左手材料对微带天线关键性能改善研究进展

王淑娟

（西安文理学院 数学与计算机工程学院，陕西 西安　710065）

左手材料对微带天线关键性能改善研究进展

王淑娟

（西安文理学院 数学与计算机工程学院，陕西 西安710065）

介绍了左手材料理论，解释了左手材料对微带天线方向性、隐身性及阵元间耦合等天线设计中关键指标参数的改善机理，梳理了用左手材料提高微带天线高指向性、使天线小型化、减小天线RCS及天线阵元间耦合的研究进展，指出左手材料对改善微带天线关键性能有很大优势。

左手材料；微带天线；方向性；隐身；耦合

左手材料（Left-handed material，LHM）又被称为双负介质才来，是在一定频率下介电常数和磁导率同时小于0的新型人工电磁结构材料。1967年前苏联物理学家Veselago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中传播的奇特性质，如负折射率、反常多普勒效应等。20世纪90年代，英国物理学家Pendry等提出了用金属棒阵列 （Rod）构造等效介电常数小于0的人工材料，相隔三年，Pendry等又提出用金属谐振环结构（SRR）实现磁导率小于0的设想，为左手材料的实现提供了基础。依据Pendry的设计思想，2000年Smith等把以上两种结构分别有规律地排在介质层的上下两侧，首次制备出了在微波段同时具有负介电常数和负磁导率的材料。

微带天线因其结构简单、易于制作、重量轻、体积小等优点在军用和民用中设备中得到广泛应用，利用左手材料的各项奇异特性进一步改善微带天线关键性能越来越多得到国内外学者的关注。

1　左手材料理论

平面单色波在各向同性无源介质中传播时满足Maxwell方程组：

其中电场E、H及D满足下式：

将式（2）代入麦克斯韦方程组，可以得到

2　左手材料对微带天线性能改善

2.1改善微带天线方向性

利用左手材料的完美透镜效应、负折射效应，从而改善天线的辐射特性，提高天线的方向性，进而增大辐射增益。

Enoch等［1］最早研究了一种最简单的左手材料即薄金属网孔的线介质。实验和理论研究表明这种连续的线介质具有等离子频率的特性，在微波频段的等效介电常数为:当ω很接近ωp时，可以看到其等效介电常数接近于0，从而实现零折射特性。将一辐射源嵌入到折射率接近0的左手材料平板中，其周围为均匀各项同性介质，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：式中θout为折射角，θin为入射角。由于真空中的折射率nvac=1，nmeta≈0，所以sinθin≈0，也就是电磁波折射后会在很靠近法线方向辐射出去。利用这种介质构造高指向性天线的研究在理论和实践中已得到证明，文献［5］研究了全向天线嵌入到平板左手材料中，其向自由空间辐射的电磁波会被聚集在法线方向附近，从而减小了天线的半波瓣宽度，增强了天线的方向性，增大了其增益。文献［2］利用左手材料平板透镜聚焦特性，将SRR结构阵列结构左手平板材料做为微带天线的覆层，加载阵列结构左手材料覆层后，天线的半功率波束宽度减少了29°，天线辐射方向性明显增强，同时，增益还提高了0．23 dB。

2.2增强微带天线隐身性能

2.2.1左手材料使微带天线小型化

随着无线通信技术的快速发展，人们对于便携通信设备的要求也越来越高。天线作为射频前端，成为无线通信系统设计的关键部分，在一定程度上影响着无线通信系统的性能，且天线的尺寸也是无线通信终端尺寸的主要决定因素。所以，天线的小型化是设备小型化的基础，左手材料天线的小型化设计是基于左手介质后向波特性的应用之一，早在2002年。Engheta首次提出了基于左右手介质的一维小型化谐振腔结构，即将左手介质的后向波效应与传统介质的前向波效应相结合设计出小于半波长的谐振腔。把它运用到天线中可突破传统微带天线半波长电尺寸的束缚，达到天线小型化设计的目的。文献［3］通过在微带线上加载并联电感及串联电容获得一种左手结构，通过调节并联谐振回路实现传输线的零阶谐振频率，从而实现天线几何尺寸小型化。文献［4］研究了基于左手材料的差分微带天线，实现了天线带宽和增益的绝对改善。

2.2.2左手材料使微带天线RCS减缩

随着隐身与反隐身技术的不断发展，雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）的减缩技术作为军事领域中的重要问题受到学者越来越多的关注．天线作为一种特殊的散射体，其RCS值已成为天线设计的重要参考指标．雷达散射截面积（RCS）是目标在平面波照射下在给定方向上返回散射能量的一种度量。通常，天线对目标整体RCS影响较大，这直接关系到复杂电磁环境下作战武器的生存能力。

常用的RCS减缩技术有在天线基底或覆层引入频率选择表面、高阻抗表面以及结构型吸波材料等各种应用方法．但是，受到材料本身的角度稳定性的影响，这些技术的研究主要集中在平面波垂直入射时的频域特性控制，在实际应用中，武器平台尤其是机载天线在放置时都会偏移一定的角度，其主要的RCS威胁角域并非在垂直范围内，而在更偏的角域范围内。然而，常用的RCS减缩技术往往会缩减天线的辐射性能。文献［5］研究了左手材料在天线角域RCS控制中的应用，分别给出了微带天线单元以及微带阵列天线RCS减缩实例．计算结果表明，当微带天线单元以及微带阵列天线加载左手材料覆层后，天线在小角域范围内可获得20dB以上的减缩。文献［6］研究了利用左手材料设计高增益低RCS微带天线，在保证天线高增益不受影响的同时，大幅度降低了天线的RCS，提高了其隐身性能。

