超材料在高性能小型化天线中的应用

由于左手材料存在损耗大、带宽窄的缺陷，所以科学家们又在寻求超材料除了负折射之外的其他特性。2005年超材料迎来了第二次革命，研究学者发现梯度折射率媒质可以实现电磁波偏折，于2006年采用这种梯度超介质实现了电磁波隐形，同时利用电磁超介质可以控制电磁波传播方向。从那时起，超材料就不仅仅包括左手材料，它有了更广泛的含义，它不一定非要介电常数小于零，也不一定要磁导率小于零。目前研究较多的几种超材料包括：左手材料、复合左/右手传输线、光子晶体、隐形衣、电磁黑洞等。

三、超材料在天线中应用

3.1、超介质在高性能电小天线中的应用

3.1.1、基于空间匹配原理的超介质加载天线

通常，电小天线的辐射电阻很小、电抗很大，与源阻抗之间严重失配，天线的辐射效率很低。自2003年起R. W. Ziolkowski对基于超介质加载的电小偶极子天线、环天线进行了深入的研究分析，提出了空间匹配的概念。研究结果表明：在电小天线近场加载超介质层（如图4所示），通过适当的设计，超介质层可以在很大程度地抵消电小天线的电抗，从而提高天线的辐射效率，同时，在天线本体的激励下，加载的超介质结构通过空间耦合成为天线的寄生辐射元，进一步提高了天线的效率和增益。

图4  超介质加载的电小天线

基于超介质加载的空间匹配原理可以简单地由图5来说明：以偶极子天线为例，天线与其近场区域（自由空间）组成的整体可看作是一个电小偶极子，等效为一电容；包裹在天线外面的超材料层（由左手材料或ε﹤0的单负材料ENG构成）在天线的激励下可认为是另一个电偶极子，但由于该超材料层的介电常数为负值，其电抗呈感性而非容性，超材料层等效为一电感，因此，整个超介质加载的电小天线系统等效为一个LC谐振器，这就相当于在天线与空间之间增加了匹配网络，达到减小甚至抵消其电抗的作用，以提高天线辐射效率。

图5  超介质加载的空间匹配原理示意图

贝尔实验室根据空间匹配的原理设计了超介质加载的单极子天线（如图6），将单极子的尺寸缩短至λ/50，辐射效率也达到了61%。

图6  贝尔实验室设计的超介质加载单极子天线

3.1.2、近场谐振寄生电小天线（Near-field resonant parasitic antenna，简称NFRP天线）

NFRP天线的设计实际上也是源自超介质加载的空间匹配原理，不同的是NFRP天线不需要加载超介质层覆盖住整个辐射体，它只需要在天线的近场加载一些超介质结构，通过精确设计超材料的结构形式、尺寸及位置，同样可以达到抵消天线电抗，使得天线阻抗与源阻抗匹配的作用。NFRP天线的等效模型及匹配原理如图7所示。R. W. Ziolkowski等人设计的几种NFRP天线如图8~10所示。

图7  NFRP天线的工作原理