左手材料在天线中的运用研究进展

33/33HYPERLINK"/"左手材料在天线中的应用研究进展摘要：首先从理论上解释了左手材料用于天线设计时实现天线高指向性、高效率、小型化以及大的扫描范围的缘故，然后重点介绍了基于金属谐振结构和复合左/右手传输线(CRLHTL)结构的左手材料用于天线设计时的研究进展，显示了金属谐振结构在提高天线方向性、增大天线增益、减小天线体积等方面具有专门大优势，而CRLHTL结构在提高天线带宽、增加天线频带、增大漏波天线扫描范围等方面具有潜在应用价值。关键词：左手材料；天线；金属谐振结构；复合左/右手传输线结构引言左手材料(Left-HandedMaterial，LHM)又被称为双负介质，它是一类在一定的频率下同时具有负磁导率和负介电常数的新型人工电磁结构材料。1968年，前苏联物理学家Veselago[1]首次从理论上研究了电磁波在介电常数和磁导率同时为负的物质中传播的奇异特性，如负折射率等。20世纪90年代，英国物理学家Pendry等人相继提出了用周期性金属棒结构（Rod）[2]和金属谐振环结构（SRR）[3]分不来实现负介电常数和负磁导率的设想，为左手材料的实现提供了基础。依据Pendry的设计思想，2000年Smith等人[4]把以上两种结构有规律地排列在一起，首次制出了在微波段同时具有负介电常数和负磁导率的材料。而Pendry[5]关于双负介质平板能够放大或恢复倏逝波来实现完美聚焦成像的建议为左手材料的研究起到了进一步的推动作用。2002年，美国加州大学的Itoh教授[6]提出了一种新的设计左手材料的方法—左手传输线，它是用串联交指电容来实现的。几乎同时加拿大多伦多大学的Eleftheriades教授[7]提出了周期加载串联电容和并联电感组成的平面一维左手传输线结构。2004年，Itoh等人[8]又提出了复合左/右手传输线（CRLHTL）概念，这开创了一个全新的研究领域，复合左/右手传输线是最有可能首先得到应用的左手材料。左手材料在微波平板聚焦透镜、带通滤波器、耦合器、天线以及隐身衣等方面具有广泛的应用前景。特不是在天线上的应用更具吸引力，因为它具有传统天线无法比拟的优点，它能够提高天线的方向性系数和增益、增大天线辐射效率、增加天线带宽、减小天线系统尺寸等。1左手材料天线1.1高指向性利用左手材料奇异的电磁特性，能够实现左手材料平板透镜聚焦效应，从而能够改善天线辐射特性，提高天线的方向性，进而增大辐射增益。Enoch等人[9]最早研究了具有零折射特性的左手材料在天线定向辐射上的应用。他们指出在适当的条件下，嵌入到平板左手材料的全向天线向自由空间辐射的电磁波会被聚拢在法线方向附近，从而减小了天线的半波瓣宽度，提高了天线的方向性，增大了其增益。他们考虑了一种最简单的左手材料：薄金属网孔的线介质。实验和理论的研究表明这种连续的线介质具有等离子频率的特性，在微波频段其等效介电常数为： （1）当ω专门接近ωp时，能够看到其等效介电常数接近于0，从而实现了零折射特性。下图给出了简单的几何光学原理解释：左手材料空气左手材料空气空气空气图1等效折射率接近零的左手材料平板中源的辐射示意图Fig.1TheemissionofasourceinsideaslabofLHMwhoseopticalindexisclosetozero.把一辐射源嵌入到折射率接近于零的左手材料平板中，其周围为均匀各向同性的介质，能够看到所有的折射光线差不多上差不多上沿着法线方向出去，这一现象能够用斯奈尔定律解释[10]: （2）在那个地点θout为折射角，θin为入射角。由于真空中的折射率nvac=1，nmeta≈0，因此sinθout近似为0，也确实是电磁波折射后，会在专门靠近法线方向辐射出去。这确实是利用这种介质构造高指向性天线的机理。1.2提高辐射效率微带天线中表面波的存在会降低天线的辐射功率，而把左手材料作为微带天线的基板，能够抑制表面波的传输，有效的减小边缘辐射，增强天线耦合到空间电磁波的辐射功率，增大其辐射效率[11]。假设一个高为h的各向同性的左手材料平板，其相对介电常数和相对磁导率分不为μr1和εr1，它们都为负值，如图2（a）所示。Z0Z0Z1h图2（a）左手材料接地平板结构[11]（b）接地平板的TE和TM模式横向等效网络Fig.2(a)LHMgrounded-slabstructure[11]；(b)TransverseequivalentnetworkforTEandTMmodesofthegroundedslab.