1、含有左手介質雙層基底的亞波長諧振腔微帶天線研究3楊銳謝擁軍王鵬楊同敏(西安電子科技大學天線與微波技術國家重點實驗室,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構,分析和設計了含有左手介質雙層基底的亞波長諧振腔微帶天線.基于左手介質對右手介質的相位補償效應,此新型微帶天線的高度并沒有因為雙層基底而大為增加,反而有所降低.計算表明:在一些情況下,大幅度提高的帶寬特性突破了傳統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諧振鑒頻.針對這一特性,將亞波長諧振腔微帶天線應用于探測器中,顯示了此新型微帶天線在目標探測上的優勢.關

2、鍵詞:微帶天線,左手介質,諧振腔PACC :4110H3教育部新世紀優秀人才支持計劃(批準號:NCET 20420950資助的課題. E 2mail :mattomato81111811引言本世紀以來,一種被稱為左手介質的人工復合材料在許多學科領域內獲得了廣泛的青睞,對其研究也呈現迅速發展之勢,而早在1968年,Veselag o1就從理論上分析了這種具有負介電常數和負磁導率的電介質材料的全新物理特性.這種介質因其波矢量、電場方向和磁場方向滿足左手螺旋關系故而得名.在被提出后的30年里,左手介質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第一次實際合成出這種自然界

3、并不存在的介質,它的超常規電磁特性418(如凋落波匯聚特性15,16、相位補償效應17,18等,再次引發了人們的無限遐想.利用左手介質來提高常規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、光學和應用電磁學等領域的重大變革.具體到微帶天線的研究方面,由于左手介質的引入,其帶寬窄、增益較低等缺陷得到了明顯的改善1924.本課題組也對左手介質基底微帶天線做出了系統的分析.研究表明,相應地改變左手介質基底的介電常數和磁導率,可以取得主瓣寬度窄且仰角低的新型輻射特性,從而有效改變傳統微帶天線輻射定向性差的不足23,24.但是,現有文獻多局限于在單層基底中部分20,21或完全2224填充左手

4、介質來提高和改善傳統微帶天線性能,對于含有左手介質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雙層基底的亞波長諧振腔微帶天線,將諧振腔引入微帶結構.根據諧振方程,分析和設計了此新型微帶天線.利用左手介質對右手介質的相位補償效應有效地降低了天線高度.計算表明:在一些情況下,大幅度提高的帶寬特性突破了傳統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諧振鑒頻.針對這一特性,將亞波長諧振腔微帶天線應用于探測器中,顯示了此新型微帶天線在目標探測上的優勢.21理論分析2111含有左手介質雙層基底的亞波長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;負的r1,r1和正的r2,r2代表了左手介質和右手介質的介第56卷第8期2007年8月100023290200756(084504205物理學報ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.56,N o.8,August ,20072007Chin.Phys.S oc.電常數和磁導率.與傳統微帶天線不同,此新型微帶天線中,矩形貼片、接地板和中間的兩層介質構成了z 方向的一維諧振腔,電磁場相應地分布于上下兩理想導體之間.因此,邊緣散射場有了更加重要的意義,扮演著此新型微帶天線工作中聯系諧振腔內、外部

6、電磁場的重要角色 . 圖1矩形貼片尺寸圖2含有左手介質雙層基底的亞波長諧振腔微帶天線模型2121含有左手介質雙層基底的亞波長諧振腔微帶天線的設計不同于傳統微帶天線的設計,對于此新型微帶天線的分析,我們重點考慮其內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和右手介質的折射率.n 1=-r1r1,n 2=r2r2.電磁波在圖2所示的相鄰連續的左手介質和右手介質基板中傳播,由于相位相反,左手介質會對右手介質進行相位補償.所以,只要在相鄰兩介質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、右手介質雙層平板所組成的諧振腔系統其諧振方程(1不依賴于兩介質層的各自厚度,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高度,甚至還可以大幅度降低.這對于將諧振腔引入傳統微帶天線是難以達到的,因為當天線基底單純由右手介質組成時,滿足諧振方程的最小高度為半波長.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式等號兩端的波矢量k 0被直接消去,諧振方程(1將與頻率無關.這表明由矩形貼片、接地板和左手介質、右手介質雙層平板所

