基于左手材料的圆极化贴片天线设计
左手材料在天线中的运用研究进展
2023左手材料在天线中的运用研究进展CATALOGUE 目录•左手材料与天线的概述•左手材料在天线中的应用研究•左手材料在天线中运用的发展趋势•左手材料在天线中运用的电磁仿真分析•左手材料在天线中运用的实验研究•结论与展望01左手材料与天线的概述左手材料是一种具有负折射率、零传播常数和正群速度传播特性的电磁材料。
左手材料的定义具有负的介电常数和磁导率，电磁波在这种材料中传播时，电场、磁场和波矢量三者构成左手定则的关系。
左手材料的特性左手材料的定义与特性天线的定义天线是一种用于发射或接收无线电波的设备，能将电路中的高频电流转换为无线电波，并向外辐射或接收电磁波。
天线的分类根据不同的标准，天线有多种分类方式，如线天线和面天线、全向天线和定向天线、单极天线和偶极天线等。
天线的定义与分类提高天线的性能左手材料具有高透射性、低损耗等特点，可以用来提高天线的辐射效率、增益和带宽等性能。
开发新天线技术左手材料具有特殊的电磁波传播特性，可以开发出一些传统天线难以实现的新技术，如超宽带天线、高隔离度天线等。
左手材料在天线的应用意义02左手材料在天线中的应用研究左手材料在天线结构设计中的应用左手材料具有负折射率特性，可以改变天线的辐射模式和方向图。
通过将左手材料应用于天线结构中，可以实现对天线性能的有效调控。
左手材料对天线性能改善的应用左手材料具有高导电性和高磁导率，可以用来增强天线的辐射效率和缩小天线的尺寸。
将左手材料与右手材料结合使用，可以进一步提高天线的性能。
左手材料在天线结构中的应用使用左手材料可以拓展天线的带宽，提高天线的频率响应。
通过结合使用左手材料和右手材料，可以实现天线的宽频带和多频带工作。
左手材料对天线增益提升的应用由于左手材料的负折射率特性，使用它可以提高天线的增益和辐射效率。
在某些情况下，左手材料甚至可以使天线的增益提高一倍以上。
左手材料在天线的极化方式调控中的应用通过使用左手材料，可以实现对天线极化方式的调控。
圆极化贴片天线的研究与设计
圆极化贴片天线的研究与设计作者：吴蔓蔓来源：《科学与财富》2019年第02期摘要：微带贴片天线体积小、重量轻、馈电方式灵活、成本低、易于与目标共形等优点而深受人们亲睐，在雷达、移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统（GPS）等领域得到广泛的应用。
同时，圆极化作为微带天线理论和技术应用的一个重要分支，被广泛的运用，由于其极化特性，使得收发天线间有很强的角度位置定位灵活性，并且能减小信号的多路径干扰等影响。
本文在研究微带天线的现状和原理的基础上，设计了一个工作频段在902-928MHz的M 型探针馈电的圆极化微带天线，其主要设计指标：中心频率915MHz，增益8dB，波束宽度90°，前后比大于13dB，驻波比小于1.4，输入阻抗50欧姆。
设计期间，利用Ansoft HFSS软件创建了一个M型探针馈电的圆极化微带天线模型，通过仿真，其增益、前后比、波束宽度、驻波比等主要性能参数达到了预期指标。
本文还介绍了微带天线的馈电方式以及天线圆极化的原理及实现方法。
关键词：微带贴片天线；M型探针馈电；圆极化；HFSS仿真1.微带天线的研究背景与意义微带天线的发展正方兴未艾，应用前景非常广阔。
由于应用的需要，微带天线在许多方面还将得到进一步的发展，如天线介质材料的更新，天线的多极化技术，分形技术，光子带隙技术以及计算机辅助设计技术和计算机辅助制造技术等。
随着技术的发展以及人们对微带天线的深入研究和探讨，微带天线将会得到更为广泛的应用。
2.微带天线的介绍微带天线由一块厚度远小于波长的介质板（称为介质基片）和覆盖在它两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板的一片称为接地板，而尺寸可以和波长相比拟的另一片称为辐射源，辐射源的形状可以是方形、矩形、圆形和椭圆形等等。
微带天线主要的特点有：体积小，质量轻，低剖面，因此容易做到与高速飞行器共形，且电性能多样化（如双频微带天线、圆极化天线等），尤其是容易和有源器件、微波电路集成为统一组件，因而适合大规模生产。
基于左手材料的微带贴片天线
Ｗｕ Ｙｉ ｗｅ ｉ ．Ｌ ｉ Ｓ ｉ ｍｉ ｎ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｃ ｏ ｍｍｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ，Ｇｕ ｉ ｌ ｉ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，Ｇｕ ｉ ｌ ｉ ｎ ５ ４ １ ０ ０ ４ ，Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
