单环SRR型左手材料对微带天线增益提高的研究
含有左手介质双层基底的亚波长谐振腔微带天线研究概要
含有左手介质双层基底的亚波长谐振腔微带天线研究3杨锐谢拥军王鹏杨同敏(西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室,西安710071(2006年11月21日收到;2007年1月29日收到修改稿将谐振腔引入微带结构,分析和设计了含有左手介质双层基底的亚波长谐振腔微带天线.基于左手介质对右手介质的相位补偿效应,此新型微带天线的高度并没有因为双层基底而大为增加,反而有所降低.计算表明:在一些情况下,大幅度提高的带宽特性突破了传统微带天线的窄带局限,而在另一些情况下,所得到窄带微带天线能够在单频率点谐振鉴频.针对这一特性,将亚波长谐振腔微带天线应用于探测器中,显示了此新型微带天线在目标探测上的优势.关键词:微带天线,左手介质,谐振腔PACC :4110H3教育部新世纪优秀人才支持计划(批准号:NCET 20420950资助的课题. E2mail:*************************.cn11引言本世纪以来,一种被称为左手介质的人工复合材料在许多学科领域内获得了广泛的青睐,对其研究也呈现迅速发展之势,而早在1968年,Veselag o[1]就从理论上分析了这种具有负介电常数和负磁导率的电介质材料的全新物理特性.这种介质因其波矢量、电场方向和磁场方向满足左手螺旋关系故而得名.在被提出后的30年里,左手介质这一具有颠覆性的概念却一直处于无人理睬的尴尬境地,直到Smith 等[2,3]第一次实际合成出这种自然界并不存在的介质,它的超常规电磁特性[4—18](如凋落波汇聚特性[15,16]、相位补偿效应[17,18]等,再次引发了人们的无限遐想.利用左手介质来提高常规器件电气性能和突破原有限制,将引起包括固体物理、材料科学、光学和应用电磁学等领域的重大变革.具体到微带天线的研究方面,由于左手介质的引入,其带宽窄、增益较低等缺陷得到了明显的改善[19—24].本课题组也对左手介质基底微带天线做出了系统的分析.研究表明,相应地改变左手介质基底的介电常数和磁导率,可以取得主瓣宽度窄且仰角低的新型辐射特性,从而有效改变传统微带天线辐射定向性差的不足[23,24].但是,现有文献多局限于在单层基底中部分[20,21]或完全[22—24]填充左手介质来提高和改善传统微带天线性能,对于含有左手介质多层基底微带天线的讨论并不多见.本文提出了含有左手介质双层基底的亚波长谐振腔微带天线,将谐振腔引入微带结构.根据谐振方程,分析和设计了此新型微带天线.利用左手介质对右手介质的相位补偿效应有效地降低了天线高度.计算表明:在一些情况下,大幅度提高的带宽特性突破了传统微带天线的窄带局限,而在另一些情况下,所得到的窄带微带天线能够在单频率点谐振鉴频.针对这一特性,将亚波长谐振腔微带天线应用于探测器中,显示了此新型微带天线在目标探测上的优势.21理论分析2111含有左手介质双层基底的亚波长谐振腔微带天线模型如图1所示,a 和b 表示矩形贴片的尺寸.图2给出了此亚波长谐振腔微带天线的模型.如图2所示,d 1和d 2分别定义了双层基底的高度;负的εr1,μr1和正的εr2,μr2代表了左手介质和右手介质的介第56卷第8期2007年8月100023290Π2007Π56(08Π4504205物理学报ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.56,N o.8,August ,2007ν2007Chin.Phys.S oc.电常数和磁导率.与传统微带天线不同,此新型微带天线中,矩形贴片、接地板和中间的两层介质构成了z 方向的一维谐振腔,电磁场相应地分布于上下两理想导体之间.因此,边缘散射场有了更加重要的意义,扮演着此新型微带天线工作中联系谐振腔内、外部电磁场的重要角色.图1矩形贴片尺寸图2含有左手介质双层基底的亚波长谐振腔微带天线模型2121含有左手介质双层基底的亚波长谐振腔微带天线的设计不同于传统微带天线的设计,对于此新型微带天线的分析,我们重点考虑其内部谐振腔的谐振方程[17]n 2μ2tan (n 1k 0d 1+n 1μ1tan (n 2k 0d 2=0,(1式中k 0表示空气中的波矢量,n 1和n 2分别代表了左手介质和右手介质的折射率.n 1=-εr1μr1,n 2=εr2μr2.电磁波在图2所示的相邻连续的左手介质和右手介质基板中传播,由于相位相反,左手介质会对右手介质进行相位补偿.所以,只要在相邻两介质层中相位变化的模值相等,电磁波在通过图2所示的双层基板后,相位变化将完全抵消.这使得由矩形贴片、接地板和左手介质、右手介质双层平板所组成的谐振腔系统其谐振方程(1不依赖于两介质层的各自厚度,而直接取决于它们的比值[17].所以,此双层基底谐振腔微带天线仍然可以保持在亚波长高度,甚至还可以大幅度降低.这对于将谐振腔引入传统微带天线是难以达到的,因为当天线基底单纯由右手介质组成时,满足谐振方程的最小高度为半波长.若满足n 1k 0d 1=-n 2k 0d 2,(2n 2μ2=n 1μ1,(3则谐振方程(1成立.而且,由于(2式等号两端的波矢量k 0被直接消去,谐振方程(1将与频率无关.这表明由矩形贴片、接地板和左手介质、右手介质双层平板所组成的谐振腔系统将在任何频率下都谐振,从而使得频率因素对于此新型微带天线性能的影响大为削弱.另一方面,如果所选参数满足谐振方程(1却不满足(2式,则天线内部谐振腔只能在固定频率点上谐振.若此频率点与微带天线工作频率重合,则此新型微带天线具有单频率点谐振鉴频特性.31数值结果3111宽带亚波长谐振腔双层基底微带天线若选择天线参数为a =0140cm ,b =3180cm ,εr1=μr1=-4100,εr2=μr2=0180,d 1=0125mm ,d 2=1125mm ,此时内部谐振腔系统将在任何频率下谐振.