左手材料在天線中的應(yīng)用研究進(jìn)展

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1、Wojuedeyinggaimianfei左手材料在天線中的應(yīng)用研究進(jìn)展摘要：首先從理論上解釋了左手材料用于天線設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)天線高指向性、高效率、小型化以及大的掃描范圍的原因，然后重點(diǎn)介紹了基于金屬諧振結(jié)構(gòu)和復(fù)合左/右手傳輸線(CRLHTL)結(jié)構(gòu)的左手材料用于天線設(shè)計(jì)時(shí)的研究進(jìn)展，顯示了金屬諧振結(jié)構(gòu)在提高天線方向性、增大天線增益、減小天線體積等方面具有很大優(yōu)勢(shì)，而CRLHTL結(jié)構(gòu)在提高天線帶寬、增加天線頻帶、增大漏波天線掃描范圍等方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：左手材料；天線；金屬諧振結(jié)構(gòu)；復(fù)合左/

2、右手傳輸線結(jié)構(gòu)0引言左手材料(Left-HandedMaterial，LHM)又被稱為雙負(fù)介質(zhì)，它是一類在一定的頻率下同時(shí)具有負(fù)磁導(dǎo)率和負(fù)介電常數(shù)的新型人工電磁結(jié)構(gòu)材料。1968年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago[1]首次從理論上研究了電磁波在介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的物質(zhì)中傳播的奇異特性，如負(fù)折射率等。20世紀(jì)90年代，英國(guó)物理學(xué)家Pendry等人相繼提出了用周期性金屬棒結(jié)構(gòu)（Rod）[2]和金屬諧振環(huán)結(jié)構(gòu)（SRR）[3]分別來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的設(shè)想，為左手材料的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。依據(jù)P

3、endry的設(shè)計(jì)思想，2000年Smith等人[4]把以上兩種結(jié)構(gòu)有規(guī)律地排列在一起，首次制出了在微波段同時(shí)具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的材料。而Pendry[5]關(guān)于雙負(fù)介質(zhì)平板可以放大或恢復(fù)倏逝波來(lái)實(shí)現(xiàn)完美聚焦成像的建議為左手材料的研究起到了進(jìn)一步的推動(dòng)作用。2002年，美國(guó)加州大學(xué)的Itoh教授[6]提出了一種新的設(shè)計(jì)左手材料的方法—左手傳輸線，它是用串聯(lián)交指電容來(lái)實(shí)現(xiàn)的。幾乎同時(shí)加拿大多倫多大學(xué)的Eleftheriades教授[7]提出了周期加載串聯(lián)電容和并聯(lián)電感組成的平面一維左手傳輸線結(jié)構(gòu)

4、。2004年，Itoh等人[8]又提出了復(fù)合左/右手傳輸線（CRLHTL）概念，這開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域，復(fù)合左/右手傳輸線是最有可能首先得到應(yīng)用的左手材料。左手材料在微波平板聚焦透鏡、帶通濾波器、耦合器、天線以及隱身衣等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。特別是在天線上的應(yīng)用更具吸引力，因?yàn)樗哂袀鹘y(tǒng)天線無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，它可以提高天線的方向性系數(shù)和增益、增大天線輻射效率、增加天線帶寬、減小天線系統(tǒng)尺寸等。1左手材料天線1.1高指向性利用左手材料奇異的電磁特性，可以實(shí)現(xiàn)左手材料平板透鏡聚焦效應(yīng)，從而可以改

5、善天線輻射特性，提高天線的方向性，進(jìn)而增大輻射增益。Enoch等人[9]最早研究了具有零折射特性的左手材料在天線定向輻射上的應(yīng)用。他們指出在適當(dāng)?shù)臈l件下，嵌入到平板左手材料的全向天線向自由空間輻射的電磁波會(huì)被聚集在法11線方向附近，從而減小了天線的半波瓣寬度，提高了天線的方向性，增大了其增益。他們考慮了一種最簡(jiǎn)單的左手材料：薄金屬網(wǎng)孔的線介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)和理論的研究表明這種連續(xù)的線介質(zhì)具有等離子頻率的特性，在微波頻段其等效介電常數(shù)為：（1）當(dāng)ω很接近ωp時(shí)，可以看到其等效介電常數(shù)接近于0，從而實(shí)現(xiàn)了零

6、折射特性。下圖給出了簡(jiǎn)單的幾何光學(xué)原理解釋：左手材料空氣空氣圖1等效折射率接近零的左手材料平板中源的輻射示意圖Fig.1TheemissionofasourceinsideaslabofLHMwhoseopticalindexisclosetozero.把一輻射源嵌入到折射率接近于零的左手材料平板中，其周?chē)鸀榫鶆蚋飨蛲缘慕橘|(zhì)，可以看到所有的折射光線基本上都是沿著法線方向出去，這一現(xiàn)象可以用斯奈爾定律解釋[10]:（2）在這里θout為折射角，θin為入射角。由于真空中的折射率nvac=1，nm

7、eta≈0，所以sinθout近似為0，也就是電磁波折射后，會(huì)在很靠近法線方向輻射出去。這就是利用這種介質(zhì)構(gòu)造高指向性天線的機(jī)理。1.2提高輻射效率微帶天線中表面波的存在會(huì)降低天線的輻射功率，而把左手材料作為微帶天線的基板，可以抑制表面波的傳輸，有效的減小邊緣輻射，增強(qiáng)天線耦合到空間電磁波的輻射功率，增大其輻射效率[11]。假設(shè)一個(gè)高為h的各向同性的左手材料平板，其相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率分別為μr1和εr1，它們都為負(fù)值，如圖2（a）所示。Z0Z1h圖2（a）左手材料接地平板結(jié)構(gòu)[11]（b）

8、接地平板的TE和TM模式橫向等效網(wǎng)絡(luò)Fig.2(a)LHMgrounded-slabstructure[11]；(b)TransverseequivalentnetworkforTEandTMmodesofthegroundedslab.表面波沿著z方向傳播，其傳播常數(shù)為kz=βz，表面波在y方向會(huì)逐漸的減弱。假定在11x方向上電磁場(chǎng)沒(méi)有變化，因此對(duì)于二維空間上我們可以單獨(dú)地研究TE和TM模式。其y方向上的等效網(wǎng)絡(luò)如圖2（b）所示，其中Z0為自由空間中的特征阻抗，Z1為平板中的特征阻抗。對(duì)于自由