Die Erfindung betrifft Antennen und Mikrowellen-Sendeempfänger.

Übliche Antennen weisen oft lineare Abmessungen auf, die in der Größenordnung der Wellenlänge der Strahlung liegen, die empfangen und/oder gesendet wird. Beispielsweise benutzt ein üblicher Funksender eine Dipolantenne, deren Länge etwa S der Wellenlänge der gesendeten Wellen beträgt. Eine solche Antennenlänge bietet eine effiziente Kopplung zwischen dem elektrischen Antrieb der Antenne und dem Strahlungsfeld.

Trotzdem sind Antennen, deren lineare Abmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge der Strahlung liegen, in vielen Situationen unpraktisch. Insbesondere sind Mobiltelefone und drahtlose Handgeräte klein. Geräte dieser Art bieten Antennen begrenzten Raum. Andererseits koppeln kleine Antennen bei Wellenlängen, die oft von Mobiltelefonen und drahtlosen Handgeräten benutzt werden, in ineffizienter Weise an die Strahlung an.

Der Artikel „'Metamaterial' holds promise for antennas, optics" von R. Colin Johnson, EE Times (11. Mai 2001) beschreibt eine Ankündigung von Forschern an der University of California, San Diego (UCSD), der physikalischen Realisierung von Materialien mit einem negativen Brechungsindex, die theoretisch vorhergesagt worden war.

Verschiedene Ausführungsformen benutzen Antennen, die auf Kommunikationsfrequenzen resonant an äußere Strahlung koppeln. Aufgrund der resonanten Kopplung sind die Antennen für die Strahlung hoch empfindlich, auch wenn ihre linearen Abmessungen wesentlich geringer als S der Strahlungswellenlänge sind.

Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in dem unabhängigen Anspruch aufgeführt, auf den der Leser hiermit verwiesen wird.

1 zeigt einen Empfänger der eine resonante dielektrische Antenne aufweist;

2 ist eine Aufzeichnung der Antwort einer beispielhaften dielektrischen Kugelantenne, gemessen von zwei Elektroden, die benachbart zu entgegengesetzten Polen der Antenne angeordnet sind; und

3 zeigt einen Empfänger, der eine resonante, magnetisch durchlässige Antenne aufweist; und

4 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Empfangen von drahtloser Kommunikation mit Empfängern aus 1 oder 3 zeigt.

Verschiedene Ausführungsformen weisen Antennen auf, die aus künstlich hergestellten Metamaterialien hergestellt sind, für die die dielektrische Konstante (&egr;) und/oder magnetische Durchlässigkeit (&mgr;) über einen Bereich von Mikrowellenfrequenzen negativ ist. Die Metamaterialien werden ausgewählt, um die Antennen dazu zu veranlassen, resonant an äußere Strahlung mit Kommunikationsfrequenzen zu koppeln. Aufgrund der resonanten Kopplungen weisen die Antennen eine hohe Empfindlichkeit gegenüber der Strahlung auf, obwohl ihre linearen Abmessungen wesentlich geringer sind als die Wellenlänge der Strahlung.

Die resonante Kopplung ergibt sich daraus, dass das Metamaterial derart ausgewählt wird, dass es geeignete &egr;- und/oder &mgr;-werte aufweist. Eine geeignete Auswahl des Metamaterials hängt von der Form des Objekts und von dem Frequenzbereich ab, in dem eine Resonanzantwort gewünscht wird. Bei Kugelantenne müssen &egr; und/oder &mgr; reelle Teile aufweisen, die annähernd gleich „-2" in dem Frequenzbereich sind, d.h. den Kommunikationsfrequenzen. Bei solchen Werten von &egr; und/oder &mgr; ist eine Kugelantenne sehr empfindlich gegenüber äußerer Strahlung, auch wenn ihr Durchmesser wesentlich geringer ist als S der Wellenlänge der Strahlung.

