雙層新型左手超介質覆層在WLAN天線中的應用

竹錦霞，張 莉，熊維德

（四川文理學院物理與工程技術系，四川達州 635000）

雙層新型左手超介質覆層在WLAN天線中的應用

竹錦霞，張 莉，熊維德

（四川文理學院物理與工程技術系，四川達州 635000）

以加載左手超介質覆層對天線性能改進為目的，基于傳統(tǒng)的開口諧振環(huán)和金屬桿的變形組合，設計出一種等效介電常數和磁導率均小于0的多左手頻帶超介質覆層。將此覆層加載在工作頻段為5.15～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz的WLAN微帶天線上，天線工作頻率降低且輻射方向圖得到了良好的改善。HFSS和MATLAB仿真結果表明，設計的左手超介質覆層在2～3.5 GHz，3.8～7.3 GHz和7.5～12 GHz這3個頻段具有左手特性，WLAN雙頻天線在加載雙層左手超介質覆層后，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，從而驗證了設計的正確性。同時為設計性能更優(yōu)良的左手超介質覆層天線提供了新思路。

左手超介質;負介電常數;負磁導率;DGS;WLAN天線

左手超介質是一種介電常數和磁導率在某一波段展現為負值的人工復合材料。早在1968年，蘇聯(lián)物理學家Veselago在理論計算中就提出了它的概念。由于它在自然界中無法找到，所以在其后的30年左手超介質研究領域一直都沒有取得很大的進展，直到1999年，Pendry教授指出周期排列的細導線陣列和周期放置的開口諧振環(huán)陣列可以在微波波段分別展現出負介電常數效應和負磁導率效應。根據這一經典發(fā)現，2000年Smith加工出了歷史上第一塊左手超介質材料［1］。

隨后，越來越多的學者開始研究這種具有奇異電磁特性的左手超介質材料。關于對構建結構簡單、物理尺寸小的左手超介質單元模型的研究，更是贏得很多人的青睞。迄今為止，很多具有優(yōu)良特性的變形結構相繼被提出，諸如Ziolkowski提出的由CLS（Capacitively Loaded Strips）和CLL（Capacitively Loaded Loops）以及由CLS和SRR構成的左手材料;Yi－Jang Hsu提出的一種比SRR（Split Ring Resonators）體積更小、結構更簡單的DSRR（Deformed Split Ring Resonators）超介質［2］。將左手超介質加載到微波天線中，可以突破傳統(tǒng)天線的半波長限制和減小天線的后向能量輻射，實現天線的小型化和高增益。文獻［3］中，在天線的介質基板內加載左手超介質，天線的諧振頻率下降，其物理尺寸降到0.21λ0，但大量的左手超介質單元使天線結構變的更為復雜，造成電磁能量損耗嚴重，增益反而降低。文獻［4－5］中，在微帶天線的前方放置左手超介質覆層，其方向性和增益都大大提高，但覆層中眾多的超介質組合單元卻要耗費大量的仿真時間和計算機內存資源。文獻［6－7］中設計的左手超介質覆層具有的左手頻段較窄，限制了自身在多頻、超寬帶天線中的廣泛應用。

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模型，在2～12 GHz中具有多個左手頻段。由于其結構簡單、單元數目少和左手頻段寬的優(yōu)點，不僅可以節(jié)省大量的仿真時間和計算機內存資源，而且還可以廣泛運用在多頻、超寬帶天線的覆層中，來實現微帶天線小型化和高方向性。

1 左手超介質覆層的設計及分析

本文設計的左手超介質覆層采用Rogers RO6010介質基板，其介電常數ε=10.2。結構如圖1a所示，在邊長為p、高為h的正方形介質板的正中央，有一條寬為w的微帶線，在微帶線兩邊對稱地分布了2個雙層結構的TSRR（Triangular Split Ring Resonators）。如圖1b，該雙層結構的TSRR開口相對放置。在介質基板下方是一塊邊長也為p的薄金屬板，如圖1c所示，在其正中間與TSRR相對應的位置有2個邊長為L的正方形缺口，它們通過正中央一條寬為g的縫隙相連通，構成啞鈴型DGS（Defected Ground Structures）。

圖1 左手超介質覆層

為了確定左手超介質的電磁特性，HFSS軟件被選用為三維結構的仿真軟件。將仿真結果中的S參數導入到MATLAB 中，利用 Nicolson－Ross－Weir（NRW）方法［8］，可以具體地計算出有效磁導率和介電常數。

一維均勻平板的轉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。

利用二端口網絡轉移矩陣和散射矩陣的變換關系可得

由式（2）可得

所求磁導率μ和介電常數ε與n和Z之間的關系為

2 左手超介質覆層天線設計及結果分析

通過HFSS仿真得到微帶線二端口的S參數幅度和相位隨頻率的變化曲線，微調左手超介質覆層結構，得到最終優(yōu)化尺寸如表1所示。

表1 左手超介質覆層主要指標 mm

利用NRW方法可以精確地得到有效介電常數和有效磁導率隨頻率變化曲線。圖2中，在2～3.5 GHz，3.8～7.3 GHz和7.5～12 GHz這3個頻段，有效介電常數和磁導率實部均為負值，因此設計的超介質覆層在這3個頻段都具有左手特性。

圖2 電磁參數提取結果

如圖3所示，在擬設計的天線上方加載左手超介質覆層，通過研究加載后天線性能的改進來驗證左手超介質覆層設計的正確性。擬定本設計天線工作頻率范圍覆蓋WLAN 的 2 個高頻段為 5.1 ～5.35 GHz和 5.725 ～5.825 GHz。從圖4中HFSS仿真結果可知，WLAN天線在5.22 GHz和5.75 GHz所展現的2個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兩個頻段內，左手超介質覆層的相對介電常數和磁導率均小于0。WLAN雙頻天線加載雙層左手超介質覆層后，輻射能量會更為集中，其增益和方向性將進一步提高。從圖5中HFSS仿真結果可知，加載左手超介質覆層后，WLAN天線在兩個工作頻段內的最大增益分別增加了1 dB和1.4 dB，體現了更為優(yōu)良的方向性。同時，兩個諧振頻率分別降低了0.04 GHz和0.09 GHz，這也為實現天線小型化提供了一種新的思路。

圖5 加載左手超介質覆層WLAN天線仿真結果

3 結論

本文利用HFSS三維電磁仿真軟件和MATLAB設計并仿真了一種具有多個左手頻帶的超介質覆層。在2～3.5 GHz，3.8 ～7.3 GHz和7.5 ～12 GHz這3 個頻段，其等效介電常數和磁導率均小于0。將雙層左手超介質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天線上，其天線的工作頻率降低，輻射方向圖也得到了良好的改善。因此，本文設計的左手超介質覆層可以廣泛應用到工作頻率在S，C頻段的天線中，來實現天線小型化和高增益。

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［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.左手材料微帶天線的研究［D］.西安:西安電子科技大學，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.超介質覆層在偶極子天線上的應用［J］.電視技術，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，高級實驗師，主要從事電聲學、室內聲學的教學與研究。

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

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

四川省自然科學基金項目（08ZA134）

竹錦霞（1976— ），女，碩士，講師，主研理論物理、射頻微波元器件設計;

張 莉（1983— ），女，碩士生，助教，主研核物理與粒子物理;

責任編輯:薛 京

2012－06－27