（无线电物理专业论文）左手材料微带天线的研究.pdf

摘要 摘要 本文研究了左手材料在微带天线中的应用，设计出新型的左手材料微带天线。 本文进行了如下几方面的研究： 1 、依据左手材料结构和微带单贴片天线的基本原理，研究了单贴片天线的辐 射特性，馈电形式和匹配特性。 2 、设计了特定频段的左手结构，讨论了变形开口谐振环的开口宽度、单元间 距、内外环间距以及环数量对左手频段的影响。 3 、将左手材料应用在微带天线中，分别设计了基底加载左手材料和覆层加载 左手材料的矩形微带天线。仿真结果表明，基底加载左手材料可使天线的物理尺 寸明显减小，突破了半波尺寸的限制；覆层加载左手材料可使天线的方向性得到 明显改善。 4 、设计了左手材料共形微带天线及左手材料共形光子晶体微带天线，并与传 统的天线作对比分析。 5 、依据微带贴片天线阵设计的基本原理，研究了阻抗匹配网络的设计方法， 设计了左手材料共形阵列天线及共形光子晶体阵列天线，并和传统的阵列天线比 较分析，结果表明左手材料在共形阵列天线中可以提高天线的增益特性。 关键词：左手材料变形开口谐振环微带天线增益 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ea p p l i c a t i o n so fl e f t - h a n d e dm a t e r i a l s ( l h m s ) o nt h em i c r o s t r i p a n t e n n a sa r es t u d i e da n dt h em i c r o s t r i pa n t e n n a s 、析ll h m sa r ed e s i g n e d t h em a i n w o r k sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h eb a s i ct h e o r i e so fl h m ss t r u c t u r e sa n ds i n g l em i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n aa l e s t u d i e d t h e nt h er a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，t h ef e e dm o d ea n dt h ei m p e d a n c em a t c h i n g o ft h es i n g l em i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n aa r ea n a l y z e d 2 t h es p e c i a ll h m ss t r u c t u r e sa r ed e s i g n e da n dt h ee f f e c to ft h e s l o t ，r i n gw i d t h ， d i s t a n c ea n dt h en u m b e ro ft h ed s r r so nt h eh a r m o n i cf r e q u e n c yo fl h m sa r e d i s c u s s e d 3 t h ea p p l i c a t i o no fl h m ss t r u c t u r e so nt h es i n g l e m i c r o s t r i pa n t e n n aa r e p r e s e n t e di nd e t a i la n dt h en e wa n t e n n aw h i c hh a v eap e r i o d i cd s r r ss u b s t r a t ea n d c o v e ra r ed e s i g n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep h y s i c a ld i m e n s i o n so f t h ea n t e n n ah a v e b e e ns i g n i f i c a n t l yr e d u c e db yd s r r s s u b s t r a t e ，a n dc a nb en ol o n g e r p r o p o r t i o n a lt ot h ew o r k i n gw a v e l e n g t h m e a n w h i l e ，t h ed i r e c t i