另一實施例中，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合在過孔的底部的金屬接觸結構，並且使得接觸點穿過導電背襯層102與最上面的耦合層106之間的層。過孔110的幾何圖形以及現在填充過孔110的接觸結構通常是圓形的，然而，過孔110還可以是諸如溝槽形狀的其他形狀。過孔110可以被設置成使得填充過孔110的金屬結構提供超材料板100的兩個獨立的金屬層之間的接觸。

在一實施例中，非接觸式電容耦合激勵機制被用於激勵超材料板100的結構。非接觸式電容耦合激勵機制所利用的一些部件被設置在超材料層104的上方並且位於超材料板100的中央以激勵超材料板100的結構。這些部件至少包括位於耦合層106上的多個襯墊114。多個襯墊114被用於激勵超材料板100的超材料晶胞。多個襯底114通過過孔110進行連接，過孔110穿過超材料板100的超材料層104向上到達超材料板100的導電背襯層106。在本實施例中，在與將rf電源從輸入rf埠112耦接至超材料層104的電容結構沒有直接接觸的情況下，實現了對超材料層104的超材料晶胞的激勵。此外，位於超材料層104上方並且穿過過孔110到達超材料板100的結構後部的多個(方形)襯墊114激勵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機制使得三層金屬層的超材料板100有效。在本文進一步描述的可替代實施例中，超材料板100的激勵可以利用少於或多餘三層金屬層。在一實施例中，兩個過孔110連接至rf埠112，從而具有正極性和負極性。負電位處的一個過孔110被配置成激勵超材料晶胞104a的一半，而兩個過孔110中位於正電位處的的另一個過孔被配置成激勵剩餘一半超材料晶胞104a。在非接觸式電容耦合機制中，單個過孔110與相應的襯墊114同時對超材料板100的相鄰超材料晶胞進行激勵，因為相應的襯墊114尺寸有限並且對應的襯墊114等同地與兩個相鄰超材料晶胞耦接。

在一個示意性實施例中，超材料晶胞104a是包括孔的方形金屬104b以及被設置在孔104c內的金屬元件104d周圍的方形表面。金屬元件104d是直徑小於孔104c的直徑的圓形金屬盤。孔104c的尺寸與工作頻率成反比。如果孔104c的尺寸減小，被設置在孔104c內部的金屬元件104d的尺寸也減小，則工作頻率增大。如果孔104c的尺寸增大，被設置在孔104c內部的金屬元件104d的尺寸也增大，則超材料晶胞104a的工作頻率將減小。孔104c可以是圓形。在一個可替代實施例中，孔104c可以是橢圓形。可以利用可替代形狀。

在一個示意性實施例中，超材料板100的輻射結構是線性極化，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的輻射結構發射輻射，其中，電場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的輻射結構接收輻射。

圖1b示出了用於描繪根據示例性實施例的、圖1a中的具有非接觸式電容耦合機制的超材料板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下發生諧振。在此，與50歐姆的rf埠的進行阻抗匹配是在低於-25db處。阻抗匹配表示具有非接觸式電容耦合機制的超材料板100與標準rf埠相匹配，該標準rf埠的阻抗通常為50歐姆。-10db級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制的超材料板100的結構的工作頻帶。在一實施例中，可以將具有非接觸式電容耦合機制的超材料板100的維度選擇成使得具有非接觸式電容耦合機制的超材料板100被調諧至大約500ghz的標準工作頻率。在另一實施例中，在不偏離於本公開實施例的範圍的情況下，通過修改所提出的形狀也是可以實現與其他rf埠值的阻抗匹配。

圖1c示出了根據示例性實施例的、圖1a中的具有非接觸式電容耦合機制的超材料板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制的超材料板100具有單個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。該單個定向電磁波束是通過對超材料板100的整個16個超材料晶胞104a進行激勵而產生的。

圖1d示出了根據示例性實施例的、圖1a中的具有非接觸式電容耦合機制的超材料板100的輻射增益模式在線性標度下的極化圖。如圖1d所示出的，具有非接觸式電容耦合機制的超材料板100具有單個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面，在超材料板100後面的輻射忽略不計。該單個定向電磁波束是通過對超材料板100的整個16個超材料晶胞104a進行激勵而產生的。

圖1e示出了根據示例性實施例的、圖1c中的具有非接觸式電容耦合機制的超材料板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制的超材料板100所發射的電磁輻射是線性極化的，交叉極化級別比共極化輻射低40db。在一個實施例中，超材料板100的背側輻射被抑制，而前後增益比為大約17db。

