左手材料在天线设计中的主要应用

本文中，主要对近年来左手材料在天线领域中的应用进行小结，以便对下一步的深入研究工作打好基础。

左手材料（Left-Handed Materials，LHM）是指一种介电常数和磁导率同时为负值的材料。电磁波在其中传播时，波矢量K，电场E和磁场H之间的关系符合左手螺旋关系，因此称为左手材料。相对而言，在左手材料的研究领域，又常常把常规的普通材料叫做右手材料（Right-Handed Materials，RHM）。

近年来，随着人们对左手材料电磁特性的逐渐熟悉，关于其在微波、太赫兹波以及光波波段的应用研究越来越多。尤其是左手材料在各种微波元器件和天线中的应用 成为近年来左手材料研究的热点领域，这种新型材料的的使用可以大大改善器件的性能，缩小其体积等。虽然目前左手材料的应用还处于理论和实验阶段，但其依然 有着巨大的应用价值和潜力。

一、左手材料对天线性能的影响

1、SRR可以直接作为天线辐射单元
设计了一款以SRR为辐射单元的RFID读写器天线。该天线采用共面波导馈电，具有较好的阻抗和辐射特性。文献[6]中设计、测试了一款负磁导率结构的电小环天线，它具有尺寸小、成本低、重量轻等优点，可用于RFID等无线通信领域。

2、左手材料加载到传统天线上
将左手材料加载到传统天线上，可以优化天线的性能，主要表现在：

（Burokur等人研究了将左手材料放置在微带天线辐射面的上方^{[8]中也有分析，文中给开口贴片天线加载开口谐振环形式的左手材料，如图}

图（2）提高天线的带宽和阻抗匹配特性
将左手材料加载于微带天线上，经试验发现可以提高天线的带宽，改善阻抗匹配特性等。但目前关于这一方面理论分析的文章较少。

（Richard等人将负电导率的材料制作成半球形罩加载在通用的电小天线上，大大提高了电小天线的效率，可是其效率接近于4）降低谐振频率，减小天线尺寸
Karimzadeh Baeel等人在研究[10]。另外，南京大学冯一军教授等人采用简化左手传输线结构设计了一款微带谐振天线，其尺寸比传统的半波长微带贴片天线减少了一半^{天线设计有很大的发展前景，值得对其进行深入研究。}

二、左手材料在天线设计中的主要应用

RFID天线对于减少重复设计和降低成本都是很有意义的。目前关于宽带RFID标签天线设计的文献很多，但关于宽带读写器天线的文献却未查到。分析其原因，主要因为读写器天线常常采用微带圆极化天线，而普通的微带贴片天线其带宽只能达到5%~7%左右，带宽较窄也是限制微带天线应用的主要瓶颈。结合左手材料的相关特性，本人认为可先设计一款中心频率的为RFID读写器天线。这是我下一步希望展开的工作。

Lagarkov通过对表面布置左手材料的金属圆柱体的电磁特性进行分析，指出上述结构完全可以用来制造反射面反射面天线的反射器部分。从而改变了传统的只有凹面才能作为反射器的情况，使得凸面也能作为反射器^{[13]中提到在反射面上加载左手材料可以在不增大反射面的情况下提高天线的口面效率和方向性。}

2000年就提出可以使用左手材料平板实现“完美透镜”，分辨率可以达到小于一个波长的精度。用左手材料做透镜，首先不需要再做成曲面的形状，其次它可以放大消逝波，可以将中途衰减的信息进行幅度补偿。文献CRLH TL）结构的负折射率透镜，并将该透镜应用于天线中实现了宽波束扫描的功能，另外左手材料也可以实现透镜的小型化。但是将透镜加载在具体的辐射体上（比如透镜加喇叭）的应用，还没有相关文献。

图CRLH TL结构，其左手通带和右手通带的过渡段上有个特殊的非零频率点，在此点上电磁波的相位常数β2示）。如果再适当调节分布结构，使得左手传输线和右手传输线具有相等的特性阻抗，此时即可以实现一个新型的零阶谐振器（ZOR）。此类ZOR可以制作成零阶谐振天线（CRLH TL结构的CRLH TL单元的增加，天线的增益会增加。由于基于ZOR Antenna省略了馈电网络，它的尺寸和损耗都比微带阵列天线小。此类天线的设计在文献]、6]、