左手材料在天線(xiàn)上的應用

隨著(zhù)雷達應用需求的不斷擴展，作為關(guān)鍵部件的天線(xiàn)，尤其是主流的有源相控陣天線(xiàn)的發(fā)展日新月異。為適應現代雷達的高設計指標要求，新的解決方案、設計理論、材料以及微波器件正不斷涌現，天線(xiàn)微波領(lǐng)域面臨著(zhù)新的技術(shù)革命。左手材料(kft-Handed Material，LHM)作為一種應用材料，可為天線(xiàn)微波領(lǐng)域提供更多的技術(shù)選擇。LHM具有介電常數占與磁導率p同時(shí)為負值的電磁特性，這與自然界中的大多數材料有著(zhù)直接的差異。電磁波在該介質(zhì)中傳播時(shí)，電場(chǎng)強度、磁場(chǎng)強度與傳播矢量三者遵循左手螺旋定則，因此存在負折射效應、逆多普勒效應、逆切侖科夫輻射和理想透鏡等多種奇特物理現象。

2001年，美國麻省理工學(xué)院的Smith等人根據Pendry的理論模型及設計思想，首次制備出在微波波段同時(shí)具有負介電常數和負磁導率的材料，并通過(guò)實(shí)驗觀(guān)察了負折射現象舊1。LHM由此引起了科學(xué)界的濃厚興趣，對其基本理論和實(shí)驗的研究正不斷完善，其已成為近年來(lái)物理學(xué)和電磁學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1.左手材料(kft-Handed Material，LHM)作為一種應用材料，可為天線(xiàn)微波領(lǐng)域提供更多的技術(shù)選擇。

LHM具有介電常數占與磁導率p同時(shí)為負值的電磁特性，這與自然界中的大多數材料(s與弘構造的材料空間如圖1所示)有著(zhù)直接的差異。電磁波在該介質(zhì)中傳播時(shí)，電場(chǎng)強度、磁場(chǎng)強度與傳播矢量三者遵循左手螺旋定則，因此存在負折射效應、逆多普勒效應、逆切侖科夫輻射和理想透鏡等多種奇特物理現象?。2001年，美國麻省理工學(xué)院的Smith等人根據Pendry的理論模型及設計思想，首次制備出在微波波段同時(shí)具有負介電常數和負磁導率的材料，并通過(guò)實(shí)驗觀(guān)察到了負折射現象。LHM由此引起了科學(xué)界的濃厚興趣，對其基本理論和實(shí)驗的研究正不斷完善，其已成為近年來(lái)物理學(xué)和電磁學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

圖 1.加載左手材料層貼片天線(xiàn)結構

2.天線(xiàn)及陣列

復合左手結構中存在4個(gè)頻帶區，分別為左手導波區、左手輻射區、右手輻射區和右手導波區，如圖3所示。當頻率位于左手輻射區和右手輻射區時(shí)，垂直于該結構平面方向的傳播常數k．變?yōu)閷?shí)數，該方向有漏波或輻射產(chǎn)生，這與普通微帶天線(xiàn)的輻射機理類(lèi)似?；趶秃献笫謧鬏斁€(xiàn)的漏波天線(xiàn)同普通漏波天線(xiàn)相比的2個(gè)顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)：(1)復合左手傳輸線(xiàn)的基本模式下包括了輻射頻帶和導波頻帶，因此該漏波天線(xiàn)可工作在基本模式上；(2)在平衡復合左手傳輸線(xiàn)中β=0，而群速Ug不為O，故此時(shí)復合左手漏波天線(xiàn)可以向實(shí)現法向輻射(邊射)，控制頻率的大小即可使天線(xiàn)獲得前向至后向的連續掃描輻射。

圖2.平衡和平衡結構的復合左手傳輸線(xiàn)相移常數、折射率與頻率的關(guān)系

左手結構應用到微帶天線(xiàn)的設計中，還有其他特點(diǎn)：
(1)抑制微帶表面波效應，減小天線(xiàn)的邊緣散射·，提高天線(xiàn)的輻射效率；
(2)可利用左手材料的平板透鏡聚焦特性，改善天線(xiàn)輻射性能，使天線(xiàn)的方向性更好，輻射增益更大。
(3)利用左手介質(zhì)的相位補償效應，可突破傳統微帶天線(xiàn)的半波長(cháng)電尺寸的束縛，使得小型化設計成為可能。

圖3.合左手微帶天線(xiàn)的色散曲線(xiàn)

3.零相位陣列饋電網(wǎng)絡(luò )

左手傳輸線(xiàn)中電磁波傳輸的群速與相速反向，故沿傳播方向的電磁波相位將超前。而傳統的右手傳輸線(xiàn)沿電磁波傳播方向相位是滯后的。設計由左手傳輸線(xiàn)和右手傳輸線(xiàn)共同組成的傳輸結構，通過(guò)控制左右手混合傳輸線(xiàn)中右手傳輸線(xiàn)和左手傳輸線(xiàn)的長(cháng)度比，即可獲得零相位延遲，從而避免由于天線(xiàn)單元饋電處非零相位延遲所導致的波束偏移。若將左手傳輸線(xiàn)工作頻率設計位平衡復合左手單元的過(guò)渡頻率。，則在該頻率處相移常數p=0，故由該單元級聯(lián)得到的復合左手傳輸線(xiàn)上各處的相位延遲均為零。由此可方便地設計出基于無(wú)限波長(cháng)的同相串聯(lián)功率分配器。也可利用集總元件設計有效的無(wú)相差傳輸線(xiàn)，但器件建模精度對性能產(chǎn)生直接影響，其設計也較為復雜。

4.寬帶巴侖

在復合左手傳輸線(xiàn)中，其相頻特性曲線(xiàn)的斜率和零相位點(diǎn)均可進(jìn)行調整。利用這一特點(diǎn)，可以將普通微帶延遲線(xiàn)與復合左手傳輸線(xiàn)結合，設計出具有較好的寬帶特性的微帶巴倫功分器。

左手材料在天線(xiàn)微波領(lǐng)域內的應用已越來(lái)越廣泛，如在平面波導中部分填充左手材料從而形成超級波導，這種超級波導中傳輸的能量比普通波導中能夠傳輸的能量要大出許多利用有限尺寸的左手材料可將能量限制在一個(gè)小的范圍內，其有望在窄帶濾波器的設計中得到應用；將左手材料覆蓋在介質(zhì)周期結構上對原有的頻率選擇特性的影響|，故左手材料還可用在頻率選擇表面上。