基于零折射率超材料的高定向性微带天线

基于零折射率超 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的高定向性微带天线 郭晓静，赵晓鹏，刘亚红，朱卫仁 (西北工业大学应用物理系智能材料实验室，陕西西安710129) 摘 要：研究了一种基于平面网格状零折射率超材料的高定向性微带天线。利用超材料结构的 平均效应实现了在10．24GHz处介电常数为零，进而实现了超材料的折射率为零。实验结果表明，利 用零折射率超材料对波束产生汇聚作用，使微带天线的定向性明显增强，E面、H面半功率波束宽度 分别收缩了56．670和26．600，侧向辐射明显减弱，天线的增益提高了3．80dB。 关键词：高定向性；微带天线；零折射率 中图分类号：TN822+．4 文献标识码：A 文章编号：0258—7998(2011)06—110—03 Ahigh—directivitvmicrostripantennabasedonzeI-0一indexmetamaterialAhlgh—dlreCtlvltVmlcrOstnpantennabasedonzeI-0一lndexmetamaterlal GuoXiaojing，ZhaoXiaopeng，LiuYahong，ZhuWeiren (Smanmaterialhboratory，DepanmentofAppliedPhysics，NonhwestemPolytechnicalUniversicy，xi’明710129，China) AbStract：Wedesign，fa埘cate，andexp州mentald啪ons妇leahjgh—directjvjt)rmicrosl—pantennabasedonplanarnet—shaped zeID—indexmetamaterial．Anavem舀nge￡f．ectoverthemetamaterialstllJctureyield8anzempemlittivityat10．24GHz，whichresultsin ametamaterialwitllzer|0indexofrefhction．Theexpe订mentalresultsindicatedthat，thedirectivityofthezer0一indexmicrostrip锄ten． naimpllovedg陀ady，thehalf—powerbeamwidthsreductionofEplane￡mdHplaneaI℃56．67。and26．60。，respectively．Moreover，the side翰diati叩reducedwhile山eforwardmdiationincreased，andtllegainoftheantennaisenhancedby3．80dB． Keyw口rCIs：high—diI-ectivity；micros硒pan￡enna；zero—indexmetamaterial 目前，由于高定向性平面天线具有剖面低、体积小、重 量轻和使用电路板印刷技术制作简单等优点，正在吸引越 来越多人的注意，这种高定向性微带天线可以广泛应用于 微波领域，如卫星通信网络、无线电传播、汽车雷达、短距 点对点通信等。与常用的如采用天线阵等 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 来实现天线 的高定向性相比，本文提出的这种设计方法是一种简单的 馈电系统或者说简单的能量分布系统。 随着人工电磁超材料的提出⋯，通过设计超材料的 结构单元，使其对电场和磁场产生相应的谐振，从而可 以方便地调控其有效介电常数和有效磁导率。基于这种 思想，在微波段设计出了有效介电常数和有效磁导率同 时为负的左手材料【甜，并在改善天线性能方面有其广泛 应用【3一J。 近来，作为人工电磁超材料的另一分支，对于零折 射率超材料的研究引起了广泛关注，以材料的有效介电 常数和磁导率的零值为分界线，将材料划分为四个象 限，通过在不同象限内构建不同的结构都可以实现零折 +基金项目：国家自然科学基金(50632030，50872i13．