基于左手材料理念的小型化天线研究论文

基于左手材料理念的小型化天线研究论文 班 级 071061 学 号 07106022 本科毕业设计论文 题 目 基于左手材料理念的小型化天线研究 学 院 物理与光电工程学院 专 业 电波传播与天线 学生姓名 导师姓名 毕业设计(论文)诚信声明 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 本人声明:本人所提交的毕业论文《基于左手材料理念的小型化天线研究》是本人在指导老师知道下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的无论以任何方式发布的文字、研究成果，均在论文中加以说明;有关教师、同学和其他人员对本文的写作、修订提出过并为我在论文中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。 本论文和 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 若有不适之处，本人承担一切相关责任。 论文作者: (签字) 时间: 年 月 日 指导老师已阅: (签字) 时间: 年 月 日 西 安 电 子 科 技 大 学 毕业设计(论文)任务书 学生姓名 学 号 指导教师 职 称 学院 物理与光电工程学院 专 业 电波传播与天线 题目名称 基于左手材料理念的小型化天线研究 任务与要求: 任务: 1、学习天线的基本知识，了解天线各种性能参数，掌握左手材料结构的分析方法。 2、了解小型化天线的常见结构及其左手材料的基本设计思想，掌握HFSS或CST软件的使用方法，能用HFSS或CST软件对左手材料结构进行建模和仿真。 3、对加载左手材料单元的天线特性进行仿真研究，并分析不同加载情况下天线性能的变化特性，得出小型化高性能的天线设计。 要求:学生有较好的数理基础和软件建模仿真能力。 开始日期 完成日期 院长(签字) 年 月 日 注:本任务书一式两份，一份交学院，一份学生自己保存。 西 安 电 子 科 技 大 学 毕业设计(论文)工作 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 学生姓名 学 号 指导教师 职 称 学 院 物理与光电工程学院 专 业 电波传播与天线 题目名称 基于左手材料理念的小型化天线研究 一、毕业设计(论文)进度 起 止 时 间 工 作 内 容 2014年1月20日-2014年3月10日 查阅有关左手材料方面的文献，了解超材料 的特性及其在工程中的应用 2014年3月11日-2014年4月10日 更深一步的学习HFSS仿真软件的的原理及 其对于不同问题的不同设置并开始思考论 文写作的角度 2014年4月11日-2014年6月5日 针对论文的选题与角度，开始自己的设计， 并在设计的基础上对其修改与优化，最终得 到理想的性能与参数并撰写、修改论文 二、主要参考书目(资料) 1. V. Veselago, The electrodynamics of substances with simultaneously negative ,,values of and , Soviet Physics Uspekhi, vol. 10, no. 4, pp. 509-514, 1968. 2. D.R.Smith, J.B.Pendry, M.C.K.Wiltshire Metamaterials and Negative Refractive Index Science 2004 3. Author: Anthony Lai，HFSS Left-Handed_Metamaterials_for_Microwave 4. 万宁宁，基于有源左右手传输线结构的超级透镜和凋落波放大，东南大学硕士 论文 5. 朱成林，微波左手介质的电磁散射特性研究，西安电子科技大学硕士论文 6. Yong-jin Kim, Negative permeability metamaterial structure based electrically small loop antenna, IEEE 17-20 Feb. 2008. 三、主要仪器设备及材料 电脑一台 四、教师的指导安排情况(场地安排、指导方式等) 1、每周集中 汇报 关于vocs治理的情况汇报每日工作汇报下载教师国培汇报文档下载思想汇报Word下载qcc成果汇报ppt免费下载 、指导一次; 2、采取面谈方式(教师休息室)，电话、邮件随时联系指导。 五、对计划的说明 由于教师教学计划和工作计划的变动，对于指导时间可能会相应改动。 注:本计划一式两份，一份交学院，一份学生自己保存(计划书双面打印) 西 安 电 子 科 技 大 学 毕业设计(论文)中期检查表 学 院 物理与光电工程学院 专 业 电波传播与天线 学生姓名 学 号 班 级 导师姓名 职 称 副教授 单 位 电波研究所 题目名称 基于左手材料理念的小型化天线研究 检 查 内 容 检 查 结 果 题目是否更换及更换原因 否 学生出勤情况 出勤正常 进 度 评 价 按计划完成，已完成60% (完成总工作量的百分比) 艾付强同学毕业设计过程中态度积极，刻苦钻 质量评价、进度描述 研，已经基本掌握了天线设计的一般方法，按计划 完成了预订工作。 总 体 评 价 (按优、良、中、及格、不及格 良 五挡评价) 需扎实掌握基本理论概念和天线参数，了解其 存在的问题与建议 物理意义。 学 院 审 核(盖章) 注:此表由指导教师填写，5月15日前交学院办公室，中期检查成绩将作为毕业设计总成绩 的一部分;此表装订入毕业设计(论文)中。 西 安 电 子 科 技 大 学 毕业设计(论文)成绩登记表 学 院 物理与光电工程学院 专 业 电波传播与天线 姓 名 学 号 成 绩 题目名称 基于左手材料理念的小型化天线研究 指导教师 职 称 艾付强同学按照毕业设计的任务安排，广泛阅读与左手材料有关的 书籍和论文，学习利用仿真软件HFSS，建立基于左手材料理念的复合左 右手传输线模型并最后实现了天线的小型化。艾付强同学在毕业设计期 间，能按时完成任务，工作踏实，出勤良好。毕业设计工作反映出作者 已经具备了一定的创新和独自解决问题的能力。建议成绩评定为: 指导教师 评语及对 成绩的评 定意见 签名 论文主要针对基于左手材料理念的天线小型化进行研究，选题具有 很强的现实意义，该项研究对于电磁散射的实际应用具有一定的参考价 值。论文主要包括以下内容: 1、掌握了左手材料性质及理论。 2、掌握了传输线等效左手材料的方法，运用HFSS对其进行建模、 仿真和性能优化。 论文撰写认真，内容详细，逻辑严谨，条理清晰。从论文可以看出评阅人评 语及成绩作者阅读了大量的国内外文献资料，在基于左手材料理念实现天线小型评定意见 化方面掌握了坚实的理论基础知识和基本应用技能，具有一定的分析问 题和解决问题的能力。建议成绩为: 签名 该生陈述思路清晰，逻辑性强，语言流畅，能准确回答提问。论文 有创意，答辩过程体现出该生很好的掌握了基于电离层突发E层的短波答辩小组通信信道特性的设计和仿真方法。经答辩，答辩小组评议成绩为: 意见 签名 学院答辩 委员会 意见 答辩委员 会主任签名 (学院盖章) 年 月 日 注:学院、专业名均写全称;成绩登记表双面打印 摘 要 摘 要 左手材料是近年国际上研究的热点，具有负折射率、逆多普勒、完美成像等一系列性质，通过金属周期性结构和传输线可人工实现，在天线及新型微波器件等性能改进提升方面具有极大的优势。 在自然界中，介质介电常数ε和磁导率μ是描述物质基本的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-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。 关键字:超材料 左手材料 人工合成 天线 小型化 HFSS ABSTRACT ABSTRACT Left-handed materials are on the international research hot spot in recent years, with a negative refractive index, inverse doppler effect and perfect imaging properties, through periodic metal structure and can be realized artificial transmission line, the antenna and new type of microwave device performance improvement has a great advantage. In nature, the dielectric constant of medium epsilon and permeability mu is to describe basic electromagnetic properties are two important parameters of these two parameters determine the propagation characteristics of electromagnetic wave. When the medium permittivity and permeability are all positive, according to the theory of electromagnetic wave is medium electric field, magnetic field and electromagnetic wave propagation constant (E, H, k) constitute the corkscrew relationship between the three, so this kind of material is known as the right hand (right one handed materials, RHMs). The materials left hand refers to the dielectric constant and magnetic permeability is negative material at the same time, in this kind of medium, electric field, magnetic field and electromagnetic wave propagation constant between spiral relations constitute his left hand. This novel is a kind of exotic materials, it usually also called negative refractive index materials. Key words: Ultra-wide band System Band interference Notch HFSS 目 录 i 目 录 第一章 绪 论................................................................................................................. 1 1.1 研究背景及意义 .................................................................................................. 