圖1f示出了根據示例性實施例的、圖1a中的具有非接觸式電容耦合機制的超材料板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示出了當超材料板100的超材料晶胞104a發出輻射時，在工作頻帶上具有非接觸式電容耦合機制的超材料板100的輻射超材料晶胞上所分布的表面電流密度的幅值。在一個實施例中，根據非接觸式電容耦合機制對超材料板100的多個超材料晶胞104a進行了激勵，於是，超材料板100的每個超材料晶胞104a的方形貼片邊緣和圓形槽邊緣上會產生強電流。這導致超材料板100的多個超材料晶胞104a同時產生電磁輻射，從而使得超材料板100產生高輻射增益。在另一實施例中，由於超材料板100的每個超材料晶胞104a的方形貼片邊緣和圓形槽邊緣上都產生了強電流，根據非接觸式電容耦合機制對超材料板100的所有超材料晶胞104a進行了激勵，在該實施例中，這導致超材料板100的所有超材料晶胞104a同時產生電磁輻射，從而使得超材料板100產生高輻射增益。可以設想，一個可替代實施例可以主動或被動將多個超材料晶胞104a但不是所有的超材料晶胞104a結合以進行電磁輻射。在一個實施例中，儘管使用非接觸式耦合機制將超材料板100的超材料晶胞104a的激勵定位於超材料板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上擴散以進行輻射。在一個可替代實施例中，使用非接觸式耦合機制可以將超材料板100的超材料晶胞104a的激勵定位於超材料板100的任意位置，使得電流在超材料板100的多個超材料晶胞104a上擴散以進行輻射。

在一實施例中，為了進行輻射，使用非接觸式電容耦合機制的超材料板100導致多於一個的超材料晶胞104a被激勵以進行輻射。在這種情況下，超材料板100的多個超材料晶胞104a具有作為標準天線的性能。在一個可替代實施例中，為了進行輻射，使用非接觸式電容耦合機制的超材料板100可以具有可以被激勵以進行輻射的單個超材料晶胞104a。在這種情況下，單個超材料晶胞104a具有作為標準天線的性能。

圖1g示出了根據示例性實施例的、圖1a中的具有非接觸式電容耦合機制的超材料板100的在工作頻率下背襯導體層上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的導電背襯層102的中心處，並且從而產生聚焦效應，該聚焦效應引導超材料板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示出了根據示例性實施例的具有共面耦合機制的超材料板200的結構的等距視圖。在該實施例中，共面耦合機制被用於激勵超材料板200的超材料晶胞陣列。共面耦合機制是非接觸式耦合機制，其中，可以使用少量金屬層，從而降低了製造成本。

超材料板200可以通過標準印刷電路板(pcb)技術利用兩層金屬層實現。這兩層金屬層包括導電背襯層202和超材料層204。此外，導電背襯層202與超材料層204之間設置有介電層206。在超材料板200的製造過程中，導電背襯層202被設置在超材料板200的結構的底部。超材料層204可以被沉積在導電背襯層202上方，然後可以被蝕刻以創建超材料晶胞204a陣列。在一實施例中，導電背襯層202與超材料層204之間的間距使得導電背襯層202與超材料層204之間不存在短路，從而使得超材料晶胞204a能夠進行輻射。可以在超材料層204下方、導電背襯層202上方沉積介電層206或者通常為二氧化矽的絕緣材料。

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個輻射超材料晶胞204a。每個超材料晶胞204a均可以包括表面。在一實施例中，該表面可以是大體上平坦的表面。在另一實施例中，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，該方形金屬貼片內刻劃(inscribe)有孔204c。方形金屬貼片204b並不完全填充晶胞的表面，而是略小於晶胞。晶胞204a陣列中的每個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。孔204c被限定成使得該孔204c的邊緣位於方形金屬貼片204b的邊緣內並且間隔有一定距離。在一個示例中，孔204c可以是圓形孔。孔204c內可以設置有元件204d以形成圓形槽。在所示實施例中，因為孔204c的形狀為圓形，所以作為圓形金屬盤的元件204d被設置到孔204c內形成了圓形槽。本領域技術人員應當理解的是，孔204c的形狀並非限定於圓形，並且，不偏離於本公開實施例的範圍的情況下，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，因為超材料晶胞的表面略大於其中刻劃的方形金屬貼片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，每個晶胞204a被附接至相鄰晶胞204a，但是與這些晶胞相對應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的邊緣隔開的細槽。在一實施例中，超材料晶胞204a的陣列的一個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被掩模並刻蝕以打開公知為過孔的狹窄側面開口208。每個過孔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埠210。這些rf埠210可以位於導電背襯層202之上或之後。過孔208的幾何圖形以及現在填充過孔208的接觸結構通常是圓形的，然而，過孔208還可以是諸如溝槽形狀的其他形狀。過孔208可以被設置成使得填充過孔208的金屬結構提供超材料板200的兩個獨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，可以通過機械鑽孔、衝壓或者蝕刻方式形成穿過各層的這些特定過孔208。可以利用用於在各層之間提供電氣路徑的可替代技術。在一實施例中，共面耦合機制的激勵部件可以被設置在超材料板200的超材料晶胞204a的平面上以激勵超材料板200的結構。在本實施例中，在與將rf電源從輸入rf埠210耦接至超材料層204的電容結構沒有直接接觸的情況下，實現了對超材料層204的超材料晶胞204a的激勵。rf埠210被設置在導電背襯層202上，其中rf埠210饋電襯底被設置在導電背襯層202中的小孔內。共面耦合激勵機制利用的是兩層金屬層的超材料板200。