v i t yo fa n t e n n ah a s b e e ni m p r o v e dg r e a t l y 4 t h ec y l i n d r i c a lm i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n aa n dt h ep b g c y l i n d r i c a lm i c r o s t r i p p a t c ha n t e n n aw i t hl h m sa r ed e s i g n e d ，a n da r ec o m p a r e dw i t t lt h ec o n v e n t i o n a l m i c r o s t r i pa n t e n n a 5 t h ed e s i g n m e n to ft h ei m p e d a n c em a t c h i n gn e t w o r ki ss t u d i e db a s e do nt h e p r i n c i p l eo fm i c r o s t r i pa n t e n n aa r r a y t h ec y l i n d r i c a lm i c r o s t r i pa n t e n n aa r r a ya n dt h e p b g c y l i n d r i c a lm i c r o s t r i pa n t e n n aa r r a yw i t hl h m ss t r u c t u r e sa r ed e s i g n e d ，w h i c ha l e c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a la n t e n n a t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t em a tt h e g a i no fl h m sc y l i n d r i c a la n t e n n aa r r a yh a sb e e ni m p r o v e dc o m p a r e dw i t ht h e c o n v e n t i o n a la n t e n n aa r r a y k e y w o r d s ：l e f t - h a n d e dm a t e r i a l s d s r r s m i e r o s t r i pa n t e n n a g a i n 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果，尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文全部 或部分内容，可以允许采用影印，缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本人签名：垫塑 导师签名： 日期口i ，f 。 日期：垒f 里：2 ：垄 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 随着无线通讯技术的迅速发展，在生活的各个领域中，天线已经得到了广泛 的应用。特别是微带天线，因具有体积小、重量轻、结构稳定、剖面低、馈电方 式灵活、成本低、易与飞行器共行、易产生线极化波和圆极化波等优点而倍受青 睐【。其概念是由g a d e s c h a m p s l 2 】提出，并在七十年代由j q h o w e l l l 3 - 4 】和 r e m u n s o n l 5 研制而成。目前，微带天线已经在移动通信、卫星通信、导弹遥测、 多普勒雷达等许多领域获得了广泛的应用。但在现代军事上，对微带天线的要求 也越来越苛刻，特别是在天线的尺寸小型化和高指向性方面有待进一步深入发展， 左手材料的出现对解决此问题带来无限的生机。 左手结构应用到微带天线设计中，很大的提高了天线的性能。如在微带天线 设计中，可以抑制表面波效应，减小天线的边缘散射，提高天线的辐射效率；也 可以利用左手材料的平板透镜聚焦特性，改善天线的辐射性能，使天线的方向性 更好，辐射增益更大【6 j 。充分利用左手材料的独特性质，将其应用到改善微带天线 的性能上，是天线发展的一个重要方向。传统的微带天线制备方法是直接将天线 制备在介质基底上，这就导致大量的能量被天线基底吸收，因而效率很低。