雙層新型左手超介質(zhì)覆層在WLAN天線(xiàn)中的應(yīng)用

竹錦霞，張 莉，熊維德

（四川文理學(xué)院物理與工程技術(shù)系，四川達(dá)州 635000）

雙層新型左手超介質(zhì)覆層在WLAN天線(xiàn)中的應(yīng)用

竹錦霞，張 莉，熊維德

（四川文理學(xué)院物理與工程技術(shù)系，四川達(dá)州 635000）

以加載左手超介質(zhì)覆層對(duì)天線(xiàn)性能改進(jìn)為目的，基于傳統(tǒng)的開(kāi)口諧振環(huán)和金屬桿的變形組合，設(shè)計(jì)出一種等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均小于0的多左手頻帶超介質(zhì)覆層。將此覆層加載在工作頻段為5.15～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz的WLAN微帶天線(xiàn)上，天線(xiàn)工作頻率降低且輻射方向圖得到了良好的改善。HFSS和MATLAB仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的左手超介質(zhì)覆層在2～3.5 GHz，3.8～7.3 GHz和7.5～12 GHz這3個(gè)頻段具有左手特性，WLAN雙頻天線(xiàn)在加載雙層左手超介質(zhì)覆層后，工作頻率分別降低了0.04 GHz和0.09 GHz，其最大增益分別提高了1 dB和1.4 dB，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。同時(shí)為設(shè)計(jì)性能更優(yōu)良的左手超介質(zhì)覆層天線(xiàn)提供了新思路。

左手超介質(zhì);負(fù)介電常數(shù);負(fù)磁導(dǎo)率;DGS;WLAN天線(xiàn)

左手超介質(zhì)是一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率在某一波段展現(xiàn)為負(fù)值的人工復(fù)合材料。早在1968年，蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago在理論計(jì)算中就提出了它的概念。由于它在自然界中無(wú)法找到，所以在其后的30年左手超介質(zhì)研究領(lǐng)域一直都沒(méi)有取得很大的進(jìn)展，直到1999年，Pendry教授指出周期排列的細(xì)導(dǎo)線(xiàn)陣列和周期放置的開(kāi)口諧振環(huán)陣列可以在微波波段分別展現(xiàn)出負(fù)介電常數(shù)效應(yīng)和負(fù)磁導(dǎo)率效應(yīng)。根據(jù)這一經(jīng)典發(fā)現(xiàn)，2000年Smith加工出了歷史上第一塊左手超介質(zhì)材料［1］。

隨后，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始研究這種具有奇異電磁特性的左手超介質(zhì)材料。關(guān)于對(duì)構(gòu)建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、物理尺寸小的左手超介質(zhì)單元模型的研究，更是贏得很多人的青睞。迄今為止，很多具有優(yōu)良特性的變形結(jié)構(gòu)相繼被提出，諸如Ziolkowski提出的由CLS（Capacitively Loaded Strips）和CLL（Capacitively Loaded Loops）以及由CLS和SRR構(gòu)成的左手材料;Yi－Jang Hsu提出的一種比SRR（Split Ring Resonators）體積更小、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的DSRR（Deformed Split Ring Resonators）超介質(zhì)［2］。將左手超介質(zhì)加載到微波天線(xiàn)中，可以突破傳統(tǒng)天線(xiàn)的半波長(zhǎng)限制和減小天線(xiàn)的后向能量輻射，實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的小型化和高增益。文獻(xiàn)［3］中，在天線(xiàn)的介質(zhì)基板內(nèi)加載左手超介質(zhì)，天線(xiàn)的諧振頻率下降，其物理尺寸降到0.21λ0，但大量的左手超介質(zhì)單元使天線(xiàn)結(jié)構(gòu)變的更為復(fù)雜，造成電磁能量損耗嚴(yán)重，增益反而降低。文獻(xiàn)［4－5］中，在微帶天線(xiàn)的前方放置左手超介質(zhì)覆層，其方向性和增益都大大提高，但覆層中眾多的超介質(zhì)組合單元卻要耗費(fèi)大量的仿真時(shí)間和計(jì)算機(jī)內(nèi)存資源。文獻(xiàn)［6－7］中設(shè)計(jì)的左手超介質(zhì)覆層具有的左手頻段較窄，限制了自身在多頻、超寬帶天線(xiàn)中的廣泛應(yīng)用。

