左手材料在天線設計中的主要應用

本文中，主要對近年來左手材料在天線領域中的應用進行小結，以便對下一步的深入研究工作打好基礎。

左手材料（Left-Handed Materials，LHM）是指一種介電常數(shù)和磁導率同時為負值的材料。電磁波在其中傳播時，波矢量K，電場E和磁場H之間的關系符合左手螺旋關系，因此稱為左手材料。相對而言，在左手材料的研究領域，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，隨著人們對左手材料電磁特性的逐漸熟悉，關于其在微波、太赫茲波以及光波波段的應用研究越來越多。尤其是左手材料在各種微波元器件和天線中的應用 成為近年來左手材料研究的熱點領域，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用還處于理論和實驗階段，但其依然 有著巨大的應用價值和潛力。

一、左手材料對天線性能的影響

1、SRR可以直接作為天線輻射單元
設計了一款以SRR為輻射單元的RFID讀寫器天線。該天線采用共面波導饋電，具有較好的阻抗和輻射特性。文獻[6]中設計、測試了一款負磁導率結構的電小環(huán)天線，它具有尺寸小、成本低、重量輕等優(yōu)點，可用于RFID等無線通信領域。

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：一是各個單元之間的互耦影響天線的性能；二是饋電網(wǎng)絡的設計往往難度很大。

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，因而必然會提高天線增益。類似的應用在文獻[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。這種設計可以加強天線在工作頻率處的諧振強度，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等人將負電導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下互補開口諧振環(huán)對微帶貼片天線的影響，發(fā)現(xiàn)微帶天線底板刻蝕互補開口諧振環(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，南京大學馮一軍教授等人采用簡化左手傳輸線結構設計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計有很大的發(fā)展前景，值得對其進行深入研究。

二、左手材料在天線設計中的主要應用

1、左手材料應用于微帶天線的設計

微帶天線以體積小，重量輕，易于加工等諸多優(yōu)點，在通信等領域得到了廣泛的應用。而為了驗證左手材料對天線性能的影響，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，但是具體針對某一類應用的研究卻不多，比如加載左手材料的微帶天線在移動通信、射頻識別（RFID）、衛(wèi)星通信等中的應用。所以本人認為，結合具體應用，在這一方面還有較大研究價值。下面以RFID讀寫器天線為例進行說明。

RFID技術是一項利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現(xiàn)非接觸式信息傳遞，并通過所傳遞的信息達到識別目的的自動識別技術。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簽天線兩種情況。當RFID系統(tǒng)工作于超高頻（UHF）、微波頻段時，其讀寫器天線常常采用圓極化的微帶天線，標簽天線多為偶極子天線及其變形結構。

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，相對帶寬達13%。

由此可見，設計出全球通用的寬帶RFID天線對于減少重復設計和降低成本都是很有意義的。目前關于寬帶RFID標簽天線設計的文獻很多，但關于寬帶讀寫器天線的文獻卻未查到。分析其原因，主要因為讀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到5%~7%左右，帶寬較窄也是限制微帶天線應用的主要瓶頸。結合左手材料的相關特性，本人認為可先設計一款中心頻率的為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，同時減小其尺寸，從而設計一款球通用的寬帶RFID讀寫器天線。這是我下一步希望展開的工作。

2、左手材料應用于反射面天線的設計

2001年，Lagarkov通過對表面布置左手材料的金屬圓柱體的電磁特性進行分析，指出上述結構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]。這使人們意識到，通過合理布置左手材料，就可以在飛機、導彈、艦船的凸出部分構造出共形的反射面天線。但此類應用的文獻并未查到，只是在文獻[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、左手材料應用于透鏡天線的設計

Pendry早在2000年就提出可以使用左手材料平板實現(xiàn)“完美透鏡”，分辨率可以達到小于一個波長的精度。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行幅度補償。文獻[14] 中研究了基于左右手復合傳輸線（CRLH TL）結構的負折射率透鏡，并將該透鏡應用于天線中實現(xiàn)了寬波束掃描的功能，另外左手材料也可以實現(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）的應用，還沒有相關文獻。

4、左手材料應用于零階諧振天線的設計

圖2 CRLH TL平衡條件下的色散曲線

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

基于CRLH TL結構的ZOR Antenna與串饋微帶陣列天線類似，即隨著CRLH TL單元的增加，天線的增益會增加。由于基于CRLH TL結構的ZOR Antenna省略了饋電網(wǎng)絡，它的尺寸和損耗都比微帶陣列天線小。此類天線的設計在文獻[15]、[16]、[17]中均有介紹。

三、小結

本文中，主要對近年來左手材料在天線領域中的應用進行小結，以便對下一步的深入研究工作打好基礎。由于個人水平和時間所限，本人對文中的部分文獻只是泛泛而讀，并沒有深入研究，并且對左手材料在天線領域的諸多應用的前沿性、時效性把握不一定準確。