1 zeigt einen Mikrowellenempfänger 10, der auf einer dielektrischen Antennen 14 beruht. Der Empfänger 10 weist ein Verstärkermodul 12 und die dielektrische Antenne 14 auf. Das Verstärkermodul 12 misst die Spannung zwischen Elektroden 16, 18, die benachbart zu den entgegengesetzten Polen der dielektrischen Antenne 14 angeordnet sind. Die Spannung, die von den Elektroden 16, 18 gemessen wird, stellt die Intensität des Felds in der dielektrischen Antenne 14 dar, da die Spannung in demselben Frequenzbereich resonant auf äußere Felder reagiert, in dem die Antenne 14 resonant reagiert. Beispielhafte Elektroden 16, 18 sind dünne oder Drahtgittervorrichtungen, die das elektrische Feld in der dielektrischen Antenne 14 geringfügig stören. Der Durchmesser der Antenne 14 beträgt vorzugsweise das 0,2-fache oder geringere der Wellenlänge der Strahlung, bei einer Frequenz, für deren Verstärkung das Verstärkermodul 10 konfiguriert ist.

Für die kleine Antenne 14 definiert die Standardtheorie der Elektrostatik, wie die Antenne auf von außen angewandte Strahlung reagiert. Bei Distanzen D, die wesentlich größer sind als der Durchmesser S der Antenne, und wesentlich geringer als R der Strahlungswellenlänge, ist das äußere elektrische Feld E_weit räumlich annähernd konstant und parallel. Das Feld E_weit ist deshalb bei Distanzen D konstant und parallel, weil die Strahlungswellenlänge wesentlich größer ist als D, und das äußere elektrische Feld E_weit nur bei solchen Distanzen wesentlichen variiert, die so groß wie oder größer als R der Strahlungswellenlänge sind.

Bei der Antenne 14 bestimmt die Elektrostatiktheorie, wie der Wert des elektrischen Felds E_innen im Inneren der Antenne 14 von dem Wert des räumlich konstanten äußeren elektrischen Felds E_weit abhängt, d.h. dem Feld bei Distanzen, die im Vergleich zu D groß und im Vergleich zu der Wellenlänge gering sind. Wenn die Antenne 14 eine dielektrische Konstante &egr; aufweist, die nahe der relevanten Strahlungsfrequenz im Wesentlichen konstant ist, impliziert die Elektrostatik, dass: E_innen = (3/[&egr; + 2]) E_weit.

Aus diesem elektrostatischen Ergebnis geht hervor, dass E_innen → ∞ da &egr; → –2. Auch ein kleines äußeres elektrisches Feld E_weit erzeugt also an den Elektroden 16, 18 eine große Spannung, wenn das &egr; der Antenne nahe bei –2 liegt. Ein solcher Wert von &egr; erzeugt eine Resonanzantwort in der Antenne 14, und macht den Empfänger äußerst empfindlich gegenüber äußerer Strahlung. Auf diese Weise erfordert die Herstellung einer Resonanzantenne 14 die Ausbildung eines Metamaterials, dessen &egr; einen geeigneten Wert auf dem gewünschten Kommunikationsband aufweist.

Verfügbare Materialien weisen keine dielektrischen Konstanten gleich –2 auf. Stattdessen können Verbundmaterialien erzeugt werden, die ein &egr; aufweisen, dessen reeller Teil für einen begrenzten Frequenzbereich nahe bei –2 liegt. Die geeigneten Metamaterialien weisen für eeignete Frequenzen in einem Mikrowellenbereich negative &egr;s auf, z.B. von etwa 1 Gigahertz (GHz) bis etwa 100 GHz.