表面波沿着z方向传播，其传播常数为kz=βz，表面波在y方向会逐渐的减弱。假定在x方向上电磁场没有变化，因此关于二维空间上我们能够单独地研究TE和TM模式。其y方向上的等效网络如图2（b）所示，其中Z0为自由空间中的特征阻抗，Z1为平板中的特征阻抗。关于自由空间和平板，它们各自对应的两个极化（TE和TM）的特征阻抗表达式为：,，, （3）上式中：，αy0是一个正实数，这是为了满足在y方向上无穷远处的辐射条件。TE和TM模式的色散方程为： （4）一般表面波为ky1=βy1，倏逝波为ky1=jαy1，后面一种波不能在双正的各向同性平板介质中存在。经讨论可知在TE和TM模式下表面波不能传播的条件如下[17]：在下，能抑制表面波传播的充分条件是： （5）在下，能抑制表面波传播的充分条件是： （6）因此通过式（5）和（6）可知：若μr1εr1＜1，则当平板厚度足够大时能够抑制表面波的传播。若μr1εr1＞1，则当平板厚度足够小时能够抑制表面波的传播。1.3小型化设计左手材料天线的小型化设计是基于左手介质的后向波特性的应用之一。Engheta[12]在2002年首次提出了基于左右手介质的一维小型化谐振腔结构，它是将左手介质的后向波效应与传统介质的前向波效应相结合设计出的小于半波长的谐振腔。把它运用到天线中可突破传统微带天线的半波长电尺寸的束缚，从而达到天线小型化设计的目的。图3复合左右手介质构成的一维相位补偿结构[12]Fig.3Basedoncompostright/leftmediaofone-dimensionalphasecompensatorstructure[12].图3左边平板由无耗的一般介质构成（ε1＞0，μ1＞0），假设这一介质的特征阻抗与外部自由空间的特征阻抗相等，但其折射率不同。当电磁波进入到平板时，在介质表面可不能发生反射，波前相位与入射点的相位差为： （7）图3右边平板由无耗的左手介质构成（ε0＜0，μ0＜0），且假设左手介质的特征阻抗也与外部空间相匹配。将左手介质平板与右手介质平板并列放置，电磁波穿透两介质最终离开左手介质平板，坡印廷矢量始终不变，因为穿过的介质都为无耗介质。在右手介质平板中坡印廷矢量与波矢的方向相同，而在左手介质平板中两者方向相反。因此，电磁波进入到左手介质平板到穿透左手介质所产生的相位差为： (8)因此，电磁波穿过图示的一维结构所产生的总的相位差为： (9)从上式中看到，假如左手介质平板与右手介质平板的厚度比为d1/d2=n2/n1，则由左右手介质构成的平板其总的相位差为零。因此，左手介质在左右手复合结构中起着相位补偿的作用，重要的是这种相位补偿作用不依靠与平板的总厚度d1+d2，而是取决于它们厚度的比值d1/d2。因此，理论上只要满足d1/d2=n2/n1，则厚度能够是任意值。1.4增大扫描范围由于复合左/右手传输线单元的相位常数随频率和等效电路参数的变化而变化，在不同的频率区间呈现负值或正值，而在一个非零频率点上的相位常数甚至能够为零。利用这种奇异的相位传播特性，结合漏波天线频率扫描的工作原理，能够构造大角度微带漏波天线[13]。在平衡状态下,复合左/右手传输线单元的相位常数为： (10)（11）当ω<ω0时，β<0，反之β＞0；当ω=ω0时,β=0。而漏波天线的辐射角为 (12)由上式能够看到CRLH漏波天线的辐射角理论上能够实现从-900到900的连续扫描，当ω<ω0时，天线后向扫描，当ω>ω0时，天线前向扫描。而传统的微带漏波天线只能从边射到端射的扫描（即00到900的扫描），因为β总是为正值，而且传统微带漏波天线不能进行边射扫描，因为关于右手材料来讲当β=0时,vg=0，然而关于CRLH漏波天线，当β=0时，群速vg并不为零，天线将能够在边射方向进行辐射。2左手材料天线进展2.1金属谐振结构的左手材料天线提高天线增益的方法有专门多种，例如改用阵列天线、碟形天线、抛物面天线等，但这些天线的体积都过于庞大，限制了它们在一些专门场合的应用。微带天线虽具有小的体积，然而它具有专门低的增益，而且其辐射方向容易受到表面波的阻碍。针对这些问题，人们提出了利用左手材料的平板透镜聚焦效应来提高天线增益的方法[14,15]，这不仅获得了专门高的增益，而且可实现天线的小型化设计。