左手结构 ， 利 用 左 手 材 料 的相 位 补 偿 特 性 ， 突 破 了传 统 微 带 天 线 的 半 波 长 限制 ， 实 现 了 微 带 天 线 的 小 型 化 设 计 。利 用 电磁 仿 真 和 实 验分 析 了 天 线 的 性 能 ， 实验结果表 明 ， 加载左手材料结构 的微带贴 片天线 的电性能优于传 统贴片天线 ， 且 尺 寸仅 为传 统 天 线 的 ６ ７ ． ５ 。
(整理)左手材料在天线中的应用研究进展
左手材料在天线中的应用研究进展摘要：首先从理论上解释了左手材料用于天线设计时实现天线高指向性、高效率、小型化以及大的扫描范围的原因，然后重点介绍了基于金属谐振结构和复合左/右手传输线(CRLH TL)结构的左手材料用于天线设计时的研究进展，显示了金属谐振结构在提高天线方向性、增大天线增益、减小天线体积等方面具有很大优势，而CRLH TL 结构在提高天线带宽、增加天线频带、增大漏波天线扫描范围等方面具有潜在应用价值。
关键词：左手材料；天线；金属谐振结构；复合左/右手传输线结构0 引言左手材料(Left-Handed Material ，LHM)又被称为双负介质，它是一类在一定的频率下同时具有负磁导率和负介电常数的新型人工电磁结构材料。
1968年，前苏联物理学家Veselago[1]首次从理论上研究了电磁波在介电常数和磁导率同时为负的物质中传播的奇异特性，如负折射率等。
20世纪90年代，英国物理学家Pendry 等人相继提出了用周期性金属棒结构（Rod ）[2]和金属谐振环结构（SRR ）[3]分别来实现负介电常数和负磁导率的设想，为左手材料的实现提供了基础。
依据Pendry 的设计思想，2000年Smith 等人[4]把以上两种结构有规律地排列在一起，首次制出了在微波段同时具有负介电常数和负磁导率的材料。
而Pendry [5]关于双负介质平板可以放大或恢复倏逝波来实现完美聚焦成像的建议为左手材料的研究起到了进一步的推动作用。
2002年，美国加州大学的Itoh 教授[6]提出了一种新的设计左手材料的方法—左手传输线，它是用串联交指电容来实现的。
几乎同时加拿大多伦多大学的Eleftheriades 教授[7]提出了周期加载串联电容和并联电感组成的平面一维左手传输线结构。
2004年，Itoh 等人[8]又提出了复合左/右手传输线（CRLH TL ）概念，这开创了一个全新的研究领域，复合左/右手传输线是最有可能首先得到应用的左手材料。
一种2.4GHz圆极化微带贴片天线的设计与实现
0 引言20世纪70年代中期，微带天线理论得到重大发展。
微带天线由于体积小、重量轻、馈电方式灵活、成本低、易于目标共形等优点而深受人们亲睐，在移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统（GPS）、无线局域网通信等领域得到了大力推广和广泛应用。
然而随着卫星通讯、运载火箭测控通讯技术的不断发展，雷达应用范围的扩大以及对高速目标在各种极化方式和气候条件下的跟踪测量需要，单一极化方式很满足要求，圆极化天线的应用研究就显得十分重要[1-2]。
圆极化天线具有旋向正交性，即圆极化波入射到对称目标（平面、球面等）具有旋向逆转的特性，这一特性在通信、电子对抗中得到广泛应用，尤其是在移动通信和GPS 领域中用来抗雨雾干扰和多径反射；圆极化天线能够接收任意极化的来波，其辐射波也可被任意极化的天线接收，这一特性在电子对抗中用来干扰侦察敌方的各种线极化、椭圆极化的无线电波，在微波探测领域用来减少信号漏失并提高探测灵敏度[3]。
基于微带圆极化天线的优点，为一谐波探测雷达设计了中心频率为2.4GHz 的圆极化微带贴片发射天线，使得谐波探测雷达在探测时不需考虑扫描角度的影响，提高了探测的速度和灵敏度，文中将给出天线的详细设计方案和实测性能。
1 微带贴片天线工作原理1.1 辐射机理微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加金属薄片而形成的天线[4]。
通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，属于电小天线。
微带天线结构比较简单，实际上就是一块印刷电路板，全部功率分配器、匹配网络、辐射器都可以刻在介质基片的一侧，另一侧为金属地板。
