双层新型左手超介质覆层在WLAN天线中的应用

竹锦霞，张 莉，熊维德

（四川文理学院物理与工程技术系，四川达州 635000）

双层新型左手超介质覆层在WLAN天线中的应用

竹锦霞，张 莉，熊维德

（四川文理学院物理与工程技术系，四川达州 635000）

以加载左手超介质覆层对天线性能改进为目的，基于传统的开口谐振环和金属杆的变形组合，设计出一种等效介电常数和磁导率均小于0的多左手频带超介质覆层。将此覆层加载在工作频段为5.15～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz的WLAN微带天线上，天线工作频率降低且辐射方向图得到了良好的改善。HFSS和MATLAB仿真结果表明，设计的左手超介质覆层在2～3.5 GHz，3.8～7.3 GHz和7.5～12 GHz这3个频段具有左手特性，WLAN双频天线在加载双层左手超介质覆层后，工作频率分别降低了0.04 GHz和0.09 GHz，其最大增益分别提高了1 dB和1.4 dB，从而验证了设计的正确性。同时为设计性能更优良的左手超介质覆层天线提供了新思路。

左手超介质;负介电常数;负磁导率;DGS;WLAN天线

左手超介质是一种介电常数和磁导率在某一波段展现为负值的人工复合材料。早在1968年，苏联物理学家Veselago在理论计算中就提出了它的概念。由于它在自然界中无法找到，所以在其后的30年左手超介质研究领域一直都没有取得很大的进展，直到1999年，Pendry教授指出周期排列的细导线阵列和周期放置的开口谐振环阵列可以在微波波段分别展现出负介电常数效应和负磁导率效应。根据这一经典发现，2000年Smith加工出了历史上第一块左手超介质材料［1］。

随后，越来越多的学者开始研究这种具有奇异电磁特性的左手超介质材料。关于对构建结构简单、物理尺寸小的左手超介质单元模型的研究，更是赢得很多人的青睐。迄今为止，很多具有优良特性的变形结构相继被提出，诸如Ziolkowski提出的由CLS（Capacitively Loaded Strips）和CLL（Capacitively Loaded Loops）以及由CLS和SRR构成的左手材料;Yi－Jang Hsu提出的一种比SRR（Split Ring Resonators）体积更小、结构更简单的DSRR（Deformed Split Ring Resonators）超介质［2］。将左手超介质加载到微波天线中，可以突破传统天线的半波长限制和减小天线的后向能量辐射，实现天线的小型化和高增益。文献［3］中，在天线的介质基板内加载左手超介质，天线的谐振频率下降，其物理尺寸降到0.21λ0，但大量的左手超介质单元使天线结构变的更为复杂，造成电磁能量损耗严重，增益反而降低。文献［4－5］中，在微带天线的前方放置左手超介质覆层，其方向性和增益都大大提高，但覆层中众多的超介质组合单元却要耗费大量的仿真时间和计算机内存资源。文献［6－7］中设计的左手超介质覆层具有的左手频段较窄，限制了自身在多频、超宽带天线中的广泛应用。

本文提出了一种基于传统SRR和金属杆变形组合的左手超介质模型，在2～12 GHz中具有多个左手频段。由于其结构简单、单元数目少和左手频段宽的优点，不仅可以节省大量的仿真时间和计算机内存资源，而且还可以广泛运用在多频、超宽带天线的覆层中，来实现微带天线小型化和高方向性。

1 左手超介质覆层的设计及分析

本文设计的左手超介质覆层采用Rogers RO6010介质基板，其介电常数ε=10.2。结构如图1a所示，在边长为p、高为h的正方形介质板的正中央，有一条宽为w的微带线，在微带线两边对称地分布了2个双层结构的TSRR（Triangular Split Ring Resonators）。如图1b，该双层结构的TSRR开口相对放置。在介质基板下方是一块边长也为p的薄金属板，如图1c所示，在其正中间与TSRR相对应的位置有2个边长为L的正方形缺口，它们通过正中央一条宽为g的缝隙相连通，构成哑铃型DGS（Defected Ground Structures）。

