基于左手介質(zhì)的小型微帶天線

O 引言

左手材料(Left—handed metamaterials，LHMs)是一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，最早是由前蘇聯(lián)科學(xué)家Velago V G在20世紀(jì)60年代從理論上提出的。20世紀(jì)90年代，英國(guó)皇家學(xué)院John Pendry從研究結(jié)構(gòu)材料的角度出發(fā)，先后發(fā)表論文指出金屬細(xì)線結(jié)構(gòu)和開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)分別在電等離子頻率和磁等離子頻率下時(shí)電參數(shù)ε、μ會(huì)表現(xiàn)出負(fù)值，這為L(zhǎng)HM的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。美國(guó)加州大學(xué)Smith D R等人將這兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，使材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率在某個(gè)頻率范圍內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)負(fù)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(dǎo)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(gòu)成左手系，而不遵循常規(guī)媒質(zhì)的右手法則。它具有負(fù)折射率、負(fù)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(yīng)用前景，它突破了傳統(tǒng)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小型化中的應(yīng)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)線通訊領(lǐng)域?qū)⒂泻艽蟮膽?yīng)用前景，可用作延遲線、耦合器、天線收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、固態(tài)天線、微型反響天線、平板聚焦透鏡、帶通濾波器、光導(dǎo)航、超敏感傳感器、醫(yī)學(xué)診斷成像等。特別是其在天線上的應(yīng)用很有吸引力。將左手介質(zhì)的后向波效應(yīng)和右手介質(zhì)的前向波效應(yīng)相結(jié)合可以設(shè)計(jì)出小于半波長(zhǎng)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(dāng)于一個(gè)相位補(bǔ)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(yīng)加以補(bǔ)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(jié)構(gòu)放在波導(dǎo)中構(gòu)成，因?yàn)楫?dāng)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的時(shí)候，LHM呈現(xiàn)出負(fù)折射率特性。

本研究采用圓環(huán)形左手材料的結(jié)構(gòu)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(shù)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)單元放在波導(dǎo)中，如圖1(b)所示，該結(jié)構(gòu)的尺寸為：n=b=100mil，m=92mil，p=18mil。波導(dǎo)中填充介電常數(shù)是2．2的介質(zhì)材料，波導(dǎo)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(shù)的實(shí)部和虛部，再通過(guò)MATLAB編程，從S參數(shù)中提取出介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的實(shí)部隨頻率的變化曲線，如圖2(a)所示�？梢钥吹剑�在10～14GHz之間，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的實(shí)部同時(shí)為負(fù)。同時(shí)可得到折射率的實(shí)部和虛部隨頻率變化的曲線圖如圖2(b)所示，在10～14GHz之間，折射率n的實(shí)部為負(fù)，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(cè)試時(shí)所用的邊界條件和把它放置在微帶天線基板中相同，所以可以用它的后向波特性來(lái)設(shè)計(jì)小型化的微帶天線。

2 加載左手介質(zhì)的小型微帶天線

傳統(tǒng)的微帶天線有個(gè)難以解決的問(wèn)題，當(dāng)基板的介電常數(shù)比較小時(shí)，要得到寬頻帶必須增大貼片面積；當(dāng)基板介電常數(shù)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(dāng)把左手材料加到天線的基板中時(shí)，我們就可以利用左手材料作為相位補(bǔ)償器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。