最新左手材料在天线中的应用研究进展

左手材料在天线中的应用研究进展

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原因，然后重点介绍了基于金属谐振结构和复合左/右手传输线(CRLH TL)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很大优势，而CRLH TL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

0引言

左手材料(Left-Handed Material，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]分别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]关于双负介质平板可以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（CRLH TL）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。特别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，它可以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，可以实现左手材料平板透镜聚焦效应，从而可以改善天线辐射特性，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集在法线方向附近，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：

221p

eff ωωε=-

（1）

当ω很接近ωp 时，可以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：

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.1 The emission of a source inside a slab of LHM whose optical index is close to zero.

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，可以看到所有的折射光线基本上都是沿着法线方向出去，这一现象可以用斯奈尔定律解释[10]:

meta in out vac n sin sin n θθ=

（2）

在这里θout 为折射角，θin 为入射角。由于真空中的折射率n vac =1，n meta ≈0，所以

sin θout 近似为0，也就是电磁波折射后，会在很靠近法线方向辐射出去。这就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，可以抑制表面波的传输，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别为μr1和εr1，它们都为负值，如图2（a ）所示。

空气

图2 （a ）左手材料接地平板结构[11] （b

Fig.2 (a) LHM grounded-slab structure [11] ； (b) Transverse equivalent network for TE and TM modes of

the grounded slab.

表面波沿着z 方向传播，其传播常数为k z =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，因此对于二维空间上我们可以单独地研究TE 和TM 模式。其y 方向上的等效网络如图2（b ）所示，其中Z 0为自由空间中的特征阻抗，Z 1为平板中的特征阻抗。

对于自由空间和平板，它们各自对应的两个极化（TE 和TM ）的特征阻抗表达式为：

00TE

y z k ωμ=,011TE r y z k ωμμ=，000y TM k z ωε= ,1101y TM r k z ωεε=

（3）

上式中：22000y z y k k j βα=-=-，2211y z k k β=-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：

110tan()0y jz k h z +=

（4） 普通表面波为k y1=βy1，倏逝波为k y1=j αy1，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]：

Z 0

Z 1

h