50936002) 110 欢迎网上投稿www．chinaaet．com 射率。根据SneU定律(n。sin仇=n2sin如)，当光线从零折射率 材料‰=O)内部入射到自由空间(厅：>O)时，不论入射角玩 为多少，出射角岛必然等于零，因此折射光线沿分界面 法线方向射出，零折射率的这种特性提供了一种独特的 可以用来控制波传播方向的方法。ENOCH等人【51第一次 实验证实了将辐射源嵌入零折射率基板中时，辐射的能 量将被限制在一个周围介质狭小的圆锥区域内，即通过 利用零折射率材料的特性，能量辐射的方向性得到了很 大的改善。WU等人16】研究了将偶极天线嵌入不同的零 折射率和近零折射率材料中时，天线辐射性能的变化。 然而，之前基于零折射率高定向性天线的研究多是 将天线嵌入零折射率超材料中，设计体积大且制作复 杂，本文提出了一种将网格状结构零折射率超材料置于 天线上方的高定向性微带天线，CST软件全波仿真和实 验测试两种方法均通过验证，与普通微带天线相比较， 加载零折射率超材料后的微带天线其定向性得到了有 效的增强。 1网格状结构零折射率超材料的设计与制作 网格状结构零折射率超材料是通过在介质板两面 《电子技术应用》2011年第37卷第6期 万方数据 到幢金培哺括状结柑柬宴聪军折射芈的啦磷卸材树． 结构州蜥的金鞲舛恃型求P桁时齐．I％lfal袖{I·)分科 相格状站伪帕一十小』0栩jt整体的结心m意罔．泼同 状坫恂幡体址通过将唯几6x6圳搠搏咖宴现．嘴II-l 碍格状结恂舯宴物柞品陌 。：巨虿!，o： 、、、J }《 一*I二一i]l”h。—；i≮ 1996年PENDRY等o!挺出一静降低材科靠靛等离 子休频率的方法．通过诗取旮迂的金属忏问距离m盒属 汗的芈幢．增加盎属的有教电r质赫．知公式I”所永。 咐=出；詈旦ln【n，r) {I) JE巾．”和，竹挪址金羁竹M艇冉和盒埘扦的牛挺进耐 呵“碱小”科帅打嫂箨离予体轻串如吱(2】所示．使J‘ 鼎椎散碹糖段．等^舯蛀糍串低下材料的打靛等离r体 耗卓时．材抖的介电常数为偾．蜘式{3)昕永。 m．=—!￡一 121 。(∞}=l一—芦 口} “t"+I，】 J‘巾．竹勾打敏母岗f悱辕率．∞为^射渡轾半， 刹川选种世坦．水戈采用的d面H括状拈扮通过进 戢台话的州格小元边K和线宽使浚结恂的有教母离丁 悼蛭 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 藩住畿淀段’^射渡般牢和J‘秆娥辱离子体牧 牢州¨时．计料的舟屯常数为零．于址就篁戌r折射牢 为零．这样的零折射牛埘材料将对^甜刊韭表面的也破 波寮足剐热好的汇聚怍朋 晰劬(研M；⋯vc9ud_o软件．通过选取不同网格 壮站均的凡坷叁艘．-4“蹬壤坫拇0：币同鞭卓吏盟军折 射串、奉文设iIr在1024G¨z强半处崔理零折射皋的 H惭牧拈均雎升艟氍选取厚理如2Omm舯鬃H氯己烯 纤维扳．金麟网培状坫曲的材科为锕．厚壁为0∞⋯哪 格单蛇边托￡=IImm．线宦S=O4mmⅥ 利JII惜r戟什仿豇Ⅻ寅幢澜帚分别僻刊r谈网掊 杜站构零折射枣却柑料的透射与反射曲缦．姻蹦2la)和 【hl所m．分刺为模揖翱宴验缔举；从幽中可以看刘．住 真理零折射牢特串处．忻拜柳蛮情结果较好地吻台．进 步．通过散射毒城法．H算碍刊rH格披衄材科的折 射半曲线．如期3晰m．町u打尉n：lO24(：lIt处折射宰 宴薜郁盘鼹¨nJ为零．立理r零折蚶半， i电子技术应用}!f)11年第37孽筘6期 Ⅲ3Hm#}女"，Ⅱ¨¨∞*"十自q 2天线设计、仿真与实验 21*垃设计与加工 撒摧矩形馓带咕片x拽的＆计公式．利用(Nr软什 优化设计r·}，心顿半为1024l；¨#的替适撤带骷J：天 线．天线的介厦堆投选取厚度舟2Omm的聚H飘￡烯 纤维板．盘腿岵Hm金属接地板的材科来用厚度为 003mm的铜．*拽辐射蚺片的几何R寸为97Mnx72 ⋯盒疆接地板和肇板的R寸均为c，6mmx66nm·．