1 1.2 国外左手材料发展历史 ........................................................................................ 2 1.3 国内左手材料的发展现状 .................................................................................... 4 1.4 左手材料的应用及优势 ........................................................................................ 5 1.4.1 天线覆层可提高天线定向性 ......................................................................... 5 1.4.2 减少手机辐射对人体伤害 ............................................................................. 5 1.4.3 隐身技术 ......................................................................................................... 5 1.4.4 屏蔽技术 ......................................................................................................... 5 1.4.5 小型化微波部件 ............................................................................................. 6 1.5 论文结构 .......................................................................................................... 7 第二章 天线基础理论 .................................................................................................. 9 2.1 方向函数 .............................................................................................................. 9 2.2 方向图 ................................................................................................................ 10 2.3 方向图参数 ........................................................................................................ 11 2.4 方向系数 ............................................................................................................ 12 2.5 天线效率 ............................................................................................................ 14 2.6 增益系数 ............................................................................................................ 15 2.7 极化方式 ............................................................................................................ 16 2.8 输入阻抗与辐射阻抗 ........................................................................................ 16 2.9 频带宽度 ............................................................................................................ 17 第三章 左手材料理论及实现方式 ............................................................................ 19 ii 目 录 3.1 左手材料基本理论 .............................................................................................. 19 3.2 左手材料的性质 .............................................................................................. 21 3.2.1电磁学性质 .................................................................................................... 22 3.2.2 负折射现象 ................................................................................................... 22 3.2.3 逆多普勒效应 ............................................................................................... 23 3.2.4 完美成像 ....................................................................................................... 24 3.2.5 反常切伦柯夫辐射 ....................................................................................... 24 3.2.6 反Goos-Hänchen位移 ................................................................................. 25 3.3 左手材料的人工实现 .......................................................................................... 26 3.3.1 传输线结构左手材料的实现 ....................................................................... 26 3.3.2 金属谐振结构左手材料的实现 ................................................................. 27 3.3.3两种方法的优缺点 ........................................................................................ 28 3.4 左手传输线理论 .................................................................................................. 28 3.4.1 纯左手传输线理论 ....................................................................................... 28 3.4.2 左手材料实现天线小型化思想 ................................................................... 30 第四章 左手材料实现天线小型化 .............................................................................. 33 4.1 等效左手材料——“蘑菇结构” .......................................................................... 33 4.1.1 N=2时模型及结果 ..................................................................................... 33 4.1.2 N=4时模型及结果 ..................................................................................... 