左手材料在天線(xiàn)設計中的主要應用

本文中，主要對近年來(lái)左手材料在天線(xiàn)領(lǐng)域中的應用進(jìn)行小結，以便對下一步的深入研究工作打好基礎。

左手材料（Left-Handed Materials，LHM）是指一種介電常數和磁導率同時(shí)為負值的材料。電磁波在其中傳播時(shí)，波矢量K，電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H之間的關(guān)系符合左手螺旋關(guān)系，因此稱(chēng)為左手材料。相對而言，在左手材料的研究領(lǐng)域，又常常把常規的普通材料叫做右手材料（Right-Handed Materials，RHM）。

近年來(lái)，隨著(zhù)人們對左手材料電磁特性的逐漸熟悉，關(guān)于其在微波、太赫茲波以及光波波段的應用研究越來(lái)越多。尤其是左手材料在各種微波元器件和天線(xiàn)中的應用 成為近年來(lái)左手材料研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，這種新型材料的的使用可以大大改善器件的性能，縮小其體積等。雖然目前左手材料的應用還處于理論和實(shí)驗階段，但其依然 有著(zhù)巨大的應用價(jià)值和潛力。

一、左手材料對天線(xiàn)性能的影響

1、SRR可以直接作為天線(xiàn)輻射單元
設計了一款以SRR為輻射單元的RFID讀寫(xiě)器天線(xiàn)。該天線(xiàn)采用共面波導饋電，具有較好的阻抗和輻射特性。文獻[6]中設計、測試了一款負磁導率結構的電小環(huán)天線(xiàn)，它具有尺寸小、成本低、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，可用于RFID等無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域。

2、左手材料加載到傳統天線(xiàn)上
將左手材料加載到傳統天線(xiàn)上，可以?xún)?yōu)化天線(xiàn)的性能，主要表現在：

（1）提高天線(xiàn)的增益和方向性
就微帶天線(xiàn)而言，最常見(jiàn)的提高提高增益的方法就是使用天線(xiàn)陣。但是這種方法的缺點(diǎn)：一是各個(gè)單元之間的互耦影響天線(xiàn)的性能；二是饋電網(wǎng)絡(luò )的設計往往難度很大。

Burokur等人研究了將左手材料放置在微帶天線(xiàn)輻射面的上方^[7]，由于左手材料中可以集中電場(chǎng)，因而必然會(huì )提高天線(xiàn)增益。類(lèi)似的應用在文獻[8]中也有分析，文中給開(kāi)口貼片天線(xiàn)加載開(kāi)口諧振環(huán)形式的左手材料，如圖1所示。這種設計可以加強天線(xiàn)在工作頻率處的諧振強度，從而增大天線(xiàn)的輻射增益。

圖1 開(kāi)口諧振環(huán)形式貼片天線(xiàn)

（2）提高天線(xiàn)的帶寬和阻抗匹配特性
將左手材料加載于微帶天線(xiàn)上，經(jīng)試驗發(fā)現可以提高天線(xiàn)的帶寬，改善阻抗匹配特性等。但目前關(guān)于這一方面理論分析的文章較少。

（3）提高天線(xiàn)的效率
利用左手材料對表面波的抑制來(lái)減少邊緣散射，可以提高天線(xiàn)的輻射效率。Richard等人將負電導率的材料制作成半球形罩加載在通用的電小天線(xiàn)上，大大提高了電小天線(xiàn)的效率，可是其效率接近于1^[9]。

（4）降低諧振頻率，減小天線(xiàn)尺寸
R．Karimzadeh Baeel等人在研究14GHz下互補開(kāi)口諧振環(huán)對微帶貼片天線(xiàn)的影響，發(fā)現微帶天線(xiàn)底板刻蝕互補開(kāi)口諧振環(huán)可以大大降低天線(xiàn)的諧振頻率，從而減小天線(xiàn)尺寸^[10]。另外，南京大學(xué)馮一軍教授等人采用簡(jiǎn)化左手傳輸線(xiàn)結構設計了一款微帶諧振天線(xiàn)，其尺寸比傳統的半波長(cháng)微帶貼片天線(xiàn)減少了一半^[11]。

總之，將左手材料引入天線(xiàn)設計有很大的發(fā)展前景，值得對其進(jìn)行深入研究。

二、左手材料在天線(xiàn)設計中的主要應用

1、左手材料應用于微帶天線(xiàn)的設計

微帶天線(xiàn)以體積小，重量輕，易于加工等諸多優(yōu)點(diǎn)，在通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。而為了驗證左手材料對天線(xiàn)性能的影響，最簡(jiǎn)單的方法就是將左手材料加載于微 帶天線(xiàn)之上進(jìn)行仿真、測試。這一方面發(fā)表的研究成果很多，但是具體針對某一類(lèi)應用的研究卻不多，比如加載左手材料的微帶天線(xiàn)在移動(dòng)通信、射頻識別（RFID）、衛星通信等中的應用。所以本人認為，結合具體應用，在這一方面還有較大研究?jì)r(jià)值。下面以RFID讀寫(xiě)器天線(xiàn)為例進(jìn)行說(shuō)明。

