基于左手材料的天线设计理念

随着雷达应用需求的不断扩展，作为关键部件的天线，尤其是主流的有源相控阵天线的发展日新月异。为适应现代雷达的高设计指标要求，新的解决方案、设计理论、材料以及微波器件正不断涌现，天线微波领域面临着新的技术革命。左手材料(kft-Handed Material，LHM)作为一种应用材料，可为天线微波领域提供更多的技术选择。LHM具有介电常数占与磁导率p同时为负值的电磁特性，这与自然界中的大多数材料有着直接的差异。电磁波在该介质中传播时，电场强度、磁场强度与传播矢量三者遵循左手螺旋定则，因此存在负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射和理想透镜等多种奇特物理现象。

2001年，美国麻省理工学院的Smith等人根据Pendry的理论模型及设计思想，首次制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的材料，并通过实验观察了负折射现象旧1。LHM由此引起了科学界的浓厚兴趣，对其基本理论和实验的研究正不断完善，其已成为近年来物理学和电磁学领域的研究热点。

1.左手材料(kft-Handed Material，LHM)作为一种应用材料，可为天线微波领域提供更多的技术选择。

LHM具有介电常数占与磁导率p同时为负值的电磁特性，这与自然界中的大多数材料(s与弘构造的材料空间如图1所示)有着直接的差异。电磁波在该介质中传播时，电场强度、磁场强度与传播矢量三者遵循左手螺旋定则，因此存在负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射和理想透镜等多种奇特物理现象?。2001年，美国麻省理工学院的Smith等人根据Pendry的理论模型及设计思想，首次制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的材料，并通过实验观察到了负折射现象。LHM由此引起了科学界的浓厚兴趣，对其基本理论和实验的研究正不断完善，其已成为近年来物理学和电磁学领域的研究热点。

图 1.加载左手材料层贴片天线结构

2.天线及阵列

复合左手结构中存在4个频带区，分别为左手导波区、左手辐射区、右手辐射区和右手导波区，如图3所示。当频率位于左手辐射区和右手辐射区时，垂直于该结构平面方向的传播常数k．变为实数，该方向有漏波或辐射产生，这与普通微带天线的辐射机理类似。基于复合左手传输线的漏波天线同普通漏波天线相比的2个显著优点：(1)复合左手传输线的基本模式下包括了辐射频带和导波频带，因此该漏波天线可工作在基本模式上；(2)在平衡复合左手传输线中β=0，而群速Ug不为O，故此时复合左手漏波天线可以向实现法向辐射(边射)，控制频率的大小即可使天线获得前向至后向的连续扫描辐射。

图2.平衡和平衡结构的复合左手传输线相移常数、折射率与频率的关系

左手结构应用到微带天线的设计中，还有其他特点：
(1)抑制微带表面波效应，减小天线的边缘散射·，提高天线的辐射效率；
(2)可利用左手材料的平板透镜聚焦特性，改善天线辐射性能，使天线的方向性更好，辐射增益更大。
(3)利用左手介质的相位补偿效应，可突破传统微带天线的半波长电尺寸的束缚，使得小型化设计成为可能。

图3.合左手微带天线的色散曲线

3.零相位阵列馈电网络

左手传输线中电磁波传输的群速与相速反向，故沿传播方向的电磁波相位将超前。而传统的右手传输线沿电磁波传播方向相位是滞后的。设计由左手传输线和右手传输线共同组成的传输结构，通过控制左右手混合传输线中右手传输线和左手传输线的长度比，即可获得零相位延迟，从而避免由于天线单元馈电处非零相位延迟所导致的波束偏移。若将左手传输线工作频率设计位平衡复合左手单元的过渡频率。，则在该频率处相移常数p=0，故由该单元级联得到的复合左手传输线上各处的相位延迟均为零。由此可方便地设计出基于无限波长的同相串联功率分配器。也可利用集总元件设计有效的无相差传输线，但器件建模精度对性能产生直接影响，其设计也较为复杂。

4.宽带巴仑

在复合左手传输线中，其相频特性曲线的斜率和零相位点均可进行调整。利用这一特点，可以将普通微带延迟线与复合左手传输线结合，设计出具有较好的宽带特性的微带巴伦功分器。

左手材料在天线微波领域内的应用已越来越广泛，如在平面波导中部分填充左手材料从而形成超级波导，这种超级波导中传输的能量比普通波导中能够传输的能量要大出许多利用有限尺寸的左手材料可将能量限制在一个小的范围内，其有望在窄带滤波器的设计中得到应用；将左手材料覆盖在介质周期结构上对原有的频率选择特性的影响|，故左手材料还可用在频率选择表面上。