39 4.1.3 N=6时模型 ................................................................................................. 46 4.2左手材料在增加带宽方面的应用 ....................................................................... 50 第五章 总结与展望 .................................................................................................... 55 致谢................................................................................................................................. 57 参考文献 ........................................................................................................................ 59 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 1.1 研究背景及意义 介电常数和磁导率是描述物质基本电磁性质的物理量，人们往往认为它们是正值，但实际上介电常数和磁导率都可以为负数。左手材料(Left-handed Materials，LHM)就是一种介电常数与磁导率同时为负值的电磁材料，最初由前苏联物理学家 [1]Veselago于1964年提出。与常规介质(Right-handed Medium，RHM)中电场强度及磁场强度、波矢量置服从“右手定则"不同，左手材料中它们服从“左手定则"。 左手材料具有一些独特的电磁特性，如负折射效应、倏逝波放大、逆多普勒效应、逆切比科夫辐射、完美透镜和亚波长衍射等。利用上述特性，左手材料能够用于实现平板聚焦、天线波束汇聚，电磁隐身、完美透镜、超薄谐振器和天线小型化等，在军事和经济生活中有着广泛的应用价值。例如，为了实现通信系统的保密性、机动性、易携带性以及降低系统的复杂性等特性，要求设计的天线具有高方向性、小型化、高增益等，这些特性都可以通过左手材料实现，而且LHM电路板印制实现方式，对于天线共面、易于与PCB板集成等都非常有利，因此LHM对于通信系统和武器装备的发展将会起到巨大的推动作用;太赫兹频段的左手材料可能实现太赫兹电磁波成像，该技术在军事、医疗、反恐等领域的应用前景十分广阔，如新型雷达、导航、远距离武器探测、医学成像等，其应用价值不可估量;红外波段和可见光频段的左手材料也有着非常重要的应用，如生物安全成像和指纹识别、遥感、微型器件、超灵敏单分子探测器和医学诊断成像等。因此，深入研究左手材料的空间电磁响应行为将对左手材料的实际应用具有重要的意义。 在常规介质微波分析和设计领域中，传输线方法是有效的分析工具之一。利用传输线方法来分析左手材料，可以使左手材料的应用变得更为直观、便捷，同时也为左手传输线设计提供了理论依据。左手材料传输线的实现形式是复合左,右手传输线(Composite Right,Left—Handed Transmission Line，CRLH TL)，CRLH特性是在某些频率范围内表现为“左手特性"，具有左手材料电磁特性，而在其它频 2 基于左手材料的天线小型化研究 率范围内表现为“右手特性”。CRLH开创了一个全新的研究领域，是一种极有可能最先在实际中得到应用的左手材料。本文通过研究CRLH理论以及左手材料实现天线小型化的理论依据，采用CRLH结构设计了谐振在3.7G的小型“蘑菇”结构天线及小型超宽带天线。 1.2 国外左手材料发展历史 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，周期排列的金属线结构如图1.1所示。 图1.1 周期排列的金属线结构 2000 年，美国Smith 等首次利用开口谐振环(SRR)和电谐振器(如开口金属线)组成的阵列实现了“双负”材料。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 第一章 绪 论 3 合，清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。 2002年7月，瑞士ETHZ实验室的科学家们宣布制造出三维的左手材料。美国衣阿华州立大学( Iowa State University)的S. Foteinopoulou发表了利用光子晶体做为介质的左手物质理论仿真结果。美国麻省理工学院的E.Cubukcu和K.Aydin在《自然》杂志发表文章，描述了电磁波在两维光子晶体中的负折射现象的实验结果。左手材料的研制进入了美国《科学》杂志评出的2003年度全球十大科学进展，引起全球瞩目。 2004年，俄罗斯莫斯科理论与应用电磁学研究所宣布用左手材料研制成功一种具有超级分辨率的镜片，这种镜片可以构成不会丢失信息、将所有能量完全复制到成像点的完美透镜(Perfect Lens)。其原理是左手介质中能流方向和波矢方向相反，左手介质中倏逝波表现为指数增强场，相当于透镜对波进行了放大。同年，加拿大多伦多大学的科学家制造出一种左手镜片，其工作原理与具有微波波长的射线有关，这种射线在电磁波频谱紧邻无线电波。两国科学家的研究成果被美国物理学会评为2004年度国际物理学会最具影响的研究进展。 2005年，美国印第安那州普渡大学首次成功开发了波长1.5 μm的红外线区域 [2]呈现负折射率的人造介质左手性特异材料。波长为1.5 μm的红外线在光通信领域已被广泛采用。在光通信控制技术方面，此前的研究热点是硅微细线光导波路及光子结晶，而此次LHMs的开发成功，则提供了一种全新的光控方法。 [3]2008年，德国斯图加特大学Liu 等制备了多层的U形金纳米环结构，分别在120 THz和200 THz附近实现了负的介电常数和负的磁导率。利用双模板辅助化学电沉积法制备了周期性排列的金属银树枝阵列， 发现其在红外波段具有很强的透射通带，并且在对应频率表现出明显的平板聚焦效应，得到了红外波段的左手材料。这是首次利用化学方法制备左手材料，对左手材料的发展起到了巨大推动作用。同年美国加州大学伯克利分校Valentine 等用多层鱼网结构第一次在红外波段实现三维的LHM ，并通过棱镜折射实验验证了其负折射行为。但是，由于LHM的结构单元远小于波长，目前的刻蚀工艺已经严重制约了光波段LHM的进一步发展。 4 基于左手材料的天线小型化研究 1.3 国内左手材料的发展现状 2004年，国际学术界开始出现中国科学家的身影。复旦大学的资剑教授领导的研究小组经过两年的研究与设计，利用水的表面波散射成功实现了左手介质超平面成像实验，论文发表于著名的《美国物理评论》杂志上，引起学术界的高度关注。 利用SRR环和开口金属线组成阵列分别实现负磁导率和负介电常数，这种组阵方式的复杂性增加了制作难度。能否通过单一结构同时实现“双负”,国内研究者进行了尝试。已经报道的有浙江大学的“S”形 ，复旦大学的“工”形 ，西北工业大 [4]学的“H”形等。2008年6月，西安交通大学采用一种“巨”字形结构，利用丝网印刷在氧化铝基板上进行加工制作，获得同时具有磁谐振和电谐振结构组成的左手材料。这种单一结构制作方便，双负频段较宽。通过模拟与测试，单一结构中能同时出现电谐振和磁谐振，并且由于谐振负区的重合而形成“双负”区域。采用丝网印刷制作的“巨”字结构样品如图1.2所示。 图1.2 氧化铝底板测试样品 2008年8月，西北工业大学理学院赵晓鹏研究组在红外波段左手材料制备方 [5]面的研究取得新进展。采用双模板辅助化学电沉积制备金属银树枝状结构阵列，制备出大面积(平方厘米级)红外左手材料。2009年9月，赵晓鹏研究组制备出 [6]蓝光波段左手材料。采用双模板辅助化学电沉积法，以聚苯乙烯小球为初级模板，二维ZnO 有序多孔薄膜为二级模板，制备了银树枝状结构阵列，同时还研究了沉积电压对ZnO 有序多孔薄膜质量和银树枝形貌的影响。在最佳条件下制备了大面积(2cm2)银树枝状结构的周期性阵列，可见光透射峰的出现和聚焦实验证实制 第一章 绪 论 5 备的银树枝状结构阵列在蓝光波段480 nm 处实现了左手效应。 1.4 左手材料的应用及优势 1.4.1 天线覆层可提高天线定向性 空间通信与微波武器等领域对天线的要求日益提高， 左手材料用在天线上具有独特优势，可以提高天线定向性，以确保通信的保密性和高效性。浙江大学在微带贴片天线上覆盖左手材料，此覆层将类似凸透镜把点源发散光聚集成平行光，显著地改善贴片天线的方向性。天线覆层使工作在2.6 GHz的贴片天线方向性由7.7 dB提高到16.8 dB。2009年，国防科技大学采用平面左手材料制备Ku波段 [7]新型左手材料天线罩。实验证明加入左手材料平面天线罩后，天线的波束得到汇 [8]聚，同时增益提高了5 dB左右。2009年10月，韩国LG电子在最新款手机LG BL40的天线部分采用了美国Rayspan公司的左手材料，可以在不降低增益等特性时实现小型化。 [9]1.4.2 减少手机辐射对人体伤害 同济大学物理实验室制造出新型左手材料开口环状谐振器(SRR)，用它制成定向天线，通过人造结构控制电磁波传播方向，可以智能寻找附近的基站，只向该基站方向发射信号，并通过相关技术阻止信号向人脑方向传播，从而避免电磁波对手机使用者造成辐射伤害。 1.4.3 隐身技术 南京大学在研究中发现将左手材料覆盖在金属棒或金属球外面，在特定的实验条件下，电磁波经过它时，并没有发生通常出现的“反射”现象。这预示着利用左手材料有可能使某些金属结构对电磁波产生“隐身”效果，左手材料可望用于隐身技术。 1.4.4 屏蔽技术 6 基于左手材料的天线小型化研究 电子科技大学利用左手媒质设计了微波空间滤波器，其滤波特性有很好的矩形度，带外隔离度非常大，是用普通媒质设计的滤波器无法比拟的。左手媒质微波空间滤波器的优良特性在军事上有广泛的应用前景，例如军用飞机的雷达罩、微波天线防干扰和防微波高能武器的屏蔽罩等。 1.4.5 小型化微波部件 通信系统的保密性、高效性要求天线具有高定向性;机动性、移动性和易携带性要求天线具有小型化;为了降低对发射系统的要求，天线要具有高增益。这些特性都可以通过左手材料的奇特的电磁特性实现。 Burokur等人研究了左手材料对微带贴片天线性能的影响，他们设计了一种圆形辐射贴片微带天线，采用同轴线馈电，如图1.3所示。选用位于左手特性区域中的某一频率作为微带贴片天线工作的中心频率，将一定体积的左手材料覆层置于天线前方。研究发现左手材料覆层的引入可使天线的聚焦性和方向性更好，增益提高了2.8 dB，改善了天线的性能。若选用损耗小的左手材料且保证良好的波阻抗匹配，天线的增益可达到12 dB。