在一實施例中，兩個過孔208連接至rf埠210，從而具有正極性和負極性。負電位處的一個過孔208被配置成激勵超材料晶胞204a的一半，而兩個過孔208中位於正電位處的的另一個過孔被配置成激勵剩餘一半超材料晶胞204a。在一個示意性實施例中，超材料晶胞204a是包括孔204c的方形金屬204b以及被設置在孔204c內的金屬元件204d周圍的方形表面。孔204c的尺寸與工作頻率成反比。如果孔204c的尺寸減小，被設置在孔204c內部的金屬元件204d的尺寸也減小，則工作頻率增大。如果孔204c的尺寸增大，被設置在孔204c內部的金屬元件204d的尺寸也增大，則超材料晶胞204a的工作頻率將減小。孔204c可以是圓形。在一個可替代實施例中，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的輻射結構是線性極化的，並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的輻射結構發射輻射，其中，電場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的輻射結構接收輻射。在一實施例中，具有共面耦合機制的超材料板200的輻射和阻抗匹配屬性等同於圖1a超材料板100的結構的輻射和阻抗匹配屬性。

圖3a示出了根據示例性實施例的具有直接饋電激勵機制的超材料板300的結構的等距視圖。在該實施例中，所使用的激勵機制是通過導電過孔進行的直接饋電機制。直接饋電激勵機制可以使用兩層金屬層，從而降低製造成本。在直接饋電激勵機制中，在電容耦合或共面耦合情況下均不會發生對超材料板300的超材料晶胞的激勵，只有當過孔直接地連接至超材料晶胞的情況下才會發生對超材料板300的超材料晶胞的激勵。

在此，超材料板300可以通過標準印刷電路板(pcb)技術利用兩層金屬層實現。這兩層金屬層可以包括導電背襯層302和超材料層304。此外，導電背襯層302與超材料層304之間可以設置有介電層306。在超材料板300的製造過程中，導電背襯層302被設置在超材料板300的結構的底部。超材料層304被沉積在導電背襯層302上方，然後可以被蝕刻以創建超材料晶胞304a陣列。在一實施例中，導電背襯層302與超材料層304之間的間距使得導電背襯層202與超材料層204之間不存在短路以便於使得超材料晶胞304a能夠進行輻射。可以在超材料層304下方、導電背襯層302上方沉積介電層306或者通常為二氧化矽的絕緣材料。

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個輻射超材料晶胞304a。在示意性圖示中，每個超材料晶胞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。每個超材料晶胞304a均可以包括表面。在一實施例中，該表面可以是大體上平坦的表面。在另一實施例中，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，該方形金屬貼片內刻劃(inscribe)有孔304c。方形金屬貼片304b並不完全填充晶胞的表面，而是略小於晶胞。超材料晶胞304a陣列中的每個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的邊緣位於方形金屬貼片304b的邊緣內並且間隔有一定距離。在一個示例中，孔304c可以是圓形孔。孔304c內可以設置有元件304d以形成圓形槽。在所示實施例中，因為孔304c的形狀為圓形，所以作為圓形金屬盤的元件304d被設置到孔304c內形成了圓形槽。本領域技術人員應當理解的是，孔304c的形狀並非限定於圓形，並且，不偏離於本公開實施例的範圍的情況下，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，因為超材料晶胞的表面略大於其中刻劃的方形金屬貼片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，每個晶胞304a被附接至相鄰晶胞304a，但是與這些晶胞304a相對應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的邊緣隔開的細槽。在一實施例中，超材料晶胞304a的陣列的一個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可以被掩模並刻蝕以打開公知為過孔308的狹窄側面開口。每個過孔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埠310。這些rf埠310可以位於導電背襯層302之上或之後。過孔308的幾何圖形以及現在填充過孔308的接觸結構通常是圓形的，然而，過孔308還可以是諸如溝槽形狀的其他形狀。過孔308可以被設置成使得填充過孔308的金屬結構提供超材料板300的兩個獨立的金屬層之間的接觸。

在一實施例中，直接饋電機制的激勵部件可以被設置在超材料板300的超材料晶胞304a的平面上以激勵超材料板300。在本實施例中，超材料層304的超材料晶胞304a的激勵是通過過孔308來實現的。在一實施例中，過孔308可以連接至rf埠310，從而具有正極性和負極性。負電位處的一個過孔308a被配置成激勵超材料晶胞304a的一半，而兩個過孔中位於正電位處的另一個過孔308b被配置成激勵剩餘一半的超材料晶胞304a。