图3给出了此新型微带天线的回波损耗S 11.从图3可以看出,以3135GH z 为中心频率,小于-10dB 的相对带宽达到了21179%.这大大改善了传统微带天线通常小于5%的窄带宽局限.在3107和3161GH z 得到了两个谐振频率点,相应的回波损耗分别为-29195和-24162dB.图4给出了此新型微带天线工作在3107GH z 时的E 面(虚线内和H 面(实线内的方向图.从图4可以看出,所得到的方向图与传统微带天线类似.此天线的总高度d =1150mm 与工作在此频率下的传统单层微带天线相当,但这已经突破了传统谐振腔引入微带天线的半波长局限.实际上,基于左手介质的相位补偿效应,此天线的高度还可以降低.保持其他参数不变,令d 1=0110mm ,d 2=0150mm ,此时天线总高度d =50548期杨锐等:含有左手介质双层基底的亚波长谐振腔微带天线研究图3当d 1=0125mm ,d2=1125mm 时,宽带亚波长谐振腔双层基底微带天线的回波损耗 a =0140cm ,b =3180cm ,εr1=μr1=-4100,εr2=μr2=0180图4宽带亚波长谐振腔双层基底微带天线的E 面和H 面方向图 a=0140cm ,b =3180cm ,εr1=μr1=-4100,εr2=μr2=0180,d 1=0125mm ,d 2=1125mm ,虚线内为E 面,实线内为H 面0160mm.图5给出了该天线的回波损耗S 11.如图5所示,小于-10dB 的带宽仍然很大,但相比于图3所示的天线已经减小.保持与图3所示天线基本不变的工作中心频率3136GH z ,该天线的相对带宽为9152%.这一结果再次证明了此亚波长谐振腔微带天线可以比传统微带天线大幅度提高带宽.但单一的降低基底厚度会缩减微带天线带宽这一规律仍然适用[25],并没有因为左手介质的引入而有所改变.3121窄带亚波长谐振腔双层基底微带天线若选择天线参数为a =0140cm ,b =3180cm ,εr1=μr1=-2180,εr2=3110,μr2=1100,d 1≈0141图5当d 1=0110mm ,d 2=0150mm 时,宽带亚波长谐振腔双层基底微带天线的回波损耗 a =0140cm ,b =3180cm ,εr1=μr1=-4100,εr2=μr2=0180mm ,d 2≈1109mm ,此时内部谐振腔将只在2140GH z 频率谐振.天线的高度d =1150mm 仍与在此工作频率下的传统微带天线相当.图6给出了该微带天线的回波损耗S 11.从图6可以看出,小于-10dB 的相对带宽为6167%,中心频率为2140GH z.值得注意的是,这一频率恰好与谐振腔的工作频率相等,也基本与天线的谐振频率2139GH z 一致,保证了此新型微带天线与其内部谐振腔同时工作,从而拥有单频率点谐振鉴频特性.图7给出了该新型微带天线在2140GH z 工作频率下的E 面(虚线内和H 面(实线内的方向图,可以看出其辐射特性仍然与传统微带天线类似.图6当d 1≈0141mm ,d 2≈1109mm 时,窄带亚波长谐振腔双层基底微带天线的回波损耗 a =0140cm ,b =3180cm ,εr1=μr1=-2180,εr2=3110,μr2=1100与宽带亚波长谐振腔双层基底微带天线类似,此窄带亚波长谐振腔双层基底微带天线的高度也可6054物理学报56卷图7窄带亚波长谐振腔双层基底微带天线的E面和H面方向图a=0140cm,b=3180cm,εr1=μr1=-2180,εr2=3110,μr2= 1100,d1≈0141mm,d2≈1109mm,虚线内为E面,实线内为H面以降低.保持其他参数不变,令d1≈01174mm,d2≈01486mm,此时内部谐振腔仍在2140GH z频率谐振.天线总高度d=0166mm(约为9130×10-3λ,其中λ=cfεr2μr2已大大降低,而且也小于传统微带天线通常大于0101λ的天线高度.图8给出了该微带天线的回波损耗S11.如图8所示,小于-10dB的相对带宽由于天线高度的降低有所减小,约为2191%.此天线的中心频率、谐振频率和谐振腔的工作频率也均为2140GH z,从而保证了此新型微带天线能够在单频率点谐振鉴频.对于目标探测器,由于探测目标所依赖的物理环境通常比较复杂,使得探测器中目标信息传感器(天线等所接收的回波信号难以鉴别.若将上述能够在单频率点谐振鉴频的新型微带天线应用于探测器中,则可大大提高探测灵敏度.首先,此天线的窄带宽特性,一方面虽然限制了天线的工作频率,但另图8当d1=01174mm,d2=01486mm时,窄带亚波长谐振腔双层基底微带天线的回波损耗a=0140cm,b=3180cm,εr1=μr1 =-2180,εr2=3110,μr2=1100一方面也使得只有少数频率的信号可以耦合进边缘场,从而初步限定了回波信号的频率范围.另外,应用天线内部谐振腔在单频率点的谐振鉴频特性,进行二次鉴频,更进一步确定了探测目标的信息,显示出了此天线在目标探测上的优势.41结论本文提出并讨论了含有左手介质双层基底的亚波长谐振腔微带天线,将谐振腔引入微带结构.根据谐振方程,分析和设计了此新型微带天线.利用左手介质对右手介质的相位补偿效应有效地降低了天线高度.计算表明:在一些情况下,大幅度提高的带宽特性突破了传统微带天线的窄带局限,而在另一些情况下,所得到的窄带微带天线能够在单频率点谐振鉴频.针对这一特性,本文将亚波长谐振腔微带天线应用于探测器中,显示了此新型微带天线在目标探测上的优势.