免费 左手材料在天线中的应用研究进展.doc

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1、免费左手材料在天线中的应用研究进展Wojuedeyinggaimianfei左手材料在天线11'的应川研究进展摘要：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、小型化以及人的扫描范围的原因，然后重点介绍了基于金属谐振结构和复合左/右手传输线(CRLHTL)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、增人天线增益、减小天线体积等方血具有很人优热，而CRLHTL结构在提高天线带宽、增加天线频带、增人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；

2、复合左/右于•传输线结构0引言左于材料(Left-HandedMaterial,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丁电磁结构材料。1968年，前苏联物理学家VeselagoEl］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小传播的奇异特性，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］分别來实现负介电常数和负磁导率的设想，为左于•材料的实现提供了基础。依据Pendry的设计

3、思想，2000年Smith等人［4］把以上两种结构有规律地排列在-•起，首次制岀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人或恢复倏逝波來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一左手传输线，它是用串联交指电容来实现的。几乎同时加拿人多伦多人学的Eleftheriades教授［7］提岀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

4、左/右手传输线(CRLHTL)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、增人天线辐射效率、增加天线带宽、减小天线系统尺寸等。1左手材料天线1.1高指向性利川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，进而增人辐射增益。Enoch等人［9］最

5、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川。他们指出在适肖的条件下，嵌入到平板左于•材料的全向天线向自由空间辐射的电磁波会被聚集在法1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-•种最简单的左于材料：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：eff12p2(1)当3很接近3p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。'卜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于材料平板屮源的辐

6、射示意图空气Fig.ITheemissionofasourceinsideaslabofLHMwhoseopticalindexisclosetozero.把一辐射源嵌入到折射率接近于寥的左手材料平板q',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］：sinoutnmetasininnvac(2)在这里Eout为折射角,0in为入射角。由于真空中的折射率nvac=l,nmeta^O,所以sinGout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

7、。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屮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，可以抑制表血波的传输，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，增人其辐射效率［11］。假设一个高为h的各向同性的左于材料•平板，其相对介电常数和相对磁导率分别为url和erl,它们都为负值,如图2(a)所示。图2(a)左于-材料接地平板结构groundedslab.[11](b)接地平板的TE和TM模式横向等效网络Fig.2(a)LHMgrounded-slabstruct

8、ure[11]；(b)TransverseequivalentnetworkforTEandTMmodesofthe2表血波沿着z方向传播，其传播常数为kz=Pz,表血波在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