在一個示意性實施例中，超材料晶胞304a可以是包括孔304c的方形金屬304b以及被設置在孔304c內的金屬元件304d周圍的方形表面。孔304c的尺寸與工作頻率成反比。如果孔304c的尺寸減小，被設置在孔304c內部的金屬元件304d的尺寸也減小，則工作頻率增大。如果孔304c的尺寸增大，被設置在孔304c內部的金屬元件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。在一個可替代實施例中，孔304c可以是橢圓形。可以利用其它可替代形狀。

超材料板300的輻射結構是線性極化，並且具有傳送模式且接收模式。在傳送模式/配置，超材料板300的輻射結構發射輻射，其中，電場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的輻射結構接收輻射。

圖3b示出了用於描繪根據示例性實施例的、圖3a中的具有直接饋電激勵機制的超材料板300的回波損耗的圖形。具有直接饋電激勵機制的超材料板300的回波損耗(反射功率)是以db來度量的。具有直接饋電激勵機制的超材料板300在中心頻率5.9ghz下發生諧振。在此，與50歐姆的rf埠310的進行阻抗匹配是在-25db處。阻抗匹配表示具有直接饋電激勵機制的超材料板300與標準rf埠310相匹配，該標準rf埠的阻抗通常為50歐姆。-10db級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機制的超材料板300的工作頻帶。

圖3c示出了根據示例性實施例的、圖3a中的具有直接饋電激勵機制的超材料板300的輻射增益模式的等距視圖。如圖3c所示出的，具有直接饋電激勵機制的超材料板300具有單個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。該單個定向電磁波束是通過對超材料板300的整個16個超材料晶胞304a進行激勵而產生的。

圖3d示出了根據示例性實施例的、圖3a中的具有直接饋電激勵機制的超材料板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示出了當超材料板發出輻射時，具有直接饋電機制的超材料板300的輻射超材料晶胞304a上所分布的表面電流密度的幅值。在一實施例中，根據直接饋電激勵機制對超材料板300的多個超材料晶胞304a進行了激勵，於是，超材料板300的每個超材料晶胞304a的方形貼片邊緣和圓形槽邊緣上會產生強電流。這導致超材料板300的多個超材料晶胞304a同時產生電磁輻射，從而使得超材料板300產生高輻射增益。在另一實施例中，由於超材料板300的每個超材料晶胞304a的方形貼片邊緣和圓形槽邊緣上均產生了強電流，根據直接饋電激勵機制對超材料板300的所有超材料晶胞304a進行了激勵，在該實施例中，這導致超材料板300的所有超材料晶胞304a同時產生電磁輻射，從而使得超材料板300產生高輻射增益。

在一實施例中，儘管使用直接饋電耦合機制將超材料板300的超材料晶胞304a的激勵定位於超材料板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上擴散以進行輻射。在一個可替代實施例中，可以將超材料板300的超材料晶胞304a的激勵定位於超材料板300的任意位置，使得電流在超材料板300的多個超材料晶胞304a上擴散以進行輻射。

在一實施例中，為了進行輻射，使用直接饋電耦合機制的超材料板300可以利用多於一個的超材料晶胞304a來引起激勵以進行輻射。在這種情況下，超材料板300的多個超材料晶胞304a具有作為標準天線的性能。在一個可替代實施例中，為了進行輻射，使用直接饋電耦合機制的超材料板300可以具有可以被激勵以進行輻射的單個超材料晶胞304a。在這種情況下，單個超材料晶胞304a具有作為標準天線的性能。

圖3e示出了根據示例性實施例的具有直接饋電激勵機制的超材料板300a的結構的等距視圖。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的結構類似於圖3a中的超材料板300的結構。部件的維度和尺寸不同(諸如超材料板300a的超材料晶胞304a相比於超材料板300的超材料晶胞的維度和尺寸)有利於實現工作頻率的縮放(scaling)。在本實施例中，超材料板300a比圖3a中的超材料板300的每個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，相比於圖3a中的超材料板300的每個超材料晶胞上的圓形槽寬度0.15mm，超材料板300a的每個超材料晶胞304a的圓形槽的寬度為0.1mm。在所示出的示例中，圖3a和圖3e中所描述的實施例中的超材料板的總尺寸為20mm×20mm，然而，本領域普通技術人員應當理解的是，在不偏離於本公開實施例的範圍的情況下，其他實施例中可以改變所述尺寸。