2005年，Burokur[16]从理论上研究了左手材料对微带天线的阻碍，这种左手材料是由矩形开口环和金属线构成（图4（a）），将一定体积的这种左手材料覆层置于天线前方，发觉它的引入可使天线的增益提高2.8dB，且具有专门好的方向性。还发觉若选用损耗小的左手材料且保证良好的波阻抗匹配，天线的增益能够达到12dB。Rahim等人[17]将改进的矩形开口环结构与电容加载金属线相结合构造出一种新的左手材料结构（图4（b）），将这种左手材料作为微带天线的覆层，则增益显著增加，且半波功率点波束宽度变得更加狭窄，因此具有专门好的方向性。Zhao等人[18]研究了在矩形微带贴片天线上覆盖表面开口方形环结构左手材料后对天线性能的阻碍（图4（c）），他们发觉随着加载这种左手材料层数的增加，天线的增益会进一步的增强，四层这种结构其增益达到了2.12dB。Zani等人[19]设计了基于矩形开口环结构的左手材料圆形贴片天线，其增益从2.02dB增加到了3.51dB，回波损耗从22.08dB增加到了24.2dB，因此具有更好的匹配性能，且这种左手材料天线的尺寸只有传统天线的一半。（a）（b）（c）图4开口环结构[16][17][18] Fig.4Splitringresonatorstructure[16][17][18].目前实现天线小型化的要紧方法有短路加载、开槽开缝、选用高介电常数基板和利用集总元件等。然而，这些方法是在牺牲天线的增益、效率和带宽等方面的性能指标下获得的。有鉴于此，人们提出了利用左手材料的相位补偿作用来实现天线小型化设计的思想，从而解决了以上问题[12]。2005年，周雷教授[20]利用左手材料制作了双夹板谐振腔天线，将腔体厚度减少到了半波长以下，实现了天线的小型化设计，同时这种天线具有专门好的方向性。2006年，Abdelwaheb等人[21]提出了一种基于左手材料谐振腔的超小型高指向印刷天线，这种人工磁导体由两个法布里-珀罗谐振腔反射器构成，一个反射器由高阻抗表面构成，它作为印刷天线的基底，另一个反射器由部分反射面构成，它作为发射信号的窗口。这种谐振腔的厚度可达到λ/60的数量级。此后，Abdelwaheb[22]还提出了在介质基板上周期排列平板金属结构（图5（a）），从而实现了左手特性。用这种结构设计了超小型亚波长谐振腔天线，其谐振腔的厚度同样可达到λ/60。除了上面提到的开口环结构和谐振腔结构左手材料用于天线设计外，人们还研究了其它结构的左手材料在天线上的应用。Huang等[23]研究了耶路撒冷十字结构的左手材料（图5（b）），它的折射率接近于零，将其作为双极化贴片的天线罩，则天线的增益可提高2dB，同时能减少天线的波束宽度。朱忠奎等人[24]将一种双面刻有树枝结构单元阵列的介质材料作为天线的基板（图5（c）），制备了树枝状负磁导率材料微带天线。研究表明，引入这种左手材料后微带天线的定向性得到显著改善，天线的侧向辐射减弱，前向辐射增强，增益提高了2.19dB。Kim等人[25]提出了利用平板左手材料来制作透镜天线的思路，这种平板左手材料是由高介质立方体谐振器周期的嵌入到低介质基质中构成的（图5（d））。结果表明，其增益从6.1dB增加到了11dB，通过选择更大介电常数的材料，可进一步减少平板透镜的厚度，从而实现天线的小型化设计。Lagarkon等人[26]通过在基板上放置等尺寸的左旋和右旋弹簧结构来实现ε和μ接近于零的左手材料（图5（e）），将这种左手材料用于喇叭天线的设计中，其旁瓣得到了显著的抑制，后向辐射增强。另外，孙立志、冉立新等人[27]研究了基于Ω型结构左手材料构成的后向波天线，其后向波方向为-30°（图5（f））。(a)(b)（c）(d)(e)(f)图5金属谐振结构（a）平板结构[22];（b）耶路撒冷十字结构[23];（c）树枝状结构[24];（d）立方体结构[25];（e）弹簧结构[26];（f）左手材料的后向性[27].Fig.5resonantmetalstructures(a)planarstructure[22];(b)Jerusalemcrossstructure[23];(c)dendriticstructure[24];(d)cubicstructure[25];(e)springstructure[26];(f)thebackwardwavepropertyofLHM[27].2.2传输线结构左手材料天线金属谐振结构的左手材料通常仅在谐振频率下表现出左手特性，存在频带窄和损耗大等缺点，这将限制了它在天线方面的应用。