基底 加载左手材料的新型微带天线的出现很大程度上改变了这一现状，左手材料周期 性的排列在天线基底，通过微带天线空腔模型理论【7 1 ，把微带贴片与接地板之间看 成是四周为理想磁边界，上下为电边界的谐振腔，利用左手介质的相位补偿效应， 可以使传统微带天线突破半波长电尺寸的束缚，在不损失带宽和增益的前提下， 实现天线的小型化【8 j 。另外，利用复合左右手传输线可以构成一种新型的行波天线， 其辐射特性由传输线的色散特性所决定。如果在传输线的单元结构中载入变容二 极管，通过改变偏置电压可以改变其容值，从而改变传输线的色散特性。这样可 以得到压控波束扫描行波天线。这种行波天线可以实现1 8 0 0 范围内的扫描。又因 为，普通的微带行波天线工作在高次模，需要进行基模抑制才能提高辐射效率， 而这种新型行波天线则工作在基模，这在一定程度上降低了设计的复杂度1 9 。 基于左手材料的独特性能，本文利用仿真软件实现了左手材料负频段，并分 别设计了基底和覆层加载左手材料的新型天线，这为进一步研究左手材料的应用 提供了理论基础和参考价值。 左手材料徽带k 线的研究 1 2 左手材料研究状况及发展 左手材料( l e f t h a n d e dm a t e r i a l s ，l h m s ) ，也称为后向传播波媒质( b a c k w a r d s m e d i a ) 、双负媒质( d o u b l en e g a t i v em e d i a ) 和负折射媒质( n e g a d v ei n d e xm a t e r i a l ) t 是一种介电常数与磁导率均为负值的电磁材料，在其中传播电融波的群速度与相 速度方向帽反，从而呈现出许多反常的物理光学现象。如负折射效应i i 州“、反常 多普勒效应 1 2 - 1 3 l 、完美透镜效应、反常c h e r e n k o v 辐射l q 等。 “左手材料”的概念是前苏联物理学家v e s e l a g o 于1 9 6 7 年在物质电磁学理 论研究中首次提出，他认为当介电常数s 和磁导率“都为负值时，电场、磁场 和波矢之间构成左手关系。他称这种假想的物质为左手材料f k r - h a n d e d m a t e r i a l s ，l h m s ) 。这篇论文引起了一位英国人的关注，1 9 6 8 年被译成英文重新 发表在一个前苏联物理类学术刊物上。但是，由于当时他们的工作还仅限于纯理 论性的研究，加之自然界中并未发现这类材料，也没有在实验中得到进一步验证 因此这一假设在学术领域未被接受长选三十年之久。 直到2 0 世纪9 0 年代，英国科学家p e n d r y 等人提出了可以分别实现负介电常 数和负磁导犁介质的理论模型。他研究了周期性导电金属线对电磁波的响应特性 与等离子体对电磁波响应行为的相似性，从而推到出其负介电常数频段m j ，同时， p e n d l y 等人通过对周期排列的丌n 谐振珂；( s p l i tr i n gr e s o n a t o r s ，s r r s ) 的研究。 利用与磁性材料的相似性使其在某一频段范围为负值l l ”。 2 0 0 1 年，美国加州大学d a v i ds m i t h 根据p e n c h 呵等人的理论模型，利用以铜 为主的复合材料首次制造出在微波波段其有负介电常数和负碰导率的物质，并通 过实验观察，得到负折射现象【1 9 1 。实验的整个过程为：把平面开口谐振环( s r r ) 印制在p c b 表面上来等效负磁导率，把盒属细杆印制在p c b 板的另一面，并将 p c b 扳进行= 维周期性放置来实现左手材料，然后使一束微波射入铜环和铜线构 成的人工材料上，微波以负角度偏转，如图l l ( a ) ，从而使介电常数和磁导率同 时为负。实验结果可以从图l l ( b ) 中明显看出，在相应频段出现了负折射现象。 进而证明了左手材料的存在。 a ) 一维左手村科 刊 第一章绪论 吲e f m n 洲剐叼 l h m t e b n l h m t h e o l y 391 0l t 嘲培n c y ( g h z ) ( b ) 左手材料负折现象( c ) 提取出的负因子 图1 1d r s i m t h 试验图解 2 0 0 2 年，美国加州大学i t o h 教授和加拿大多伦多大学c t v e l e f t h e r i a d e s 教授领导 的研究组几乎同时提出一种基于周期性l c 网络实现左手材料的新方法【2 0 2 1 】，并将 其命名为左手传输线，它是继s m i t h 等人用金属细杆和开口谐振环来实现左手特性 以后的第二种方法。它将r o d 和s r r 构成的介质对应到传输线电路中的电感、电容 和电阻构成的模型中，并采用加载电容和电感阵列的方法，构造了二维传输结构 及具有异向特性的电路。这样不仅便于分析左手介质的特性，而且便于制造左手 介质。