采用 同轴线方jI=馈电，馈点位l：站片巾心正下方25mm址 将L连州格状衄村料放置于荇迤髓带^攫币1．^ 9mm址．选扦造个距离足为r蜮睨化天拽的忭能．州却 天线的篇^Ri抗封这个距离非常敏感．U为r秆绶地刺 『H零折射半卸材料的电磁特性．此H格状结体宴墁罐折 射书的鞭书与背涵傲带天线的中心In蛭书幢保持一 致，这样就实现丁零折射串岛定向性微前天线 为了验证分析1撒计的lF确性．走缦样品采用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 电路扳捌蚀冉法进}i加I．样品的K寸棼戢b仿A幔型 巾的一致。 22回菠搔耗 利用c汀软件谈拟r扦通散带灭毁‘i零折射书高定 向性散带天线的回渡按耗特性如瞄4(n)所永，对于*通搬 带天线．·l，心I．作锻睾为1024G№．sl，峰值为-2660帅． 掣折射辜搿定向性微带走拽的巾心I怍张率为In0I(：Hz． su峰担为一3I'4dB．椭I．零折射卓越材料后火线的巾 心上作鞭卓硝甜偏咎．世蕻M渡损耗持性“所改痒 利用^v=1618*屉时络丹折仪宴验刊锵r件通馓带 戈拽≮零折射毕岛定向性徽带^线的蚓法损牦曲线如 咐4(b)所永，营通徽带天线的巾0【+佧矩串为1024cjlz． sn峰值为一2815dB．零折射率冉定向"儆带X拽的中 0r作矩书为9"GIh．su蚪撕为-312l；t¨}．贫转坫小 与攫担站粜艇奉强 万方数据 频率／GHz I一一普通微带天线 l一零折射率微带天线J (a)仿真结果 (b)实验测量结果 图4回波损耗曲线 2．3辐射方向图与增益 根据天线的回波损耗曲线，选定其中心工作频率， 利用CST软件模拟了普通微带天线与零折射率高定向 性微带天线的远场辐射图，如图5所示，其中图5(a)和 图5(b)分别为E面、H面的远场辐射对比图。加上零折 射率超材料后，E面的半功率波束宽度由普通微带天线 的94．90收缩至36．90；收缩了580；H面的半功率波束 宽度由普通微带天线的72．1o收缩至45．1o，收缩了 270；增益由普通微带天线的6．59dB增加到10．29dB， 增加了3．70dB，同时E面、H面的侧向辐射均有所减弱。 15 O -15 ．30 ·15 0 (a)E面 (b)H面 图6实验得到的辐射方向图 112 欢迎网上投稿www．cllinaaet．com 3．80dB，且E面、H面的侧向辐射均有明显减弱。实验 结果与模拟结果基本一致，进一步验证了分析与设计的 正确性。 本文通过将网格状零折射率超材料用于普通的微 带天线，利用零折射率可以汇聚天线波束的特性，设计 制备了一种零折射率高定向性微带天线。实验结果表 明，采用网格状零折射率超材料的微带天线与普通微带 天线相比，其E面、H面半功率波束宽度分别收缩 56．67。和26．60。，侧向辐射明显减弱，前向辐射增强，增 益提高了3．80dB，显著提高了微带天线的定向性，为实 现平面高定向性天线提供了一种新的设计思路，将对工 程技术人员的实际工作有所帮助。 参考文献 【1】SMITHDR，PADILLAWJ，VIERDC，eta1．Composite mediumwjthsimuhaneouslynegalivepe册eabi“婶andper— mitti“ty【J】．Phys．Rev．IJett．，2000，84(18)：4184—4187． [2】PENDRYJ B，SCHURIGD，SMITHDR．Conn_ollingele— ctlbmagneticIields【J】．Science，2006，312(6)：1780—1782． 【3】YANGR，XIEYJ，WANGP，etaJ．Characteristicsof miUimeterwavemicrostriDantennaswithleft—handedmate— rialssubstmtes【J】．Appl．Phys．IJett．，2006，89(6)：064108(3)． [4】IIzUKAH，HALLPS．