基于左手材料的天線設(shè)計理念
隨著雷達(dá)應(yīng)用需求的不斷擴展,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)計指標(biāo)要求,新的解決方案、設(shè)計理論、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,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(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。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/185497.htm2001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)計思想,首次制備出在微波波段同時具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的材料,并通過實驗觀察了負(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(xué)和電磁學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。
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,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(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)計思想,首次制備出在微波波段同時具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的材料,并通過實驗觀察到了負(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(xué)和電磁學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。
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,垂直于該結(jié)構(gòu)平面方向的傳播常數(shù)k.變?yōu)閷崝?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個顯著優(yōu)點:(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)計中,還有其他特點:
(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)計有效的無相差傳輸線,但器件建模精度對性能產(chǎn)生直接影響,其設(shè)計也較為復(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均可進行調(diào)整。利用這一特點,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波導(dǎo),這種超級波導(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小的范圍內(nèi),其有望在窄帶濾波器的設(shè)計中得到應(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。
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