左手材料對微帶天線關鍵性能改善研究進展

王淑娟

（西安文理學院 數學與計算機工程學院，陜西 西安　710065）

左手材料對微帶天線關鍵性能改善研究進展

王淑娟

（西安文理學院 數學與計算機工程學院，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計中關鍵指標參數的改善機理，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鍵性能有很大優勢。

左手材料；微帶天線；方向性；隱身；耦合

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

微帶天線因其結構簡單、易于制作、重量輕、體積小等優點在軍用和民用中設備中得到廣泛應用，利用左手材料的各項奇異特性進一步改善微帶天線關鍵性能越來越多得到國內外學者的關注。

1　左手材料理論

平面單色波在各向同性無源介質中傳播時滿足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、負折射效應，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孔的線介質。實驗和理論研究表明這種連續的線介質具有等離子頻率的特性，在微波頻段的等效介電常數為:當ω很接近ωp時，可以看到其等效介電常數接近于0，從而實現零折射特性。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，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。利用這種介質構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結構陣列結構左手平板材料做為微帶天線的覆層，加載陣列結構左手材料覆層后，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

隨著無線通信技術的快速發展，人們對于便攜通信設備的要求也越來越高。天線作為射頻前端，成為無線通信系統設計的關鍵部分，在一定程度上影響著無線通信系統的性能，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，天線的小型化是設備小型化的基礎，左手材料天線的小型化設計是基于左手介質后向波特性的應用之一，早在2002年。Engheta首次提出了基于左右手介質的一維小型化諧振腔結構，即將左手介質的后向波效應與傳統介質的前向波效應相結合設計出小于半波長的諧振腔。把它運用到天線中可突破傳統微帶天線半波長電尺寸的束縛，達到天線小型化設計的目的。文獻［3］通過在微帶線上加載并聯電感及串聯電容獲得一種左手結構，通過調節并聯諧振回路實現傳輸線的零階諧振頻率，從而實現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的不斷發展，雷達散射截面（Radar Cross Section，RCS）的減縮技術作為軍事領域中的重要問題受到學者越來越多的關注．天線作為一種特殊的散射體，其RCS值已成為天線設計的重要參考指標．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，這直接關系到復雜電磁環境下作戰武器的生存能力。

常用的RCS減縮技術有在天線基底或覆層引入頻率選擇表面、高阻抗表面以及結構型吸波材料等各種應用方法．但是，受到材料本身的角度穩定性的影響，這些技術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，而在更偏的角域范圍內。然而，常用的RCS減縮技術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．計算結果表明，當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可獲得20dB以上的減縮。文獻［6］研究了利用左手材料設計高增益低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

微帶天線以剖面低、成本低、易共形、等優勢得到廣泛應用，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，特別是在介質厚度較大、介電常數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絡影響匹配，因此，天線陣元間耦合已是天線設計的重要參考指標。

耦合效應早在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。總體來說，微帶天線陣元間的耦合成因目前已經很明晰了。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）結構和缺省地（DGS）結構．但是，EBG結構由于需要多個周期而占據交大空間，從而使微帶天線陣元間緊湊性難以形成；DGS結構由于在地板上蝕刻縫隙會導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構材料抑制陣元間互耦，文獻［7］依據電諧振原理和鏡像原理設計出周期性耦合左手結構（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，介質基板長72 mm寬24 mm，高2 mm，諧振頻率在6 GHz，加載單環方形左手結構（如圖2）隔離板后其互耦改善了10．1 dB，且左手結構隔離板高度僅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（如圖3）隔離板，對同一天線陣，較單方環形左手結構隔離板，其對互耦的抑制更加明顯，達到了14．7 dB。可見，引入左手材料結構是抑制陣元間互耦的理想選擇。

圖1　耦合左手結構Fig．1　Coupling LHM

圖2　單方環形左手結構Fig．2　One way annular LHM

圖3　S形左手結構Fig．3　S structure LHM

3　結束語

通過梳理左手材料在微帶天線設計中的應用，可以看出左手材料對微帶天線關鍵性能改善有絕對優勢。目前，國內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，向基站發射信號的同時也向人體發射電磁波，對人體的輻射無法避免。而新型左手材料，通過人造結構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射信號，進一步減少電磁信號對人體，特別是腦部的輻射。可見，左手材料在天線中具有潛在的應用價值。

［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］．現代電子技術，2013（36）：81-84．

［3］代黎明．超材料在微帶天線小型化設計中的應用 ［D］．成都:西南交通大學，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］．測試技術學報，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控制中的應用［J］．西安電子科技大學學報，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抑制陣列天線單元間互耦［J］．物理學報，2010（59）:1851-1855．

［8］段騰飛．開口諧振環在微帶天線陣互耦抑制中的應用研究［D］．南京:南京航空航天大學，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：微帶天線設計。