导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形、三角形、椭圆形或其它形状，其中矩形贴片较为常用。
其馈电方式也是多种多样，除微带线馈电和同轴线馈电两种基本方式外，还有临近耦合馈电、口径耦合馈电、共面波导馈电等技术。
常用的微带天线是由微带传输线馈电的矩形贴片天线[5]。
在贴片和接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射，因此微带天线也可看作是一种缝隙天线。
一款圆极化RFID 天线的设计
1 研究背景
随着时代的发展，信息科技已经成为时代发展的主 流。自 2006 年 RFID 被提出和 2013 年《信息技术 射频识 别 800/900MHz 空中接口协议》（GB/T 29768—2013）正式 发布以来，贵州送变电钢丝绳 RFID 标签、京沈高铁轨道 板的“中国芯”、深圳实现公交少等红灯 8 秒钟、天津机场 1min 完成行李托运等相继出现。可见，RFID 系统已经被 广泛应用于物流、航空、安全防盗、交通、医疗保险等众多 领域。信息时代改变了人们的生活方式，利用无线 RFID 技术，能通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息 的互联共享。在 RFID 领域，RFID 读写天线有着重要应 用，已成为当前国内外的研究热点。与线极化天线相比， 圆极化天线应用领域更广，圆极化天线的研究将会大大 加快 RFID 设备的普及速度［1］。本项目主要研究圆极化
中图分类号：TN822
文献标识码：A
文章编号：1003-5168（2019）28-0062-02
Design of a Circularly Polarized RFID Antenna
LUO Wei ZHANG Haiyue ZHANG Xiefu
（Guizhou Education University，Guiyang Guizhou 550018）
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第 28 期
一款圆极化 RFID 天线的设计
可以有效避免线极化波经电离层时的信号损失。因此， 笔者利用仿真软件 ANSYS HFSS 15.0 设计了一款中心频 率工作在 2.45GHz 的左旋圆极化微带天线。
Abstract: Radio frequency identification (RFID) technology is one of the most important technologies in the field of information technology, which has been applied in medical, logistics, aviation, automatic identification and other fields. However, at present, many antennas can only receive horizontal or vertical radiation waves, which can’t adapt to different environments. Therefore, a left-handed circularly polarized RFID read-write antenna with center frequen⁃ cy was designed in this paper. The antenna was improved on the basis of the rectangular patch antenna, and the four corners of the rectangular patch were cut off. The simulation results show that the antenna has better circularly polar⁃ ized characteristics. Keywords: RFID；circularly polarized；microstrip antenna
左手材料在天线中的运用
左手材料在无线通信领域的应用前景
总结词
详细描述
左手材料在无线通信领域具有广泛的应用前 景，将为无线通信技术的发展带来革命性的 变革。
左手材料的特殊电磁特性使其在无线通信领 域具有广泛的应用价值，例如在提高无线通 信设备的灵敏度、信号传输速度和抗干扰能
力等方面，都将发挥重要作用。