2.3减小微带天线阵元间耦合效应

微带天线以剖面低、成本低、易共形、等优势得到广泛应用，但其辐射增益较低、表面波损耗又是其致命缺点，工程中用辐射片组阵弥补增益低缺陷被广泛应用。然而，阵元较多时，与生俱来的表面波会增加微带天线阵元间的互耦，特别是在介质厚度较大、介电常数较高和贴片单元较近时尤为严重，大大影响天线的效率。另外，表面波会从基板的边界向外辐射，恶化方向图的副瓣电平、极化纯度和主瓣形状，表面波的一部分功率还会进入馈电网络影响匹配，因此，天线阵元间耦合已是天线设计的重要参考指标。

耦合效应早在1980年代初期，Pozar等对矩形微带贴片天线平面阵列的互耦问题给予了深入研究，2003年Erturk等对矩形微带贴片天线柱面阵列的互耦问题给予了进一步研究，均给出了不同条件下的互耦成因及计算方法。总体来说，微带天线阵元间的耦合成因目前已经很明晰了。对于其改善方法，较为行之有效的有单元之间加载电磁禁带（EBG）结构和缺省地（DGS）结构．但是，EBG结构由于需要多个周期而占据交大空间，从而使微带天线阵元间紧凑性难以形成；DGS结构由于在地板上蚀刻缝隙会导致电磁能量向后辐射，会降低阵列的增益。文中主要论述引入左手结构材料抑制阵元间互耦，文献［7］依据电谐振原理和镜像原理设计出周期性耦合左手结构（如图1），计算表明其对阵元间耦合抑制达到18．3 dB并在实验上得到验证。文献［8］给出了阵元间距12．5 mm，介质基板长72 mm宽24 mm，高2 mm，谐振频率在6 GHz，加载单环方形左手结构（如图2）隔离板后其互耦改善了10．1 dB，且左手结构隔离板高度仅4．3 mm，加载后天线阵方向图及带宽没有明显变化，同时引入了S形左手机构（如图3）隔离板，对同一天线阵，较单方环形左手结构隔离板，其对互耦的抑制更加明显，达到了14．7 dB。可见，引入左手材料结构是抑制阵元间互耦的理想选择。

图1　耦合左手结构Fig．1　Coupling LHM

图2　单方环形左手结构Fig．2　One way annular LHM

图3　S形左手结构Fig．3　S structure LHM

3　结束语

通过梳理左手材料在微带天线设计中的应用，可以看出左手材料对微带天线关键性能改善有绝对优势。目前，国内外对左手材料的研究仍处于理论和实验阶段，离左手材料在天线上的广泛应用还有一段距离。生活中几乎人人都必须用到的移动通信手机，其天线都是全方向辐射信号，向基站发射信号的同时也向人体发射电磁波，对人体的辐射无法避免。而新型左手材料，通过人造结构可以控制天线上电磁波的传播方向，使电磁波专向基站方向发射信号，进一步减少电磁信号对人体，特别是脑部的辐射。可见，左手材料在天线中具有潜在的应用价值。

［1］Enoch S，Tay eb G，Sabouroux P，et al．A metamaterial for directive emission［J］．Phys Rev Lett，2002，89（21）:213902．

［2］张甲楷，丁君．左手材料提高微带天线方向性的研究［J］．现代电子技术，2013（36）：81-84．

［3］代黎明．超材料在微带天线小型化设计中的应用 ［D］．成都:西南交通大学，2012．

［4］韩丽萍，赵亚娟，曲美君．基于左手材料的小型化差分微带天线［J］．测试技术学报，2014（28）:164-167．

［5］王夫蔚，梁瑞香，龚书喜等．左手材料在天线角域RCS控制中的应用［J］．西安电子科技大学学报，2013（40）:96-100．

［6］Shujuan Wang．SRR-based high gain microstrip antenna with low radar cross section［C］//Applied Mechanics and Materials Vols，2014:4092-4094．

［7］唐明春，肖绍球．新型电谐振人工异向介质抑制阵列天线单元间互耦［J］．物理学报，2010（59）:1851-1855．

［8］段腾飞．开口谐振环在微带天线阵互耦抑制中的应用研究［D］．南京:南京航空航天大学，2012．

Research progress on left-handed materials in microstrip antenna’s key performance

WANG Shu-juan
（Department of Mathematics and Computer Engineering，School of Xi’an University of Arts and Science，Xi’an 710065，China）

The theory of left-handed materials are introduced and the mechanism of directivity，stealth performance and coupling of array elements of microstrip antenna designed by left-handed materials are explained.The research progress on high directive property，miniaturization，Low Radar Cross Section and coupling of array elements of microstrip antenna are teased.It is shown that the left-handed materials can be used to improve the microstrip antenna’s key performance.

left-handed material；microstrip antenna；directivity；stealth；coupling

TN82-34

A

1674－6236（2016）02-0184-03

2015-03-05稿件编号：201503077

西安市科技计划创新基金资助项目（CXY1352WL26）

王淑娟（1981—），女，陕西澄城人，硕士，讲师。研究方向：微带天线设计。