[1]Veselag o V p.10509[2]Smith D R,Padilla W J,Vier D C,Nemat2Nasser S C,Schultz S 2000Phys.Rew.Lett.844184[3]Shelby R A,Smith D R,Schultz S2001Science29277[4]K ong J A2000Prog.Electromagn.Res.351[5]Cui T J,Hao Z C,Y in X X,H ong W,K ong J A2004Phys.Lett.A323484[6]Zhang D K,Zhang Y W,He L,Li H Q,Chen H2005Acta Phys.Sin.54772(in Chinese[张东科、张冶文、赫丽、李宏强、陈鸿2005物理学报54772][7]Zhuang F,Shen J Q2005Acta Phys.Sin.54955(in Chinese[庄飞、沈建其2005物理学报54955][8]Zheng Q,Zhao X P,Fu Q H,Zhao Q,K ang L,Li M M2005Acta Phys.Sin.545683(in Chinese[郑晴、赵晓鹏、付全红、赵乾、康雷、李明明2005物理学报545683][9]M eng F Y,Wu Q,Wu J2006Acta Phys.Sin.552194(in70548期杨锐等:含有左手介质双层基底的亚波长谐振腔微带天线研究Chinese[孟繁义、吴群、吴健2006物理学报552194] [10]M eng F Y,Wu Q,Wu J2006Acta Phys.Sin.552200(inChinese[孟繁义、吴群、吴健2006物理学报552200] [11]Wu M F,M eng F Y,Wu Q,Wu J2006Acta Phys.Sin.555790(in Chinese[武明峰、孟繁义、吴群、吴健2006物理学报555790][12]Jiang T,Chen Y,Feng YJ2006Chin.Phys.151154[13]D ong Z G,Zhu S N,Liu H2006Chin.Phys.151772[14]Hu Y H,Fu X Q,W en S C,Su W H,Fan D Y2006Chin.Phys.152970[15]Pendry J B2000Phys.Rev.Lett.853966[16]Alu A,Engheta N2006IEEE Trans.Antennas Propag.54268[17]Engheta N2002IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.110[18]Li 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.501522[19]Burokur S N,Latrach M,T outain S2005IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.4183[20]M ahm oud S F2004IEEE Antennas Wireless Progagat.Lett.319[21]T retyakov S A,Ermutlu M2005IEEE Antennas Wireless Propag. Lett.4266[22]Wu B I,W ang W,Pacheco J,Chen X,G rzeg orczyk T,K ong J A 2005Prog.Electromagn.Res.51295[23]Y ang R,X ie Y,W ang P,Li L2006Appl.Phys.Lett.89 0604108[24]Y ang R,X ie Y,W ang P,Li L2006J.Electromagn.Waves Appl. 201221[25]G 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 andright2handed metamaterial bilayered substrate s3Y ang Rui X ie Y ong2Jun W ang Peng Y ang T ong2M in(State K ey Laboratory o f Antennas and Microwave Technology,Xidian Univer sity,Xi′an710071,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 investigated.Due to the phase com pensation,the total height of the antennas is reduced rather than increased.W ith certain sets of parameters,as a breakthrough to the restricted bandwidth of the conventional m icrostrip antennas,greatly broadened bandwidth can be achieved.Under other conditions,antennas with narrow bandwidth and resonant sensitivity can be realized.C orresponding applications for sensor use are proposed,and distinct advantages over the nonresonant electromagnetic wave sensors are dem onstrated.K eyw ords:m icrostrip antenna,left2handed metamaterials,cavity resonatorPACC:4110H3Project supported by the Program for the New Century Excellent T alents in University of M inistry of Education,China(G rant N o.NCET204209501E2mail:*************************.cn8054物理学报56卷。