这种传输线的优点不仅频带宽，损耗低，而且易与其他电路器件相结合使 用。因此，它在微波领域中得到了广泛的应用。如谐振器、天线、耦合器等方面 的应用1 2 2 。2 4 1 。 2 0 0 2 年底，麻省理工学院孔金瓯教授从理论上证明了左手材料存在的合理性， 并称这种人工介质可用来实现高指向性天线、聚焦微波波束、“完美透镜 ，也 可用于电磁波隐身等方面。从此，左手材料的前景开始引发学术界、产业界尤其 是军方的无限遐想。 2 0 0 3 年，基于科学家们的多项发现，左手材料的发现被美国( ( s c i e n c e ) ) 杂志 评为十大科技突破之一。2 0 0 4 年，p e n d r y 2 5 j 等人通过对左手材料中s r r 和金属 细杆结构的改进，在( s c i e n c e ) ) 杂志上公布了t h z 频率范围关于谐振环响应的相 关研究工作，使负磁导率首次在红外波段得到实现。 2 0 0 5 年，s m i t h t 2 6 】采用s 参数法，准确的提取了双负材料的电磁参数。利用 高频电磁仿真软件a n s o f th f s s 建模，在介质板两边同时加有开口谐振环和金属 细杆，通过在波导中模拟仿真，得出其幅值和相位，通过公式编程提取出介电常 数和磁导率，从而使它们在同一频段达到负值。从此以后，人们对左手材料投入 了越来越多的兴趣，对这种介质的深入研究成为各国物理学家、电磁学家的一个 重要研究方向。 同样，左手材料的研究也引起了国内有关人员的关注。在2 0 0 3 年，中国科学 院电子所就制作出了微波段的左手材料，如图1 2 。并进行了功率实验研究，其研 3 2 ， o q 之 q 毛藿ll芑耋一 一嚣嚣j一。u|i，k菱曩是i192 左f 材料微带k 线的研究 究结果发表在, 1 1 倒科学( g 辑) 杂志e i z 7 i 。改实验验证了具有周j l i | 性排列的金 属样和开几1 弁振环阵列结构的人造金属媒质在特定的微波频率范嘲内，x , t - j ：具宵 一定偏振方向的电磁波其等效介电常数和等效碰导率同时为n 数。 ( a ) 金属柞研列 ( b ) 卅u 惜振环阵列 h i2 中同科学院电f 所制作的左r 材料 圈13 研亢微波左f 利料功率传输特性的试验平台 2 0 0 4 年，复e l 大学的资剑教授领导的研究小组经过两年的研究与设计，利j j 水的衷而波散射成功奠现了在于介质超 而成像实验。沦文发表干辅名的美国 物理评论杂志上，h p n 3 1 起学术界的高度芙注被推荐为自然杂志焦点新 闻之。此外，香港科技大学、中科院物理研究所、南京大学、北京大学、西北 i ：业大学等单何均柯科学家先行涉足这领域的研究。国家自然科学基金委将左 手材科和负折射效应的研究列入3 2 0 0 5 年重点交叉项1 5 指南中，壮会委信息科学 部也将“异向介顼理论与应用肇硎 研究”列入2 0 0 5 年重 项目指南中。此外，“新 型人工i u 磁介质的理沦与应用研究”也1 ：2 0 0 4 年被列入国家重点基础研究发燧规 划( 9 7 3 计划) 中。在数理部和工程与材料学部联合的“准相位匹配研宄中的若干前 沿课题”主题中将“左手利料干h 关基础性问题研究”列为主要探索l i 容2 。在 数理部和信息科学l ；l f 戕合的“j , , f j 0 1 和非周期微结构的新光子学特性”t ：题中将 “j 耐期及非周期微结构在太赫珐、近红外及叮见波段的负折射效麻研宄”列为1 二 要探索内容2 。 第一章绪论 5 2 0 0 6 年，我国东南大学毫米波实验室的崔铁军教授【2 8 j 领导的研究小组提出了 一种能使得磁导率为负的双螺旋共振结构( d o u b l e s p i r a lr e s o n a t o r ) ，而且指出通过 将s r r ( s p l i t r i n gr e s o n a t o r ) 和螺旋结合在一起可以降低共振频率。这些成果给国内 左手界提出了新的思想。 2 0 0 9 年初，美国杜克大学和中国东南大学合作，由崔铁军教授领导，成功研 制出微波段新型“隐形衣”，这一研究成果发表在s c i e n c e 杂志上。因此，东 南大学在计算电磁学和新型人工电磁材料等领域做出了很多原创性的研究成果。 一随着科学技术的进一步发展，左手材料将会被越来越多的人关注，其特性将 会越来越多的展现在人们的面前，它的应用也将会广泛深入生活的各个领域。 1 3 本文的主要工作及内容安排 本文首先对左手介质结构进行了研究，采用a n s o f th f s s 高频电磁场仿真软 件分析了几何参数对左手材料特性的影响。其次，结合左手材料的基本特性分别 设计出左手材料矩形微带天线及共形阵列天线，通过合适的馈电达到了阻抗匹配 的要求，设计中新型微带天线的回波损耗，带宽以及增益均达到了要求，与同频 段传统的矩形微带天线相比，可提高天线的性能。 + 本文章节安排如下： 第一章：绪论。简要的叙述了研究左手材料微带天线的重要意义，分析了目 前左手微带天线的发展状况，其中详细介绍了基底加载左手材料和覆层加载左手 材料微带天线。 第二章：左手材料实现的理论依据及电磁特性。介绍了左手材料负介电常数 和磁导率实现的理论依据以及左手材料反常物理特性。 第三章：左手结构的实现。通过左手材料的理论推倒公式，设计出不同的左 手结构，详细分析了各种几何参数对左手结构特性的影响。 第四章：左手结构矩形天线的仿真计算。通过对普通微带天线参数的计算分 析，采用a n s o f ii - i f s s 仿真软件，对基底加载左手材料的微带贴片天线、基底和 覆层同时加载左手材料的微带天线、左手材料共形微带天线及左手材料共形p b g 天线的回波损耗、带宽、增益进行仿真计算，然后比较得出结论。 第五章：左手结构阵列天线的仿真计算。通过对阵列天线的馈电、阻抗匹配 的介绍，设计出左手材料共形微带阵列天线及左手材料共形p b g 结构阵列天线。 通过左手材料的引入，分析了其对阵列天线的影响。 第二章左手材料实现的理论依据及电磁特性 7 第二章左手材料实现的理论依据及电磁特性 本章主要介绍左手材料实现所需的理论依据及其具有的奇异电磁特性首先对左手材料 的结构作了简单的介绍，然后推导了左手材料负有效介电常数和负有效磁导率的实现过程， 之后讨论了左手材料的负折射效应、逆多普勒效应、反常c h e r e n k o v 效应以及完美透镜效应等 奇异特性，提出左手材料在未来发展中的潜在价值 2 1 左手材料简介 左手材料的概念是f l 了v e s e l a g o 于1 9 6 8 年首次提出的，之因为叫“左手材料 是 因为它是相对经典电动力学理论中的“右手材料 而言的，在传统物理学中，描 述均匀媒质中电磁场性质最基本的两个物理量是介电常数s 和磁导率j l l 。自然界 中，物质的s 和都是正值，当电磁波穿越其中时，描述电磁波传播特征的三个物 理量电场方向雷、磁场方向霄和电磁波的传播方向石构成与三维空间坐标呈一一 对应的右手螺旋关系，如图2 1 ( a ) ，这就是人们所说的“右手法则”。这种法则被 认为是物理中不可动摇的基本定律，相应地，自然界中符合“右手法则的材料 即为右手材料。而左手材料是一种介电常数和磁导率同时为负的新型材料，这 与大自然中大多数材料有着迥然的差异。电磁波在其中传播时，电场强度豆、磁 场强度疗与传播方向石三者遵循左手螺旋法则，因此它存在负折射效应、逆多普 勒效应和完美透镜效应。之因为这些奇妙的物理现象，所以有关左手材料的研究 已经成为国内外的研究热点。 h k k e j ( a ) 右手材料( e o ，p 0 )( b ) 左手材料( g q 时，介电常数g ，是大于零的数，即就是传统物理 第二章左手材料实现的理论依据及电磁特性 1 1 日= 风“一等， ( 2 - 2 4 ) 咖卿扣专十2 一歹 协2 5 ， ：+ i t o t r r 2 p o h o 妒丁t r 2 十2 j 一 _ ，2 一j 兀r 2 o h o h q 在细圆柱体阵列中， b 。= p o h o 而圆柱体外部的磁场为： h 。= 等j ( 2 2 6 ) 式代入( 2 2 8 ) 式可得： 嘶了f i r 2 一- s o ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) ( 2 2 9 ) 1 2 左手材料微带天线的研究 = 凰 1 + 旦 r t 一讣彘 因此可以定义： 万厂22 0 - 物= 瓦b o r e 亍专争小讣，爿协3 。e o r p o 由此得出，断是一个大于零小于1 的数。也就是我们常说的正磁导率。 1 9 9 9 年，p e n d r y 提出了可以实现负磁导率的开口谐振环( s p l i tr i n gr e s o n a t o r 简称s r r 模型，它的结构是由图2 2 延伸而来的，与其不同的地方是在细圆柱上 开了两个孔，它的横截面由两个同心的开口金属环构成，如图2 3 所示1 引。 图2 3 开口谐振环“瑞士卷” 开口谐振环的特点是引入了在内环和外环之间的电容元素，能够在某一个方 向产生负磁导率。其公式被给出【1 8 1 ： 其中c 为内外环问的电容， 因此可得： ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 第二章左手材料实现的理论依据及电磁特性 1 3 驴卜凄g 暮2 - 1 + 盘 ( 2 - 3 3 ) 其中 f = 芋一羔，= 雾 亿3 4 ， 口 ，地 。 v 丌厂。 由上式可知，只要 ，物 0 就可以成立。 而为磁等离子体频率： 2 所以只要 就可以实现负磁导率。