【無線射頻工藝】-左手材料在微波天線領(lǐng)域中的應(yīng)用

1/1左手材料在微波天線領(lǐng)域中的應(yīng)用一、左手材料對(duì)天線性能的影響

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)下一步的深化討論工作打好基礎(chǔ)。

左手材料（Left-HandedMaterials，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(chǎng)E和磁場(chǎng)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，在左手材料的討論領(lǐng)域，又經(jīng)常把常規(guī)的一般材料叫做右手材料（Right-HandedMaterials，RHM）。

近年來，隨著人們對(duì)左手材料電磁特性的漸漸熟識(shí)，關(guān)于其在微波、太赫茲波以及光波波段的應(yīng)用討論越來越多。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討論的熱點(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)用還處于理論和試驗(yàn)階段，但其依舊有著巨大的應(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

文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一款以SRR為輻射單元的RFID讀寫器天線。該天線采納共面波導(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(cè)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等人討論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(chǎng)，因而必定會(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)覺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)表面波的抑制來削減邊緣散射，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．KarimzadehBaeel等人在討論14GHz下互補(bǔ)開口諧振環(huán)對(duì)微帶貼片天線的影響，發(fā)覺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，南京高校馮一教授等人采納簡(jiǎn)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(zhǎng)微帶貼片天線削減了一半[11]。

總之，將左手材料引入天線設(shè)計(jì)有很大的進(jìn)展前景，值得對(duì)其進(jìn)行深化討論。

二、左手材料在天線設(shè)計(jì)中的主要應(yīng)用

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(jiǎn)潔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(cè)試。這一方面發(fā)表的討論成果許多，但是詳細(xì)針對(duì)某一類應(yīng)用的討論卻不多，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)合詳細(xì)應(yīng)用，在這一方面還有較大討論價(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(chǎng)或電磁場(chǎng)）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)中的天線依據(jù)不同的功能和作用，可分為讀寫器天線和標(biāo)簽天線兩種狀況。當(dāng)RFID系統(tǒng)工作于超高頻（UHF）、微波頻段時(shí)，其讀寫器天線經(jīng)常采納圓極化的微帶天線，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(guó)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(guó)是840~845MHz和920~925MHz，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)于削減重復(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)許多，但關(guān)于寬帶讀寫器天線的文獻(xiàn)卻未查到。分析其緣由，主要由于讀寫器天線經(jīng)常采納微帶圓極化天線，而一般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。這是我下一步盼望綻開的工作。

2、左手材料應(yīng)用于反射面天線的設(shè)計(jì)

2023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)完全可以用來制射面反射面天線的反射器部分。從而轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的只有凹面才能作為反射器的狀況，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狀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)"完善透鏡'，辨別率可以達(dá)到小于一個(gè)波長(zhǎng)的精度。用左手材料做透鏡，首先不需要再做成曲面的外形，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]中討論了基于左右手復(fù)合傳輸線（CRLHTL）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。但是將透鏡加載在詳細(xì)的輻射體上（比如透鏡加喇叭）的應(yīng)用，還沒有。

4、左手材料應(yīng)用于零階諧振天線的設(shè)計(jì)

圖2CRLHTL平衡條件下的色散曲線

對(duì)于CRLHTL結(jié)構(gòu)，其左手通帶和右手通帶的過渡段上有個(gè)特別的非零頻率點(diǎn)，在此點(diǎn)上電磁波的相位常數(shù)=0（如圖2示）。假如再適當(dāng)調(diào)整分布結(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-OrderResonator，ZOR）。此類ZOR的諧振頻率由復(fù)合結(jié)構(gòu)的等效電感、電容值打算，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（ZORAntenna）。

基于CRLHTL結(jié)構(gòu)的ZORAntenna與串饋微帶陣列天線類似，即隨著CRLHTL單元的增加，天線的增益會(huì)增加。由于基于CRLHTL結(jié)構(gòu)的ZORAntenna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)下一步的深化討論工作打好基礎(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，并沒有深化討論，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)效性把握不肯定精確?????，請(qǐng)老師指正。

[1]V.Veselago,Theelectrodynamicsofsubstanceswithsimultaneouslynegativevaluesofand,SovietPhysicsUspekhi,vol.10,no.4,pp.509-514,1968.

[2]JBPendry,AJHolden,DJRobbins,WJStewart.Lowfrequencyplasmonsinthin-wirestructures.JPhys:Condens.Matter,10(22):4785-4809,1998.

[3]JBPendry,AJHolden,DJRobbins,WJStewart.Magnetismfromconductorsandenhancednonlinearphenomena.IEEETransMicrowaveTheoryTech，1999，47（11）：2075-2084.

[4]DRSmith,WJPadilla,DCVier,Compositemediumwithsimultaneouslynegativepermeabilityandpermittivity.PhysicalReviewLetters,2000,84(18):4184-4187.

[5]王鑫，基于左手材料的RFID天線討論，華南理工高校碩士論文，2023年4月.

[6]Yong-jinKim,Negativepermeabilitymetamaterialstructurebasedelectricallysmallloopantenna,IEEE17-20Feb.2023.

[7]Burokur，Theoreticalinvestigationofacircularpatchantennainthepresenceofleft-handedmedium.IEEEantennaandwirelesspropagationletters，Vol.4，183-186，2023.

[8]XHSong,LLChen,StudyonanSRR-shapedleft-handedmaterialpatchantenna,JournalofOptics,2023年1月.

[9]Ziolkowski,AMetamaterial-basedefficientelectricallysmallantennas,IEEETransactionsonAntennasandPropagation.2023.Vol.54,No.7:2113-2130.

[10]R．KarimzadehBaeel,UsingofCSRRanditsEquivalentCircuitModelinSizeReductionofMicrostripAntenna.ProceedingsofAsia-PacificMicrowaveConference.4554993:1-4.

[11]WJHan,JMZhao,YJFeng.Anovelmicrostripringantennausingasimplifiedleft-handedtransmissionlinestructure.中國(guó)科技論文在線.

[12]LagarkovAN,KiselVN.Electromagneticpropertiesofthesimplebodiesconsistingofmatterwithnegativepermeabilityandpermittivity.DokladyAkademiiNauk,2023,377,40-44.

[13]Ye,DXi,S.;Chen,H.Achievinglargeeffectiveapertureantennawithsmallvolumebasedoncoordi-natetransformation,ProgressinElectromagneticsResearch,v111,p407-418,2023.

[14]Kamada,ShinjiMichishita，Metamateriallensantennausingdielectricresonatorsforwideanglebeamscanning，2023IEEEInternationalSymposiumonAntennasandPropagation.

[15]LeeK,Leong，MKH,ItohT，Designofresonantsmallantennausingcompositeright/left-handedtransmissionline，Proc.IEEEAntennasandProp