《2024年基于电磁超材料的微带天线与MIMO天线性能改善研究》范文
《基于电磁超材料的微带天线与MIMO天线性能改善研究》篇一一、引言在现代无线通信系统中，微带天线与MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）天线被广泛应用以提供更大的系统容量和改进的通信质量。
然而，这两类天线的性能常受限于特定的环境和电磁干扰等因素。
为此，基于电磁超材料的研究在天线设计中的地位越来越重要。
本论文即着重探讨了利用电磁超材料改善微带天线和MIMO天线的性能，以求推动无线通信系统的进步。
二、电磁超材料在微带天线中的应用电磁超材料因其独特的设计特性，为改善微带天线的性能提供了可能。
电磁超材料的应用主要通过调控天线周围的环境来影响天线的电磁性能。
这种影响体现在辐射模式、带宽、增益以及效率等多个方面。
首先，我们研究了电磁超材料如何改变微带天线的辐射模式。
通过设计特定的电磁超材料结构，我们成功地改变了微带天线的辐射方向和模式，使其更适应特定的应用环境。
其次，我们探讨了电磁超材料如何提高微带天线的带宽和增益。
通过优化电磁超材料的物理参数，我们成功地扩大了微带天线的频带宽度，并提高了其辐射效率。
三、电磁超材料在MIMO天线中的应用MIMO技术是现代无线通信系统的关键技术之一，然而，其性能往往受限于多径效应和信号干扰等因素。
为了解决这些问题，我们引入了电磁超材料。
在MIMO系统中，电磁超材料的应用主要在于改善信号的隔离度和增强信号的稳定性。
我们设计了一种新型的电磁超材料结构，该结构可以有效地减少多径效应和信号干扰，从而提高MIMO系统的性能。
此外，我们还研究了如何利用电磁超材料提高MIMO天线的接收和发送效率。
通过优化电磁超材料的电导率和磁导率等参数，我们成功地提高了MIMO天线的传输效率，进一步增强了系统的整体性能。
四、实验结果与讨论我们通过实验验证了上述理论研究的可行性。
实验结果表明，通过引入电磁超材料，微带天线和MIMO天线的性能都得到了显著的提高。
具体来说，微带天线的辐射模式、带宽和增益等性能指标均有所改善；在MIMO系统中，信号的隔离度和接收发送效率都有明显的提升。
《2024年基于电磁超材料的微带天线与MIMO天线性能改善研究》范文
《基于电磁超材料的微带天线与MIMO天线性能改善研究》篇一一、引言随着无线通信技术的飞速发展，天线作为无线通信系统中的关键部件，其性能的优劣直接影响到整个系统的性能。
微带天线因其体积小、重量轻、低剖面、易于集成等优点，在无线通信领域得到了广泛应用。
然而，其带宽窄、效率低等问题也制约了其进一步的应用。
近年来，电磁超材料技术的发展为解决这些问题提供了新的思路。
本文将基于电磁超材料的微带天线与MIMO （多输入多输出）天线的性能改善进行研究。
二、电磁超材料的基本原理与应用电磁超材料是一种具有特殊电磁性能的人工复合材料，其基本原理是通过在微观尺度上对电磁波的传播进行控制，从而实现对电磁波的特殊效应。
在微带天线中应用电磁超材料，可以有效改善天线的带宽、增益、辐射效率等性能。
三、基于电磁超材料的微带天线性能改善研究针对微带天线带宽窄、效率低等问题，本文提出了一种基于电磁超材料的微带天线优化方案。
该方案通过在微带天线的基板中嵌入电磁超材料，利用其特殊的电磁性能，有效扩大了天线的带宽，提高了天线的辐射效率。
同时，该方案还通过优化天线的结构，进一步提高了天线的增益和抗干扰能力。
四、MIMO天线性能改善的电磁超材料应用研究MIMO技术通过在发送端和接收端使用多个天线，可以有效提高无线通信系统的性能。
然而，MIMO天线系统中的天线间距、互耦等问题会影响其性能。
本文将电磁超材料应用于MIMO天线系统中，通过优化天线的布局和结构，有效降低了天线间的互耦，提高了MIMO系统的性能。
同时，该方案还通过利用电磁超材料的特殊性质，实现了对MIMO系统中不同天线间信号的独立控制，进一步提高了系统的性能。
五、实验与结果分析为了验证上述方案的可行性，本文进行了实验验证。
实验结果表明，基于电磁超材料的微带天线优化方案可以有效扩大天线的带宽，提高天线的辐射效率，同时提高天线的增益和抗干扰能力。
在MIMO天线系统中应用电磁超材料后，系统性能得到了显著提高，天线间的互耦得到了有效降低，信号的独立控制能力得到了增强。
交指型左手微带天线研究
图３．４支路四单元等幅同相馈电结构示意图和模拟结果………………………．．３５
图３．５干路四单元等幅同相馈电结构示意图和模拟结果…………………………３６ 图３．６ ４ｘ４等幅同相馈电结构示意图和模拟结果………………………………．．３８ 图３．７ Ｌ波段４ｘ４左手微带天线阵列……………………………………………．．３９ 图３．８ Ｌ波段４ｘ４左手微带天线阵列实物图与回波损耗结果…………………．．４１ 图３．９ １．６０３ＧＨｚ处Ｌ波段４ｘ４左手微带天线阵列方向图………………………４２
图２．１１ １．６ＧＨｚ处小型化交指型左手微带天线方向图…………………………．．２２ 图２．１２ Ｌ波段传统微带天线和小型化左手微带天线实物图及测试结果………２３
Ｖ
图表目录
图２．１３小型化交指型左手微带天线单元色散曲线图……………………………２５
图２．１４小型化交指型左手微带天线和传统微带天线的ＲＣＳ对比……………．．２７
ａｎｔｅｎｎａ（ＩＬＨ—ＭＳＡ）ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｔｏ
ｅｌｉｓＢ）．＇ｅ
Ｏｉｌ
ｒａｄｉ ａＩｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ，ｔｈｅ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｒａａｇｅｓ ｏｆ
１ｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＩＬＨ－ＭＳＡ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｏｂｔａｉｎｅｄ
ａｓＩＬｒｉ
Ｔｈｅｎ，ａｎ
图２．１５宽波束左手微带天线………………………………………………………．．２８ 图２．１６宽带左手微带天线…………………………………………………………２９
图３．１并联馈电……………………………………………………………………．．３２
图３．２串联馈电………………………………………………………………………３２ 图３．３等路径长度馈电……………………………………………………………．．３３
左手材料
左手材料的性质及应用在自然界中，介质的介电常数ε和磁导率μ是描述物质基本电磁性质的两个重要参数，这两个参数决定着电磁波的传播特性。
当介质的介电常数和磁导率都为正值时，根据电磁波理论可知介质中的电场、磁场和电磁波传播常数(E、H、k)三者之间构成右手螺旋关系，所以这类物质被称为右手材料(right一handed materials，RHMs)。
而左手材料是指介电常数和磁导率同时为负数的材料，在这种介质中，电场、磁场和电磁波传播常数三者之间构成左手螺旋关系。
这是一种新颖奇异的材料,其通常也称负折射率材料。
一、左手材料的发展历史1968年，前苏联科学家Veselago VG发现介电常数ε和磁导率μ都为负值的物质的电磁学性质与常规材料不同，还指出当平面电磁波照射在这样的媒介时，会发生反常的折射现象，不过其在自然界中并不存在，因此他的研究只是停留在理论上。
1996年Pendry提出了金属线周期结构，这种结构可使介质的介电常数为负。
1999年，Pendry等人又用电介质体设计了一种具有磁响应的周期性结构实现了介质磁导率的负值，进而展现了负折射率材料存在的可能性，人们对这种材料也投入了更多的兴趣。
2001年，加州大学San Diego分校的Smith等物理学家根据Pendry等人的建议，首次制造出在微波波段具有负介电常数和负磁导率的物质，证明了负折射材料的存在。
2002年，美国加州大学Itoh教授和加拿大多伦多大学Eleftheriades教授领导的研究组几乎同时提出一种基于周期性LC网络的实现左手材料的新方法。
目前基于LC网络的左手材料的研究在理论和实验上都有很大进展。
研究还表明LC左手材料在微波电路、天线等方面的应用中具有很大的优势。
在2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授也从理论上证明了“左手”材料存在的合理性，他称之为“导向介质”。
2003年美国Parazzoli C G等人及Houcl等人同时分别进行了一系列成功的实验工作，样品实验的数据与模拟计算非常吻合，都晰而显著地展示出负折射现象；且在不同入射角下测量到的负折射率是一致的，完全符合Snell定律，证实了左手材料的存在二、左手材料的性质材料与电磁波的相互作用主要体现在材料的介电常数ε和磁导率μ这两个物理参数上。
太赫兹天线（二）
DCWTechnology Lecture技术讲座1数字通信世界2024.04上一讲所介绍的传统型天线，仍不能完全满足未来6G 等对利用太赫兹通信电路的要求，例如，平面电路广泛采用的微带贴片天线，天线效率较低，每个单元增益仅一至数分贝，甚至为负值，相对带宽（通频带上下限频率差与中心频率之比）仅百分之一左右，天线效率也欠佳，此外，在天线的可重构（工作频率、多波束、波束扫描等）方面也难以提供更多、更大的灵活性。
光电导天线是利用光致电导效应，用一束光脉冲或两束不同频率的连续波激光作用于光电器件，将光转换为太赫兹频率的电磁波，既可作为太赫兹源，又可作为辐射太赫兹波的天线，并因其具有高强度、高辐射效率和宽带响应性能而成为太赫兹技术生要的组成部分。
此外，利用太赫兹工作波长极短的特点，以及相应出现的亚波长技术，即电路尺寸远小于太赫兹波长的技术，可进一步制作出芯片上天线，更好地实现与其他射频电路集成。
但芯片天线也面临若干技术的挑战。
石墨烯等新材料的出现和超材料、超平面和衬底集成波导的理论与技术的成果，为太赫兹天线集成芯片化开辟了新的有效的途径。
1 光电导天线（PhotoconductiveAntenna，PCA）[1]-[7]1.1 基本原理与构成太赫兹波光电导天线（PCA ）原理如图1所示。
通常是在由III-V 族化合物加工而得到的半绝缘高电阻Si-GaAs 做的衬底上，外延生长出一层GaAs 半导体薄膜。
在此薄膜上沉积出金属电极，并加上偏置电压；二电极间接一偶极子，将波长为800 nm 或1 100~1 550 nm的激光用飞秒（1 ps 或更高）脉冲调制后，照射偶极子间隙处的半导体薄膜，激光光子被半导体薄膜材料吸收，当光子能量大于半导体导带与价带之间的能带带隙时，便将载流子（电子）从价带激发到导带，而价带出现空穴，形成空穴-电子对，成为自由载流子，然后它们被偏置产生的电场加速，载流子电荷的运动便是电流，称为光生电流，简称光电流。
左手材料制备的研究进展
1. 引言
1968 年前苏联物理学家 V.G.Veselago 在理论上研究了介电常数 和磁导率 严格 地说是它们的实部 均为负值的物质的电磁性质 首次提出了左手性物质的概念 并预言了 一些奇异的电磁性质 如光的负折射现象 逆多普勒效应 逆切连科夫效应以及负光压现象 等等[1] 尽管左手性物质有很多奇异的电磁性质,但自然界中并不存在这样的物质,又由于当
[2]
随后 左手材料受到了学术界的广泛
关注 人们试着从各个角度来制备左手材料 并研究其特殊的性质 左手材料得到了快速的 发展
2. 左手材料的制备方法
2.1 回旋物质中实现负折射率的理论研究