如图2 4 。 f f 。 ； ， i 歹 ： f ，i f 国 ； i 。i i ( 2 3 5 ) 图2 4 负磁导率的实现+ 由上面公式推到可知，s r r s 周期排列而成的结构材料，在其谐振频率附近 可呈现出负的磁导率。当时谐磁场垂直于s b 时，由法拉第电磁感应定律可知 在s p , 凰s 内产生了感应电流，从而产生了电感。同时由于内外环之间存在间隙， 从而产生了电容，即产生了和s l 的几何尺寸及形状相关的l c 谐振。由于内 外环的开e l 方向相反，因此增加了s i 淝的电容，从而降低其谐振频率【3 。由此 可见，通过改变s r p u s 的环尺寸、开口大小、内外环间距等几何参数，实现调节 s r r s 的电磁谐振行为，从而达到所需的负磁导率。 目前，有关左手材料的理论已经日趋成熟，随着对左手材料的制备和物理特 性等研究的深入，人们也开始尝试研究左手材料的应用。如应用于微波器件、生 物安全成像、生物分子指纹识别、遥感、恶劣天气条件下的导航、微型谐振腔等 方面。深入研究左手材料必将给现代科技带来更大的进步。 1 4 左手材料微带天线的研究 2 3 左手材料的电磁特性 2 3 1 负折射现象 假设一束单色平面波入射到两介质交界面时就会发生反射和折射现象，若介 质1 和2 都为正常材料，光线从介质1 入射到与介质2 的交界面，反射角和入射 角分居发现两侧，且入射角等于反射角；当发生折射时，入射光线和折射光线将 分居法线两侧，且折射角为正值，如图2 5 ，其折射现象满足s n e l l 定律： 啊s i n ( t p ) = 1 2s i n ( ) ( 2 3 6 ) yy i 2 哗 l 弋 介质1 ， 一 二正材i i 2 嗨- 卜 介质、 l 介质2 ( 左手材料 s 旷 图2 5 左右手材料的折射现象 若介质l 为正常材料，介质2 为左手材料时，由m a x w e l l 方程组可得到电磁 场在介质界面上的连续性条件，即电场强度和磁场强度在切向连续，而对各向同 性介质，电位移矢量西= s 露，磁场强度蜃= | “疗，二者在界面法向方向连续： e l = e 2皿l = q 2 ( 2 - 3 7 ) s l e l = e 2 e 0 2地以l = 2 以2 ( 2 - 3 8 ) 其中，t 代表平行与界面的分量，n 代表垂直于界面的分量。 当s 0 ，p 介电常数 f r e q u e n c y ( g h z ) ( b ) 磁导率 f r e q u e n c y ( g h z ) ( c ) 折射率 图3 1 2 内外环间距对左手频段的影响 3 3 4 环数量对d s r _ r s 左手特性的影响 当左手材料单元参数h = 刁= o 1 3 m m ，g = 2 0 3 r a m ，f = p = 1 6 4 m m ， w = c = 0 2 6 m m 时，大小相同5 个开口谐振环阵列以距离为o 1 3 m m 平行沿直线 排列在波导中，由上节计算可知，左手频段区间为4 4 7 4 g h z 。在这个实验中， 以谐振环的数量为变量，分别建立4 、5 、6 三组环的阵列，其单元间距仍为o 1 3 m m ， 得到以下曲线，如图3 1 3 。 从图中可以看到，环的个数对左手频段影响比较大，当4 个谐振环为一列时， 其左手频带为4 3 7 3 g h z ；当增加到6 个环时，其左手频带变为3 6 6 6 g i - i z 。可 见随着谐振环数量的增加，左手材料的负介电常数和折射率逐渐减小，而且整个 左手频段几乎平行的向低频移动。其磁导率频率也同样前移，但随着环的增加， 它的值先变小后增大。 第三章左手结构的实现 f r e q u e n c y ( g h z ) ( a ) 介电常数 1 - 2 1 0 1 2 i 3 _ 4 - 5 _ 6 7 f r e q u e n c y ( g h z ) ( b ) 磁导率 f r e q u e n c y ( g h z ) ( c ) 折射率 图3 1 3 环数量对左手频段的影响 由此可见，在设计变形开口谐振环左手材料时，在适当的范围内，可以通过 改变环开口宽度，内外环宽度、单元间距以及谐振环数量来得到所需的频段及其 值的大小，这为今后设计左手介质材料提供了一定的理论基础。 3 4 本章小结 本章通过对左手材料传输特性进行分析，提出了一种能实现左手特性的变形 开口谐振环结构，利用d r s m i t h 提出的左手材料s 参数提取法对其进行分析， 用a n s o f th f s s 高频仿真软件得出d s r r s 幅值和相位与频率之间的变化关系，通 过介电常数、磁导率以及折射率与s 参数的关系进行m a t l a b 编程，得到其随着频 率变化的曲线。