含有左手介質(zhì)雙層基底的亞波長(zhǎng)諧振腔微帶天線研究

1、含有左手介質(zhì)雙層基底的亞波長(zhǎng)諧振腔微帶天線研究3楊銳謝擁軍王鵬楊同敏(西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710071(2006年11月21日收到;2007年1月29日收到修改稿將諧振腔引入微帶結(jié)構(gòu),分析和設(shè)計(jì)了含有左手介質(zhì)雙層基底的亞波長(zhǎng)諧振腔微帶天線.基于左手介質(zhì)對(duì)右手介質(zhì)的相位補(bǔ)償效應(yīng),此新型微帶天線的高度并沒有因?yàn)殡p層基底而大為增加,反而有所降低.計(jì)算表明:在一些情況下,大幅度提高的帶寬特性突破了傳統(tǒng)微帶天線的窄帶局限,而在另一些情況下,所得到窄帶微帶天線能夠在單頻率點(diǎn)諧振鑒頻.針對(duì)這一特性,將亞波長(zhǎng)諧振腔微帶天線應(yīng)用于探測(cè)器中,顯示了此新型微帶天線在目標(biāo)探測(cè)上的優(yōu)勢(shì).關(guān)

2、鍵詞:微帶天線,左手介質(zhì),諧振腔PACC :4110H3教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):NCET 20420950資助的課題. E 2mail :mattomato81111811引言本世紀(jì)以來,一種被稱為左手介質(zhì)的人工復(fù)合材料在許多學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)獲得了廣泛的青睞,對(duì)其研究也呈現(xiàn)迅速發(fā)展之勢(shì),而早在1968年,Veselag o1就從理論上分析了這種具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的電介質(zhì)材料的全新物理特性.這種介質(zhì)因其波矢量、電場(chǎng)方向和磁場(chǎng)方向滿足左手螺旋關(guān)系故而得名.在被提出后的30年里,左手介質(zhì)這一具有顛覆性的概念卻一直處于無人理睬的尷尬境地,直到Smith 等2,3第一次實(shí)際合成出這種自然界

3、并不存在的介質(zhì),它的超常規(guī)電磁特性418(如凋落波匯聚特性15,16、相位補(bǔ)償效應(yīng)17,18等,再次引發(fā)了人們的無限遐想.利用左手介質(zhì)來提高常規(guī)器件電氣性能和突破原有限制,將引起包括固體物理、材料科學(xué)、光學(xué)和應(yīng)用電磁學(xué)等領(lǐng)域的重大變革.具體到微帶天線的研究方面,由于左手介質(zhì)的引入,其帶寬窄、增益較低等缺陷得到了明顯的改善1924.本課題組也對(duì)左手介質(zhì)基底微帶天線做出了系統(tǒng)的分析.研究表明,相應(yīng)地改變左手介質(zhì)基底的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率,可以取得主瓣寬度窄且仰角低的新型輻射特性,從而有效改變傳統(tǒng)微帶天線輻射定向性差的不足23,24.但是,現(xiàn)有文獻(xiàn)多局限于在單層基底中部分20,21或完全2224填充左手

4、介質(zhì)來提高和改善傳統(tǒng)微帶天線性能,對(duì)于含有左手介質(zhì)多層基底微帶天線的討論并不多見.本文提出了含有左手介質(zhì)雙層基底的亞波長(zhǎng)諧振腔微帶天線,將諧振腔引入微帶結(jié)構(gòu).根據(jù)諧振方程,分析和設(shè)計(jì)了此新型微帶天線.利用左手介質(zhì)對(duì)右手介質(zhì)的相位補(bǔ)償效應(yīng)有效地降低了天線高度.計(jì)算表明:在一些情況下,大幅度提高的帶寬特性突破了傳統(tǒng)微帶天線的窄帶局限,而在另一些情況下,所得到的窄帶微帶天線能夠在單頻率點(diǎn)諧振鑒頻.針對(duì)這一特性,將亞波長(zhǎng)諧振腔微帶天線應(yīng)用于探測(cè)器中,顯示了此新型微帶天線在目標(biāo)探測(cè)上的優(yōu)勢(shì).21理論分析2111含有左手介質(zhì)雙層基底的亞波長(zhǎng)諧振腔微帶天線模型如圖1所示,a 和b 表示矩形貼片的尺寸.圖2給

5、出了此亞波長(zhǎng)諧振腔微帶天線的模型.如圖2所示,d 1和d 2分別定義了雙層基底的高度;負(fù)的r1,r1和正的r2,r2代表了左手介質(zhì)和右手介質(zhì)的介第56卷第8期2007年8月100023290200756(084504205物理學(xué)報(bào)ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.56,N o.8,August ,20072007Chin.Phys.S oc.電常數(shù)和磁導(dǎo)率.與傳統(tǒng)微帶天線不同,此新型微帶天線中,矩形貼片、接地板和中間的兩層介質(zhì)構(gòu)成了z 方向的一維諧振腔,電磁場(chǎng)相應(yīng)地分布于上下兩理想導(dǎo)體之間.因此,邊緣散射場(chǎng)有了更加重要的意義,扮演著此新型微帶天線工作中聯(lián)系諧振腔內(nèi)、外部