圖3f示出了用於描繪根據示例性實施例的、圖3e中的具有直接饋電激勵機制的超材料板300a的回波損耗的圖形。具有直接饋電激勵機制的超材料板100的回波損耗(反射功率)是以db來度量的。具有直接饋電激勵機制的超材料板300a在中心頻率5.8ghz下發生諧振。在不增大超材料板300a的整體結構的尺寸的情況下，中心頻率相對於圖3a所討論的實施例而言會減小150-100mhz。與50歐姆的rf埠進行阻抗匹配是在-28db處。阻抗匹配表示具有非接觸式電容耦合機制的超材料板300a與標準rf埠相匹配，該標準rf埠的阻抗通常為50歐姆。-10db級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示出了根據示例性實施例的具有非接觸式電容耦合機制、共面耦合機制以及直接饋電激勵機制的超材料板的結構的放大截面圖。具有非接觸式電容耦合機制的超材料板100、具有共面耦合機制的超材料板200以及具有直接饋電激勵機制的超材料板300具有相同或大體上相同的物理特徵、工作帶寬以及性能。在另一實施例中，可以使用其他激勵機制來激勵超材料板進行輻射。在又一實施例中，可以使用具有非接觸式電容耦合機制的超材料板100、具有共面耦合機制的超材料板200以及具有直接饋電激勵機制的超材料板300的混合組合。在一實施例中，具有非接觸式電容耦合機制的超材料板100使用三層金屬層。具有共面耦合機制的超材料板200和具有直接饋電激勵機制的超材料板300使用兩層金屬層。相比於具有共面耦合機制的超材料板200和具有直接饋電激勵機制的超材料板300，具有非接觸式電容耦合機制的超材料板100使用了額外的金屬層。每層金屬層都會增大製造成本，因此，具有共面耦合機制的超材料板200和具有直接饋電激勵機制的超材料板300的製造成本要小於具有非接觸式電容耦合機制的超材料板100的製造成本。因為具有直接饋電激勵機制的超材料板300使用了兩層金屬層，對具有直接饋電激勵機制的超材料板300的製造過程的控制更具魯棒性，通過直接將過孔設置在實際的超材料晶胞上，而無需使用具有特定槽的任意圓形貼片來激勵超材料板300的中央超材料晶胞。

在一實施例中，對於具有非接觸式電容耦合機制的超材料板100、具有共面耦合機制的超材料板200以及具有直接饋電激勵機制的超材料板300的超材料晶胞的尺寸的選擇是基於所期望的工作頻率進行的。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制的超材料板100、具有共面耦合機制的超材料板200以及具有直接饋電激勵機制的超材料板300的工作頻率。所述晶胞的頻率被配置成在介於900mhz至100ghz之間的頻帶下操作。在一實施例中，對於具有非接觸式電容耦合機制的超材料板100、具有共面耦合機制的超材料板200以及具有直接饋電激勵機制的超材料板300的超材料晶胞的形狀(諸如狹窄槽)對於頻率調諧是非常主要的。在一實施例中，對於具有非接觸式電容耦合機制的超材料板100、具有共面耦合機制的超材料板200以及具有直接饋電激勵機制的超材料板300的每個超材料晶胞的直徑大約為工作頻率下波長的十分之一。

圖5a示出了根據示例性實施例的具有直接饋電激勵機制的超材料板500的結構的等距視圖。如先前所描述的那樣，超材料晶胞的數量影響超材料板的性能。在所示實施例中，超材料板500的尺寸等同於或大體上等同於圖3a所示的超材料板300的尺寸，但是，相對於圖3a所示的超材料板300具有16個超材料晶胞304a而言，所示實施例中的超材料板500具有四個超材料晶胞502。在該實施例中，所使用的激勵機制是通過導電過孔進行的直接饋電激勵機制。直接饋電激勵機制使用兩層金屬層，從而降低製造成本。在直接饋電激勵機制中，在電容耦合或共面耦合情況下均不會發生對超材料板500的超材料晶胞502的激勵，只有當過孔504直接地連接至超材料晶胞502的情況下才會發生對超材料板500的超材料晶胞502的激勵。圖3a更詳細地對直接饋電激勵機制進行了說明。

圖5b示出了用於描繪根據示例性實施例的、圖5a中的具有直接饋電激勵機制的超材料板500的回波損耗的圖形。具有直接饋電激勵機制的超材料板500的回波損耗(反射功率)是以db來度量的。具有直接饋電激勵機制的超材料板500在中心頻率5.8ghz下發生諧振。這說明工作諧振頻率是由超材料晶胞502的設計決定的而不是取決於超材料晶胞502的數量。與50歐姆rf埠的阻抗匹配在-30db處或低於-30db處，這小於先前所討論的具有16個超材料晶胞的實施例中的阻抗匹配情況。阻抗匹配表示超材料板500與標準rf埠相匹配，該標準rf埠的阻抗通常為50歐姆。-10db級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的結構的工作頻帶。

圖5c示出了根據示例性實施例的、圖5a中的具有直接饋電激勵機制的超材料板500的輻射增益模式的三維等距視圖。如圖5c所示出的，具有直接饋電激勵機制的超材料板500具有單個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。該單個定向電磁波束是通過對超材料板500的整個四個超材料晶胞502進行激勵而產生的。在所示實施例中，最大增益為5dbi，其比先前所討論的具有16個超材料晶胞的實施例中的最大增益小1db。由於本實施例中的導電背襯層的尺寸與先前實施例中的導電背襯層的尺寸相同，因此，和先前的實施例一樣，本實施例中直接輻射也是由多個超材料晶胞502的集體激勵引起的。