Left—handeddipoleantennasaJld theirimplementations【J】．IEEETmns．Antenn船Propag， 2007，55(5)：1246—1253． 『51ENOCHS，TAYEBG，SABOUROUXP，eta1．Ametama— teri“fordirectiveemission[J]．Phys．Rev．ktt．，2002，89 (21)：213902(4)． 【6】WUBI，WANGW，PACHECOJ，eta1．Astudyofusing met啪aterials鹪antennasubstratetoenhancegain[J】．PIER， 2005．51：295—328． 【7】PENDRYJB，HOLDENAJ，铘WARTWJ，eta1． Extremelylowfbquencyplasmonsinmetal“cmesostnlc— tures．Phys．Rev．ktt．，1996，76(25)：4773—4776． (收稿日期：2010—10—09) 作者简介： 郭晓静，女，1986年生，硕士研究生，主要研究方向：超 材料对微带天线性能的改善。 赵晓鹏，男，1957年生，教授，博士生导师，主要研究方 向：智能材料与结构，光信息材料与行为，左手材料及其在 天线上的应用。 《电子技术应用》2011年第37卷第6期 万方数据 基于零折射率超材料的高定向性微带天线 作者： 郭晓静， 赵晓鹏， 刘亚红， 朱卫仁， Guo Xiaojing， Zhao Xiaopeng， Liu Yahong， Zhu Weiren 作者单位： 西北工业大学应用物理系智能材料实验室,陕西西安,710129 刊名： 电子技术应用 英文刊名： APPLICATION OF ELECTRONIC TECHNIQUE 年，卷(期)： 2011,37(6) 本文读者也读过(10条) 1. Rayspan超材料天线可减少手机辐射、加快测试进程和缩短产品上市时间[期刊论文]-电脑与电信2010(1) 2. 周航.裴志斌.彭卫东.柏鹏.张介秋.屈绍波.ZHOU Hang.PEI Zhi-bin.PENG Wei-dong.BAI Peng.ZHANG Jie-qiu. QU Shao-bo 零折射率超材料对喇叭天线波前相位的改善[期刊论文]-空军工程大学学报（自然科学版）2010,11(6) 3. LG电子新款巧克力手机选择RAYSPAN的超材料空中接口[期刊论文]-电脑与电信2009(10) 4. 周济 "超材料(metamaterials)":超越材料性能的自然极限[会议论文]-2005 5. 刘晓明.简福斌.韩术.LIU Xiaoming.JIAN Fubin.HAN Shu 机械传动系统中嵌入式信号采集及无线传输设备设计 与实现[期刊论文]-世界科技研究与发展2011,33(2) 6. 刘海燕 基于超材料的微带天线小型化研究[学位论文]2010 7. 张介秋.陈必武.赵威.马华.ZHANG Jie-qiu.CHEN Bi-wu.ZHAO Wei.MA Hua 超材料圆柱壳电磁隐身效果数值仿真 研究[期刊论文]-空军工程大学学报（自然科学版）2008,9(3) 8. 冯奎胜.李娜.许家栋.闫伟.Feng Kuisheng.Li Na.Xu Jiadong.Yan Wei 一种新型3G系统超宽带室内双向天线研 究[期刊论文]-电子技术应用2011,37(6) 9. 李香丹.铁伟伟.文璞山.Myong-Hoon Lee 低损耗零双折射率光敏聚酰亚胺光波导材料的制备和性能[会议论文]- 2008 10. 刘涛.曹祥玉.张广.文曦.LIU Tao.CAO Xiang-yu.ZHANG Guang.WEN Xi Metamaterials技术及其天线应用综述 [期刊论文]-系统工程与电子技术2007,29(12) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzjsyy201106037.aspx