左手材料覆层相当于凸透镜，使电磁波只能够在垂直方向附近的小角度内传播，其它方向的传播被限制。这将显著改善天线方向性，提高天线的增益。例如:可以把LHM刻蚀在引信系统的天线罩上，在不改变天线罩外形的同时，提高了天线增益和方向性。 图1.3 加载左手材料 图1.4是将左手材料与传统材料复合作为天线基板，基板中激励起的表面波在两种材料的分界面发生负折射，折射波被金属接地板反射后在分界面处再次发生负折射，使得表面波在天线基板中的传播形成闭合路径，可抑制天线边沿辐射， 第一章 绪 论 7 减少天线阵元间的干扰，提高方向性和辐射效率。Baccarelli在理论上假设天线基板的介电常数和磁导率均小于0，对基板的散射方程进行了数学讨论，提出以左手材料作为天线基板抑制表面波TE模、TM模的条件。他指出左手材料作为天线基板可以减少天线的边缘散射，提高天线辐射效。 图1.4 左手材料作为天线基板 下图是工作在相同频率的不同类型材料的天线尺寸比较。图1.5a是利用左手特性设计的天线，图1.5b是利用微带天线理论设计的天线，前者尺寸相对于后者缩小了将近76.5%。 图1.5 左手材料与传统材料对比 1.5 论文结构 在左手材料理论的基础上，本文研究了基于左手材料理论天线小型化原理及实现方法。理论部分主要介绍了天线基础理论、左手材料理论和实现以及在天线小型化上的应用等。本文主要分为六个章节，论文结构和各章主要内容如下: 8 基于左手材料的天线小型化研究 第一章介绍了国内外左手材料的研究背景和意义，和它们的概念、特点、优势和在实际中的应用。 第二章主要为天线基础理论，介绍了评估天线性能所用到的主要参数，对更好的理解后文做了铺垫。 第三章介绍了左手材料的理论、本质及实现方法，及自己在学习研究左手材料的过程中的感悟。 第四章列出两个实例，通过等效左手材料思想实现天线小型化和增加天线带宽，更好地理解了左手材料在实际中的应用。 第五章为总结与展望。 最后部分是致谢及参考文献。 第二章 天线基础理论 9 第二章 天线基础理论 2.1 方向函数 天线辐射出去的电磁波虽然是一球面波，但却不是均匀球面波，因此，任何 [10][11][12]一个天线的辐射场都具有方向性。 所谓方向性，就是在相同距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向(子午角 、方位角 )的关系。 ,, 若天线辐射的电场强度，把电场强度(绝对值)写成 E(r,,,,) 60I (2-1) E(r,,,,),f(,,,)r f(,,,)式中，I为归算电流，对于驻波天线，通常取波腹电流作为归算电流;Im 为场强函数。因此，方向函数可定义为 E(r,,),, (2-2) f(,),,,60I/r 将电基本振子的辐射场表达式代入上式，可得电基本振子的方向函数为 l, (2-3) ff(,)() sin,,,,,,, 为了方便于比较不同天线的方向性，常采用归一化方向函数，用F(,,,)表示，即 E(,),,f(,),, (2-4) F(,),,,,fE(,)(,),,,,maxmax 式中，为方向函数的最大值;为最大辐射方向上的电场强度;fmax(,,,)Emax (,,,)E(,,,)为同一距离方向上的电场强度。 F(,,,)归一化方向函数的最大值为1。因此，电基本振子的归一化方向函数可写为 (2-5) F(,)sin,,,, 为了分析和对比方便，我们定义理想电源是无方向性天线，它在各个方向上、 10 基于左手材料的天线小型化研究 相同距离处产生的辐射场的大小是相等的，因此，它的归一化方向函数为 (2-6) F(,,,),1 2.2 方向图 式(2-3)定义了天线的方向函数，它与r以及I无关。将方向函数用曲线描绘出来，称之为方向图(Fileld Pattern)。方向图就是与天线等距离处，天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形。依据归一化方向函数而绘出的为归一化方向图。变化以及得出的方向图是立体方向图。对于电基本振子，由于归一化,, 方向函数F(,)sin,,,,，因此其立体方向图如图2.1所示。 图2.1 基本振子立体方向图 在实际中，工程上常常采用两个特定正交平面方向图。在自由空间中，两个最重要的平面方向图是E面和H面方向图。E面即电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面;H面即磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。 方向图可用极坐标绘制，角度表示方向，矢径表示场强大小。这种图形直观性强，但零点或最小值不易分清。方向图也可用直角坐标绘制，横坐标表示方向角，纵坐标表示辐射幅值。由于横坐标可按任意标尺扩展，所以图形清晰。如图2.2所示，对于球坐标系中的沿z轴放置的电基本振子而言，E面即为包含z轴的任一平面，例如yOz面，此面的方向函数。而H面即为xOy面，此FE(,),sin, 第二章 天线基础理论 11 面的方向函数，如图2.3所示，H面的归一化方向图为一单一圆。E面和FH(,),1 H面方向图就是立体方向图沿E面和H面两个主平面的剖面图。 图2.2 电基本振子E平面面方向图 图2.3 电基本振子H平面方向图 有时候还需要讨论辐射的功率密度(坡印廷矢量模值)与方向之间的关系，因此引进功率方向图(Power Pattern)。容易得出，它与场强方向图之间的关系为 2 (2-7) S(,)(,),,,,,F 电基本振子E平面功率方向图也如图2.2所示。 2.3 方向图参数 实际天线的方向图要比电基本振子的复杂，通常有多个波瓣，它可细分为主瓣、副瓣和后瓣，如图2.4所示。用来描述方向图的参数通常用有: (1)零功率点波瓣宽度(Beam Width between First Nulls,BWFN)或(下2,0E2,0H标E、H表示E、H面，下同):指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。 (2)半功率点波瓣宽度(Half Power Beam Width,HPBW)或:指主瓣最2,0.5E2,0.5H大值两边场强等于最大值的0.707倍(或者等于最大功率密度的一半)的两辐射方向的夹角，又叫3分贝波束宽度。如果天线的方向图只有一个强的主瓣，其它副瓣均较弱，则它的定向辐射性能的强弱就可以从两个主平面内的半功率点波瓣宽度来判断。 (3)副瓣电平(Side Lobe Lever,SLL):指副瓣最大值与主瓣最大值之比，一般以分贝表示，即 12 基于左手材料的天线小型化研究 av,max2max2SE (2-8) SLL,10lg,20lgdBav,maxmaxSE Sav,max2Sav,max式中，和分贝为最大副瓣和主瓣的功率密度最大值;和Emax2 分别为最大副瓣和主瓣的场强最大值。副瓣一般指向不需要辐射的区域，因Emax 此要求天线的副瓣电平应尽可能地低。 图2.4 天线方向图的一般形状 (4)前后比:指主瓣最大值与后瓣最大值之比，通常也用分贝表示。它表明了天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱。一般在25~30dB之间，应优先选用前后比为30的天线。 2.4 方向系数 方向系数的定义是:在同一距离以及相同辐射功率的条件下，某天线在最大 Emax辐射方向上的辐射功率密度(或场强的平方)和无方向性天线(点源)的辐Smax D0射功率密度(或场强的平方)之比，记为，用公式表示如下: E0S0 2ESmaxmax (2-9) ,,D2PPPP,,rrr00SE00 Pr0式中，、分别为实际天线和无方向性天线的辐射功率。无方向性天线本Pr 第二章 天线基础理论 13 身的方向系数为1。 因为无方向性天线在r处产生的辐射功率密度为 2E0Pr0 (2-10) S,,024,240,r 所以由方向系数的定义得 22rEmax,D (2-11) 60Pr 因此，在最大辐射方向上 60PrD (2-12) E,maxr 上式表明，天线的辐射场与的平方根成正比，所以对于不同的天线，若PrD 它们的辐射功率相等，则在同是最大辐射方向且同一r处的观察点，辐射场之比为 ED1max1, (2-13) ED2max2 若要求它们在同一r处观察点辐射场相等，则要求 Pr1D2 (2-14) ,Pr2D1 即所需要的辐射功率与方向系数成反比。 天线的辐射功率可由坡印廷矢量积分法来计算，此时可在天线的远区以r为半 径做出包围天线的积分球面: 2,,,2P,Sav,(,,),ds,Sav(,,,)rsin,d,d, (2-15) r,,S,,00 由于 2,,PP1r0r (2-16) S,,,Sav(,,,)sin,d,d,022,,P,Pr0r004r4r4,,, 所以，由式(2-9)可得 Sav,maxD,2,,1Sav(,)sindd,,,,, ,,004, 14 基于左手材料的天线小型化研究 ,4, (2-17) 2,,,,Sav(,)sin,d,d,,,00avS,max 由天线的归一化方向函数可知 2,,,,avS(,)E(,)2,,F(,,,) 2avSE,maxmax 方向系数最终计算公式为 ,4D, (2-18) 2,,2F(,,,)sin,d,d,,,00 显然，方向系数与辐射功率在全空间的分布状态有关。要使天线的方向系数大，不仅要求主瓣窄，而且要求全空间的副瓣电平小。 2.5 天线效率 一般来说，载有高频电流的天线导体及其绝缘介质都会产生损耗，因此输入天线的实功率并不能全部地转换成电磁波能量。可以用天线效率来表示这种能量 Pin,A转换的有效程度。天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比，记为，Pr 即 Pr (2-19) ,A,Pin 12辐射功率与辐射电阻之间的联系公式为，依据电场强度与方向函数P,IRrr2 的联系公式(2-2)，则辐射电阻的一般表达式为 2,,302 (2-20) Rr,f(,,,)sin,d,d,,,00, 与方向系数的计算公式(2-18)对比后，方向系数与辐射电阻之间的联系为 2f120maxD (2-21) ,Rr 类似于辐射功率和辐射电阻之间的关系，也可将损耗功率与损耗电阻联PlRl系起来，即 12 (2-22) ,PlIRl2 是归算于电流I的损耗电阻，这样 Rl 第二章 天线基础理论 15 rrPRA (2-23) ,,,Pr，PlRr，Rl Rr注意，上式中、应归算于同一电流。 Rl 一般来讲，损耗电阻的计算是比较困难的，但可由实验确定。从式(2-23)可以看出，若要提高天线效率，必须尽可能地减小损耗电阻和提高辐射电阻。 通常，超短波和微波天线的效率都很高，接近于1。 