左手材料對微帶天線關(guān)鍵性能改善研究進展

王淑娟

（西安文理學(xué)院 數(shù)學(xué)與計算機工程學(xué)院，陜西 西安　710065）

左手材料對微帶天線關(guān)鍵性能改善研究進展

王淑娟

（西安文理學(xué)院 數(shù)學(xué)與計算機工程學(xué)院，陜西 西安710065）

介紹了左手材料理論，解釋了左手材料對微帶天線方向性、隱身性及陣元間耦合等天線設(shè)計中關(guān)鍵指標參數(shù)的改善機理，梳理了用左手材料提高微帶天線高指向性、使天線小型化、減小天線RCS及天線陣元間耦合的研究進展，指出左手材料對改善微帶天線關(guān)鍵性能有很大優(yōu)勢。

左手材料；微帶天線；方向性；隱身；耦合

左手材料（Left-handed material，LHM）又被稱為雙負介質(zhì)才來，是在一定頻率下介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時小于0的新型人工電磁結(jié)構(gòu)材料。1967年前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago首次從理論上研究了電磁波在介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負的物質(zhì)中傳播的奇特性質(zhì)，如負折射率、反常多普勒效應(yīng)等。20世紀90年代，英國物理學(xué)家Pendry等提出了用金屬棒陣列 （Rod）構(gòu)造等效介電常數(shù)小于0的人工材料，相隔三年，Pendry等又提出用金屬諧振環(huán)結(jié)構(gòu)（SRR）實現(xiàn)磁導(dǎo)率小于0的設(shè)想，為左手材料的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。依據(jù)Pendry的設(shè)計思想，2000年Smith等把以上兩種結(jié)構(gòu)分別有規(guī)律地排在介質(zhì)層的上下兩側(cè)，首次制備出了在微波段同時具有負介電常數(shù)和負磁導(dǎo)率的材料。

微帶天線因其結(jié)構(gòu)簡單、易于制作、重量輕、體積小等優(yōu)點在軍用和民用中設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，利用左手材料的各項奇異特性進一步改善微帶天線關(guān)鍵性能越來越多得到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

1　左手材料理論

平面單色波在各向同性無源介質(zhì)中傳播時滿足Maxwell方程組：

其中電場E、H及D滿足下式：

將式（2）代入麥克斯韋方程組，可以得到

2　左手材料對微帶天線性能改善

2.1改善微帶天線方向性

利用左手材料的完美透鏡效應(yīng)、負折射效應(yīng)，從而改善天線的輻射特性，提高天線的方向性，進而增大輻射增益。

Enoch等［1］最早研究了一種最簡單的左手材料即薄金屬網(wǎng)孔的線介質(zhì)。實驗和理論研究表明這種連續(xù)的線介質(zhì)具有等離子頻率的特性，在微波頻段的等效介電常數(shù)為:當(dāng)ω很接近ωp時，可以看到其等效介電常數(shù)接近于0，從而實現(xiàn)零折射特性。將一輻射源嵌入到折射率接近0的左手材料平板中，其周圍為均勻各項同性介質(zhì)，可以看到所有的折射光線基本上都是沿著法線方向出去，這一現(xiàn)象可以用斯奈爾定律解釋：式中θout為折射角，θin為入射角。由于真空中的折射率nvac=1，nmeta≈0，所以sinθin≈0，也就是電磁波折射后會在很靠近法線方向輻射出去。利用這種介質(zhì)構(gòu)造高指向性天線的研究在理論和實踐中已得到證明，文獻［5］研究了全向天線嵌入到平板左手材料中，其向自由空間輻射的電磁波會被聚集在法線方向附近，從而減小了天線的半波瓣寬度，增強了天線的方向性，增大了其增益。文獻［2］利用左手材料平板透鏡聚焦特性，將SRR結(jié)構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)左手平板材料做為微帶天線的覆層，加載陣列結(jié)構(gòu)左手材料覆層后，天線的半功率波束寬度減少了29°，天線輻射方向性明顯增強，同時，增益還提高了0．23 dB。

