【文章摘要】

本文设计了一种小单元、宽频带的左手材料，并将其应用于微带天线中，提高天线的增益，减小天线波瓣，经过电磁仿真的结果表明引用负磁导率材料后天线增益提高了1.2dB，使用左手材料覆盖层后天线增益提高了4.2dB。

【关键词】

左手材料；负磁导率材料；微带

左手材料是一种介电常数和磁导率同时为负的人造材料，利用左手材料奇特的电磁特性，如禁带效应和完美透镜效应等，可以改善天线的辐射特性，可以使天线的带宽增加，辐射增益更大。

而低增益性是微带天线的一个主要缺点，近年来对于如何提高天线增益人们做出很多努力，展开了大量研究工作， 提高增益的方法主要有：1、将加载左手材料的介质层覆盖在微带天线前方，发现这样的引入可以改善天线的聚焦性和方向性，从而改善微带天线的性能；2、将左右手材料复合做成基板，在两种材料的分界面基板中激励起的表面波发生负折射，折射波经金属接地板反射后在分界面处再次发生负折射，在天线基板中表面波的传播路径闭合，天线的边沿辐射被抑制，减少天线阵元间的干扰，从而提高方向性和辐射效率。

1 设计普通微带天线

首先应设计一个中心频率为10GHz 的普通贴片微带天线，方便与加载左手材料的微带天线进行比较，采用厚度为1.4mm、面积为67 ╳ 67mm 的介质基板， 贴片长度为15mm，宽度为11mm。

2 设计负磁导率材料

负磁导率材料的设计要根据普通微带天线的中心工作频率而定，要尽量使负磁导率材料的谐振频率与微带天线的中心工作频率一致。可以通过调节“回”型负磁导率材料的几何参数来实现。对于上文所提出的中心工作频率为10GHz 的普通贴片微带天线，为保证其谐振频率也为10GHz，“回”型磁谐振器的几何参数设计应为：开口深度c=0.5mm，内外环距离e=0.14mm，内外环宽度d=0.24mm，外环边长为2.2mm， 外环开口宽度为1.2mm，内环开口宽度为0.7mm。在厚度为1.4mm、面积为67mm ╳ 67mm 的介质基板的两面刻蚀行间距和列间距都为5.5mm 的“回”型负磁导率材料，一共刻蚀11 行11 列，得到此负磁导率材料的微波透射曲线如图1 所示，图中可以看出，与普通微带天线相比，谐振频率接近10GHz，与普通微带天线中心频率基本一致，且出现了强度为31dB 的谐振峰，谐振峰表现为带阻性。

3 在微带天线中加入负磁导率材料

将负磁导率材料引入到微带天线基板中，将“回”型负磁导率材料阵列围绕在贴片周围，利用其禁带效应抑制微带天线的表面波。从增益方向图上看，其增益分别为5.8dB 和7.1dB，天线的增益提高了1.3dB。

图1 周期性排列的“回”型负磁导率材料的微波透射曲线

4 设计左手材料

在“回”型负磁导率材料的基础上， 介质另一面加入工型金属线变可制成左手材料，工型金属线的几何参数为：长度l=60mm，线的宽度w=0.14mm，工型线的宽度为m=0.25mm。在厚度为1.4mm、面积为67mm ╳ 67mm 的介质基板的两面刻蚀行间距和列间距都为5.5mm 的“回” 型负磁导率材料，一共刻蚀11 行11 列， 得到其微波透射曲线如图3 所示，从图中可以看出，在8.5GHz~13.5GHz 的区域内出现左手透射峰，普通微带天线的中心工作频率恰好在这个范围内。

5 将左手材料应用于微带天线中

在普通贴片微带天线前方覆盖周期性排列的“回”型负磁导率材料阵列与工型金属线阵列组成的左手材料, 研究其对微带天线性能的影响。

仿真后得到其回波损耗曲线和增益方向图，如图4 和图5 所示。在回波损耗曲线中，通过对比可以看出带宽增加320MHz，峰值降低，说明加载左手材料后天线阻抗匹配性能有所改善，从增益方向图上看，天线的增益提高了4.2dB。

图4 10GHz 普通微带天线与左手材料微带天线的回波损耗曲线

6 结论

文章将负磁导率材料、左手材料结构引入到矩形贴片微带天线的设计当中，增加了普通贴片微带天线的带宽，有效改善微带天线带宽窄的缺点，也有效改善了天线的匹配性能，使信号的接收能力大大增强，天线增益也有所提高。

【参考文献】

[1] 赵晖. 左手媒质结构的实现研究与仿真，东南大学硕士学位论文. 2005 ：24

[2] 皇甫江涛. 微波异向介质的实验研究. 浙江大学博士学位论文， 2004 ：32-33