圖5d示出了根據示例性實施例的具有直接饋電激勵機制的超材料板500a的結構的等距視圖。所示實施例具有超材料板500a，該超材料板500a等同於圖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，從而使得該結構具有緊湊的形狀因數。

圖5e示出了用於描繪根據示例性實施例的、圖5d中的具有直接饋電激勵機制的超材料板500a的回波損耗的圖形。具有直接饋電激勵機制的超材料板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處發生諧振。在此，與50歐姆的rf埠進行阻抗匹配是-25db處或低於-25db處。阻抗匹配表示超材料板500a與標準rf埠相匹配，該標準rf埠的阻抗通常為50歐姆。-10db級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的結構的工作頻帶。

圖5f示出了根據示例性實施例的、圖5d中的具有直接饋電激勵機制的超材料板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。該單個定向電磁波束是通過對整個四個超材料晶胞502進行激勵而產生的。在所示實施例中，最大增益為4.4dbi，比先前圖5a所描述的實施例的最大增益小0.6db，而比先前包括16個超材料晶胞的實施例的最大增益小1.6db。由於本實施例中的導電背襯層的尺寸與先前實施例中的導電背襯層的尺寸相同，因此，和先前的實施例一樣，本實施例中直接輻射也是由所有超材料晶胞502的集體激勵引起的。

圖6a示出了根據示例性實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所描繪的結構的放大截面圖。超材料晶胞602具有小尺寸，並且超材料晶胞602的尺寸小於任意手腕可佩帶手環的曲面半徑。這種尺寸的靈活性使得超材料晶胞602能夠被蝕刻到手環的曲面上。在所示出的示例中，存在可佩戴手環604。該可佩戴手環604是由柔性塑料製成的並且是柔性隔離器。在一個示例中，塑料的厚度大約為1.5毫米，以及內徑約為60毫米。超材料晶胞602的數量為四個，並且超材料晶胞602以線性陣列配置進行設置。在所示出的示例中，這四個超材料晶胞602中的每個的尺寸約為6毫米，然而，應當注意的是，在不偏離於本公開實施例的情況下，其他實施例中超材料晶胞602可以具有不同的尺寸。

在所示實施例中，用於激勵超材料晶胞602的激勵機制是直接饋電激勵機制。應當理解的是，在不偏離於本公開實施例的情況下，在本發明的其他實施例中，可以使用任意其他激勵機制來激勵超材料晶胞602。在直接饋電激勵機制中，一組通孔可以直接地激勵超材料晶胞602。在所示實施例中，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單行超材料晶胞602。在單組通孔中，一個通孔606a被配置成具有正極性接觸，以及另一個通孔606b被配置成具有負極性接觸。正極性通孔606a饋電和/或激勵一行超材料晶胞602的一半，以及負極性通孔606b饋電和/或激勵一行超材料晶胞602的另一半。圖3a更詳細地對直接饋電激勵機制進行了說明。

在所示出的示例中，每個超材料晶胞602的尺寸為6mm×6mm×1.5mm(手環厚度)或0.11×0.11×0.03λ3，其中，λ為操作頻率下的波長。手環604的內徑為60mm，其類似於標準尺寸手腕佩戴式手環的內徑。出於不同的目的，可以使用可替代尺寸的手環604。

圖6c示出了根據示例性實施例的、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的中心頻率處發生諧振，此時反射最小。工作諧振頻率是由超材料晶胞602的設計決定的而不是取決於超材料晶胞602的數量。在此，與50歐姆的rf埠進行阻抗匹配是在-10db處或低於-10db處。阻抗匹配表示所述結構與標準rf埠相匹配，該標準rf埠的阻抗通常為50歐姆。-10db級別下的阻抗匹配帶寬為500mhz，這相當大並且限定了被配置為可佩戴天線的超材料晶胞602的結構的工作頻帶。除了上述其他優點以外，由於該較大自然帶寬，本實施例對於可佩戴天線而言是理想的，原因在於具有調節阻抗的多餘帶寬是可取的，而該阻抗提供了來自於相鄰結構(諸如手環604後面的對象(例如，人手))的調諧效應。圖6d示出了根據示例性實施例的、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。該單個定向電磁能波束是通過激勵多個超材料晶胞602的方式生成的，並且存在朝向手環604的內側進入人的手腕的最小輻射。在所示實施例中，最大增益為3.7dbi，以及天線輻射效率為91％。

圖7a示出了根據示例性實施例的被配置成可佩戴天線的超材料晶胞的結構，以及圖7b示出了圖7a所描繪的結構的放大截面圖。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的另一實施例。在該實施例中，手環704的尺寸可以與圖6a的實施例中所描述的手環的尺寸相同，然而，存在附接在手環704的曲面上的三個小尺寸的超材料晶胞702。