值得提出的是，这里定义的天线效率并未包含天线与传输线失配引起的反射 ,损失，考虑到天线输入端的电压反射系数为，则天线的总效率为 2,,,,,(1)A (2-24) , 2.6 增益系数 方向系数只是衡量天线定向辐射特性的参数，它只决定于方向图;天线效率则表示了天线在能量上的转换效能;而增益系数则表示了天线的定向收益程度。 增益系数的定义是:在同一距离及相同输入功率的条件下，某天线在最大辐 Emax射方向上的辐射功率密度(或场强的平方)和理想无方向性天线(理想点Smax 源)的辐射功率密度(或场强的平方)之比，记为G。用公式表示如下: E0S0 2ESmaxmax (2-25) ,,G2inininin,,PPPP00SE00 PinPin0式中、分别为实际天线和理无方向性天线的输入功率。理想无方向性天线本身的增益系数为1。 ,A考虑到效率的定义，在有耗情况下，功率密度为无耗时的倍，式(2-25)可改写为 SS,maxmaxA,,G (2-26) PP,,inin0rr0PPSS00 即 (2-27) G,,AD 由此可见，增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率的乘积。在实际中，天线的最大增益系数是比方向系数更为 16 基于左手材料的天线小型化研究 重要的电参量，即使它们密切相关。 根据上式，可将式(2-12)改写为 DPG60Pr60inE,, max (2-28) rr 增益系数也可以用分贝表示为10lgG。因为一个增益系数为10、输入功率为1W的天线和一个增益系数为2、输入功率为5W的天线在最大辐射方向上具有同样的效果，所以又将或定义为天线的有效辐射功率。使用高增益天线可以在PinGPrD 维持输入功率不变的条件下，增大有效输入功率。由于发射机的输入功率是有限的，因此在通信系统的设计中，对提高天线的增益常常抱有很大的期望。频率越高的天线越容易得到很高的增益。 2.7 极化方式 天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波;当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因为受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不容易产生极化电流，从而避免了能量的大幅度衰减，保证了信号的有效传播。 因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，随着新技术的发展，最近又出现了一种双极化天线。就起设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和?45?极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是?45?极化方式。双极化天线组合了+45?和-45?两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量;同时由于?45?为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。 2.8 输入阻抗与辐射阻抗 天线通过传输线与发射机相连，天线作为传输线的负载，与传输线之间存在阻抗匹配问题。天线与传输线的连线处成为天线的输入端，天线输入端呈现的阻抗值定义为天线的输入阻抗，即天线的输入阻抗为天线的输入端电压与电流之Zin 第二章 天线基础理论 17 比: Uin (2-29) Zin,,Rin，jXinIin RinXin其中，、分别为输入电阻和输入电抗，它们分别对应有功功率和无功功率。有功功率以损耗和辐射两种方式耗散掉，而无功功率则驻存在近区中。 天线的输入阻抗决定于天线的结构、工作频率以及周围环境的影响。输入阻抗的计算是比较困难的，因为它需要准确地知道天线上的激励电流。除了少数天线外，大多数天线的输入阻抗在工程中采用近似计算或实验测定。 事实上，在计算天线的辐射功率时，如果将计算辐射功率的封闭曲面设置在天线的近区内，用天线的近区场进行计算，则所求出的辐射功率同样将含有有Pr功功率及无功功率。如果引入归算电流(输入电流或波腹电流)，则辐射功率与IinIm 归算电流之间的关系为: 1122 Pr,IinZr0,Iin(Rr0，jXr0)22 1122 (2-30) ,IZ,I(R，jX)mrmmrmrm22 Zr0ZrmRr0RrmXr0式中、分别为归于输入电流和波腹电流的辐射阻抗。、、、Xrm也为相应的辐射电阻和辐射电抗。因此，辐射阻抗是一个假想的等效阻抗，其数值与归算电流有关。归算电流不同，辐射阻抗的数值也不同。 Zr与之间有一定的关系，因为输入实功率为辐射实功率和损耗功率之和，Zin Rl0当所有的功率均用输入端电流为归算电流时，，其中为归算于输Rin,Rr0，Rl0 入电流的损耗电阻。 2.9 频带宽度 天线的所有电参数都和工作频率有关。任何天线的工作频率都有一定的范围， f0当工作频率偏离中心工作频率时，天线的电参数将变差，其变差的容许程度取决于天线设备系统的工作特性要求。当工作频率变化时，天线的有关电参数变化的程度在所允许的范围内，此时对应的频率范围成为频带宽度(Bandwidth)。根据天线设备系统的工作场合不同，影响天线频带宽度的主要电参数也不同。 根据频带宽度的不同，可以把天线分为窄频带天线、宽频带天线和超宽频带 fmax天线。若天线的最高工作频率为，对于窄频带天线，常用相对带宽，即 18 基于左手材料的天线小型化研究 来表示其频带宽度。而对于超宽频带天线，常用绝对带宽，,,(fmax,fmin)/f0，100% 即来表示其频带宽度。 fmax/fmin 通常，相对带宽只有百分之几的为窄频带天线，例如引向天线;相对带宽达百分之几十的为宽频带天线，例如螺旋天线;绝对带宽可达到几个倍频程的称为超宽频带天线，例如对数周期天线。 第三章 左手材料理论及实现方式 19 第三章 左手材料理论及实现方式 [13]3.1 左手材料基本理论 谈及左手材料，它是Metamaterials的一种，也是最早引起人们注意的特异媒质。最早是由Veselago通过对媒质色散方程的分析，推出了其独特性质，见参见 [1]文献。 其中谈到，色散方程: 2ω2 ,0 (3-1) -εμ-kδ+kkijijijij2c w体现了单色波频率和折射率的关系。在各向同性的介质中，色散方程可以n 简化为: 2ω22 k=n (3-2) 2c 2其中n为折射率，且 ，在不考虑损耗且介电常数和磁导率为实数的nu,,rr u,情况下，同时改变他们的的值，不会改变n的正负。但是当和同时为负的时候，电磁波在这种媒质中的传播特性会有很大的变化。 对以上的色散方程，我们不是很了解，我们从最简单的maxwell方程出发，来综合分析左手材料的特性及其为何得到学者巨大关注。 ,,,,,,,,D,×H=J+ (3-3) ,t ,,,,,B,×E=- (3-4) ,t ,,, ?×D=ρ (3-5) ,, (3-6) ,,B=0 由Maxwell方程可以推导出正弦时变电磁场的波动方程(Helmholtz方程): ,,,,22 (3-7) ,E+kE=0 其中 20 基于左手材料的天线小型化研究 222k=ωμε=ωμεμε (3-8) 00rr 假设一均匀平面波沿z方向传播，且电场强度只有x方向的分量， Ex则: 2dEz()x2，,kEz()0x (3-9) dz 其解为: ，,,jkzjkz (3-10) EzEeEe(),，00x 将电场解代入maxwell方程，得: ，,,jkzjkzHzHeHe(),，00y (3-11) 且有定义，介质的波阻抗或本证阻抗: ，Ewu0,,,,Z (3-12) 0，Hk0 且: ,,,,,11kˆˆHkEkEkE,,，,,，,,， (3-13) Zwuwu0 得: ,,, kEwuH，, (3-14) ,,, kHwE，,,, (3-15) 令:因为是单个介质，不存在反射，解中第一项保留，第二项舍kj,,,,， 去。 u,1) 当和均为正实数时，，波动方程有波动解，电磁波可以传播，k,,,0 且向+z方向传播,且k EH、、满足右手螺旋关系。 u,,2)当和两者一正一负且都为实数时，k=-指数衰j,电磁波在媒质中会以,减， 电磁波不能在其中传播。 u,3) 当和都为负时，，电磁波能在其中传播，由解，其向-z方k,,,,0 第三章 左手材料理论及实现方式 21 向传播，且kEH、、满足左手螺旋关系。 ,,,, 无论何种介质，其均满足左右手螺旋关系。对坡印廷矢量:SEH,， 综上，左手材料的本质即可以看成是传播常数k与坡印廷矢量的反向，而其导致的必然结果是在右手材料中向+z方向传播的波在左手材料中是向-z方向传播或其具有-z方向的场分量;而两者中能量都是向同一方向传输。 以上均是概念，我们从最简单的波斜入射到不同介质分界面，其反射、折射 的情况会使我们更好的理解如上结论。 x i r u, 1 11 z u, 222 t 图3.1 左手材料逆snell定律 如图3.1，当介质2中介电常数和磁导率都大于0时，折射为第四象限，有+z方向分量;当两者都小于0时，折射即在第三象限，有-z方向分量。 正是基于此本质，从而有了如下左手材料众多的性质及其在众多领域的应用。 3.2 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。考虑波在低损耗介质中传播,此时介电常数ε和磁导率μ可以看作实数,根据ε和μ的正负取值,材料可以分为如图所示的4类。在自然界中, 大部分材料位于1象限,根据Maxwell方程,当一束平面波在位于象限?的各向同性材料中传播时,波矢为实数,因此波可以在这种材料中传播,波在位于第?和?象限的介质中传播时,波矢为虚数,这时材料的耗散非常大,一般认为电磁波在该类介质中不能传播,因 22 基于左手材料的天线小型化研究 为这类材料对频率具有截止功能。对于位于第?象限的材料,发现ε和μ乘积仍然为正,说明波可以在其中传播,与?象限材料相比,虽然波方程没有改变,但麦克斯韦旋度方程发生了改变,从而引起了电磁波传播性质上的根本变化。 [14]3.2.1电磁学性质 对于平面单色波，Maxwell方程可以化成如下简单形式 ,,,,,,,, KE=，ωμH (3-16) ,,,,,,,, (3-17) KH=，-ωεE ,,,,,,, (3-18) S=EH， 在右手介质(ε>0，μ>0)中，由(3-19)、(3-20)两式知，E、H、k三者构成右手关系;在左手介质中，因为ε<0，μ<0，E、H、k成左手关系。而(3-21)式不含ε和μ，因此不论是在左手介质还是在右手介质中，E、H、S三者都是右手关系。在右手介质中，S方向与K方向相同，而在左手介质中两者相反。K代表相位传播方向，S代表能流传播方向即群速度方向，因此，左手介质是一种相速度和群速度方向相反的物质。同时，左手介质必然是色散介质，这一点可以由电磁场能量表达式(3-22)得到 ,,εωμω，，，，22W=E+H (3-23) ,,ωω 若不存在色散的话，由 ε,0，μ,0总能量将为负值。 