介电常数 播特性 和 和磁导率 是描述物质电磁性质的基本物理量 决定着电磁波在物质中的传 皆为二阶张量 在各向同性介质中 它们退化为标量 在绝大多数各向同性 和 的实部均取正值 有些自然介质 如金属和等离子体 对于频率低于 表现为负值 但在自然界中还没有发现磁导率为负的物质 介电常数或磁导率可取为如下张量形式
的自然介质中
其等离子频率的电磁波而言 其
V. G.Veselago[1] 提 出 在 回 旋 物 质 中
ε1 ε ik = − iε 2 0
iε 2
ε1 0
0 0 ε3
1
µ1 µ ik = − iµ 2 0
iµ 2
µ1 0
0 0 µ3
点 它具有广泛的应用前景 但目前仍停留在理论研究阶段 总之 随着人们对左手材料研 究的深入 以及其产生机制的进一步了解 相信在不久的将来符合实际应用的左手材料将会 被开发出来 参考文献
[1] V.G.Veselago. Soviet Physics uspekhi , 1968 , 10 : 509 514 [2] Shelby R A , Smith D R , Schultz S. Experimental verification of a negative index of refraction[J]. Science , 2001 , 292 : 77 79 [3] J.B.Pendry, A.J.Holden, W.J.Stewart, et al . Extremely low Frequency plasmons in metallic mesostructures [J]. Phys. Rev.Lett . , 1996 , 76 : 4773 4776 [4] J.B.Pendry, A.J.Holden, D.J.Robbins, et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena[J]. IEEE Trans. Microwave Theory and Technology, 1999, 47 :2075 2084 [5] D.R.Smith, J.B.Pendry, M.C.K.Wiltshire. Metamaterials and negative refraction index[J]. science, 2004,305: 788 792 [6] M.Notomi. Theory of light propagation in strongly modulated photonic crystals: refractionlike behavior in the vicinity of the photonic band gap[J]. Phys. Rev. B, 2000, 62: 10696 10705 [7] Chiyan Luo, Steven G. Johnson, J.D.Joannopoulos, et al. All-angle negative refraction without negative effective index[J]. Phys. Rev. B, 2002, 65:201104-1 201104-4 [8] S.Foteinopoulou, E.N.Economou, C.M.Soukoulis. Refraction in Media with a Negative Refractive Index[J]. Phys. Rev. Lett, 2003, 90: 107402-1 107402-4 [9] E.Cubukcu, K.Aydin, E.Ozbay,et al. Subwavelength Resolution in a Two-Dimensional Photonic-Crystal-Based Superlens[J]. Phys. Rev. Lett., 2003, 91: 207401-1 207401-4 [10] Ertugrul Cubukcu, Koray Aydin, Ekmel Ozbay, et al. Negative refraction by photonic crystals[J]. nature, 2003, 423: 604 605 [11] P.V.Parimi, W.T.Lu, P.Vodo, et al. Negative Refraction and Left-Handed Electromagnetism in Microwave Photonic Crystals[J]. Phys.Rev.Lett., 2004, 92: 127401-1 127401-4 [12] Patanjali V.Parimi, Wentao T.Lu, Plarenta Vodo, et al. Imaging by flat lens using negative refraction[J]. nature,2003, 426: 404 [13] S. Foteinopoulou, C. M. Soukoulis. Negative refraction and left-handed behavior in two-dimensional photonic crystals[J]. Phys. Rev..B, 2003, 67: 235107-1 235107-5 5
基于左手介质的小型微带天线
基于左手介质的小型微带天线
金秀华
【期刊名称】《山西电子技术》
【年(卷),期】2008(0)6
【摘要】用左手材料设计一种宽频带并且电尺寸小的微带天线,先用开口谐振环和金属杆设计出左手材料,并把它放在微带天线的基板中,利用左手材料的相位补偿特性实现了宽带微带天线的小型化设计.数值仿真结果表明,工作于10.5GHz时,加载了左手材料的微带天线的物理尺寸被大大减小了,天线尺寸从下降到0.21λ,突破了传统微带天线的半波长限制,并且相对带宽增加了5.31%,实现了微带天线的小型化设计.