图1 左手超介质覆层

为了确定左手超介质的电磁特性，HFSS软件被选用为三维结构的仿真软件。将仿真结果中的S参数导入到MATLAB 中，利用 Nicolson－Ross－Weir（NRW）方法［8］，可以具体地计算出有效磁导率和介电常数。

一维均匀平板的转移矩阵的归一化解析形式为

式中:n和Z是材料的折射率和波阻抗;d是材料单元的厚度;k是自由空间的波数。

利用二端口网络转移矩阵和散射矩阵的变换关系可得

由式（2）可得

所求磁导率μ和介电常数ε与n和Z之间的关系为

2 左手超介质覆层天线设计及结果分析

通过HFSS仿真得到微带线二端口的S参数幅度和相位随频率的变化曲线，微调左手超介质覆层结构，得到最终优化尺寸如表1所示。

表1 左手超介质覆层主要指标 mm

利用NRW方法可以精确地得到有效介电常数和有效磁导率随频率变化曲线。图2中，在2～3.5 GHz，3.8～7.3 GHz和7.5～12 GHz这3个频段，有效介电常数和磁导率实部均为负值，因此设计的超介质覆层在这3个频段都具有左手特性。

图2 电磁参数提取结果

如图3所示，在拟设计的天线上方加载左手超介质覆层，通过研究加载后天线性能的改进来验证左手超介质覆层设计的正确性。拟定本设计天线工作频率范围覆盖WLAN 的 2 个高频段为 5.1 ～5.35 GHz和 5.725 ～5.825 GHz。从图4中HFSS仿真结果可知，WLAN天线在5.22 GHz和5.75 GHz所展现的2个贴片辐射模式的最大增益分别为4 dB和4.6 dB。

在5.15～5.35 GHz和 5.725 ～5.825 GHz两个频段内，左手超介质覆层的相对介电常数和磁导率均小于0。WLAN双频天线加载双层左手超介质覆层后，辐射能量会更为集中，其增益和方向性将进一步提高。从图5中HFSS仿真结果可知，加载左手超介质覆层后，WLAN天线在两个工作频段内的最大增益分别增加了1 dB和1.4 dB，体现了更为优良的方向性。同时，两个谐振频率分别降低了0.04 GHz和0.09 GHz，这也为实现天线小型化提供了一种新的思路。

图5 加载左手超介质覆层WLAN天线仿真结果

3 结论

本文利用HFSS三维电磁仿真软件和MATLAB设计并仿真了一种具有多个左手频带的超介质覆层。在2～3.5 GHz，3.8 ～7.3 GHz和7.5 ～12 GHz这3 个频段，其等效介电常数和磁导率均小于0。将双层左手超介质覆层加载到工作频率范围为5.15 ～5.35 GHz和5.725 ～5.825 GHz的双频WLAN天线上，其天线的工作频率降低，辐射方向图也得到了良好的改善。因此，本文设计的左手超介质覆层可以广泛应用到工作频率在S，C频段的天线中，来实现天线小型化和高增益。

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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］赵娜.左手材料微带天线的研究［D］.西安:西安电子科技大学，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］曹卫平，廖俊，李思敏.超介质覆层在偶极子天线上的应用［J］.电视技术，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）.

熊维德（1955— ），本科，高级实验师，主要从事电声学、室内声学的教学与研究。

Double Layer Novel Left－handed 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－handed 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－handed metamaterial（LH MTM）;negative permittivity;negative permeability;DGS;WLAN antenna

TN82

A

【本文献信息】竹锦霞，张莉，熊维德.双层新型左手超介质覆层在WLAN天线中的应用［J］.电视技术，2013，37（3）.

四川省自然科学基金项目（08ZA134）

竹锦霞（1976— ），女，硕士，讲师，主研理论物理、射频微波元器件设计;

张 莉（1983— ），女，硕士生，助教，主研核物理与粒子物理;

责任编辑:薛 京

2012－06－27