2.2增強微帶天線隱身性能

2.2.1左手材料使微帶天線小型化

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們對于便攜通信設(shè)備的要求也越來越高。天線作為射頻前端，成為無線通信系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵部分，在一定程度上影響著無線通信系統(tǒng)的性能，且天線的尺寸也是無線通信終端尺寸的主要決定因素。所以，天線的小型化是設(shè)備小型化的基礎(chǔ)，左手材料天線的小型化設(shè)計是基于左手介質(zhì)后向波特性的應(yīng)用之一，早在2002年。Engheta首次提出了基于左右手介質(zhì)的一維小型化諧振腔結(jié)構(gòu)，即將左手介質(zhì)的后向波效應(yīng)與傳統(tǒng)介質(zhì)的前向波效應(yīng)相結(jié)合設(shè)計出小于半波長的諧振腔。把它運用到天線中可突破傳統(tǒng)微帶天線半波長電尺寸的束縛，達到天線小型化設(shè)計的目的。文獻［3］通過在微帶線上加載并聯(lián)電感及串聯(lián)電容獲得一種左手結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)并聯(lián)諧振回路實現(xiàn)傳輸線的零階諧振頻率，從而實現(xiàn)天線幾何尺寸小型化。文獻［4］研究了基于左手材料的差分微帶天線，實現(xiàn)了天線帶寬和增益的絕對改善。

2.2.2左手材料使微帶天線RCS減縮

隨著隱身與反隱身技術(shù)的不斷發(fā)展，雷達散射截面（Radar Cross Section，RCS）的減縮技術(shù)作為軍事領(lǐng)域中的重要問題受到學(xué)者越來越多的關(guān)注．天線作為一種特殊的散射體，其RCS值已成為天線設(shè)計的重要參考指標．雷達散射截面積（RCS）是目標在平面波照射下在給定方向上返回散射能量的一種度量。通常，天線對目標整體RCS影響較大，這直接關(guān)系到復(fù)雜電磁環(huán)境下作戰(zhàn)武器的生存能力。

常用的RCS減縮技術(shù)有在天線基底或覆層引入頻率選擇表面、高阻抗表面以及結(jié)構(gòu)型吸波材料等各種應(yīng)用方法．但是，受到材料本身的角度穩(wěn)定性的影響，這些技術(shù)的研究主要集中在平面波垂直入射時的頻域特性控制，在實際應(yīng)用中，武器平臺尤其是機載天線在放置時都會偏移一定的角度，其主要的RCS威脅角域并非在垂直范圍內(nèi)，而在更偏的角域范圍內(nèi)。然而，常用的RCS減縮技術(shù)往往會縮減天線的輻射性能。文獻［5］研究了左手材料在天線角域RCS控制中的應(yīng)用，分別給出了微帶天線單元以及微帶陣列天線RCS減縮實例．計算結(jié)果表明，當(dāng)微帶天線單元以及微帶陣列天線加載左手材料覆層后，天線在小角域范圍內(nèi)可獲得20dB以上的減縮。文獻［6］研究了利用左手材料設(shè)計高增益低RCS微帶天線，在保證天線高增益不受影響的同時，大幅度降低了天線的RCS，提高了其隱身性能。

2.3減小微帶天線陣元間耦合效應(yīng)

微帶天線以剖面低、成本低、易共形、等優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用，但其輻射增益較低、表面波損耗又是其致命缺點，工程中用輻射片組陣彌補增益低缺陷被廣泛應(yīng)用。然而，陣元較多時，與生俱來的表面波會增加微帶天線陣元間的互耦，特別是在介質(zhì)厚度較大、介電常數(shù)較高和貼片單元較近時尤為嚴重，大大影響天線的效率。另外，表面波會從基板的邊界向外輻射，惡化方向圖的副瓣電平、極化純度和主瓣形狀，表面波的一部分功率還會進入饋電網(wǎng)絡(luò)影響匹配，因此，天線陣元間耦合已是天線設(shè)計的重要參考指標。