在所示實施例中，三個超材料晶胞702是使用四個rf埠706進行探測的，使得其結構等同於密度極高的4天線陣列。在接收模式配置中，三個超材料晶胞702吸收指向不同的規定位置的rf能量。換言之，這三個超材料晶胞702操作為以高吸收效率吸收電磁輻射的統一材料。

通過將四個局部化rf埠706插入三個超材料晶胞702的方式對三個超材料晶胞702進行分接。然後該電力特定地指向局部化rf埠706。基於此，這種具有超材料晶胞702的結構作為具有接收所吸收的能量的多個rf埠706的密集天線陣列。這種結構對於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分發給多個信道。此外，多個密集設置的rf埠706可以接收相位控制，從而產生電子調製rf模式。

在一實施例中，這種具有超材料晶胞702的結構具有與接收器asci(未示出)相匹配的非常小的形狀因數。asci位於該結構底部處的導電背襯層後中央，並且將被配置成將其輸入端連接至四個rf埠706。由於可以在不同的位置處執行所述分接，因此asci要求每個rf埠具有較小的電力。為了獲得該結構的帶寬，需要該基底的間距以及厚度。在示意性實施例中，使用包括三個超材料晶胞702和四個rf埠706的結構可以獲得2ghz帶寬。

圖8a示出了根據示例性實施例的被配置成可以在標準pcb板上製造的平坦天線陣列的超材料板800的結構的等距視圖。在一實施例中，輻射超材料晶胞802被配置成天線陣列以接收和/或發送rf信號。超材料晶胞802被連接至4個rf埠，使得該結構等同於間隔相當近的四個天線。本實施例與圖7a中的可佩戴配置等同，但是，適合於系統的平坦平臺是實現在標準平板上的。在工作的接收模式下，所吸收的電力特定地指向局部化rf埠804和806。該結構對於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分發給多個信道。此外，多個密集設置的rf埠804和806可以接收相位控制，從而產生電子調製rf模式。

在所示出的示例中，每個超材料晶胞802的尺寸為6mm×6mm×1.5mm(手環厚度)或0.11×0.11×0.03λ3，其中，λ為工作頻率下的波長。整個超材料結構的尺寸為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和可替代的手環厚度。

圖8b示出了用於描繪根據示例性實施例的、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與標準rf埠相匹配，該標準rf埠的阻抗通常為50歐姆。-10db級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示出了根據示例性實施例的、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。該單個定向電磁波束是對所有的超材料晶胞802進行激勵而產生的。在所示實施例中，最大增益為3.6dbi至3.8dbi。由於導電背襯層(位於超材料板800的底部)的尺寸與先前的實施例所定義的尺寸相同，因此，與先前的實施例一樣，本實施例中的直接輻射也是由多個超材料晶胞802的集體激勵引起的。此外，在超材料板800的背側存在最小輻射，且天線輻射效率約為90％。

圖9a示出了根據示例性實施例的包括兩個正交子陣列的超材料板的等距視圖。在所示實施例中，存在布局在公共介電基板上的兩個子陣列902a和902b。兩個子陣列902a和902b均具有與4個rf埠連接的三個超材料晶胞，從而使得每個子陣列902a和902b的結構都等同於間隔非常近的四個天線。對於所有的8個rf埠而言，兩個子陣列902a和902b的阻抗匹配可以等於圖8b所示出的每個超材料板800。

在一實施例中，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還示出了結構在z軸上的遠場點處的極化，即，電場方向。在一實施例中，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還示出了結構在z軸上的遠場點處的極化，並且沿著z軸的極化與圖9c中的極化正交。

在所示實施例中，當該結構的所有8個rf埠是有效的，即，當兩個子陣列902a和902b均具有有效rf埠，則輻射增益如圖9d和圖9e所示。輻射增益為菱形或旋轉方形。當所述結構實現為按照所示出的輻射增益模式的接收器時，明顯的是，該結構接收要麼沿著x軸要麼沿著y軸方向極化的電磁能量。因此，這種具有兩個子陣列902a和902b的超材料板結構是非常緊湊且相當高效的雙線性極化接收器陣列。這種結構能夠接收這兩種極化，從而始終存在根據所接收的rf信號為電池或其他可充電裝置進行充電的信號。

圖10示出了根據示例性實施例的用於形成超材料板的方法。

在步驟1002處，形成背襯層。在超材料板的製造過程中，導電背襯層被設置在超材料板的結構的底部。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。在一實施例中，可以將超材料層沉積在導電背襯層上方，然後將超材料層蝕刻以在步驟1006處創建超材料晶胞陣列。此後，術語「晶胞」和「超材料晶胞」可以互換使用。在一實施例中，導電背襯層與超材料層之間的間距使得導電背襯層與超材料層之間不存在短路以便於使得超材料晶胞能夠進行輻射。可以在超材料層下方、導電背襯層102上方沉積介電層或者通常為二氧化矽的絕緣材料。

