左手材料在微波天线领域中的应用

一、左手材料对天线性能的影响

    本文中，主要对近年来左手材料在天线领域中的应用进行小结，以便对下一步的深入研究工作打好基础。

    左手材料（Left-Handed Materials，LHM）是指一种介电常数和磁导率同时为负值的材料。电磁波在其中传播时，波矢量K，电场E和磁场H之间的关系符合左手螺旋关系，因此称为左手材料。相对而言，在左手材料的研究领域，又常常把常规的普通材料叫做右手材料（Right-Handed Materials，RHM）。

    近年来，随着人们对左手材料电磁特性的逐渐熟悉，关于其在微波、太赫兹波以及光波波段的应用研究越来越多。尤其是左手材料在各种微波元器件和天线中的应用成为近年来左手材料研究的热点领域，这种新型材料的的使用可以大大改善器件的性能，缩小其体积等。虽然目前左手材料的应用还处于理论和实验阶段，但其依然有着巨大的应用价值和潜力。

一、左手材料对天线性能的影响

1、SRR可以直接作为天线辐射单元
文献[5]设计了一款以SRR为辐射单元的RFID读写器天线。该天线采用共面波导馈电，具有较好的阻抗和辐射特性。文献[6]中设计、测试了一款负磁导率结构的电小环天线，它具有尺寸小、成本低、重量轻等优点，可用于RFID等无线通信领域。

2、左手材料加载到传统天线上
将左手材料加载到传统天线上，可以优化天线的性能，主要表现在：

（1）提高天线的增益和方向性
就微带天线而言，最常见的提高提高增益的方法就是使用天线阵。但是这种方法的缺点：一是各个单元之间的互耦影响天线的性能；二是馈电网络的设计往往难度很大。
Burokur等人研究了将左手材料放置在微带天线辐射面的上方^[7]，由于左手材料中可以集中电场，因而必然会提高天线增益。类似的应用在文献[8]中也有分析，文中给开口贴片天线加载开口谐振环形式的左手材料，如图1所示。这种设计可以加强天线在工作频率处的谐振强度，从而增大天线的辐射增益。

图1 开口谐振环形式贴片天线

（2）提高天线的带宽和阻抗匹配特性
将左手材料加载于微带天线上，经试验发现可以提高天线的带宽，改善阻抗匹配特性等。但目前关于这一方面理论分析的文章较少。

（3）提高天线的效率
利用左手材料对表面波的抑制来减少边缘散射，可以提高天线的辐射效率。Richard等人将负电导率的材料制作成半球形罩加载在通用的电小天线上，大大提高了电小天线的效率，可是其效率接近于1^[9]。

（4）降低谐振频率，减小天线尺寸
    R．Karimzadeh Baeel等人在研究14GHz下互补开口谐振环对微带贴片天线的影响，发现微带天线底板刻蚀互补开口谐振环可以大大降低天线的谐振频率，从而减小天线尺寸^[10]。另外，南京大学冯一军教授等人采用简化左手传输线结构设计了一款微带谐振天线，其尺寸比传统的半波长微带贴片天线减少了一半^[11]。
    总之，将左手材料引入天线设计有很大的发展前景，值得对其进行深入研究。

二、左手材料在天线设计中的主要应用

二、左手材料在天线设计中的主要应用

1、左手材料应用于微带天线的设计

    微带天线以体积小，重量轻，易于加工等诸多优点，在通信等领域得到了广泛的应用。而为了验证左手材料对天线性能的影响，最简单的方法就是将左手材料加载于微带天线之上进行仿真、测试。这一方面发表的研究成果很多，但是具体针对某一类应用的研究却不多，比如加载左手材料的微带天线在移动通信、射频识别（RFID）、卫星通信等中的应用。所以本人认为，结合具体应用，在这一方面还有较大研究价值。下面以RFID读写器天线为例进行说明。

    RFID技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现非接触式信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的的自动识别技术。RFID系统中的天线根据不同的功能和作用，可分为读写器天线和标签天线两种情况。当RFID系统工作于超高频（UHF）、微波频段时，其读写器天线常常采用圆极化的微带天线，标签天线多为偶极子天线及其变形结构。