【总页数】3页(P56-58)
【作者】金秀华
【作者单位】南京邮电大学通信与信息工程学院,江苏,南京,210003
【正文语种】中文
【中图分类】TN826
【相关文献】
1.基于左手材料的小型化差分微带天线 [J], 韩丽萍;赵亚娟;曲美君
2.基于左手材料的矩形环分形微带天线研究 [J], 胡灿灿;唐磊;刘啸;王纪俊;徐雷钧
3.基于左手材料的微带天线小型化设计 [J], 孙烨;赵文美;刘硕;程永霞
4.应用于小型化微带天线的高介电常数低介质损耗覆铜板 [J], 关迟记;曾宪平;陈广兵
5.一种新的基于左手材料的小型化RFID微带天线设计 [J], 李光福;金杰;刘青爽;孟庆斌
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一种新的基于左手材料的小型化RFID微带天线设计
的小 型化 要求 ， 而 且结构 简单 ．
１ 天 线 结 构 及 工 作 机 理
左手 材 料 天线 的 小型 化设 计 是基 于 左 手介 质后 向波 特性 ． Ｅ ｎ ｇ ｈ ｅ ｔ ａ提 出 了基 于左 右手 介质 的 １维小
０ 引
言
射 频识别 技 术是 目前 最热 门 的智 能识 别技 术之 一． 它利用 射频 方式 进行 非接 触双 向通信 ， 从而 达到 自
动 识别 目标对 象并 获取 相关 数 据 ［ 】 ］ ． 射 频 标签 作 为 ＲＦ Ｉ Ｄ 系统 的子 系统 ， 考虑 其 应用 背 景 ， 标签 内 部天 线
＠ｔ ｊ ｕ ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ
第 ３期
李光福等 ： 一 种新 的基 于 左 手 材 料 的 小 型 化 Ｒ Ｆ Ｉ Ｄ微 带 天线 设 计
・９ １・
ｍｍ． 仿 真结 果如 图 ５ 、 ６ 所 示．
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的设 计 具 有 自身 的特 点和难 题 ． 天 线模 块 由于受 到 标签 物 理尺 寸 的限制 ， 多采 用 重量 轻 、 低 剖面 的微 带 天 线 形式 ， 同时该 天 线也 易 于同其 它 电路 模块 集成 ， 便 于 大批 量生 产． 但 是传 统 的贴 片 天线 存 在尺 寸相 对 比 较大、 频带 窄 、 损耗 大 、 发射 功率 小 等缺 点 ， 尤其 是在 小 型化 的 Ｒ Ｆ Ｉ Ｄ 阅读 器设 计 中 ， 减小 天 线 的尺 寸相 比 增 益和 辐射 方 向图而 言是 更重要 的设 计 目标 ． 减 小 贴片 天线 尺 寸 的方 法 有辐 射 边界 开槽 ＿ ３ ］ 、 提高 介质 板 的介 电常 数 ］ 、 短路 加载 、 附加有 源 网络 、 异 性贴 片 ｌ ＿ ６ （ 如镰 形 、 倒 Ｆ形 、 Ｌ形 、 Ｅ型 、 双 Ｃ形 、 层 叠短 路贴 片等 ） ． 但是 这些 技术 总会带 来这 样或 者那 样 的损失 ， 使得 微带 天 线 的各项 指标 之 间相互 制 约 ， 要实 现微 带天 线 的小 型化 ， 就 必须 以牺 牲 带宽 或 辐射 效 率 等 其它 性能 指标 为 代价 ． 辐 射边 界开 槽 的特 点是 ： 结 构简 单 、 易于 制备 、 低 成本 ， 槽 或者 狭 缝 的增 加相 当 于增 加 了天线 的电尺 寸 ， 降低 了谐 振频 率 ， 从 而减小 了天线 尺 寸 ， 但 是辐 射边 界 开槽 技术 对 于减 小 天线 尺 寸 的能力 有 限 ， 一般 只能 减小 １ ０ ｍｍ×１ ３ ｍｍ 左 右 ］ ． 左手 材 料作 为一 种人 工 复合 材料 ， 主要 是通 过 在传 统 的介 质 材料 中周期 的嵌 入某 种几 何结 构 的单元 ， 构造 出负 介 电常数 和负磁 导率 ， 突破 了传 统 的电磁 场理 论， 利 用 这一 特性 在 天线 小型 化设 计 中有 很高 的利用 价值 ． 设计 了一种 性能 良好 的新结 构 贴 片天线 ， 贴 片
S型左手材料平板透镜对喇叭天线性能影响研究
S型左手材料平板透镜对喇叭天线性能影响研究
刘岳苹;张弘
【期刊名称】《中国西部科技》
【年(卷),期】2009(008)011
【摘要】根据左手材料零折射特性设计一种周期性左手材料排列的平面透镜来提高喇叭天线的增益和口径效率.S型左手材料被放置于平行波导中计算端口传输矩阵,并进一步计算s型左手材料的介电常数,调整结构参数,使其在16GHz时负介电常数为负值.将此结构所构成的周期平面透镜放置在矩形喇叭天线上端,对该天线的辐射方向图,增益进行了研究.结果表明,s型左手材料结构平面透镜的喇叭天线增益可达到1 9.3dB,比无透镜的同尺寸喇叭天线增益提高5.55dB.且口径效率达到64.21%.说明S型左手材料平面透镜可以大幅提高喇叭天线增益和口径效率.【总页数】3页(P5-7)
【作者】刘岳苹;张弘
【作者单位】四川大学电子信息学院,四川,成都,610065;四川大学电子信息学院,四川,成都,610065
【正文语种】中文
【中图分类】TN82
【相关文献】
1.增效盖板对平板集热器热性能的影响研究 [J], 杨宾;左德功;赵艺茵
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晓存;刘书蒙
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单环SRR型左手材料对微带天线增益提高