在步驟1006處，可以創建多個分區。在超材料層中創建表面。在一實施例中，所創建的表面是大體上平坦表面。在另一實施例中，所創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分區組成。所述多個分區被創建在超材料層的表面上。多個分區中的每個分區包括相同的晶胞。在一個可替代實施例中，兩個不同的分區可以包括不同的晶胞。

在步驟1008處，在每個分區中創建晶胞。晶胞被限定成表面，其周期性地重複填充每個分區的表面。在晶胞的表面內，可以刻劃有方形或其他任意形狀的金屬貼片。在金屬貼片內存在孔。孔被限定成使得該孔的邊緣位於金屬貼片的邊緣內且具有一定的間距。在步驟1010處，將金屬元件設置在每個孔中以形成晶胞。在一實施例中，該元件是可以被設置在每個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、金屬貼片內的孔以及孔內的金屬元件組成的複合形狀。共同形成超材料層的多個分區中的每個不同的分區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埠。這些rf埠可以位於導電背襯層之上或之後。rf埠可以包括具有任意形狀並且由塑料、金屬或任意其他便利材料製成的外殼。在步驟1014處，將晶胞連接至rf埠。介電層以被掩模並刻蝕以打開公知為過孔的狹窄側面開口。每個過孔作為開口分別穿過介電層延伸至超材料層的一部分。在一實施例中，存在過孔的目的是通過將晶胞與rf埠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並且並非意在要求或暗示各個實施例中的步驟必須按照所提出的順序來執行。本領域的技術人員應當理解的是，可以按照任意順序來執行前述實施例。文字(諸如，「然後」，「接下來」等)並非意在限制步驟的順序；這些文字僅簡單地用於引導讀者閱讀對方法的描述。儘管處理流程圖可能將操作描述為順序處理，但是多個這些操作可以並行地或同時執行。此外，操作的順序可以被重新布置。處理可以對應於方法、函數、過程、子例程、子程序等。當處理對應於函數時，該函數的終止可以對應於所述函數返回到調用函數或主函數。

本文中結合實施例所描述的各個示意性邏輯塊、模塊、電路以及算法步驟可以實現為電子硬體、計算機軟體或兩者的組合。為了清楚地說明硬體和軟體的這種可互換性，以上主要按照功能對各種示例性的組件、塊、模塊、電路和步驟進行了說明。這種功能是實施為硬體還是軟體取決於特定應用和施加於整個系統上的設計限制條件。對於每個特定應用，本領域技術人員可以用不同方式實現所描述的功能性，但是這些實現決策不應該被解釋為導致偏離本發明的保護範圍。

各種實施在計算機軟體中的實施方式可以通過硬體、軟體、固件、中間件、微代碼、硬體描述語言、和/或它們的組合來實現。可以用代碼段或可執行的機器指令來表示過程、函數、子程序、程序、例程、子例程、模塊、軟體包、類、或指令、數據結構或程序語句的任意組合。通過傳遞和/或接收信息、數據、變元、參數、和/或存儲器內容，代碼段便可以耦合到另一個代碼段或硬體電路。信息、變元、參數、數據等可以通過任何合適的方式被傳遞、轉發或發送，所述方式包括存儲器共享、消息傳遞、令牌傳遞、網絡傳輸等。

用於實現這些系統和方法的實際軟體代碼或專用控制硬體不限制本發明。因此，在沒有參考具體軟體代碼的情況下描述了這些系統和方法的操作和行為，應當理解，軟體和控制硬體可以被設計成實現基於本文描述的系統和方法。

當在軟體中執行功能時，該功能可作為一條或多條指令或代碼存儲在非易失性計算機可讀或處理器可讀存儲介質上。本文所公開的方法或算法的步驟可以體現在處理器可執行軟體模塊中，該處理器可執行軟體模塊可以駐留在計算機可讀或處理器可讀存儲介質上。非易失性計算機可讀介質或處理器可讀介質包括計算機存儲介質和有形的存儲介質二者，所述二者有利於將電腦程式從一個地方轉移到另一個地方。非易失性處理器可讀存儲介質可以是計算機能夠訪問的任意可獲得的介質。以示例而非限制的方式，該非易失性處理器可讀介質可包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其它光碟存儲設備、磁碟存儲設備或其它磁性存儲設備，或可用於存儲以指令或數據結構形式可被計算機或處理器訪問的所需程序代碼的任何其他有形存儲介質。本文所使用的磁碟和光碟包括壓縮盤(cd)、雷射盤、光學盤、數字多功能盤(dvd)、軟盤和藍光碟，其中，磁碟通常以磁的方式再現數據，而光碟採用雷射以光學的方式再現數據。上述的組合也應該包含在計算機可讀介質的範圍內。此外，方法或算法的操作可作為代碼和/或指令的一個或任何組合或集合而存在於非易失性處理器可讀介質和/或計算機可讀介質上，這些介質可以合併到電腦程式產品中。