6、電磁場(chǎng)的重要角色 . 圖1矩形貼片尺寸圖2含有左手介質(zhì)雙層基底的亞波長(zhǎng)諧振腔微帶天線模型2121含有左手介質(zhì)雙層基底的亞波長(zhǎng)諧振腔微帶天線的設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)微帶天線的設(shè)計(jì),對(duì)于此新型微帶天線的分析,我們重點(diǎn)考慮其內(nèi)部諧振腔的諧振方程17n 22tan (n 1k 0d 1+n 11tan (n 2k 0d 2=0,(1式中k 0表示空氣中的波矢量,n 1和n 2分別代表了左手介質(zhì)和右手介質(zhì)的折射率.n 1=-r1r1,n 2=r2r2.電磁波在圖2所示的相鄰連續(xù)的左手介質(zhì)和右手介質(zhì)基板中傳播,由于相位相反,左手介質(zhì)會(huì)對(duì)右手介質(zhì)進(jìn)行相位補(bǔ)償.所以,只要在相鄰兩介質(zhì)層中相位變化的模值相等,電磁波在通

7、過圖2所示的雙層基板后,相位變化將完全抵消.這使得由矩形貼片、接地板和左手介質(zhì)、右手介質(zhì)雙層平板所組成的諧振腔系統(tǒng)其諧振方程(1不依賴于兩介質(zhì)層的各自厚度,而直接取決于它們的比值17.所以,此雙層基底諧振腔微帶天線仍然可以保持在亞波長(zhǎng)高度,甚至還可以大幅度降低.這對(duì)于將諧振腔引入傳統(tǒng)微帶天線是難以達(dá)到的,因?yàn)楫?dāng)天線基底單純由右手介質(zhì)組成時(shí),滿足諧振方程的最小高度為半波長(zhǎng).若滿足n 1k 0d 1=-n 2k 0d 2,(2n 22=n 11,(3則諧振方程(1成立.而且,由于(2式等號(hào)兩端的波矢量k 0被直接消去,諧振方程(1將與頻率無關(guān).這表明由矩形貼片、接地板和左手介質(zhì)、右手介質(zhì)雙層平板所

8、組成的諧振腔系統(tǒng)將在任何頻率下都諧振,從而使得頻率因素對(duì)于此新型微帶天線性能的影響大為削弱.另一方面,如果所選參數(shù)滿足諧振方程(1卻不滿足(2式,則天線內(nèi)部諧振腔只能在固定頻率點(diǎn)上諧振.若此頻率點(diǎn)與微帶天線工作頻率重合,則此新型微帶天線具有單頻率點(diǎn)諧振鑒頻特性.31數(shù)值結(jié)果3111寬帶亞波長(zhǎng)諧振腔雙層基底微帶天線若選擇天線參數(shù)為a =0140cm ,b =3180cm ,r1=r1=-4100,r2=r2=0180,d 1=0125mm ,d 2=1125mm ,此時(shí)內(nèi)部諧振腔系統(tǒng)將在任何頻率下諧振.圖3給出了此新型微帶天線的回波損耗S 11.從圖3可以看出,以3135GH z 為中心頻率,小

9、于-10dB 的相對(duì)帶寬達(dá)到了21179%.這大大改善了傳統(tǒng)微帶天線通常小于5%的窄帶寬局限.在3107和3161GH z 得到了兩個(gè)諧振頻率點(diǎn),相應(yīng)的回波損耗分別為-29195和-24162dB.圖4給出了此新型微帶天線工作在3107GH z 時(shí)的E 面(虛線內(nèi)和H 面(實(shí)線內(nèi)的方向圖.從圖4可以看出,所得到的方向圖與傳統(tǒng)微帶天線類似.此天線的總高度d =1150mm 與工作在此頻率下的傳統(tǒng)單層微帶天線相當(dāng),但這已經(jīng)突破了傳統(tǒng)諧振腔引入微帶天線的半波長(zhǎng)局限.實(shí)際上,基于左手介質(zhì)的相位補(bǔ)償效應(yīng),此天線的高度還可以降低.保持其他參數(shù)不變,令d 1=0110mm ,d 2=0150mm ,此時(shí)天線

