左手材料在天線上的應用
2020-12-15 電子產品世界
隨著雷達應用需求的不斷擴展，作為關鍵部件的天線，尤其是主流的有源相控陣天線的發展日新月異。為適應現代雷達的高設計指標要求，新的解決方案、設計理論、材料以及微波器件正不斷湧現，天線微波領域面臨著新的技術革命。左手材料(kft-Handed Material，LHM)作為一種應用材料，可為天線微波領域提供更多的技術選擇。LHM具有介電常數佔與磁導率p同時為負值的電磁特性，這與自然界中的大多數材料有著直接的差異。電磁波在該介質中傳播時，電場強度、磁場強度與傳播矢量三者遵循左手螺旋定則，因此存在負折射效應、逆都卜勒效應、逆切侖科夫輻射和理想透鏡等多種奇特物理現象。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/186583.htm2001年，美國麻省理工學院的Smith等人根據Pendry的理論模型及設計思想，首次製備出在微波波段同時具有負介電常數和負磁導率的材料，並通過實驗觀察了負折射現象舊1。LHM由此引起了科學界的濃厚興趣，對其基本理論和實驗的研究正不斷完善，其已成為近年來物理學和電磁學領域的研究熱點。
1.左手材料(kft-Handed Material，LHM)作為一種應用材料，可為天線微波領域提供更多的技術選擇。
LHM具有介電常數佔與磁導率p同時為負值的電磁特性，這與自然界中的大多數材料(s與弘構造的材料空間如圖1所示)有著直接的差異。電磁波在該介質中傳播時，電場強度、磁場強度與傳播矢量三者遵循左手螺旋定則，因此存在負折射效應、逆都卜勒效應、逆切侖科夫輻射和理想透鏡等多種奇特物理現象?。2001年，美國麻省理工學院的Smith等人根據Pendry的理論模型及設計思想，首次製備出在微波波段同時具有負介電常數和負磁導率的材料，並通過實驗觀察到了負折射現象。LHM由此引起了科學界的濃厚興趣，對其基本理論和實驗的研究正不斷完善，其已成為近年來物理學和電磁學領域的研究熱點。
圖 1.加載左手材料層貼片天線結構
2.天線及陣列
複合左手結構中存在4個頻帶區，分別為左手導波區、左手輻射區、右手輻射區和右手導波區，如圖3所示。當頻率位於左手輻射區和右手輻射區時，垂直於該結構平面方向的傳播常數k．變為實數，該方向有漏波或輻射產生，這與普通微帶天線的輻射機理類似。基於複合左手傳輸線的漏波天線同普通漏波天線相比的2個顯著優點：(1)複合左手傳輸線的基本模式下包括了輻射頻帶和導波頻帶，因此該漏波天線可工作在基本模式上；(2)在平衡複合左手傳輸線中β=0，而群速Ug不為O，故此時複合左手漏波天線可以向實現法向輻射(邊射)，控制頻率的大小即可使天線獲得前向至後向的連續掃描輻射。
圖2.平衡和平衡結構的複合左手傳輸線相移常數、折射率與頻率的關係
左手結構應用到微帶天線的設計中，還有其他特點：
(1)抑制微帶表面波效應，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)利用左手介質的相位補償效應，可突破傳統微帶天線的半波長電尺寸的束縛，使得小型化設計成為可能。
圖3.合左手微帶天線的色散曲線
3.零相位陣列饋電網絡
左手傳輸線中電磁波傳輸的群速與相速反向，故沿傳播方向的電磁波相位將超前。而傳統的右手傳輸線沿電磁波傳播方向相位是滯後的。設計由左手傳輸線和右手傳輸線共同組成的傳輸結構，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，從而避免由於天線單元饋電處非零相位延遲所導致的波束偏移。若將左手傳輸線工作頻率設計位平衡複合左手單元的過渡頻率。，則在該頻率處相移常數p=0，故由該單元級聯得到的複合左手傳輸線上各處的相位延遲均為零。由此可方便地設計出基於無限波長的同相串聯功率分配器。也可利用集總元件設計有效的無相差傳輸線，但器件建模精度對性能產生直接影響，其設計也較為複雜。
4.寬帶巴侖
在複合左手傳輸線中，其相頻特性曲線的斜率和零相位點均可進行調整。利用這一特點，可以將普通微帶延遲線與複合左手傳輸線結合，設計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域內的應用已越來越廣泛，如在平面波導中部分填充左手材料從而形成超級波導，這種超級波導中傳輸的能量比普通波導中能夠傳輸的能量要大出許多利用有限尺寸的左手材料可將能量限制在一個小的範圍內，其有望在窄帶濾波器的設計中得到應用；將左手材料覆蓋在介質周期結構上對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。
相關焦點
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左手材料在天線設計中的主要應用
相對而言，在左手材料的研究領域，又常常把常規的普通材料叫做右手材料（Right-Handed Materials，RHM）。近年來，隨著人們對左手材料電磁特性的逐漸熟悉，關於其在微波、太赫茲波以及光波波段的應用研究越來越多。尤其是左手材料在各種微波元器件和天線中的應用 成為近年來左手材料研究的熱點領域，這種新型材料的的使用可以大大改善器件的性能，縮小其體積等。 -
基於左手材料的天線設計理念
左手材料(kft-Handed Material，LHM)作為一種應用材料，可為天線微波領域提供更多的技術選擇。 1.左手材料(kft-Handed Material，LHM)作為一種應用材料，可為天線微波領域提供更多的技術選擇。 LHM具有介電常數佔與磁導率p同時為負值的電磁特性，這與自然界中的大多數材料(s與弘構造的材料空間如圖1所示)有著直接的差異。 -
基於左手結構的天線領域應用
為適應現代雷達的高設計指標要求，新的解決方案、設計理論、材料以及微波器件正不斷湧現，天線微波領域面臨著 新的技術革命。左手材料（kft-Handed Material,LHM）作為一種應用材料，可為天線微波領域提供更多的技術選擇。LHM具有介電常數佔與磁導率p同時為負值的電磁特性，這與自然界中 的大多數材料有著直接的差異。 -
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