Künstlich hergestellte Metamaterialien, die geeignete Eigenschaften in Teilen des oben genannten Frequenzbereichs aufweisen, sind im Stand der Technik gut bekannt. Einige dieser Metamaterialien sind in „Experimental Verification of a Negative Index of Refraction" von R.A. Shelby et al, Science, Band 292 (2001) 77 beschrieben. Verschiedene Auslegungen für solche Metamaterialien sind in „Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permeability", D.R. Smith et al, Physical Review Letters, Band 84 (2000) 4184 und „Microwave transmission through a two-dimensional, isotropic, left-handed metamaterial" von R.A. Shelby et al, Applied Physics Letters, Band 78 (2001) 489 beschrieben. Beispielhafte Auslegungen erzeugen Metamaterialien, die &egr; und/oder &mgr; mit negativen Werten bei Frequenzen im Bereich von 4,7 bis 5,2 GHz und etwa 10,3 bis 11,1 GHz aufweisen.

Verschiedene Auslegungen für 2- und 3-dimensionale künstliche Objekte von Metamaterialien umfassen 2- und 3-dimensionale Arrays von leitenden Objekten. Verschiedene Ausführungsformen der Objekte umfassen Ein- und Mehrdrahtschleifen, Split-Ring-Resonatoren, Leiterstreifen, und Kombinationen dieser Objekte. Die beispielhaften Objekte, die aus Ein- oder Mehrdrahtschleifen hergestellt sind, weisen Resonanzfrequenzen auf, die in bekannter Weise von den Parametern abhängig sind, die die Objekte definieren. Die dielektrische Konstante und die magnetische Durchlässigkeit der Metamaterialien hängen sowohl von den physikalischen Merkmalen der Objekte in ihnen, als auch von der Auslegung der Objektarrays ab. Bei Drahtschleifenobjekten hängen die Resonanzfrequenzen von der Drahtstärke, den Schleifenradien, der Anzahl der Schleifen, und der Beabstandung der Drähte auf, welche die Schleifen ausmachen. Siehe z.B. „Loop-wire medium for investigating plasmons at microwave frequencies", D.R. Smith et al, Applied Physics Letters, Band 75 (1999) 1425.

Nach der Auswahl von einem Frequenzbereich und von &egr; und/oder &mgr; sind die geeigneten Parameterwerte für die Objekte und Arrays, die das Metamaterial ausmachen, leicht von Fachleuten zu bestimmen. Siehe z.B. die oben zitierten Referenzen. Die nützlichen Metamaterialien weisen eine dielektrische Konstante und/oder magnetische Durchlässigkeit auf, deren reeller Teil bei den gewünschten Mikrowellenfrequenzen negativ ist.

Da reelle Materialien Verluste verursachen, weisen Metamaterialien üblicherweise ein &egr; und/oder &mgr; auf, das einen imaginären Nichtnull-Teil aufweist. Für ein solches Resonanzverhalten muss der imaginäre Teil der dielektrischen Konstante und/oder magnetischen Durchlässigkeit klein genug sein, um die Resonanzantwort der Antenne nicht zu zerstören, und groß genug, um eine angemessene Breite der Resonanzantwort bereitzustellen. Üblicherweise wird eine Resonanzantwort für ein Frequenzband gewünscht. Verfahren zum Einbringen von Verlusten in die Metamaterialien sind Fachleuten ebenfalls bekannt. Siehe z.B. die oben zitierten Referenzen.

Bei Frequenzen, die in Antenne 14 Resonanzantworten erzeugen, reduziert der imaginäre Nichtnull-Teil von &egr; die unendliche Antwort auf ein äußeres elektrisches Feld auf eine endliche Spitze mit einer Frequenzspreizung, wie in 2 zu sehen. Bevorzugte Empfänger 10 verwenden Metamaterialien, deren &egr; einen ausreichend größeren imaginären Teil aufweist, um sicherzustellen, dass das gewünschte Kommunikationsband eine Resonanzantwort in der Antenne 14 erzeugt. Bekannte Metamaterialien erzeugen Werte von Im[&egr;(&ohgr;)]/Re[&egr;(&ohgr;)] = &Dgr;&ohgr;/&ohgr; ≥ 0,03 – 0,05 und ≤ 0,1.

