基于复合左右手材料的新颖小型天线设计

摘要 本文提出一种基于复合左右手特异性材料构成的微带漏波天线小型化方法，小型化方法的依据是在理论分析天线的基础上，对天线模型进行软件仿真和对实物天线测试验证之后得到。研究中发现，复合左右手特异性材料微带漏波天线工作于左手区时，电磁波辐射主要发生在天线前几个单元。根据这个规律，设计了一个小型的微带漏波天线，经试验验证有较好的性能，工作于左手区时可以实现电控波束扫描。

关键词 特异性材料；漏波天线；瞬态仿真

中图分类号 TN823

A novel compact antenna based on composite right/left-handed metamaterials

Abstract This paper presents a microstrip leaky-wave antenna miniaturization methods based on the composite right/left-handed metamaterials.This miniaturization method is obtained by the theoretical analysis on microstrip leaky-wave antenna,the antenna model simulation and the physical antenna test. It is found that the composite right/legft-handed metamaterials microstrip leaky-wave antenna radiation appears mainly in the first few antenna elements when it works in the left-hand zone. Based on the phenomenon, a compact microstrip leaky-wave antenna is designed. It is proved to own the better performance by the test. And the changing of the main beam direction controll by electronically is achieved when it works on the left-hand zone.

Key words  metamaterials; leaky-wave antenna; transient simulation

引言

天线是一种空间电磁波和导行波相互转换的结构，它是无线电通讯系统或空间通讯系统的重要部件，其性能及尺寸对通信系统有着很大的影响。在现代通信系统中，越来越需要小型化、紧凑型的天线，即要求天线不仅有较宽的带宽、较好的效率和较高的增益，还要有低成本、低重量和低剖面。基于这些要求，近年来，同时具有负介电常数ε、负磁导率μ和负折射率的特异材料^[1，2]在天线中的应用引起广泛的关注。应用这些特性来提高天线性能的各种方法已经得到广泛的讨论，比如文章^[3]中试验验证了负折射率特异性材料的后向波辐射。文章^[4]提出特异性材料应用于天线发射的问题。2002年A.Grbic

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基金项目：国家基础研究973项目（2006CB921701），国家自然科学基金资助项目（No：10904032）

和G. V. Eleftheriades等人通过在传输线中周期性地加载电容和电感等元件来构成负折射

率材料，实现了天线的后向波辐射^[5，6]。文章^[7]研制了一个工作于主模式实现由后向到前向频率扫描的天线。2004年C. Caloz和T. Itoh等人提出了基于复合左右手特异性材料概念的电控扫描周期性微带漏波天线^[8]，利用叉指型电容、旁支电感和加载的变容二极管实现复合左右手特性和电压控制波束扫描。2007年张冶文等人提出的基于谐振结构的左右手传输线的奇异传输性质，将这种传输线应用于漏波天线研究^[9]。

在以上工作的基础上，本文提出一种固定频率电控波束扫描的小型微带漏波天线，它是基于复合左右手特异性材料的概念产生的，特点是在小型化的同时，能实现辐射波束在左手区的较小范围后向扫描。