8、組成的諧振腔系統將在任何頻率下都諧振,從而使得頻率因素對于此新型微帶天線性能的影響大為削弱.另一方面,如果所選參數滿足諧振方程(1卻不滿足(2式,則天線內部諧振腔只能在固定頻率點上諧振.若此頻率點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諧振鑒頻特性.31數值結果3111寬帶亞波長諧振腔雙層基底微帶天線若選擇天線參數為a =0140cm ,b =3180cm ,r1=r1=-4100,r2=r2=0180,d 1=0125mm ,d 2=1125mm ,此時內部諧振腔系統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 的相對帶寬達到了21179%.這大大改善了傳統微帶天線通常小于5%的窄帶寬局限.在3107和3161GH z 得到了兩個諧振頻率點,相應的回波損耗分別為-29195和-24162dB.圖4給出了此新型微帶天線工作在3107GH z 時的E 面(虛線內和H 面(實線內的方向圖.從圖4可以看出,所得到的方向圖與傳統微帶天線類似.此天線的總高度d =1150mm 與工作在此頻率下的傳統單層微帶天線相當,但這已經突破了傳統諧振腔引入微帶天線的半波長局限.實際上,基于左手介質的相位補償效應,此天線的高度還可以降低.保持其他參數不變,令d 1=0110mm ,d 2=0150mm ,此時天線

10、總高度d =50548期楊銳等:含有左手介質雙層基底的亞波長諧振腔微帶天線研究 圖3當d 1=0125mm ,d 2=1125mm 時,寬帶亞波長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 ,虛線內為E 面,實線內為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 ,該天線的相對帶寬為9152%.這一結果再次證明了此亞波長諧振腔微帶天線可以比傳統微帶天線大幅度提高帶寬.但單一的降低基底厚度會縮減微帶天線帶寬這一規律仍然適用25,并沒有因為左手介質的引入而有所改變 .3121窄帶亞波長諧振腔雙層基底微帶天線若選擇天線參數為a =0140cm ,b =3180cm ,r1=r1=-2180,r2=3110,r2=1100,d 10141圖5當d 1=0110mm ,d 2=0150mm 時,寬帶亞波長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 ,此時內部諧振腔將只在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微帶天線相當.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部諧振腔同時工作,從而擁有單頻率點諧振鑒頻特性.圖7給出了該新型微帶天線在2140GH z 工作頻率下的E 面(虛線內和H 面(實線內的方向圖,可以看出其輻射特性仍然與傳

13、統微帶天線類似.圖6當d 10141mm ,d 21109mm 時,窄帶亞波長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與寬帶亞波長諧振腔雙層基底微帶天線類似,此窄帶亞波長諧振腔雙層基底微帶天線的高度也可6054物理學報56卷圖7窄帶亞波長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,虛線內為E面,實線內為H面以降低.保持其他參數不變,令d101174mm,d201486mm,此時內部

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諧振鑒頻.對于目標探測器,由于探測目標所依賴的物理環境通常比較復雜,使得探測器中目標信息傳感器(天線等所接收的回波信號難以鑒別.若將上述能夠在單頻率點諧振鑒頻的新型微帶天線應用于探測器中,則可大大

15、提高探測靈敏度.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d1=01174mm,d2=01486mm時,窄帶亞波長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頻率的信號可以耦合進邊緣場,從而初步限定了回波信號的頻率范圍.另外,應用天線內部諧振腔在單頻率點的諧振鑒頻特性,進行二次鑒頻,更進一步確定了探測目標的信息,顯示出了此天線在目標探測上的優勢.41結論本文提出并討論了含有左手介質雙層基底的亞波長諧振腔微帶天線,將諧振腔引入微帶結構.根據諧振方程,分析和設計了此新型微帶

16、天線.利用左手介質對右手介質的相位補償效應有效地降低了天線高度.計算表明:在一些情況下,大幅度提高的帶寬特性突破了傳統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諧振鑒頻.針對這一特性,本文將亞波長諧振腔微帶天線應用于探測器中,顯示了此新型微帶天線在目標探測上的優勢.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、陳鴻2005物理學報547727Zhuang F,Shen J Q2005Acta Phys.Sin.54955(in Chinese莊飛、沈建其2005物理學報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物理學報5456839M eng F Y,Wu Q,Wu J2006Acta Phys.Sin.552194(in70548期楊銳等:含有左手介質雙層基底的亞波長諧振腔微帶天線研究 Chinese孟繁義、吳群、吳健2006物理學報552194 10M eng F Y,Wu Q,Wu J2006Acta Phys.Sin.552200(inChinese孟繁義、吳群、吳健2006物理學報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物理學報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

21、nas Wireless Progagat.Lett.31921T retyakov S A,Ermutlu M2005IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.426622Wu B I,W ang W,Pacheco J,Chen X,G rzeg orczyk T,K ong J A2005Prog.Electromagn.Res.5129523Y ang R,X ie Y,W ang P,Li L2006Appl.Phys.Lett.89060410824Y ang R,X ie Y,W ang P,Li L2006J.Electromagn.Waves Ap

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