3.2.2 负折射现象 当波通过两介质之间的界面时,如图3.2所示，一边的磁导率μ1和电导率ε1均大于0,另一边的磁导率μ2和电导率ε2均小于0. 第三章 左手材料理论及实现方式 23 图3.2 逆折射效应 设对2种媒介使用Maxwell方程都将被满足,则有边界条件: (3-24) E=Et1t2 (3-25) H=Ht1t2 (3-26) εE=εE1n12n2 (3-27) μH=μH1n12n2 可见,E和H沿法线分量En2和Hn2的正负号,在ε2/ε1<0,μ2/μ1<0时将与ε2/ε1>0,μ2/μ1>0时符号的相对,那么,与ε2/ε1>0,μ2/μ1>0的情况相对,在左手材料中折射光线将关于z轴对称传播. 考虑比值ε2/ε1和μ2/μ1的2个可能的符号, Snell定律 sini,11=n=εμ= (3-28) 12sini,22 应写为 ,,siniεεμv12221 (3-29) =n=sign=,,12siniεεμv21112,, 这里的V1,V2为两媒介中的相速度, sign为不确定的正负号, i1、i2分别为入射角和折射角.那么左手材料相对于真空的折射率应有n<0. 3.2.3 逆多普勒效应 在右手材料中，当波源和观察者之间的距离增加时，比如反射面相对于波源后退时，观察到的反射波的频率会减小，这就是多普勒效应。但在左手材料内，电磁波的相速度和群速度方向相反，即能量的传播方向和相位传播方向相反，所 24 基于左手材料的天线小型化研究 以在左手材料中的频移情况正好和右手材料相反，观察者接受到的反射波的频率会增加，这种现象为逆多普勒效应。 图3.3 逆多普勒效应 3.2.4 完美成像 根据瑞利准则，一种频率的电磁波通常只能用来分辩尺寸不小于大约其半个波长的物体，电磁波的波长决定成像的质量和清晰程度，所以波长越短，电磁波能分辩的物体尺寸就越小，清晰度就越高。传统透镜无法达到更好的分辩率，是因为电磁波同时具有凋落波和传播波分量，而凋落波在达到像点前大部分已经衰落。如果能够使凋落波分量在达到像点前放大，就可以恢复出凋落波对成像的贡献，而左手材料就可以做的这一点，近场可以在左手材料的表面激励起高频谐振，使己经衰落的凋落波在左手材料中被放大，那么使得凋落波在媒质内被放大的程度与在相当厚度的外部媒质中的衰落程度抵消，于是就可以在像点处完美成像。 图3.4 完美成像应用 3.2.5 反常切伦柯夫辐射 当带电粒子在介质中匀速运动时会在其周围引起诱导电流，诱导电流激发次波，当粒子速度超过介质中光速时，这些次波与原来粒子的电磁场互相干涉，从而辐射出电磁场，称为切伦柯夫辐射。正常材料中，干涉后形成的波面，即等相 第三章 左手材料理论及实现方式 25 面是一个锥面。电磁波能量沿此锥面的法线方向辐射出去，是向前辐射的，形成一个向后的锥角，即能量辐射的方向与粒子运动方向夹角θ。θ由式子cosθ=c/nv确定，其中v是粒子运动的速度。而在负群速度介质中,能量的传播方向与相速相反，因而辐射将背向粒子的运动方向发出,辐射方向形成一个向前的锥角。图3.5为两种情况下的切伦柯夫辐射情形。 图3.5 切伦柯夫辐射对比 3.2.6 反Goos-Hänchen位移 光波从光密媒质入射到光疏媒质，当入射角为 εμ22sinθ= (3-30) cεμ11 将会发生全反射。全反射光束在介质的分界面上将沿入射光波波矢量的平行分量发生侧向位移，该位移由Goos和Hänchen首次发现，因此命名为Goos-Hänchen位移。如果介质2为左手材料，|n2|β=kcc 时，电磁波截止，即不传播，改向空间辐射模式，所以要使一传播，当β<β=kc 个天线性能好，应使其稳定的工作在截止状态，其工作状态和我们平常讨论的波导是相反的。 一般地，我们在利用传输线等效左手材料性质时，或多或少的都会受到右手传输线效应的影响，所以在实现天线小型化时，利用的是复合左右手传输线理论，即:既有右手性质同时兼有左手性质，且一般而言，左手效应使其工作在低频，右手效应使其工作在高频。图3.13即复合左右手色散关系图。 图3.13 复合左右手传输线色散关系图 图3.14 导行辐射区分布 图3.14指出了左右手材料各自的传输和辐射的工作区域，从此图得出:通过等效左手材料思想，我们增加了辐射的区域，表现在天线上，即增加了其辐射强度，从而增大了天线增益。所以对于同样的增益要求，我们可以将天线做到很小。或者说对于尺寸很小的天线，由于其添加了左手材料效应，增强了辐射强度，从而能够满足天线增益要求。 32 基于左手材料的天线小型化研究 第四章 左手材料实现天线小型化 33 第四章 左手材料实现天线小型化 4.1 等效左手材料——“蘑菇结构” 4.1.1 N=2时模型及结果 以下通过一个例子来分析左手材料在天线小型化中的应用，第一个例子可参 [20]考文献,模型如图4.1所示。 图4.1 N=2模型 图4.2 等效LC网络 如图4.2:贴片等效为LR,贴片与贴片之间的间隙等效为CL，贴片底下的短截小圆柱等效为LL，贴片与地之间等效为CR。图中N表示可进行组阵。 此为二单元的组阵:其中W1=15.0mm,L1=3mm,W2=0.2mm,贴片长W3=15mm,宽L3=7.3mm，介质高H=1.57mm，与地接触圆柱半径R1=0.12mm,天线部分为7.3mm*15mm*1.57mm，谐振频率3.38G，故:天线的总的电尺寸为:λλλ///6653，，，部分参数如图4.3。 000 图4.3 建模部分参数 34 基于左手材料的天线小型化研究 模型俯视图如图4.4，正视图如图4.5。 图4.4 模型俯视图 图4.5 模型正视图 图4.6 S11参数图 从图4.5得:谐振频率为f0=3.38G， -10dB相对带宽0.022/3.38=0.0065。 图4.7 输入阻抗图 第四章 左手材料实现天线小型化 35 在f0处，端口输入阻抗约为:Zin=39.8-j0.2欧。 图4.8 史密斯圆图 HFSSDesign1Radiation Pattern 3ANSOFTCurve Info0dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq='3.38GHz' Phi='0deg'-3030-1.00 -7.00-6060-13.00 -19.00 -9090-120120 -150150 -180 图4.9 x-z平面方向图 HFSSDesign1Radiation Pattern 1ANSOFTCurve Info0dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq='3.38GHz' Phi='90deg'-3030-2.40 -4.80-6060 -7.20 -9.60 -9090-120120 -150150 -180 图4.10 y-z平面方向图 36 基于左手材料的天线小型化研究 参考如下两图，H平面方向图和三维增益图。 HFSSDesign1Radiation Pattern 2ANSOFTCurve Info0rETotalSetup1 : LastAdaptiveFreq='3.38GHz' Theta='90deg'-30307.40 6.80-60606.20 5.60 -9090 -120120 -150150 -180 图4.11 H平面方向图 图4.12 不计入损耗的三维增益图 图4.13 计入损耗的三维增益图 第四章 左手材料实现天线小型化 37 综上，左手材料加载的带有单极子辐射形式的贴片天线，在保持其原有性能的同时，实现了天线的小型化(增益有降低相对于单极子1.76dB),但其尺寸已做到很小，我们可以通过组阵来满足增益的需求。 作为天线，增益是我们考虑的重要参数之一，效率对天线的性能同样有着显著的影响。 图4.14a radiation efficiency 图4.14b efficiency 图4.14a，其实对于实际的天线即工程来说是没有任何意义的，不具有参考性，它只是说明天线本身辐射的性能，而且从上图数据也可看出来，天线本身辐射性能不是很好，因为一般的不考虑失配的天线辐射效率要达到1左右。 我们来看其真实的包含了失配损耗的辐射效率，如图4.14b，我们能够看到在谐振频率点处总的辐射效率达到60%左右，总体来说辐射效率(做为高频段)还是能够满足工程需求的。 2efficiencyradiationefficiency,,,1 4.14图中,其中?表示反射系数，此关，， 系和上面提到Gain和Realized Gain的关系类同，即: 2GainRealizedGain,,,1 。很明显，在减小天线小型化的同时，必然是以牺牲，， 某一参数为前提的，因为大自然是平衡的，能量是守恒的，所谓有得有失，有失有得，就是这么个道理。 以下我们从理论出发，分析参数之间的辩证统一原理。 38 基于左手材料的天线小型化研究 44,,一方面由D,,,HP即表示-3dB带宽，故:方向系数和带宽是其中,,,AHPHP， 一矛盾体，增大方向性系数即增益，必然会以牺牲带宽为代价，增加带宽，则相应的增益也会减小。所以，在具体到一个项目时，统筹兼顾很重要。 另一方面带宽、效率又跟天线的尺寸是有关联的，即增加带宽或效率又无法保证做到很小型化，所以既要做到适当尺寸，又要有看着不是很低的效率或带宽，又是一个矛盾统一体。以下则定性的给出模型中天线参数导致效率或带宽的变化，有兴趣的同学可通过仿真来查看变化趋势。 增加带宽，可通过增加介质板高度或降低介质板介电常数;增加效率可通过增加短截圆柱半径或选取正切损耗较低的介质。 增加贴片面积或介质介电常数或降低介质板高度，CR(右手传输线中等效的分布电容)将会增加，因为电容与面积介电常数成正比，与距离成反比。如下公 SC=ε式: d 同理，CL、LR、LL都可通过调节其中某些参数来改变;故牵一发而动全身，我们要能够判断自己所需性能与哪些参数有关，哪些是主要矛盾，哪些是次要矛盾，学会在处理问题的过程中抓主要矛盾。 第四章 左手材料实现天线小型化 39 4.1.2 N=4时模型及结果 图4.15 N=4模型俯视图 图4.16 N=4模型正视图 HFSSDesign1XY Plot 1NameXY0.00m13.1600-11.2932Curve InfodB(S(1,1))Setup1 : Sweep-2.00 -4.00 -6.00dB(S(1,1)) -8.00 -10.00 m1 -12.003.003.203.403.603.804.00Freq [GHz] 图4.17 S11参数图 谐振频率点转移到f0=3.16GHz(谐振频点转移)。 