通过改变环开口宽度，内外环宽度、单元间距以及谐振环数量来 分析左手特性，从而得到以下结论： ( 1 ) 开口宽度h = d 对开口谐振环的左手特性影响比较大，在一定范围内，随着 开口宽度的变大，谐振环的负介电常数、磁导率和折射率均向右移，即向高频移 左手材料微带天线的研究 动。 ( 2 ) 谐振环单元距离对左手频段的影响也比较大，与开口宽度影响所不同的是， 随着谐振单元距离的增加，其负频段均向左移动，即向低频移动。 ( 3 ) 内外环之间的宽度w = 一对其左手特性影响不明显，随着w = c 的增大，负 介电常数、负磁导率以及折射率的变化均不大，仍处于4 4 g i - i z 7 4 g h z 附近。 ( 4 ) 谐振环数量也是影响其左手特性的一个主要因素，随着数量的增加，开口 谐振环的左手频段向左移动。 第四章左手结构矩形微带天线的仿真计算 3 l 第四章左手结构矩形微带天线的仿真计算 a n s o f th f s s 高频电磁仿真软件是一种分析三维无源结构的有效工具，它采用有限元法 可计算出天线的电磁特性本章主要设计了基底加载左手材料的微带天线、基底和覆层同时 加载左手材料的新型天线、左手材料共形微带天线及左手材料共形p b g 天线，然后把它们与 传统的天线作了对比，提出新型天线可实现减少天线物理尺寸和提高方向性和增益的目的。 4 1 仿真软件a n s o f th f s s 简介 本文采用的仿真软件是a n s o f t 公司的h f s sv 1 0 。 h f s s ( h i g hf r e q u e n c ys t r u c t u r es i m u l a t o r ) 是一款商业化的三维结构高频仿真 软件，它采用有限元方法分析任意三维无源结构的高频电磁场，可直接得到其特 征阻抗、传播常数、s 参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。该软件广泛 应用于无线和有线通信、计算机、卫星、雷达、半导体、微波集成电路及航天航 空等领域。 a n s o f th f s s 软件设计步骤主要由模型的建立、设置边界条件和激励源、参 数的扫描和优化、仿真结果处理等组成。它采用自适应网络剖分和自适应网络加 密技术、切向矢量有限元算法和自适应l a n c z o sp a d e 扫描( p a p s ) 等先进技术不断 提高p e m 方法的计算速度和计算精度，使其功能更加完善。它不仅可以求解内 部场的问题，还可以求解外场的散射问题，具有宽频带快速扫描能力。同时，h f s s 软件还允许用户自己剖分网络，用户可以根据电磁场理论，在场比较密的地方手 动加密，这样在保证了计算精度的情况下可以节省计算机资源。 由于a n s o f th f s s 软件在天线的仿真设计方面可以得到精确的分析结果，并 且可以通过对设计模型的仿真和优化得到最优的天线结构。经过测试，其仿真结 果和实际结果比较吻合。因此，h f s s 软件已经越来越多的受到工程设计者广泛 的青睐。 4 2 微带天线的基本理论 4 2 1 微带天线的辐射原理 微带天线的概念是由( 2 a d e s c h a m p s 教授于1 9 5 3 年采用微带线辐射的理论提 出的【2 】。它是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的一种天线， 主要利用微带线或同轴探针对天线进行馈电。微带天线有很多种形式，其中主要 3 2 左手材料微带天线的研究 包括微带贴片天线、微带振子天线、微带线形天线和微带缝隙天线等。贴片也分 为矩形、圆形、圆环形等各种规则的形状。 微带天线的辐射是由其导体边沿和地板之间的边缘场产生的【4 0 1 。由于天线形 状不同，分析方法也不同，因此对它的辐射原理也有不同的理论，这里以矩形贴 片天线为例。如图4 i ( a ) ，贴片长度为l ，宽度为w ，介质基底厚度为h ，可以将 金属贴片、介质基底和接地板视为一段长为l 的阻抗微带传输线，传输线的两端 断开形成开路。根据微带传输线理论，由于基底的厚度h 九( 九为工作波长) 。 所以，为了分析简单，可以假设电场沿微带结构的宽度w 与厚度h 方向没有变化 j 。在主模激励条件下，l = 九2 ( 九为微带传输线的导波波长) 的矩形贴片的 电场结构图可以由图4 1 ( b ) 表示，电场仅沿约为半波长l = 允。2 的贴片长度方向 变化。辐射基本上是由贴片开路边沿的边缘场引起的。在两端的场相对于地板可 以分解为法向分量和切向分量，因为贴片长为九2 ，所以法向方向相反，由它们 产生的远区场在正面方向相互抵消。平行于地板的切向分量相同，因此，合成场 增强，从而使垂直于结构表面的方向上辐射场最强。所以贴片可表示为相距a 。2 ， 同相激励并向地板以上半空间辐射的两个缝隙，如图4 1 ( c ) 。 