10、總高度d =50548期楊銳等:含有左手介質(zhì)雙層基底的亞波長(zhǎng)諧振腔微帶天線研究 圖3當(dāng)d 1=0125mm ,d 2=1125mm 時(shí),寬帶亞波長(zhǎng)諧振腔雙層基底微帶天線的回波損耗a =0140cm ,b =3180cm ,r1=r1=-4100,r2=r2=0180圖4寬帶亞波長(zhǎng)諧振腔雙層基底微帶天線的E 面和H 面方向圖a =0140cm ,b =3180cm ,r1=r1=-4100,r2=r2=0180,d 1=0125mm ,d 2=1125mm ,虛線內(nèi)為E 面,實(shí)線內(nèi)為H 面0160mm.圖5給出了該天線的回波損耗S 11.如圖5所示,小于-10dB 的帶寬仍然很大,但相比于圖3所

11、示的天線已經(jīng)減小.保持與圖3所示天線基本不變的工作中心頻率3136GH z ,該天線的相對(duì)帶寬為9152%.這一結(jié)果再次證明了此亞波長(zhǎng)諧振腔微帶天線可以比傳統(tǒng)微帶天線大幅度提高帶寬.但單一的降低基底厚度會(huì)縮減微帶天線帶寬這一規(guī)律仍然適用25,并沒有因?yàn)樽笫纸橘|(zhì)的引入而有所改變 .3121窄帶亞波長(zhǎng)諧振腔雙層基底微帶天線若選擇天線參數(shù)為a =0140cm ,b =3180cm ,r1=r1=-2180,r2=3110,r2=1100,d 10141圖5當(dāng)d 1=0110mm ,d 2=0150mm 時(shí),寬帶亞波長(zhǎng)諧振腔雙層基底微帶天線的回波損耗a =0140cm ,b =3180cm ,r1=r

12、1=-4100,r2=r2=0180mm ,d 21109mm ,此時(shí)內(nèi)部諧振腔將只在2140GH z 頻率諧振.天線的高度d =1150mm 仍與在此工作頻率下的傳統(tǒng)微帶天線相當(dāng).圖6給出了該微帶天線的回波損耗S 11.從圖6可以看出,小于-10dB 的相對(duì)帶寬為6167% ,中心頻率為2140GH z.值得注意的是,這一頻率恰好與諧振腔的工作頻率相等,也基本與天線的諧振頻率2139GH z 一致,保證了此新型微帶天線與其內(nèi)部諧振腔同時(shí)工作,從而擁有單頻率點(diǎn)諧振鑒頻特性.圖7給出了該新型微帶天線在2140GH z 工作頻率下的E 面(虛線內(nèi)和H 面(實(shí)線內(nèi)的方向圖,可以看出其輻射特性仍然與傳

13、統(tǒng)微帶天線類似.圖6當(dāng)d 10141mm ,d 21109mm 時(shí),窄帶亞波長(zhǎng)諧振腔雙層基底微帶天線的回波損耗a =0140cm ,b =3180cm ,r1=r1=-2180,r2=3110,r2=1100與寬帶亞波長(zhǎng)諧振腔雙層基底微帶天線類似,此窄帶亞波長(zhǎng)諧振腔雙層基底微帶天線的高度也可6054物理學(xué)報(bào)56卷圖7窄帶亞波長(zhǎng)諧振腔雙層基底微帶天線的E面和H面方向圖a=0140cm,b=3180cm,r1=r1=-2180,r2=3110,r2= 1100,d10141mm,d21109mm,虛線內(nèi)為E面,實(shí)線內(nèi)為H面以降低.保持其他參數(shù)不變,令d101174mm,d201486mm,此時(shí)內(nèi)部

14、諧振腔仍在2140GH z頻率諧振.天線總高度d=0166mm(約為91 30×10-3,其中=cfr2r2已大大降低,而且也小于傳統(tǒng)微帶天線通常大于0101的天線高度.圖8給出了該微帶天線的回波損耗S11.如圖8所示,小于-10dB的相對(duì)帶寬由于天線高度的降低有所減小,約為2191%.此天線的中心頻率、諧振頻率和諧振腔的工作頻率也均為2140GH z,從而保證了此新型微帶天線能夠在單頻率點(diǎn)諧振鑒頻.對(duì)于目標(biāo)探測(cè)器,由于探測(cè)目標(biāo)所依賴的物理環(huán)境通常比較復(fù)雜,使得探測(cè)器中目標(biāo)信息傳感器(天線等所接收的回波信號(hào)難以鑒別.若將上述能夠在單頻率點(diǎn)諧振鑒頻的新型微帶天線應(yīng)用于探測(cè)器中,則可大大