HFSSDesign1XY Plot 30.75Curve Infoim(S(1,1))Setup1 : Sweepre(S(1,1))0.50Setup1 : Sweep0.25 0.00 Y1 -0.25 -0.50 -0.75 -1.003.003.203.403.603.804.00Freq [GHz] 图4.18输入阻抗图 40 基于左手材料的天线小型化研究 HFSSDesign1Radiation Pattern 1Curve Info0dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptive-3030Freq='3.4GHz' Phi='0deg'-1.00 -7.00-6060-13.00 -19.00 -9090 -120120 -150150 -180 图4.19 E面方向图 HFSSDesign1Radiation Pattern 2Curve Info0dB(GainTotal)-3030Setup1 : LastAdaptiveFreq='3.4GHz' Theta='90deg'-1.00 -2.00-6060-3.00 -4.00 -9090 -120120 -150150 -180 图4.20 H面方向图 谐振频率点改变到了f0=3.16GHz。 图4.21 3.4G不计入损耗的3D增益图 第四章 左手材料实现天线小型化 41 图4.22 3.4G计入损耗的3D增益图 G最大为-5.4dB,这是因为在3.4G处不匹配，反射太大，入射到天线的功率很小，导致辐射小。但若做到在3.4G匹配，实际增益是可以达到2.8dB,对模型进行优化，使其在3.4G谐振。先来看其在谐振点f0=3.16G处的性能: 图4.23 3.16G不计入损耗的3D增益图(G最大只有0.58dB) 图4.24 3.16G计入损耗的3D增益图 42 基于左手材料的天线小型化研究 图4.25a radiation efficiency 图4.25b efficiency 从以上四图可以看出，在谐振频率3.16G处性能很差，因为天线本身在3.4G左右辐射效率是最高的，所以下面我们通过参扫跟优化，使谐振落到3.4G处。 对L1进行从3-4mm进行参扫:(原L1=3mm)，如图4.25，L1=3.2mm时，谐振落到3.4G处，且S11<-10dB。 0.00 HFSSDesign1XY Plot 4ANSOFTCurve InfodB(S(1,1))Setup1 : SweepL1='2.9mm'-5.00dB(S(1,1))Setup1 : SweepL1='3mm'dB(S(1,1))Setup1 : SweepL1='3.1mm'dB(S(1,1))Setup1 : Sweep-10.00L1='3.2mm'dB(S(1,1))Setup1 : SweepL1='3.3mm'dB(S(1,1))Setup1 : SweepL1='3.4mm'-15.00dB(S(1,1))Setup1 : SweepL1='3.5mm'dB(S(1,1))dB(S(1,1))Setup1 : SweepL1='3.6mm'-20.00 -25.00 -30.003.003.203.403.603.804.00Freq [GHz] 图4.26 参数扫描 由图4.26，在L1=3.2mm处，满足谐振频率跟S11的要求，遂将参数L1修改为3.2mm,查看天线在谐振频率f0=3.4G左右的性能。 0.00NameXYm13.3800-25.0921Curve InfodB(S(1,1))Setup1 : Sweep 第四章 左手材料实现天线小型化 43 L1='3.2mm'-5.00 HFSSDesign1XY Plot 1ANSOFT-10.00 -15.00 dB(S(1,1))-20.00 -25.00m1 -30.003.003.203.403.603.804.00Freq [GHz] 图4.27 S11参数 图4.28 输入阻抗图 由图4.28和图4.29知，在f0=3.38G处，S11= -25dB，且带宽相对之前也明显地增加，在谐振点处，端口匹配也非常好，其中输入阻抗Zin=46.8-j0.7欧。以下来查看其二维及三维场图。 44 基于左手材料的天线小型化研究 HFSSDesign1Radiation Pattern 1ANSOFT0Curve InfodB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptive-3030Freq='3.4GHz' L1='3.2mm' Phi='0deg'-1.00 -7.00-6060-13.00 -19.00 -9090-120120 -150150 -180 图4.29 E面XZ方向图 HFSSDesign1Radiation Pattern 2ANSOFTCurve Info0dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq='3.4GHz' L1='3.2mm' Phi='90deg'-3030-4.00 -8.00-6060-12.00 -16.00 -9090-120120 -150150 -180 图4.30 E面YZ方向图 HFSSDesign1Radiation Pattern 3ANSOFTCurve Info0dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq='3.4GHz' L1='3.2mm' Theta='90deg'-3030-10.00 -20.00-6060-30.00 -40.00 -9090-120120 -150150 -180 图4.31 H面方向图 第四章 左手材料实现天线小型化 45 图4.32 不计损耗的3.4G处三维增益图 图4.33计损耗的3.4G处三维增益图 图4.34a radiation efficiency 图4.34b efficiency 46 基于左手材料的天线小型化研究 效率在f0=3.38G处，大约有80%，从而在满足增益效率的基础上，实现了天线的小型化。 4.1.3 N=6时模型 NameXY图4.35 N=6模型整体视图 图4.36 N=6模型整体视图 0.00m13.3200-9.2371Curve InfodB(S(1,1))HFSSDesign1XY Plot 1ANSOFTSetup1 : Sweep -2.00 -4.00 dB(S(1,1))-6.00 -8.00 m1 -10.003.003.203.403.603.804.00Freq [GHz] 图4.37 S11参数 在f0=3.32G处，S11=-9.2dB(损耗较大不匹配导致，需优化或进行匹配电路设计)。 30.00 第四章 左手材料实现天线小型化 47 NameXY20.00HFSSDesign1XY Plot 3ANSOFTm13.320024.6462Curve Infom23.3200-4.9294m1im(Z(1,1))Setup1 : Sweepre(Z(1,1))10.00Setup1 : Sweep0.00 -10.00 m2Y1 -20.00 -30.00 -40.00 -50.003.003.203.403.603.804.00Freq [GHz] 图4.38 输入阻抗图(Zin=24.8-j5欧) HFSSDesign1Radiation Pattern 1ANSOFTCurve Info0dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq='3.4GHz' Phi='0deg'-3030-2.00 -9.00-6060-16.00 -23.00 -9090 -120120 -150150 -180 图4.39 E面XZ方向图 HFSSDesign1Radiation Pattern 2ANSOFTCurve Info0dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq='3.4GHz' Phi='90deg'-3030-1.00 -4.50-6060-8.00 -11.50 -9090 -120120 -150150 -180 图4.40 E面YZ方向图 48 基于左手材料的天线小型化研究 HFSSDesign1NamePhiAngMagRadiation Pattern 3ANSOFTm2m1180.0000180.0000-5.9631Curve Info0m2360.0000-0.00000.0147dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq='3.4GHz' Theta='90deg'-3030-1.00 -2.00-6060 -3.00 m1-4.00 -9090-120120 -150150 -180 图4.41 H面方向图 图4.42 不计损耗的3.4G处三维增益图 图4.43 计损耗的3.4G处三维增益图 第四章 左手材料实现天线小型化 49 最大增益为2.17dB,但实际增益只有-7dB左右(匹配不好，损耗太大造成)。 图4.44a radiation efficiency 图4.44b efficiency 效率在f0=3.32G处，大约有45%(偏低)，需对天线进行优化。 限于时间与篇幅的关系，我们对此不再做分析，对于改善其性能提高S11参数，我们也可以通过匹配电路(集总元件或是传输线)来实现 图4.45 设置频率迭代图 图4.46 求解过程收敛图 50 基于左手材料的天线小型化研究 以上是在运用HFSS的过程中发现的一个小问题，如图4.49， HFSS是采用自适应迭代网格剖分算法，先对模型进行简单的网格剖分，存取计算的S11，再计算出下个S11，如果两个的差小于0.02(HFSS)默认的值，则计算结束，一般而言，达到此要求计算已很精确，但随之带来的问题是增加了计算时。为此，当两者的差修改成0.05时，发现求解的结果偏差很大，所以对于HFSS中一些默认的参数不能做随意的修改，否则，会得到不是期望的结果。 