基于左手材料的天線設(shè)計(jì)理念

隨著雷達(dá)應(yīng)用需求的不斷擴(kuò)展，作為關(guān)鍵部件的天線，尤其是主流的有源相控陣天線的發(fā)展日新月異。為適應(yīng)現(xiàn)代雷達(dá)的高設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，新的解決方案、設(shè)計(jì)理論、材料以及微波器件正不斷涌現(xiàn)，天線微波領(lǐng)域面臨著新的技術(shù)革命。左手材料(kft-Handed Material，LHM)作為一種應(yīng)用材料，可為天線微波領(lǐng)域提供更多的技術(shù)選擇。LHM具有介電常數(shù)占與磁導(dǎo)率p同時(shí)為負(fù)值的電磁特性，這與自然界中的大多數(shù)材料有著直接的差異。電磁波在該介質(zhì)中傳播時(shí)，電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度與傳播矢量三者遵循左手螺旋定則，因此存在負(fù)折射效應(yīng)、逆多普勒效應(yīng)、逆切侖科夫輻射和理想透鏡等多種奇特物理現(xiàn)象。

2001年，美國麻省理工學(xué)院的Smith等人根據(jù)Pendry的理論模型及設(shè)計(jì)思想，首次制備出在微波波段同時(shí)具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的材料，并通過實(shí)驗(yàn)觀察了負(fù)折射現(xiàn)象舊1。LHM由此引起了科學(xué)界的濃厚興趣，對(duì)其基本理論和實(shí)驗(yàn)的研究正不斷完善，其已成為近年來物理學(xué)和電磁學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1.左手材料(kft-Handed Material，LHM)作為一種應(yīng)用材料，可為天線微波領(lǐng)域提供更多的技術(shù)選擇。

LHM具有介電常數(shù)占與磁導(dǎo)率p同時(shí)為負(fù)值的電磁特性，這與自然界中的大多數(shù)材料(s與弘構(gòu)造的材料空間如圖1所示)有著直接的差異。電磁波在該介質(zhì)中傳播時(shí)，電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度與傳播矢量三者遵循左手螺旋定則，因此存在負(fù)折射效應(yīng)、逆多普勒效應(yīng)、逆切侖科夫輻射和理想透鏡等多種奇特物理現(xiàn)象?。2001年，美國麻省理工學(xué)院的Smith等人根據(jù)Pendry的理論模型及設(shè)計(jì)思想，首次制備出在微波波段同時(shí)具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的材料，并通過實(shí)驗(yàn)觀察到了負(fù)折射現(xiàn)象。LHM由此引起了科學(xué)界的濃厚興趣，對(duì)其基本理論和實(shí)驗(yàn)的研究正不斷完善，其已成為近年來物理學(xué)和電磁學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

圖 1.加載左手材料層貼片天線結(jié)構(gòu)

2.天線及陣列

復(fù)合左手結(jié)構(gòu)中存在4個(gè)頻帶區(qū)，分別為左手導(dǎo)波區(qū)、左手輻射區(qū)、右手輻射區(qū)和右手導(dǎo)波區(qū)，如圖3所示。當(dāng)頻率位于左手輻射區(qū)和右手輻射區(qū)時(shí)，垂直于該結(jié)構(gòu)平面方向的傳播常數(shù)k．變?yōu)閷?shí)數(shù)，該方向有漏波或輻射產(chǎn)生，這與普通微帶天線的輻射機(jī)理類似?；趶?fù)合左手傳輸線的漏波天線同普通漏波天線相比的2個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)復(fù)合左手傳輸線的基本模式下包括了輻射頻帶和導(dǎo)波頻帶，因此該漏波天線可工作在基本模式上；(2)在平衡復(fù)合左手傳輸線中β=0，而群速Ug不為O，故此時(shí)復(fù)合左手漏波天線可以向?qū)崿F(xiàn)法向輻射(邊射)，控制頻率的大小即可使天線獲得前向至后向的連續(xù)掃描輻射。

圖2.平衡和平衡結(jié)構(gòu)的復(fù)合左手傳輸線相移常數(shù)、折射率與頻率的關(guān)系

左手結(jié)構(gòu)應(yīng)用到微帶天線的設(shè)計(jì)中，還有其他特點(diǎn)：
(1)抑制微帶表面波效應(yīng)，減小天線的邊緣散射·，提高天線的輻射效率；
(2)可利用左手材料的平板透鏡聚焦特性，改善天線輻射性能，使天線的方向性更好，輻射增益更大。
(3)利用左手介質(zhì)的相位補(bǔ)償效應(yīng)，可突破傳統(tǒng)微帶天線的半波長電尺寸的束縛，使得小型化設(shè)計(jì)成為可能。

圖3.合左手微帶天線的色散曲線

3.零相位陣列饋電網(wǎng)絡(luò)

左手傳輸線中電磁波傳輸?shù)娜核倥c相速反向，故沿傳播方向的電磁波相位將超前。而傳統(tǒng)的右手傳輸線沿電磁波傳播方向相位是滯后的。設(shè)計(jì)由左手傳輸線和右手傳輸線共同組成的傳輸結(jié)構(gòu)，通過控制左右手混合傳輸線中右手傳輸線和左手傳輸線的長度比，即可獲得零相位延遲，從而避免由于天線單元饋電處非零相位延遲所導(dǎo)致的波束偏移。若將左手傳輸線工作頻率設(shè)計(jì)位平衡復(fù)合左手單元的過渡頻率。，則在該頻率處相移常數(shù)p=0，故由該單元級(jí)聯(lián)得到的復(fù)合左手傳輸線上各處的相位延遲均為零。由此可方便地設(shè)計(jì)出基于無限波長的同相串聯(lián)功率分配器。也可利用集總元件設(shè)計(jì)有效的無相差傳輸線，但器件建模精度對(duì)性能產(chǎn)生直接影響，其設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜。

4.寬帶巴侖

在復(fù)合左手傳輸線中，其相頻特性曲線的斜率和零相位點(diǎn)均可進(jìn)行調(diào)整。利用這一特點(diǎn)，可以將普通微帶延遲線與復(fù)合左手傳輸線結(jié)合，設(shè)計(jì)出具有較好的寬帶特性的微帶巴倫功分器。

左手材料在天線微波領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用已越來越廣泛，如在平面波導(dǎo)中部分填充左手材料從而形成超級(jí)波導(dǎo)，這種超級(jí)波導(dǎo)中傳輸?shù)哪芰勘绕胀ú▽?dǎo)中能夠傳輸?shù)哪芰恳蟪鲈S多利用有限尺寸的左手材料可將能量限制在一個(gè)小的范圍內(nèi)，其有望在窄帶濾波器的設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用；將左手材料覆蓋在介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)上對(duì)原有的頻率選擇特性的影響|，故左手材料還可用在頻率選擇表面上。