左手材料在天線設(shè)計(jì)中的主要應(yīng)用

本文中，主要對(duì)近年來左手材料在天線領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行小結(jié)，以便對(duì)下一步的深入研究工作打好基礎(chǔ)。

左手材料（Left-Handed Materials，LHM）是指一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的材料。電磁波在其中傳播時(shí)，波矢量K，電場E和磁場H之間的關(guān)系符合左手螺旋關(guān)系，因此稱為左手材料。相對(duì)而言，在左手材料的研究領(lǐng)域，又常常把常規(guī)的普通材料叫做右手材料（Right-Handed Materials，RHM）。

近年來，隨著人們對(duì)左手材料電磁特性的逐漸熟悉，關(guān)于其在微波、太赫茲波以及光波波段的應(yīng)用研究越來越多。尤其是左手材料在各種微波元器件和天線中的應(yīng)用 成為近年來左手材料研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，這種新型材料的的使用可以大大改善器件的性能，縮小其體積等。雖然目前左手材料的應(yīng)用還處于理論和實(shí)驗(yàn)階段，但其依然 有著巨大的應(yīng)用價(jià)值和潛力。

一、左手材料對(duì)天線性能的影響

1、SRR可以直接作為天線輻射單元
設(shè)計(jì)了一款以SRR為輻射單元的RFID讀寫器天線。該天線采用共面波導(dǎo)饋電，具有較好的阻抗和輻射特性。文獻(xiàn)[6]中設(shè)計(jì)、測試了一款負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的電小環(huán)天線，它具有尺寸小、成本低、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，可用于RFID等無線通信領(lǐng)域。

2、左手材料加載到傳統(tǒng)天線上
將左手材料加載到傳統(tǒng)天線上，可以優(yōu)化天線的性能，主要表現(xiàn)在：

（1）提高天線的增益和方向性
就微帶天線而言，最常見的提高提高增益的方法就是使用天線陣。但是這種方法的缺點(diǎn)：一是各個(gè)單元之間的互耦影響天線的性能；二是饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)往往難度很大。

Burokur等人研究了將左手材料放置在微帶天線輻射面的上方^[7]，由于左手材料中可以集中電場，因而必然會(huì)提高天線增益。類似的應(yīng)用在文獻(xiàn)[8]中也有分析，文中給開口貼片天線加載開口諧振環(huán)形式的左手材料，如圖1所示。這種設(shè)計(jì)可以加強(qiáng)天線在工作頻率處的諧振強(qiáng)度，從而增大天線的輻射增益。

圖1 開口諧振環(huán)形式貼片天線

（2）提高天線的帶寬和阻抗匹配特性
將左手材料加載于微帶天線上，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可以提高天線的帶寬，改善阻抗匹配特性等。但目前關(guān)于這一方面理論分析的文章較少。

（3）提高天線的效率
利用左手材料對(duì)表面波的抑制來減少邊緣散射，可以提高天線的輻射效率。Richard等人將負(fù)電導(dǎo)率的材料制作成半球形罩加載在通用的電小天線上，大大提高了電小天線的效率，可是其效率接近于1^[9]。

（4）降低諧振頻率，減小天線尺寸
R．Karimzadeh Baeel等人在研究14GHz下互補(bǔ)開口諧振環(huán)對(duì)微帶貼片天線的影響，發(fā)現(xiàn)微帶天線底板刻蝕互補(bǔ)開口諧振環(huán)可以大大降低天線的諧振頻率，從而減小天線尺寸^[10]。另外，南京大學(xué)馮一軍教授等人采用簡化左手傳輸線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款微帶諧振天線，其尺寸比傳統(tǒng)的半波長微帶貼片天線減少了一半^[11]。

總之，將左手材料引入天線設(shè)計(jì)有很大的發(fā)展前景，值得對(duì)其進(jìn)行深入研究。

二、左手材料在天線設(shè)計(jì)中的主要應(yīng)用

1、左手材料應(yīng)用于微帶天線的設(shè)計(jì)

微帶天線以體積小，重量輕，易于加工等諸多優(yōu)點(diǎn)，在通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而為了驗(yàn)證左手材料對(duì)天線性能的影響，最簡單的方法就是將左手材料加載于微 帶天線之上進(jìn)行仿真、測試。這一方面發(fā)表的研究成果很多，但是具體針對(duì)某一類應(yīng)用的研究卻不多，比如加載左手材料的微帶天線在移動(dòng)通信、射頻識(shí)別（RFID）、衛(wèi)星通信等中的應(yīng)用。所以本人認(rèn)為，結(jié)合具體應(yīng)用，在這一方面還有較大研究價(jià)值。下面以RFID讀寫器天線為例進(jìn)行說明。

RFID技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實(shí)現(xiàn)非接觸式信息傳遞，并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID系統(tǒng)中的天線根據(jù)不同的功能和作用，可分為讀寫器天線和標(biāo)簽天線兩種情況。當(dāng)RFID系統(tǒng)工作于超高頻（UHF）、微波頻段時(shí)，其讀寫器天線常常采用圓極化的微帶天線，標(biāo)簽天線多為偶極子天線及其變形結(jié)構(gòu)。

