基于左手介質(zhì)的小型微帶天線(xiàn)
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左手材料(Left―handed metamaterials，LHMs)是一種介電常數和磁導率同時(shí)為負的人工復合結構材料，最早是由前蘇聯(lián)科學(xué)家Velago V G在20世紀60年代從理論上提出的。20世紀90年代，英國皇家學(xué)院John Pendry從研究結構材料的角度出發(fā)，先后發(fā)表論文指出金屬細線(xiàn)結構和開(kāi)口諧振環(huán)結構分別在電等離子頻率和磁等離子頻率下時(shí)電參數ε、μ會(huì )表現出負值，這為L(cháng)HM的實(shí)現提供了基礎。美國加州大學(xué)Smith D R等人將這兩種結構結合起來(lái)，使材料的介電常數和磁導率在某個(gè)頻率范圍內同時(shí)出現負值，LHM就這樣產(chǎn)生了。
由于LHM中傳播電磁波的相速度和群速度方向相反，導致在該媒質(zhì)中傳播電磁波的電場(chǎng)E、磁場(chǎng)H、以及波矢量K三者構成左手系，而不遵循常規媒質(zhì)的右手法則。它具有負折射率、負群速度、逆Doppler頻移、反常Cerenkov輻射等種種奇異的物理性質(zhì)，上述性質(zhì)具有較廣泛的應用前景，它突破了傳統電磁學(xué)理論中的一些基本概念，引起科學(xué)界的部分關(guān)注。本文重點(diǎn)研究該媒質(zhì)的后向波特性以及它在微帶天線(xiàn)小型化中的應用。
左手材料是一個(gè)全新的前沿領(lǐng)域，基于其奇特的反常電磁波特性，在無(wú)線(xiàn)通訊領(lǐng)域將有很大的應用前景，可用作延遲線(xiàn)、耦合器、天線(xiàn)收發(fā)轉換開(kāi)關(guān)、固態(tài)天線(xiàn)、微型反響天線(xiàn)、平板聚焦透鏡、帶通濾波器、光導航、超敏感傳感器、醫學(xué)診斷成像等。特別是其在天線(xiàn)上的應用很有吸引力。將左手介質(zhì)的后向波效應和右手介質(zhì)的前向波效應相結合可以設計出小于半波長(cháng)的諧振腔，而且諧振腔的物理尺寸不再受諧振頻率的限制。此時(shí)的左手介質(zhì)相當于一個(gè)相位補償器，電磁波在右手介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生的相位差可以通過(guò)左手介質(zhì)的后向波效應加以補償。
l 左手材料
左手材料(LHM)是一種新型的人造材料，它可將尺寸很小的一些周期性結構放在波導中構成，因為當介電常數和磁導率同時(shí)為負的時(shí)候，LHM呈現出負折射率特性。
本研究采用圓環(huán)形左手材料的結構單元，如圖1(a)所示，它是將兩個(gè)開(kāi)口的金屬環(huán)和一個(gè)金屬桿放在介電常數為2．2的媒質(zhì)里組成，其尺寸為：r=35mii，R=45mil，a=c=7mil，d=2mil，h=100miI，整個(gè)單元的尺寸是100mil×lOOmil×18mil。兩個(gè)開(kāi)口金屬環(huán)是相互平行放置的，大小相同，每個(gè)環(huán)上有兩個(gè)缺口，后面一個(gè)環(huán)可由前面的環(huán)旋轉90°得到。金屬桿和前面的金屬環(huán)位于同一個(gè)平面。這里金屬用的是銅，厚度為0．018mm。
將5個(gè)這樣的結構單元放在波導中，如圖1(b)所示，該結構的尺寸為：n=b=100mil，m=92mil，p=18mil。波導中填充介電常數是2．2的介質(zhì)材料，波導的上下面是電壁，前后面是磁壁，入射波從端口1向端口2傳播。
通過(guò)用IE3D仿真軟件仿真得到這5個(gè)陣列的S參數的實(shí)部和虛部，再通過(guò)MATLAB編程，從S參數中提取出介電常數和磁導率的實(shí)部隨頻率的變化曲線(xiàn)，如圖2(a)所示?？梢钥吹?，在10～14GHz之間，介電常數和磁導率的實(shí)部同時(shí)為負。同時(shí)可得到折射率的實(shí)部和虛部隨頻率變化的曲線(xiàn)圖如圖2(b)所示，在10～14GHz之間，折射率n的實(shí)部為負，虛部趨于零?？梢?jiàn)，在10～14GHz之間有一個(gè)2GHz的左手通帶。
由于這個(gè)左手材料的電尺寸很小，并且測試時(shí)所用的邊界條件和把它放置在微帶天線(xiàn)基板中相同，所以可以用它的后向波特性來(lái)設計小型化的微帶天線(xiàn)。
2 加載左手介質(zhì)的小型微帶天線(xiàn)
傳統的微帶天線(xiàn)有個(gè)難以解決的問(wèn)題，當基板的介電常數比較小時(shí)，要得到寬頻帶必須增大貼片面積；當基板介電常數比較大時(shí)，貼片面積會(huì )變小，但同時(shí)帶寬也會(huì )變小。當把左手材料加到天線(xiàn)的基板中時(shí)，我們就可以利用左手材料作為相位補償器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
微帶天線(xiàn)模型將矩形微帶貼片看成為沿橫向沒(méi)有變化的傳輸線(xiàn)諧振器，場(chǎng)沿縱向呈駐波變化，輻射主要由開(kāi)路端處的邊緣場(chǎng)產(chǎn)生。因此微帶天線(xiàn)可表示為相距y的兩條平行縫隙，為滿(mǎn)足兩端的相位要求，微帶天線(xiàn)的縱向場(chǎng)長(cháng)度需要達到半個(gè)波長(cháng)。但加載左手材料后，利用左手介質(zhì)的后向波特性對縱向波進(jìn)行相位補償，雖然貼片尺寸沒(méi)有半個(gè)波長(cháng)，依然可以達到兩端輻射的要求。
圖3(a)為加載了左手材料的微帶天線(xiàn)，其中k=30mil，x=70mil，y=160mil，z=150mil，u=w=47mil，v=99mil，t=100mil。通過(guò)仿真得到該天線(xiàn)的反射系數如圖5(a)所示，反射系數一10dB的帶寬為9．68～10．95GHz，相對帶寬為12．31％。遠場(chǎng)區的輻射方向圖如圖5(b)所示，最大增益約為3．4dB。
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