本文提出了一種基于傳統(tǒng)SRR和金屬桿變形組合的左手超介質(zhì)模型，在2～12 GHz中具有多個(gè)左手頻段。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、單元數(shù)目少和左手頻段寬的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以節(jié)省大量的仿真時(shí)間和計(jì)算機(jī)內(nèi)存資源，而且還可以廣泛運(yùn)用在多頻、超寬帶天線(xiàn)的覆層中，來(lái)實(shí)現(xiàn)微帶天線(xiàn)小型化和高方向性。

1 左手超介質(zhì)覆層的設(shè)計(jì)及分析

本文設(shè)計(jì)的左手超介質(zhì)覆層采用Rogers RO6010介質(zhì)基板，其介電常數(shù)ε=10.2。結(jié)構(gòu)如圖1a所示，在邊長(zhǎng)為p、高為h的正方形介質(zhì)板的正中央，有一條寬為w的微帶線(xiàn)，在微帶線(xiàn)兩邊對(duì)稱(chēng)地分布了2個(gè)雙層結(jié)構(gòu)的TSRR（Triangular Split Ring Resonators）。如圖1b，該雙層結(jié)構(gòu)的TSRR開(kāi)口相對(duì)放置。在介質(zhì)基板下方是一塊邊長(zhǎng)也為p的薄金屬板，如圖1c所示，在其正中間與TSRR相對(duì)應(yīng)的位置有2個(gè)邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形缺口，它們通過(guò)正中央一條寬為g的縫隙相連通，構(gòu)成啞鈴型DGS（Defected Ground Structures）。

圖1 左手超介質(zhì)覆層

為了確定左手超介質(zhì)的電磁特性，HFSS軟件被選用為三維結(jié)構(gòu)的仿真軟件。將仿真結(jié)果中的S參數(shù)導(dǎo)入到MATLAB 中，利用 Nicolson－Ross－Weir（NRW）方法［8］，可以具體地計(jì)算出有效磁導(dǎo)率和介電常數(shù)。

一維均勻平板的轉(zhuǎn)移矩陣的歸一化解析形式為

式中:n和Z是材料的折射率和波阻抗;d是材料單元的厚度;k是自由空間的波數(shù)。

利用二端口網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移矩陣和散射矩陣的變換關(guān)系可得

由式（2）可得

所求磁導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε與n和Z之間的關(guān)系為

2 左手超介質(zhì)覆層天線(xiàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

通過(guò)HFSS仿真得到微帶線(xiàn)二端口的S參數(shù)幅度和相位隨頻率的變化曲線(xiàn)，微調(diào)左手超介質(zhì)覆層結(jié)構(gòu)，得到最終優(yōu)化尺寸如表1所示。

表1 左手超介質(zhì)覆層主要指標(biāo) mm

利用NRW方法可以精確地得到有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率隨頻率變化曲線(xiàn)。圖2中，在2～3.5 GHz，3.8～7.3 GHz和7.5～12 GHz這3個(gè)頻段，有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率實(shí)部均為負(fù)值，因此設(shè)計(jì)的超介質(zhì)覆層在這3個(gè)頻段都具有左手特性。

圖2 電磁參數(shù)提取結(jié)果

如圖3所示，在擬設(shè)計(jì)的天線(xiàn)上方加載左手超介質(zhì)覆層，通過(guò)研究加載后天線(xiàn)性能的改進(jìn)來(lái)驗(yàn)證左手超介質(zhì)覆層設(shè)計(jì)的正確性。擬定本設(shè)計(jì)天線(xiàn)工作頻率范圍覆蓋WLAN 的 2 個(gè)高頻段為 5.1 ～5.35 GHz和 5.725 ～5.825 GHz。從圖4中HFSS仿真結(jié)果可知，WLAN天線(xiàn)在5.22 GHz和5.75 GHz所展現(xiàn)的2個(gè)貼片輻射模式的最大增益分別為4 dB和4.6 dB。

在5.15～5.35 GHz和 5.725 ～5.825 GHz兩個(gè)頻段內(nèi)，左手超介質(zhì)覆層的相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均小于0。WLAN雙頻天線(xiàn)加載雙層左手超介質(zhì)覆層后，輻射能量會(huì)更為集中，其增益和方向性將進(jìn)一步提高。從圖5中HFSS仿真結(jié)果可知，加載左手超介質(zhì)覆層后，WLAN天線(xiàn)在兩個(gè)工作頻段內(nèi)的最大增益分別增加了1 dB和1.4 dB，體現(xiàn)了更為優(yōu)良的方向性。同時(shí)，兩個(gè)諧振頻率分別降低了0.04 GHz和0.09 GHz，這也為實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)小型化提供了一種新的思路。