而复合左右手传输线（CRLHTL）结构具有宽带宽、低损耗、体积小、容易制作等优点，因此这种结构更适合用于天线的设计。Zhu和Eleftheriades[28]基于双谐振理论，提出了一种宽带小型化天线，这种天线由两部分CRLHTL构成，并在每一部分的传输线周围加载5个螺旋电感（图6（a）），通过它们来调整其工作频率。这种天线的辐射效率在3.30GHz范围内达到了65.8%，且带宽达到了100MHz。Nordin等人[29]也提出了一种宽带宽、小型化的CRLHTL微带天线，其基板上层有2×2个CRLHTL结构，并在通孔和接地板之间引入两平行金属板（图6（b）），以起到减小并联电容值的作用。因为带宽会随着并联电容值的减小而增大，因此这种结构能够显著的增加天线的带宽，且这种天线具有多个工作频带，具有特不小的尺寸。Li等人[30]利用新型结构的二维CRLHTL设计了一种超宽带、高增益的矩形微带贴片天线，这种结构是由刻蚀在金属贴片上的三角带隙和刻蚀在接地面上的十字带状线构成（图6（c））。天线带宽从200MHz增加到了3GHz，而且辐射效率超过了98%，还具有高增益和低电压驻波比。Huang等人[31]利用CRLHTL理论设计了两种新型的超宽带天线（图6（d）），一种是圆形结构，其频带覆盖2.63GHz到8.55GHz的范围，另一种为矩形结构，其带宽也超过了2GHz，且它们都具有高的辐射效率。这种天线特不适用于高速短距离的无线通信系统中，如无线个人局域网系统等。Duan等人[32]提出一种螺旋形CRLHTL超宽带天线，其带宽可达到2.2GHz，相对带宽达到了25.3%。（a）（b）（c）（d）图6宽带宽传输线结构（a）加载螺旋电感[28];（b）引入平行金属板[29];（c）二维结构[30];（d）圆形结构与矩形结构[31].Fig.6widebandCRLHTLstructures(a)spiral-inductor-loadedCRLHTL[28];(b)incorporateparallelplatebetweentheviasandthegroundplanes[29];(c)two-dimensionalstructure[30];(d)CircularandRectangularstructure[31].双频带天线的出现满足了人们对现代无线电子产品功能多样化的需求，实现双频带的传统方法有：改变贴片天线形状、利用双馈线和利用PIFA天线等，但这些方法具有低的辐射效率和相异的辐射方向图等缺点，而且其尺寸仍过于庞大。对此,Jeone[33]提出了一种基于CRLHTL的小型化双频带零阶谐振天线，它是由低频带和高频带的零阶谐振天线构成（图7（a）），其谐振频率分不为0.86GHz和1.8GHz，测量的辐射效率在这两个频带下可分不达到53%和41%，且可实现全向辐射，而尺寸仅为40×6×3mm2，但这种天线具有专门窄的带宽。因此他提出[34]了利用零阶谐振模式和第一负阶谐振模式的“蘑菇型”CRLHTL来构造双频宽带天线的思路（图7（b）），其辐射效率分不达到了56.4%和66.6%，且其带宽达到了430MHz。Narida等人[35]基于CRLHTL理论通过在基板两侧刻蚀一定形状的平板图案也构造了一种双频带天线，它不用附加过孔或集总元件就可专门容易实现微带线的激励。这种双频带天线可实现373MHz和817MHz的负数阶和正数阶谐振，且具有全向辐射的能力和专门小的尺寸。Yu[36]利用交指电容和并联电感构成的CRLHTL设计了一种双频带圆极化环形天线（图7（c）），它的两个频带具有相近的辐射方向图，且具有专门好的轴向辐射能力，该天线的工作频率在1.768∼1.776GHz和3.868∼4.007GHz内。Gummally等人[37]也提出一种小型化的双频带左手材料阵列天线，这种天线具有小的体积和高的辐射效率。（a）（b）（c）图7多频带传输线结构（a）低频带与高频带零阶谐振结构[33];（b）零阶与第一负阶谐振结构[34];（c）双频带圆极化结构[35].Fig.7multibandCRLHTLstructures(a)GeometryoftheproposedmultibandantennausingLHMZOR[33];(b)twocloselyspacedzeroth-orderandfirst-negative-orderresonancemodesofCRLH-TL[34];(c)dualbandcircularlypolarizedantenna[35].