15、提高探測(cè)靈敏度.首先,此天線的窄帶寬特性,一方面雖然限制了天線的工作頻率,但另圖8當(dāng)d1=01174mm,d2=01486mm時(shí),窄帶亞波長(zhǎng)諧振腔雙層基底微帶天線的回波損耗a=0140cm,b=3180cm,r1=r1 =-2180,r2=3110,r2=1100一方面也使得只有少數(shù)頻率的信號(hào)可以耦合進(jìn)邊緣場(chǎng),從而初步限定了回波信號(hào)的頻率范圍.另外,應(yīng)用天線內(nèi)部諧振腔在單頻率點(diǎn)的諧振鑒頻特性,進(jìn)行二次鑒頻,更進(jìn)一步確定了探測(cè)目標(biāo)的信息,顯示出了此天線在目標(biāo)探測(cè)上的優(yōu)勢(shì).41結(jié)論本文提出并討論了含有左手介質(zhì)雙層基底的亞波長(zhǎng)諧振腔微帶天線,將諧振腔引入微帶結(jié)構(gòu).根據(jù)諧振方程,分析和設(shè)計(jì)了此新型微帶

16、天線.利用左手介質(zhì)對(duì)右手介質(zhì)的相位補(bǔ)償效應(yīng)有效地降低了天線高度.計(jì)算表明:在一些情況下,大幅度提高的帶寬特性突破了傳統(tǒng)微帶天線的窄帶局限,而在另一些情況下,所得到的窄帶微帶天線能夠在單頻率點(diǎn)諧振鑒頻.針對(duì)這一特性,本文將亞波長(zhǎng)諧振腔微帶天線應(yīng)用于探測(cè)器中,顯示了此新型微帶天線在目標(biāo)探測(cè)上的優(yōu)勢(shì).1Veselag o V G1968Sov.Phys.Usp.105092Smith D R,Padilla W J,Vier D C,Nemat2Nasser S C,Schultz S2000Phys.Rew.Lett.8441843Shelby R A,Smith D R,Schultz S200

17、1Science292774K ong J A2000Prog.Electromagn.Res.3515Cui T J,Hao Z C,Y in X X,H ong W,K ong J A2004Phys.Lett.A3234846Zhang D K,Zhang Y W,He L,Li H Q,Chen H2005Acta Phys.Sin.54772(in Chinese張東科、張冶文、赫麗、李宏強(qiáng)、陳鴻2005物理學(xué)報(bào)547727Zhuang F,Shen J Q2005Acta Phys.Sin.54955(in Chinese莊飛、沈建其2005物理學(xué)報(bào)549558Zheng Q,Zh

18、ao X P,Fu Q H,Zhao Q,K ang L,Li M M2005ActaPhys.Sin.545683(in Chinese鄭晴、趙曉鵬、付全紅、趙乾、康雷、李明明2005物理學(xué)報(bào)5456839M eng F Y,Wu Q,Wu J2006Acta Phys.Sin.552194(in70548期楊銳等:含有左手介質(zhì)雙層基底的亞波長(zhǎng)諧振腔微帶天線研究 Chinese孟繁義、吳群、吳健2006物理學(xué)報(bào)552194 10M eng F Y,Wu Q,Wu J2006Acta Phys.Sin.552200(inChinese孟繁義、吳群、吳健2006物理學(xué)報(bào)552200 11Wu M

19、 F,M eng F Y,Wu Q,Wu J2006Acta Phys.Sin.555790(in Chinese武明峰、孟繁義、吳群、吳健2006物理學(xué)報(bào)55579012Jiang T,Chen Y,Feng YJ2006Chin.Phys.15115413D ong Z G,Zhu S N,Liu H2006Chin.Phys.15177214Hu Y H,Fu X Q,W en S C,Su W H,Fan D Y2006Chin.Phys.15297015Pendry J B2000Phys.Rev.Lett.85396616Alu A,Engheta N2006IEEE Trans.

20、Antennas Propag.5426817Engheta N2002IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.11018Li Y,Ran L X,Chen H S,Huang fu J T,Zhang X M,Chen K S,G rzeg orczyk T,K ong J A2005IEEE Trans.Microw.Theory Tech.50152219Burokur S N,Latrach M,T outain S2005IEEE Antennas WirelessPropag.Lett.418320M ahm oud S F2004IEEE Anten

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22、pl.20122125G arg R,Bhartia P,Bahl I,Ittipiboon A2001Microstrip AntennaDesign Handbook(N orw ood:Artech H ouseSubwavelength cavity re sonator micro strip antenna s ba sed on left2 and right2handed metamaterial bilayered substrate s3Y ang Rui X ie Y ong2JunW ang PengY ang T ong2M in(State K ey Laborat

23、ory o f Antennas and Microwave Technology,Xidian Univer sity,Xian710071,China(Received21N ovember2006;revised manuscript received29January2007AbstractBy introducing cavity resonators to m icrostrip structures,subwavelength cavity resonator m icrostrip antennas with left2and right2handed metamaterial bilayered substrates are proposed and invest