圖5 加載左手超介質(zhì)覆層WLAN天線(xiàn)仿真結(jié)果

3 結(jié)論

本文利用HFSS三維電磁仿真軟件和MATLAB設(shè)計(jì)并仿真了一種具有多個(gè)左手頻帶的超介質(zhì)覆層。在2～3.5 GHz，3.8 ～7.3 GHz和7.5 ～12 GHz這3 個(gè)頻段，其等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均小于0。將雙層左手超介質(zhì)覆層加載到工作頻率范圍為5.15 ～5.35 GHz和5.725 ～5.825 GHz的雙頻WLAN天線(xiàn)上，其天線(xiàn)的工作頻率降低，輻射方向圖也得到了良好的改善。因此，本文設(shè)計(jì)的左手超介質(zhì)覆層可以廣泛應(yīng)用到工作頻率在S，C頻段的天線(xiàn)中，來(lái)實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)小型化和高增益。

:

［1］CALOZ C，ITOH T.Novel microwave devices and structures based on the transmission line approach of meta－materials［C］//Proc.IEEE MTT－S International Microwave Symposium Digest，2003.［S.l.］:IEEE Press，2003:195－198.

［2］LI Chao，LIU Kaiyu，LI Fang.An equivalent circuit for the complementary split ring resonators（CSRRs）with application to high pass filters［C］//Proc.International Symposium on Biophotonics，Nanophotonics and Metamaterials，2006.［S.l.］:IEEE Press，2006:478－479.

［3］趙娜.左手材料微帶天線(xiàn)的研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2010:37－42.

［4］HAN T C，RAHIM M K A，MASRI T，et al.Left handed metamaterial design for microstrip antenna application［C］//Proc.IEEE International RF and Microwave Conference，2008.［S.l.］:IEEE Press，2008:218－221.

［5］FANG Jieran，ZENG Xuezhi，WANG Gang.Enhancement of backscattered microwave by using a flat LHM lens［C］//Proc.IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium，2006.［S.l.］:IEEE Press，2006:3353－3356.

［6］ATALLAH H A，HAMAD E K I.Radiation pattern improvement of RDRA using LHM flat lens composed of CSRR［C］//Proc.IEEE Middle East Conference on Antennas and Propagation，2012.［S.l.］:IEEE Press，2010:1－5.

［7］曹衛(wèi)平，廖俊，李思敏.超介質(zhì)覆層在偶極子天線(xiàn)上的應(yīng)用［J］.電視技術(shù)，2011，35（21）:97－99.

［8］SMITH D R.Analytic expressions for the constitutive parameters of magnetoelectric metamaterials［J］.Physical Review E，2010:036605（3）－036605（6）.

熊維德（1955— ），本科，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事電聲學(xué)、室內(nèi)聲學(xué)的教學(xué)與研究。

Double Layer Novel Left－h(huán)anded Metamaterial Cover Applied in WLAN Antenna

ZHU Jinxia，ZHANG Li，XIONG Weide

（Department of Physics and Engineering Technology，Sichuan Academy of Arts and Sciences，Sichuan Dazhou 635000，China）

In order to research characteristic of the antenna with left－h(huán)anded Metamaterial（LH MTM）cover，a novel LH MTM is designed，which is based on common combination of split ring resonators and metal wires.When this LH MTM cover is placed above WLAN antenna operating at 5.15 ～5.35 GHz and 5.725 ～5.825 GHz，the radiation patterns are improved obviously.Moreover，the operating frequencies are shifted downwards.Simulation results by HFSS and MATLAB show that this LH MTM structure has multitude frequency bands（2 ～3.5 GHz，3.8 ～7.3 GHz and 7.5 ～12 GHz）with characteristics of negative permittivity and negative permeability.As to WLAN antenna with double layer LH MTM，its operating frequencies decrease by 0.04 GHz and 0.09 GHz and the maximum gains increase 1 dB and 1.4 dB respectively.So，this proves that the design of the proposed LH MTM is valid.Besides，it provides a new method for design of antenna with LH MTM cover.

left－h(huán)anded metamaterial（LH MTM）;negative permittivity;negative permeability;DGS;WLAN antenna

TN82

A

【本文獻(xiàn)信息】竹錦霞，張莉，熊維德.雙層新型左手超介質(zhì)覆層在WLAN天線(xiàn)中的應(yīng)用［J］.電視技術(shù)，2013，37（3）.

四川省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（08ZA134）

竹錦霞（1976— ），女，碩士，講師，主研理論物理、射頻微波元器件設(shè)計(jì);

張 莉（1983— ），女，碩士生，助教，主研核物理與粒子物理;

責(zé)任編輯:薛 京

2012－06－27