微带漏波天线拥有较窄的主波瓣，还具有频扫特性和相当好的宽带特性。另外，微带漏波天线的馈电结构简单紧凑，使其具有低成本和易制造的优点。然而，传统的微带漏波天线只能实现主波束为单波束时从边射到端射的扫描，其扫描范围被限制在90°范围内。而基于CRLHTL结构设计的漏波天线在理论上能够实现从-90°到90°的扫描[38,39]。Abdelaziz[40]利用耦合微带线设计了基于CRLHTL结构的微带漏波天线，并通过接地板的浮置导体来增加耦合度（图8（a））。这种天线具有边射到端射的扫描能力，且工作在基模下，具有小尺寸、低损耗和宽频带的优点。Kodera等人[41]利用CRLH谐振理论提出了一种均匀负载铁氧体的开放波导结构（图8（b）），它能自动的平衡CRLH的响应频率，而不需要任何的芯片组件来调谐，克服了传统CRLHTL结构难以实现谐振平衡的缺点。基于这种结构设计的漏波天线同样能够实现边射到端射的全波扫描，且能够固定偏置频率扫描和固定频率偏置扫描。Lin等人[42]设计了一种基于共面波导结构的CRLH漏波天线，这种天线也可实现边射到端射的扫描。另外，Lin等人[43]还利用同轴结构的CRLH制作了谐振频率为475MHz的单极子天线（图8（c）），通过改变这种结构，其工作频率甚至可达到150MHz。D.Kim和M.Kim[44]利用CRLHTL理论提出了一种改进的T形单极子天线（图8(d)），它具有专门窄的波束宽度，因此可广泛用于汽车避撞系统以及点对点通信系统中。(a)(b)(c)(d)图8大扫描范围及其它传输线结构（a）耦合微带线结构[40];（b）负载铁氧体的开放波导结构[41];（c）同轴结构[43];（d）“T型”结构[44].Fig.8largescanrangeandotherCRLHTLstructures(a)coupledmicrostriplinesstructure[40];(b)uniformferrite-loadedopenwaveguidestructure[41];(c)coaxialstructure[43];(d)T-shapedstructure[44].3结语目前，左手材料的进展正从最早的印刷电路结构向更有用的颗粒夹杂复合材料方向进展。但国内外对其左手材料研究仍处于理论和实验时期，离左手材料天线的实际应用还有一段距离，因为还有许多问题有待解决。例如，金属谐振谐振结构左手材料适合天线小型化和高指向性的设计，但具有小的带宽和大的传输损耗。而复合左右手传输线的带宽、传输损耗等性能指标较佳，然而它的辐射性能不佳，不适合作为天线的辐射部分。而且随着频率的升高，传输线结构中功能单元的感性和容性会发生变化,加上大量寄生电容和寄生电感的阻碍,使得实际的等效电路特不复杂,有可能大幅降低复合左右手传输线的性能。因此，设计和制备出宽频带、低损耗、性能稳定、低成本的左手材料是实现实际应用的关键。参考文献1VeselagoVG.Theelectrodynamicsofsubstanceswithsimultaneouslynegativevaluesofεandμ[J].SovPhysUsp,1968,10(4):5092PendryJB,HoldenAJ,StewartWJ,etal.Extremelylowfrequencyplasmonsinmetallicmesostructures[J].PhysRevLett,1996,76(25):47733PendryJB,HoldenAJ,RobbinsDJ,etal.Magnetismfromconductorsandenhancednonlinearphenomena[J].IEEETransMicrowaveTheoryandTech,1999,47(11):20754SmithDR.,PadillaWJ,VierDC,etal.Compositemediumwithsimultaneouslynegativepermeabilityandpermitti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