免費(fèi) 左手材料在天線中的應(yīng)用研究進(jìn)展.doc

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1、免費(fèi)左手材料在天線中的應(yīng)用研究進(jìn)展Wojuedeyinggaimianfei左手材料在天線11'的應(yīng)川研究進(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、小型化以及人的掃描范圍的原因，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、增人天線增益、減小天線體積等方血具有很人優(yōu)熱，而CRLHTL結(jié)構(gòu)在提高天線帶寬、增加天線頻帶、增人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)；

2、復(fù)合左/右于?傳輸線結(jié)構(gòu)0引言左于材料(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)的新型人丁電磁結(jié)構(gòu)材料。1968年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家VeselagoEl］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)小傳播的奇異特性，如負(fù)折射率等。20世紀(jì)90年代，英國物理學(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］分別來實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的設(shè)想，為左于?材料的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。依據(jù)Pendry的設(shè)計(jì)

3、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-?起，首次制岀了在微波段同時(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)平板可以放人或恢復(fù)倏逝波來實(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)左手材料的方法一左手傳輸線，它是用串聯(lián)交指電容來實(shí)現(xiàn)的。幾乎同時(shí)加拿人多倫多人學(xué)的Eleftheriades教授［7］提岀了周期加載串聯(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)。2004年，Itoh等人［8］又提出了復(fù)合

4、左/右手傳輸線(CRLHTL)概念，這開創(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、增人天線輻射效率、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高指向性利川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)，從而可以改善天線輻射特性，提高天線的方向性，進(jìn)而增人輻射增益。Enoch等人［9］最

5、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)川。他們指出在適肖的條件下，嵌入到平板左于?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1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-?種最簡(jiǎn)單的左于材料：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：eff12p2(1)當(dāng)3很接近3p時(shí)，可以看到其等效介電常數(shù)接近于0,從而實(shí)現(xiàn)了零折射特性。'卜圖給出了簡(jiǎn)單的幾何光學(xué)原理解釋：圖1等效折射率接近零的左于材料平板屮源的輻

6、射示意圖空氣Fig.ITheemissionofasourceinsideaslabofLHMwhoseopticalindexisclosetozero.把一輻射源嵌入到折射率接近于寥的左手材料平板q',其周圍為均勻各向同性的介質(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］：sinoutnmetasininnvac(2)在這里Eout為折射角,0in為入射角。由于真空中的折射率nvac=l,nmeta^O,所以sinGout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

7、。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屮表面波的存在會(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，可以抑制表血波的傳輸，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，增人其輻射效率［11］。假設(shè)一個(gè)高為h的各向同性的左于材料?平板，其相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率分別為url和erl,它們都為負(fù)值,如圖2(a)所示。圖2(a)左于-材料接地平板結(jié)構(gòu)groundedslab.[11](b)接地平板的TE和TM模式橫向等效網(wǎng)絡(luò)Fig.2(a)LHMgrounded-slabstruct

8、ure[11]；(b)TransverseequivalentnetworkforTEandTMmodesofthe2表血波沿著z方向傳播，其傳播常數(shù)為kz=Pz,表血波在y方向會(huì)逐漸的減弱。假定在x方向上電磁場(chǎng)沒有變化，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