耦合效應(yīng)早在1980年代初期，Pozar等對矩形微帶貼片天線平面陣列的互耦問題給予了深入研究，2003年Erturk等對矩形微帶貼片天線柱面陣列的互耦問題給予了進一步研究，均給出了不同條件下的互耦成因及計算方法?？傮w來說，微帶天線陣元間的耦合成因目前已經(jīng)很明晰了。對于其改善方法，較為行之有效的有單元之間加載電磁禁帶（EBG）結(jié)構(gòu)和缺省地（DGS）結(jié)構(gòu)．但是，EBG結(jié)構(gòu)由于需要多個周期而占據(jù)交大空間，從而使微帶天線陣元間緊湊性難以形成；DGS結(jié)構(gòu)由于在地板上蝕刻縫隙會導(dǎo)致電磁能量向后輻射，會降低陣列的增益。文中主要論述引入左手結(jié)構(gòu)材料抑制陣元間互耦，文獻［7］依據(jù)電諧振原理和鏡像原理設(shè)計出周期性耦合左手結(jié)構(gòu)（如圖1），計算表明其對陣元間耦合抑制達到18．3 dB并在實驗上得到驗證。文獻［8］給出了陣元間距12．5 mm，介質(zhì)基板長72 mm寬24 mm，高2 mm，諧振頻率在6 GHz，加載單環(huán)方形左手結(jié)構(gòu)（如圖2）隔離板后其互耦改善了10．1 dB，且左手結(jié)構(gòu)隔離板高度僅4．3 mm，加載后天線陣方向圖及帶寬沒有明顯變化，同時引入了S形左手機構(gòu)（如圖3）隔離板，對同一天線陣，較單方環(huán)形左手結(jié)構(gòu)隔離板，其對互耦的抑制更加明顯，達到了14．7 dB?？梢?，引入左手材料結(jié)構(gòu)是抑制陣元間互耦的理想選擇。

圖1　耦合左手結(jié)構(gòu)Fig．1　Coupling LHM

圖2　單方環(huán)形左手結(jié)構(gòu)Fig．2　One way annular LHM

圖3　S形左手結(jié)構(gòu)Fig．3　S structure LHM

3　結(jié)束語

通過梳理左手材料在微帶天線設(shè)計中的應(yīng)用，可以看出左手材料對微帶天線關(guān)鍵性能改善有絕對優(yōu)勢。目前，國內(nèi)外對左手材料的研究仍處于理論和實驗階段，離左手材料在天線上的廣泛應(yīng)用還有一段距離。生活中幾乎人人都必須用到的移動通信手機，其天線都是全方向輻射信號，向基站發(fā)射信號的同時也向人體發(fā)射電磁波，對人體的輻射無法避免。而新型左手材料，通過人造結(jié)構(gòu)可以控制天線上電磁波的傳播方向，使電磁波專向基站方向發(fā)射信號，進一步減少電磁信號對人體，特別是腦部的輻射?？梢?，左手材料在天線中具有潛在的應(yīng)用價值。

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

［2］張甲楷，丁君．左手材料提高微帶天線方向性的研究［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2013（36）：81-84．

［3］代黎明．超材料在微帶天線小型化設(shè)計中的應(yīng)用 ［D］．成都:西南交通大學(xué)，2012．

［4］韓麗萍，趙亞娟，曲美君．基于左手材料的小型化差分微帶天線［J］．測試技術(shù)學(xué)報，2014（28）:164-167．

［5］王夫蔚，梁瑞香，龔書喜等．左手材料在天線角域RCS控制中的應(yīng)用［J］．西安電子科技大學(xué)學(xué)報，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，肖紹球．新型電諧振人工異向介質(zhì)抑制陣列天線單元間互耦［J］．物理學(xué)報，2010（59）:1851-1855．

［8］段騰飛．開口諧振環(huán)在微帶天線陣互耦抑制中的應(yīng)用研究［D］．南京:南京航空航天大學(xué)，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稿件編號：201503077

西安市科技計劃創(chuàng)新基金資助項目（CXY1352WL26）

王淑娟（1981—），女，陜西澄城人，碩士，講師。研究方向：微帶天線設(shè)計。