贴片辐射器 j _ 叶 “) ( a ) 矩形微带贴片( b ) 侧视图( c ) 俯视图 图4 1 微带天线的辐射原理图 4 2 2 微带天线的分析方法 天线分析的基本问题是求解天线在周围空间建立的电磁场，求得电磁场后进 而得出其方向图、增益和输入阻抗等特性指标。微带天线经典的分析方法主要有 传输线模型和空腔模型法【4 2 删。传输线模型主要用于矩形微带贴片天线，这种方 法把矩形微带贴片天线看成是两端开路的微带传输线，场沿传输线方向( 纵向) 呈驻波分布，辐射主要是由两开路端的缝隙产生。传输线模型法假设场沿传输线 横向没有变化，是一种二维空间的分析方法。空腔模型法把微带贴片与接地板之 间的空腔看成是上下为电壁、四周为磁壁的有损耗的谐振器，主要损耗是由贴片 边缘泄露出去的辐射损耗，天线的辐射可以看成是由空腔四周的等效磁流所产生。 空腔模型法假设场与贴片的垂直方向没有变化，是一种二维空间的分析方法，适 第四章左手结构矩形微带天线的仿真计算 3 3 用于基片厚度远小于波长的情况。 1 传输线模型法 传输线模型是分析微带天线的最简单而又适合某些工程应用的理论模型，它 首先由芒森1 9 7 4 年提出，后由德纳里德( a gd e m e r y d ) 等人做了发展。是最早用 来研究天线的一种方法，这种方法计算量比较小，而且对辐射机理有一个比较好 的解释，同时又给出了微带天线特性的简单表达公式，对设计微带天线有良好的 指导作用，微带天线的参数如图4 2 所示的矩形微带贴片天线及坐标系，矩形的 宽为w ，长为l = 九2 ，a ，为介质内波长，传输线模型将矩形微带贴片天线看成 是场沿横向( z 方向) 没有变化的半波长谐振器，场沿纵向( y 方向) 呈驻波分布， 天线的辐射主要由y = 0 ，z 两开路端的边缘缝隙产生。 介质基底 射贴片 图4 2 用两个辐射缝隙表示的微带天线及缝隙的几何形状和坐标 首先研究y = 0 处的缝隙辐射情况。设y = 0 处电场为掘，缝隙电压为 v o = e o h ，缝隙的辐射可以用等效电磁流来计算，等效磁流 厶= 一而强= 夕掘= 一瓴= 三鲁 ( 4 - 1 ) 该磁流与镜像一起在自由空间辐射，其辐射的电矢量位移： 4 矗譬篱鲁 2 ， 图中所示的坐标系中远区场的矢量只有舀分量，厶：一如s i i l 口，因此 乓：煎如：一监厶s i n p ( 4 3 ) s o岛 印： 易毗譬警罴s i nc 署o s 冗r l 、n廿( d ) s i l l ( 竽c 刚) k o c o s 0 s i n 0( 4 4 ) 3 4 左手材料微带天线的研究 f 面计算三= 砧2 的两条缝隙的辐射情况。y = ，缝的等效磁流为 厶：一而x 羹( 一e o ) ：一夕曼( 一e o ) ：一三晶：一三阜 ( 4 1 5 ) 与j ，：o 磁流方向相同。两条缝隙的等效磁流构成一个同向二元阵，二者的辐 射场应为由y ：0 处磁流的辐射场乘以二元阵阵因子： 。 l + p 一蒯血蛳：2 c o s ( 掣s i n 日s i n 妒) e - j 等s i n 嘞9 ( 4 - 6 ) 即： e , = j 2 v oe 主r s i n ( k 刀o h s u s 。i n 口o c u c s o 妒sq 。) s i n ( 主蓑s c o 口s0 ) ，s ；n 日c 。s c 笋s i n 口s i n 9 ， ( 4 - 7 ) 由此可得h 面( t p = 0 ) 和e 面( 9 = 必) 两个主要的方向函数： s i n ( 掣c 础) 最( p ) = ( 4 - 8 ) o sc 疋( 妒) - - - c o s ( - 譬s i n 口s i n 妒) ( 4 9 ) 当用微带线从辐射边j ，= 0 对矩形贴片馈电时，天线的输入导纳应等于馈电缝 隙的导纳与端接另一缝隙的宽度为w ，长度为l 的微带线的输入导纳并联，如图 4 3 所示 即输入导纳 | 卜_ 刊 ， j j b t ie 亏l f ，。三 瓦= 三v ，y 。j o j j ( 4 一l o ) i ( v ；+ 磕渺肭= 0 圪哪e 揣 ( 4 - 第四章左手结构矩形微带天线的仿真计算 3 5 当h 0 空间， 另一个指向z 0 空 间辐射的针状主瓣。如果研究两个主平面的方向图特性时，由于在v = 0 平面， s ，( 9 ，0 ) = 常数，所以在此平面内的方向图特性就取决于篷( 日，0 ) 。 同样，在l f ，= = 2 平面，s ，( 9 ，丌2 ) = 常数，所以在此平面内的方向图特性就取 决于s 。( p ，7 r 2 ) 。因此，在线阵中分析的波束指向、波束宽度、零点、旁瓣和栅瓣 等结果可应用于平面阵。在平面阵不出现栅瓣的条件下，对于等幅激励的平面阵 方向性系数为： d ：