左手材料在雷达系统中的应用前景
左手材料的特性
这种材料具有负的折射率，对电磁波的传播方向与电场和磁场的 方向都与常规右手材料相反。
左手材料的分类
根据左手材料的特性，可以将其分为活性左手材料和被动左手材料。
02
左手材料在天线设计中的优势
提高天线效率
左手材料的高电导率和磁导率可以减少电磁波在传播过程中的能量损失，提高电 磁波的传输效率，从而提高天线的效率。
• 制造方法：目前常用的制造方法包括真空蒸发沉积、纳米压印、化学气 相沉积等，但这些方法普遍存在效率低、成本高的问题。
• 尺寸控制：制造过程中对左手材料尺寸的控制也是一大挑战，尤其是对 于纳米级别的材料。
• 解决策略：研究者们正在开发新的制造工艺，以提高加工效率并降低成 本。例如，利用先进的纳米压印和化学气相沉积技术，可以更精确地控 制材料的尺寸和形状。此外，通过引入新型设备，也能提高生产效率。
通过利用左手材料的特殊性质，可以将电磁波聚集在特定 的方向上，提高天线的发射效率和接收灵敏度。
降低天线的雷达散射截面
左手材料可以改变电磁波的传播方向 ，使电磁波散射到各个方向，从而降 低天线的雷达散射截面。
VS
降低天线的雷达散射截面可以减少被 敌方雷达发现的可能性，提高天线的 隐蔽性和生存能力。
03
THANK S感谢观看
左手材料的特殊性质可以改变电磁波的相位和振幅，使天线更加高效地发射和接 收电磁波。
基于左手材料的圆极化贴片天线设计
常 数 为 １ 空气 层 ，而且 可 以在 普通 的介 质层 上 的 方便 的印刷馈 电网络 。为 了扩展 天 线 的圆极 化带
宽 ，本 文使用 了宽带 圆极化 天线 结构 ，该 天 线 由 三部 分组 成 ，其 中基于介 质 板 的馈 电 网络 层 的输 入 特 征 阻抗 为５ Ｑ，介 质 板 为 边 长 Ｗ 的正 方 形 ； ０ 而处 在 空 气层 中半 径 为 的 Ｌ 金 属棒 的长 度 为 型 厶，高度 为 “ 超 出天 线 的边 缘 距 离 为Ｓ；第 三
２ 口加入ｃ Ｌ － Ｌ后 ，频率＾ 处的相位 端 ＲＨ Ｔｓ 幂
应 为 ：咖 ） ｃ
＋ ０ ＝ ７ ，故有 ： ９ 。２。
）＋０＝ ５ ，咖 ９ 。４ 。 ｃ
Ｒ㈣ （） ２
（） ３ （） ４
咖 ｆ （ 咖 （ 一 Ｑ 叫 （ ）＝ 删 ７ Ⅲ ７ ｊ＋ ）＝
基于左手材料的圆极化贴片天线设计
仲 思 超 （ 南京邮 电大学 电子科 学与工程 学院 ，江 苏 南京
摘
２００ ） １０ ３
要 ：基 于左手 材料 的相位 特性 ，提 出 了利 用集 总 电容 、 电感加 栽构 造 来得 到 宽 带功分移
相 器 ，然后 利 用该 功分移相 器结合Ｌ 型金 属棒馈 电结构 来拓 展微 带天 线带 宽 ，从 而设计 制作 工
的圆极化带 宽 。
部分 是 用 于辐 射 的金 属 片 。其 直径 为Ｄ。离 地 面
的高度 为Ｈ。
圆形 贴 片 的主 模 是 Ｔ １ ．根 据 上 述 天线 Ｍ１ 模
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Electronic Component &
Device Applications
0引言
近年来，随着现代微波通信的发展，宽带圆
极化微带天线的发展越来越受到研究者的重视，各种形式的宽带圆极化微带天线层出不穷。
而左手材料则以其基于集总电容、电感周期加载结构的形式更被广泛地应用到宽带化、小型化微波器件领域。
在有关文献的基础上，设计了一种中心频率为1.8GHz 的宽带90°功分移相器，并通过L 型探针结构给微带贴片馈电，从而提高了这种天线的圆极化带宽。
1天线结构
该天线的结构示意图如图1所示。
该天线通
过Wilkinson 功分移相器将输入能量分成两路幅值相同、相位差为90°的信号。
这两路信号通过探针耦合馈电到圆形辐射贴片。
这种结构可以在金属棒和天线金属片之间引入更大的容抗，从而可以补偿探针本身带进来的高感抗，进一步增加天线和底板之间的高度。
为了尽最大可能增加带
宽，本设计引入的混合空气介质层不失为一个非常有效的方法，该方法不但可以方便地得到介电常数为1的空气层，而且可以在普通的介质层上方便的印刷馈电网络。
为了扩展天线的圆极化带宽，本文使用了宽带圆极化天线结构，该天线由三部分组成，其中基于介质板的馈电网络层的输入特征阻抗为50Ω，介质板为边长W 的正方形；而处在空气层中半径为R s 的L 型金属棒的长度为
L 1，高度为H 1，超出天线的边缘距离为S 1；第三
部分是用于辐射的金属片，其直径为D ，离地面的高度为H 。