至此，本章关于利用“蘑菇”结构等效的左手材料实现天线小型化的思想与实例已全部结束，从本章中我们确实感受到了左手材料在实现天线小型化方面的应用 4.2左手材料在增加带宽方面的应用 [21]最后，我们来看一个左手材料用于增加带宽方面的例子，模型如下两图: 图4.47 整体视图 图4.48 局部视图 图4.49 天线部分参数 0.00NameXYm12.6600-12.4000m22.3700-10.0018m32.9600-9.9716Curve Infom41.9000-5.0215dB(St(feedline_T1,feedline_T1))Setup1 : Sweepm53.4700-4.9829 -2.50 第四章 左手材料实现天线小型化 51 HFSSDesign1XY Plot 2 m5m4-5.00 -7.50 dB(St(feedline_T1,feedline_T1)) m3m2-10.00 200.00 m1-12.50NameXY1.001.502.002.503.003.504.00150.00 Freq [GHz] m62.660025.0827Curve Infom72.660060.4323re(Zt(feedline_T1,feedline_T1))Setup1 : Sweep图4.50 S11参数 im(Zt(feedline_T1,feedline_T1))Setup1 : SweepHFSSDesign1XY Plot 3100.00 50.00 m7 0.00 m6Y1 -50.00 -100.00 -150.001.001.502.002.503.003.504.00Freq [GHz] 图4.51 输入阻抗(Zin=60.4-j25欧) NameFreqAngMagRXHFSSDesign1Smith Chart 1m12.690055.04000.24081.2046 + 0.5047iCurve Info90100801.00St(feedline_T1,feedline_T1)11070Setup1 : Sweep12060130500.502.00 14040 15030 0.205.0016020 m117010 0.000.200.501.002.005.0018000.00 -170-10 -160-20-0.20-5.00 -150-30 -140-40 -0.50-2.00-130-50-120-60-110-70-1.00-100-80-90 图4.52 史密斯圆图 52 基于左手材料的天线小型化研究 HFSSDesign1Radiation Pattern 2ANSOFTCurve Info0dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq='3.02GHz' Theta='90deg'-3030-5.00 -10.00-6060-15.00 -20.00 -9090 -120120 -150150 -180 图4.53 E面方向图 HFSSDesign1Radiation Pattern 1ANSOFTCurve Info0dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq='3.02GHz' Phi='90deg'-3030 -5.00 -6060-10.00 -15.00 -9090 -120120 -150150 -180 图4.54 H面方向图 图4.55 不计入损耗的3D增益图(2.66G) 从图4.58看出，G最大为-1.33dB，也就是只有0.7左右，和原文中3.01dB(不 第四章 左手材料实现天线小型化 53 带单位G=2)相差甚远。 以下我们通过改变参数，再一次验证增益与带宽的互补关系。 图4.56改变参数(L1=4mm) 0.00NameXYm12.7400-14.1744Curve Info m22.4500-10.1019dB(St(feedline_T1,feedline_T1))Setup1 : Sweepm33.0200-10.0971 图4.57 求解过程收敛图 -2.50HFSSDesign1XY Plot 4ANSOFT -5.00 -7.50 -10.00m2m3 dB(St(feedline_T1,feedline_T1)) -12.50 m1 -15.002.002.252.502.753.003.253.503.754.00Freq [GHz] 图4.58 修改后S11参数 谐振点f0=2.74G,-10dB绝对带宽3.02-2.45=0.57，相对带宽0.57/2.74=20.8%， 54 基于左手材料的天线小型化研究 同L1=5mm相比下降1%左右，但增益有所提高，如图4.62: 图4.59 2.74G不计损耗的3D增益图 图4.60 2.74G计入损耗的3D增益图 最大增益G=-1.135dB(0.77),同L1=5mm相比，增益增加了0.07，从而根据此分析当带宽达到11%左右，增益可以增加到1.5(1.76dB),和原文中的计算还是有些出入。 由于模型建立时，参数设置有了一些问题，对于参扫只能对贴片L1进行扫描，其他参数改变会使模型产生畸变，在此提醒在建立此模型时，一定要事先分析，不同的长度、宽度分别应该有哪些参数来控制，在之后的步骤中才会导致不出错。 第五章 总结与展望 55 第五章 总结与展望 本论文基于左手材料理论对天线进行了研究和设计，主要针对其中的具有单极天线的“蘑菇结构”进行了设计，提出了在满足增益及天线效率的条件下，实现天线小型化的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。在Ansoft HFSS15仿真环境下，对其谐振结构进行了仿真研究，以确定它们满足天线性能且能够做到小型化。 本文的主要工作包括: (1)介绍了左手材料研究背景及意义;分析国内外研究状况及研究方向;给出了左手材料的实现方法及左手材料的特点; (2)其次介绍了天线基础理论，基本的天线参数，以此为指导进行天线设计; (3)特别介绍了具有单极天线的“蘑菇结构”，并通过组阵不断增大天线增益，仿真结果表明，它符合天线设计的要求且做到了天线小型化。 (4)对仿真结果进行了分析及优化。 由于时间的限制，本论文的工作还存在一些问题，还有一些环节还有待改进，主要有: (1)随着左手材料理论的不断发展和更新，现有学者更多的是将其应用到军事或大物件中，由于本人即将从事手机天线工作，将会持续关注左手材料的设计和研究工作，使之优化、完善，并最终能够将其应用到手机天线的各个项目中去。 (2)在仿真过程中，由于实际情况限制，没有更多的去变换天线谐振结构的参数，从而得到更确切和更严谨的结果，有待于进一步研究、试验和解决等等。 (3)由于时间有限，本次研究没有制作天线实物，从而进行大量实践检验的操作，有待进一步工作。等效的左手材料天线的优势在于小尺寸、集成率高、可靠性高且性能优越。 对左手材料的研究已从微波发展到太赫兹以及光波段。微波段左手材料广泛应用于微波器件，如微波平板聚焦透镜、带通滤波器、耦合器、宽带相移器、微带巴伦功分器、谐振器、移相器和天线等。这些器件应用于各种武器装备，可以提高其性能。左手材料在天线上的应用很有吸引力，因为高灵敏度和方向性好的天线在军事武器上应用很广，比如雷达、战斗机、GPS导航系统等。利用左手材料 56 基于左手材料的天线小型化研究 中电磁波的反切仑科夫辐射，可以制备后向波辐射天线。红外波段磁响应的实现可应用于生物安全成像、生物分子指纹识别、遥感、恶劣天气条件下的导航、微型谐振腔等。可见光波段左手材料可以制作能突破衍射极限的透镜，可应用于超灵敏单分子探测器，探测各种深埋于地下的武器。 左手材料还可用于通讯系统，制造更小的移动电话，在未来的无线通信中起到不可忽视的作用。左手材料有望解决高密度近场光存储遇到的光学分辨率极限问题，制作出存储容量比现有DVD 高几个数量级的新型光学存储系统。左手材料研究领域已越来越受到各国科研人员重视。随着科学家们的不断探索，人们将制造出更加丰富多样的左手材料，将在空间技术、武器装备、卫星有效载荷、遥感探测等领域得到更加广泛的应用，有力地促进我国国防事业的发展。 致谢 57 致谢 本文是在导师刘松华的精心指导下完成的，从论文的立题到最终完成，她都给予了极大的关怀和帮助，并提出了宝贵的意见。值此论文结束之际，我以诚挚的心情向她表示衷心的感谢，感谢她在这半年时间里对我的亲切关怀、热情鼓励和悉心指导同时我也要感谢实习期间周工及同事对我的敦促和鼓励以及热心师兄任建的帮助。 最后，特别感谢我的父母、同学和朋友给予极大的支持和理解。 58 基于左手材料的天线小型化研究 参考文献 59 参考文献 [1] V. Veselago, The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of and ε Soviet Physics Uspekhi, vol. 10, no. 4, pp. 509-514, 1968. μ [2] 全球首例面向红外线的“左手材料”将成为光通信领域的新旗手(OL)2005-12-22 [3] Liu N，Guo H C，Fu L W，et al. Three-dimensional photonic metamaterials at optical frequencies (J). Nature Mater，2008，7:31 [4] 杨一鸣，屈绍波，王甲富. 由同时具有磁谐振和电谐振结构组成的左手材料(J).物理学 报，2009，58(2):1031~1035 [5] Liu H，Zhao X P，Yang Y，et al. Fabrication of infrared left-handed metamaterals via double template-assisted electrochemical deposition(J).Adv Mater，2008，20:2050 [6] 李庆武，相建凯，赵延. 蓝光波段左手材料的化学制备方法(J).材料导报，2009，23(9): 8~10，21 [7] 吴微微，黄敬健，胡俊伟. Ku波段新型左手材料平面天线罩(J).宇航学报，2009，30(5): 1953~1956 [8] 野泽，哲生. LG电子在手机上采用左手材料天线2009-10-20(OL). [9] 周晓明. 左手材料SRR在手机辐射防护中的作用(J).华南理工大学学报(自然科学版)， 2009，37 [10] 宋铮等著，天线与电波传播，西安电子科技大学出版社 [11] 魏文元等著，天线原理，国防工业出版社 [12] 王建著，天线原理与设计 [13] 刘福平，左手材料基本特性及其在小型化天线中的应用研究，哈尔滨工程大学硕士论文 [14] 万宁宁，基于有源左右手传输线结构的超级透镜和凋落波放大，东南大学硕士论文. [15] 冯理，曹卫平，基于复合左右手传输线的天线小型化研究.桂林电子科技大学学报， 2009,29(6) [16] 朱成林，微波左手介质的电磁散射特性研究，西安电子科技大学硕士论文 [17] 梁昌洪著，简明微波，西安电子科技大学出版社 [18] 廖承恩著，微波技术基础，西安电子科技大学出版社 [19] Author: Anthony Lai，HFSS Left-Handed_Metamaterials_for_Microwave [20] Itoh, Infinite wavelength resonant antennas with monopolar radition patterns based on periodic structures,2007,5(3) 60 基于左手材料的天线小型化研究 [21] M. S. Majedi, Student Member, IEEE, and A. R. Attari, A Compact and Broadband Metamaterial-Inspired Antenna,2013,12