RFID技術(shù)是一項利用射頻信號通過(guò)空間耦合（交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）實(shí)現非接觸式信息傳遞，并通過(guò)所傳遞的信息達到識別目的的自動(dòng)識別技術(shù)。RFID系統中的天線(xiàn)根據不同的功能和作用，可分為讀寫(xiě)器天線(xiàn)和標簽天線(xiàn)兩種情況。當RFID系統工作于超高頻（UHF）、微波頻段時(shí)，其讀寫(xiě)器天線(xiàn)常常采用圓極化的微帶天線(xiàn)，標簽天線(xiàn)多為偶極子天線(xiàn)及其變形結構。

為了更好的利用有限的頻率資源，各國劃分了不同的頻帶供RFID使用，例如在UHF段，歐洲是866~869MHz，美洲是902~928MHz，中國是840~845MHz和920~925MHz，日本則是950~956MHz?？偟膩?lái)說(shuō)，全球范圍內超高頻RFID的頻率范圍為840~956MHz，相對帶寬達13%。

由此可見(jiàn)，設計出全球通用的寬帶RFID天線(xiàn)對于減少重復設計和降低成本都是很有意義的。目前關(guān)于寬帶RFID標簽天線(xiàn)設計的文獻很多，但關(guān)于寬帶讀寫(xiě)器天線(xiàn)的文獻卻未查到。分析其原因，主要因為讀寫(xiě)器天線(xiàn)常常采用微帶圓極化天線(xiàn)，而普通的微帶貼片天線(xiàn)其帶寬只能達到5%~7%左右，帶寬較窄也是限制微帶天線(xiàn)應用的主要瓶頸。結合左手材料的相關(guān)特性，本人認為可先設計一款中心頻率的為898MHz的微帶圓極化天線(xiàn)，然后通過(guò)加載左手材料來(lái)增大其帶寬，同時(shí)減小其尺寸，從而設計一款球通用的寬帶RFID讀寫(xiě)器天線(xiàn)。這是我下一步希望展開(kāi)的工作。

2、左手材料應用于反射面天線(xiàn)的設計

2001年，Lagarkov通過(guò)對表面布置左手材料的金屬圓柱體的電磁特性進(jìn)行分析，指出上述結構完全可以用來(lái)制造反射面反射面天線(xiàn)的反射器部分。從而改變了傳統的只有凹面才能作為反射器的情況，使得凸面也能作為反射器^[12]。這使人們意識到，通過(guò)合理布置左手材料，就可以在飛機、導彈、艦船的凸出部分構造出共形的反射面天線(xiàn)。但此類(lèi)應用的文獻并未查到，只是在文獻[13]中提到在反射面上加載左手材料可以在不增大反射面的情況下提高天線(xiàn)的口面效率和方向性。

3、左手材料應用于透鏡天線(xiàn)的設計

Pendry早在2000年就提出可以使用左手材料平板實(shí)現“完美透鏡”，分辨率可以達到小于一個(gè)波長(cháng)的精度。用左手材料做透鏡，首先不需要再做成曲面的形狀，其次它可以放大消逝波，可以將中途衰減的信息進(jìn)行幅度補償。文獻[14] 中研究了基于左右手復合傳輸線(xiàn)（CRLH TL）結構的負折射率透鏡，并將該透鏡應用于天線(xiàn)中實(shí)現了寬波束掃描的功能，另外左手材料也可以實(shí)現透鏡的小型化。但是將透鏡加載在具體的輻射體上（比如透鏡加喇叭）的應用，還沒(méi)有相關(guān)文獻。

4、左手材料應用于零階諧振天線(xiàn)的設計

圖2 CRLH TL平衡條件下的色散曲線(xiàn)

對于CRLH TL結構，其左手通帶和右手通帶的過(guò)渡段上有個(gè)特殊的非零頻率點(diǎn)，在此點(diǎn)上電磁波的相位常數β=0（如圖2示）。如果再適當調節分布結構，使得左手傳輸線(xiàn)和右手傳輸線(xiàn)具有相等的特性阻抗，此時(shí)即可以實(shí)現一個(gè)新型的零階諧振器（Zeroth-Order Resonator，ZOR）。此類(lèi)ZOR的諧振頻率由復合結構的等效電感、電容值決定，而與諧振器的尺寸無(wú)關(guān)，因而具有小尺寸等優(yōu)點(diǎn)。這種ZOR可以制作成零階諧振天線(xiàn)（ZOR Antenna）。

基于CRLH TL結構的ZOR Antenna與串饋微帶陣列天線(xiàn)類(lèi)似，即隨著(zhù)CRLH TL單元的增加，天線(xiàn)的增益會(huì )增加。由于基于CRLH TL結構的ZOR Antenna省略了饋電網(wǎng)絡(luò )，它的尺寸和損耗都比微帶陣列天線(xiàn)小。此類(lèi)天線(xiàn)的設計在文獻[15]、[16]、[17]中均有介紹。

三、小結

本文中，主要對近年來(lái)左手材料在天線(xiàn)領(lǐng)域中的應用進(jìn)行小結，以便對下一步的深入研究工作打好基礎。由于個(gè)人水平和時(shí)間所限，本人對文中的部分文獻只是泛泛而讀，并沒(méi)有深入研究，并且對左手材料在天線(xiàn)領(lǐng)域的諸多應用的前沿性、時(shí)效性把握不一定準確。