圆形贴片的主模是TM11模，根据上述天线结构，TM11模的场能量集中在空气层。
若激励单元的谐振频率为f ，激励模式为TM11模。
那么，当贴片形状为圆形，激励板半径为a 时，则有：
f =1.84118c 2πa εr 姨εr =t +H
t εr1+H εr2
姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨
(1)
根据上述公式，选择基片的介电常数和厚度，就可以得到需要频率点的初始圆形贴片尺寸。
本设计选择基片厚度为0.8mm ，介电常数为
2.2的介质板Arlon Diclad 880(tm)做馈电网络的
基板，空气层介电常数为1，中心频率为1.8
GHz 。
而在确定圆盘高度时，为了扩展带宽，可
将贴片与基板间距离拉大，但是，随着它们之间高度的增大，方向图将不再具有良好的辐射特性，且带宽增加将不再明显，一般可将高度选择
基于左手材料的圆极化贴片天线设计
仲思超
(南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏
南京
210003)
摘
要：基于左手材料的相位特性，提出了利用集总电容、电感加载构造来得到宽带功分移
相器，然后利用该功分移相器结合L 型金属棒馈电结构来拓展微带天线带宽，从而设计制作工作频率为1.8GHz 、轴比小于3dB 的相对带宽为40%、S 11小于-10dB 的相对带宽为32%(l.40-
1.95GHz)的天线设计方法。
关键字：左手微带线；功分器；宽带圆极化贴片天线
doi:10.3969/j.issn.1563-4795.2010.06.024
70
Vol.12No.6June.2010
第12卷第6期
2010年6月
2010.6
姨Z 0，Z 0=50Ω。
对
两个输出端分别加入CRLH-TLs 和传统传输线，
则可使两端口具有90°的相位差。
假设3端口为普通传输线，在中心频率f 0=
1.8GHz 处的相位为-54°，那么，通过Agilent 公司
的ADS 软件计算得到的线长为18.3mm 。
由于普通传输线的线性特性，可以很容易得到f 1=1.5GHz 和f 2=2.1GHz 处的相位分别为准R (f 1)=-45°和
准R (f 2)=-63°。
2端口加入CRLH-TLs 后，频率f 1和f 2处的相位
应为：准C (f 1)=准R (f 1)+90°=45°，准C (f 2)=准R (f 2)
+90°=27°，故有：
准CRLH (f )=准RH (f )+准LH (f )=-Pf +Q /f (2)准RH ≈-N 2πf L R C R 姨(3)准LH ≈
N 2πf L L C L
姨(4)
其中，P =-准RH /f ，Q =准LH /f 。
用LC 表示为：
Q =
N 2πLC
姨(5)式中，N 表示级联的左手单元个数。
将所求
频率f 1和f 2带到公式(2)，可得：
P =f 1准C (f 1)-f 2准C (f 2)21
(6)Q =f 1f 22准C (f 1)-f 12
f 2准C (f 2)
f 22-f 1
2(7)
根据式(6)可以得到CRLH-TLs 中RH-TLs 的结构，再由式(5)、
(7)以及匹配阻抗可得到L 、
C 的大小值。
取N=2，可得到RH-TLs 的长为3.1mm ，LH 部分L=11.5nH ，C=4.6pF 。
这样，便可
使用ADS 搭建电路并优化仿真。
3仿真结果
图3所示为仿真得到的S 11、S 21、S 31、S 22、S 33
和S 23参数曲线，图4所示为加入左手结构后两端口的相位比较。
图2
Wlnkinson
功分器馈电网络结构图
Electronic Component &Device
Applications
从图3所示的S 参数曲线和图4所示的相位比较图可以明显发现，加入CRLH-TLs 结构后，两端口的传输特性仍能达到要求，而且在1.28～2.53
GHz 范围内的端口相位差满足90°±5°，这是普通
微带线根本无法比拟的。
根据未加入馈电网络时软件仿真结果，本设
计的双馈点圆极化天线结构的S 11小于-10dB 时的带宽为30%(l.46～1.94GHz)，增益>5dB 时的带宽为62.2%(l.25～2.37GHz)。
显然，相对于普通介质基板的圆极化天线，新天线的带宽已有了很大的提高。
4
结束语
本文用左手微带线和传统的右手微带线分别
级联在Wilkinson 功分器上，并将其作为宽带天线的馈电网络；从而设计了一种新型宽带圆极化贴片天线，该天线在各项性能指标上均表现突出，各项指标较传统双馈电型圆极化天线均具有显著提高。
74。