的研究
作者：吴凯 张沁心 周妍妍
来源：《中国科技纵横》2012年第16期
摘要:本文以左手材料为研究背景,研究其应用于微带天线对增益特性的影响。通过分析矩
形微带天线的特性参数得出要求设计的微带贴片尺寸。又在其上加载单环SRR型左手材料天
线罩并对其进行仿真,分析其对天线增益的提高效果。
关键词:左手材料 微带天线 增益提高
作为一种新型的电磁材料,左手材料具有独特的电磁特性,如负折射率,负多普勒效应,逆楔伦
可夫辐射等。虽然左手材料仅在最近十年才得到深入研究,但国内外众多科研小组在这个领域
已开展了大量的研究工作,并取得了丰硕的成果。与传统天线相比,利用左手材料及单负材料设
计出的新型天线具有性能和结构上的双重优势,在商业和军事上均有广阔的应用前景。本文首
先分析了矩形微带天线的特性参数,以此设计矩形微带天线。并设计了单环SRR型左手材料的
天线罩并对其进行仿真。得出加载该SRR环的天线罩一定程度上提高了天线增益。
1、微带天线概述
1.1 微带辐射贴片尺寸
设介质基板的介电常数为,对于工作频率的矩形微带天线,其高效率辐射贴片的宽度W为:
其中c为光速。
辐射贴片的长度一般取
是介质的导波波长,即:
考虑边缘缩短效应,实际辐射单元长度L为:
式中为有效介电常数,为等效辐射缝隙长度。
它们可分别用下式计算:
1.2 频带宽度和增益
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微带天线的设计过程中,带宽和增益都影响其应用的重要指标。天线的频带宽度以驻波系
数小于某个给定值,对应的频率范围来确定,即
其中Q为微带天线的品质因数。
工程实践中,由于实际的,故品质因数可由近似估计,即
根据微带天线尺寸,可以近似得到天线的增益G可由下式计算:
其中,为天线的效率,D为天线的方向系数。
2、加载天线罩前矩形微带天线参数
2.1 加载前矩形微带天线的HFSS仿真
按上述求解对矩形微带天线的参数进行变量定义,见表1。
表1 变量定义
图1 矩形微带天线模型
图2 矩形微带天线S11参数
图3 矩形微带天线3D增益方向图
图4 矩形微带天线的远场主极化面方向图（E面、H面）
由图2可见,矩形微带天线的频点在2.45G,回波损耗-26.7dB,说明天线谐振特性很好,满足工
程上的要求。由图3和4可看出,矩形微带天线的方向图类似苹果形,能量集中在主瓣方向,后瓣
小,天线最大增益为3.54dB。
2.2 加载单环SRR型左手材料的矩形微带天线
增益小是微带天线的一大缺点,传统的解决方法是组成阵列天线或通过介质加盖来提高天
线的增益。本文应用SRR开口谐振环构成各向异性的负磁导率天线罩来提高天线的增益,从而
改善天线的性能。
3、单环SRR型天线罩的模型设计
图5 单环SRR型天线罩模型
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图5为加载单环SRR型天线罩的矩形微带天线结构。采用了上述谐振频率为2.45GHz的
矩形微带天线尺寸（见表1）。天线罩为介电常数4.4,厚度1.6mm的FR4环氧树脂板,大小为
74.45mm×74.52mm。罩上印刷7*7共49个SRR,每个SRR开口谐振环尺寸相同,外径=3mm,内
径=2mm,环开口宽度=0.5mm,SRR环间距=4mm。
利用HFSS进行仿真,得仿真结果。
图6 加罩前和加罩后的S11参数
（a）远场主极化面方向图（E面H面）
（b）Thete由-90°到90°增益放大对比
图7 加罩前和加罩后的增益对比
从图6可看到加天线罩后天线的回波损耗从-26dB加深到-36dB,谐振效果明显改善,且天线
的谐振频率基本不变,说明天线阻匹配变得更佳,同时,在-10dB处天线的带宽也并未因加载左手
材料而变窄。由图7可看出,加罩后天线方向性几乎不变,增益从3.54dB增大到4.14dB,增加了
16.94%,说明天线罩可以使天线的增益增加。
4、结语
同目前其他学者采用的方法相比,本文主要研究利用左手材料提高天线增益的方法和结
构。分析了矩形微带天线的特性参数,通过分析得出要求设计的矩形微带天线贴片的尺寸,设计
出性能较好的矩形微带天线。利用HFSS软件对设计的微带天线进行仿真,并对其优化设计。设
计了单环SRR型左手材料的天线罩并对其进行仿真,分析其对天线增益的提高效果。
参考文献
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[2]王书新,阮成礼,刘海文.左手材料在微波电路中的应用.空间电子技术,2010,vol.01,pp.105-
109
[3]R. Marqus, F. Martn, and M. Sorolla. “Metamaterials with Negative Parameters: Theory,
Design and Microwave Applications”, John Wiley and Sons, 2008.
[4]D.R.Smith, W.J.PadillaandD.C.Vier,”Composite medium with simultaneously negative
permeability and permittivity”,Physical ReviewLetters,2001,v01.84,pp.4184-4187．
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