3 zeigt einen Empfänger 20, der auf einer magnetisch durchlässigen Kugelantenne 22 beruht. Der Empfänger 20 weist auch eine Pickup-Spule 24 und ein Verstärkermodul 26 auf. Die Antenne 22 ist aus einem magnetischen Metamaterial ausgebildet, das ein geeignetes &mgr; aufweist. In der Antenne 22 führt die magnetische Durchlässigkeit &mgr;, und nicht die dielektrische Konstante &egr;, zu einer Resonanzantwort auf äußere Strahlung. Bei der Antenne 22 ermöglicht es nicht die Elektrostatik, sondern die Magnetostatik, ein Magnetfeld in der Antenne Bi_nnen in Bezug zu einem äußeren Magnetfeld B_weit zu setzen. Vorausgesetzt, dass das äußere Magnetfeld B_weit eine Wellenlänge aufweist, die im Vergleich zu dem Durchmesser der Antenne 22 groß ist, impliziert die Magnetostatik, dass: B_innen = (3&mgr;/[&mgr; + 2])B_weit

Wenn &mgr; einen Wert in der Nähe von „–2" in einem gewünschten Frequenzbereich aufweist, erzeugt die Kugelantenne 22 eine Resonanzantwort auf von außen angewandte Strahlung. In einem solchen Fall erhöht die Antenne 22 die Empfindlichkeit des Empfängers 20 auf die angewandte äußere Spannung stark.

Wiederum weist das magnetisch durchlässige Metamaterial ein &mgr; auf, dessen imaginärer Teil aufgrund interner Verlust nicht null ist. Der imaginäre Teil von &mgr; ist dazu ausgelegt, groß genug zu sein, um sicherzustellen, dass eine Resonanzantwort der Antenne 22 auf dem gewünschten Frequenzband erfolgt. Verfahren zum Einbringen von Verlusten in Metamaterialien sind Fachleuten bekannt.

Während die oben beschriebenen Empfänger 10, 20 Kugelantennen 14, 22 benutzen, benutzen andere Ausführungsformen Antennen mit anderen Formen. Zu beispielhaften Antennenformen gehören Ellipsoide, Zylinder und Würfel. Für diese anderen Formen weisen die zugeordneten Antennen eine Resonanzantwort auf äußere Strahlung für Werte des reellen Teils von &egr; und/oder &mgr; auf, die von „–2" abweichen. Die Parameter für das Metamaterial hängen von der Geometrie der Antenne ab, und werden ausgewählt, um einen geeigneten negativen Wert von &egr; und/oder &mgr; auf einem geeigneten Mikrowellenband bereitzustellen.

4 zeigt ein Verfahren 30 zum Empfangen von Funkdaten oder Sprachkommunikation mit Empfänger 10 aus 1 oder Empfänger 20 aus 3. Das Verfahren 30 beinhaltet das Empfangen von Mikrowellenstrahlung, die eine elektrische oder magnetische Feldintensität in einer Antenne resonant erregt (Schritt 32). Die Antenne weist entweder eine dielektrische Konstante mit einem negativen reellen Teil bei Mikrowellenfrequenzen, oder eine magnetische Durchlässigkeit mit einem negativen reellen Teil bei Mikrowellenfrequenzen auf. Zu beispielhaften Antennen gehören Objekte, die aus künstlichen Materialien hergestellt sind. In Reaktion auf die Erregung wird die Intensität des elektrischen oder magnetischen Felds in oder benachbart zu der Antenne gemessen (Schritt 34). Die Feldintensität wird von einem oder mehreren Sensoren gemessen, die in oder benachbart zu der Antenne angeordnet sind. Das Verfahren 30 beinhaltet das Benutzen der gemessenen Feldintensität, um den Daten- oder Sprachinhalt einer Übertragung zu bestimmen, die in einem zuvor ausgewählten Frequenzbereich übertragen wird (Schritt 36).