為了更好的利用有限的頻率資源，各國劃分了不同的頻帶供RFID使用，例如在UHF段，歐洲是866~869MHz，美洲是902~928MHz，中國是840~845MHz和920~925MHz，日本則是950~956MHz?？偟膩碚f，全球范圍內(nèi)超高頻RFID的頻率范圍為840~956MHz，相對(duì)帶寬達(dá)13%。

由此可見，設(shè)計(jì)出全球通用的寬帶RFID天線對(duì)于減少重復(fù)設(shè)計(jì)和降低成本都是很有意義的。目前關(guān)于寬帶RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)很多，但關(guān)于寬帶讀寫器天線的文獻(xiàn)卻未查到。分析其原因，主要因?yàn)樽x寫器天線常常采用微帶圓極化天線，而普通的微帶貼片天線其帶寬只能達(dá)到5%~7%左右，帶寬較窄也是限制微帶天線應(yīng)用的主要瓶頸。結(jié)合左手材料的相關(guān)特性，本人認(rèn)為可先設(shè)計(jì)一款中心頻率的為898MHz的微帶圓極化天線，然后通過加載左手材料來增大其帶寬，同時(shí)減小其尺寸，從而設(shè)計(jì)一款球通用的寬帶RFID讀寫器天線。這是我下一步希望展開的工作。

2、左手材料應(yīng)用于反射面天線的設(shè)計(jì)

2001年，Lagarkov通過對(duì)表面布置左手材料的金屬圓柱體的電磁特性進(jìn)行分析，指出上述結(jié)構(gòu)完全可以用來制造反射面反射面天線的反射器部分。從而改變了傳統(tǒng)的只有凹面才能作為反射器的情況，使得凸面也能作為反射器^[12]。這使人們意識(shí)到，通過合理布置左手材料，就可以在飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦船的凸出部分構(gòu)造出共形的反射面天線。但此類應(yīng)用的文獻(xiàn)并未查到，只是在文獻(xiàn)[13]中提到在反射面上加載左手材料可以在不增大反射面的情況下提高天線的口面效率和方向性。

3、左手材料應(yīng)用于透鏡天線的設(shè)計(jì)

Pendry早在2000年就提出可以使用左手材料平板實(shí)現(xiàn)“完美透鏡”，分辨率可以達(dá)到小于一個(gè)波長的精度。用左手材料做透鏡，首先不需要再做成曲面的形狀，其次它可以放大消逝波，可以將中途衰減的信息進(jìn)行幅度補(bǔ)償。文獻(xiàn)[14] 中研究了基于左右手復(fù)合傳輸線（CRLH TL）結(jié)構(gòu)的負(fù)折射率透鏡，并將該透鏡應(yīng)用于天線中實(shí)現(xiàn)了寬波束掃描的功能，另外左手材料也可以實(shí)現(xiàn)透鏡的小型化。但是將透鏡加載在具體的輻射體上（比如透鏡加喇叭）的應(yīng)用，還沒有相關(guān)文獻(xiàn)。

4、左手材料應(yīng)用于零階諧振天線的設(shè)計(jì)

圖2 CRLH TL平衡條件下的色散曲線

對(duì)于CRLH TL結(jié)構(gòu)，其左手通帶和右手通帶的過渡段上有個(gè)特殊的非零頻率點(diǎn)，在此點(diǎn)上電磁波的相位常數(shù)β=0（如圖2示）。如果再適當(dāng)調(diào)節(jié)分布結(jié)構(gòu)，使得左手傳輸線和右手傳輸線具有相等的特性阻抗，此時(shí)即可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)新型的零階諧振器（Zeroth-Order Resonator，ZOR）。此類ZOR的諧振頻率由復(fù)合結(jié)構(gòu)的等效電感、電容值決定，而與諧振器的尺寸無關(guān)，因而具有小尺寸等優(yōu)點(diǎn)。這種ZOR可以制作成零階諧振天線（ZOR Antenna）。

基于CRLH TL結(jié)構(gòu)的ZOR Antenna與串饋微帶陣列天線類似，即隨著CRLH TL單元的增加，天線的增益會(huì)增加。由于基于CRLH TL結(jié)構(gòu)的ZOR Antenna省略了饋電網(wǎng)絡(luò)，它的尺寸和損耗都比微帶陣列天線小。此類天線的設(shè)計(jì)在文獻(xiàn)[15]、[16]、[17]中均有介紹。

三、小結(jié)

本文中，主要對(duì)近年來左手材料在天線領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行小結(jié)，以便對(duì)下一步的深入研究工作打好基礎(chǔ)。由于個(gè)人水平和時(shí)間所限，本人對(duì)文中的部分文獻(xiàn)只是泛泛而讀，并沒有深入研究，并且對(duì)左手材料在天線領(lǐng)域的諸多應(yīng)用的前沿性、時(shí)效性把握不一定準(zhǔn)確。