    为了更好的利用有限的频率资源，各国划分了不同的频带供RFID使用，例如在UHF段，欧洲是866~869MHz，美洲是902~928MHz，中国是840~845MHz和920~925MHz，日本则是950~956MHz。总的来说，全球范围内超高频RFID的频率范围为840~956MHz，相对带宽达13%。

    由此可见，设计出全球通用的宽带RFID天线对于减少重复设计和降低成本都是很有意义的。目前关于宽带RFID标签天线设计的文献很多，但关于宽带读写器天线的文献却未查到。分析其原因，主要因为读写器天线常常采用微带圆极化天线，而普通的微带贴片天线其带宽只能达到5%~7%左右，带宽较窄也是限制微带天线应用的主要瓶颈。结合左手材料的相关特性，本人认为可先设计一款中心频率的为898MHz的微带圆极化天线，然后通过加载左手材料来增大其带宽，同时减小其尺寸，从而设计一款球通用的宽带RFID读写器天线。这是我下一步希望展开的工作。

2、左手材料应用于反射面天线的设计
    2001年，Lagarkov通过对表面布置左手材料的金属圆柱体的电磁特性进行分析，指出上述结构完全可以用来制造反射面反射面天线的反射器部分。从而改变了传统的只有凹面才能作为反射器的情况，使得凸面也能作为反射器^[12]。这使人们意识到，通过合理布置左手材料，就可以在飞机、导弹、舰船的凸出部分构造出共形的反射面天线。但此类应用的文献并未查到，只是在文献[13]中提到在反射面上加载左手材料可以在不增大反射面的情况下提高天线的口面效率和方向性。

3、左手材料应用于透镜天线的设计
    Pendry早在2000年就提出可以使用左手材料平板实现“完美透镜”，分辨率可以达到小于一个波长的精度。用左手材料做透镜，首先不需要再做成曲面的形状，其次它可以放大消逝波，可以将中途衰减的信息进行幅度补偿。文献[14] 中研究了基于左右手复合传输线（CRLH TL）结构的负折射率透镜，并将该透镜应用于天线中实现了宽波束扫描的功能，另外左手材料也可以实现透镜的小型化。但是将透镜加载在具体的辐射体上（比如透镜加喇叭）的应用，还没有相关文献。

4、左手材料应用于零阶谐振天线的设计

图2 CRLH TL平衡条件下的色散曲线

    对于CRLH TL结构，其左手通带和右手通带的过渡段上有个特殊的非零频率点，在此点上电磁波的相位常数β=0（如图2示）。如果再适当调节分布结构，使得左手传输线和右手传输线具有相等的特性阻抗，此时即可以实现一个新型的零阶谐振器（Zeroth-Order Resonator，ZOR）。此类ZOR的谐振频率由复合结构的等效电感、电容值决定，而与谐振器的尺寸无关，因而具有小尺寸等优点。这种ZOR可以制作成零阶谐振天线（ZOR Antenna）。
    基于CRLH TL结构的ZOR Antenna与串馈微带阵列天线类似，即随着CRLH TL单元的增加，天线的增益会增加。由于基于CRLH TL结构的ZOR Antenna省略了馈电网络，它的尺寸和损耗都比微带阵列天线小。此类天线的设计在文献[15]、[16]、[17]中均有介绍。

三、小结

本文中，主要对近年来左手材料在天线领域中的应用进行小结，以便对下一步的深入研究工作打好基础。由于个人水平和时间所限，本人对文中的部分文献只是泛泛而读，并没有深入研究，并且对左手材料在天线领域的诸多应用的前沿性、时效性把握不一定准确，请老师指正。

相关文献

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[3] J B Pendry, A J Holden, D J Robbins, W J Stewart. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. IEEE Trans Microwave Theory Tech，1999，47（11）：2075-2084.
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[16] Zhao Bo, Zeroth-order resonator antennas using Composite right/left-handed microstrip transmission lines, National Aerospace and Electronics Conference, Proceedings of the IEEE, p 154-158, 2008.
[17] 常树茂, 通信技术, 基于复合左右手的零阶谐振天线设计，2011年 06期.

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