超材料在高性能小型化天线中的应用

种超材料包括：左手材料、复合左/右手传输线、光子晶体、隐形衣、电磁黑洞等。

三、超材料在天线中应用

3.1、超介质在高性能电小天线中的应用

3.1.1、基于空间匹配原理的超介质加载天线

通常，电小天线的辐射电阻很小、电抗很大，与源阻抗之间严重失配，天线的辐射效率很低。自2003年起R. W. Ziolkowski对基于超介质加载的电小偶极子天线、环天线进行了深入的研究分析，提出了空间匹配的概念。研究结果表明：在电小天线近场加载超介质层（如图4所示），通过适当的设计，超介质层可以在很大程度地抵消电小天线的电抗，从而提高天线的辐射效率，同时，在天线本体的激励下，加载的超介质结构通过空间耦合成为天线的寄生辐射元，进一步提高了天线的效率和增益。

图4  超介质加载的电小天线

基于超介质加载的空间匹配原理可以简单地由图5来说明：以偶极子天线为例，天线与其近场区域（自由空间）组成的整体可看作是一个电小偶极子，等效为一电容；包裹在天线外面的超材料层（由左手材料或ε﹤0的单负材料ENG构成）在天线的激励下可认为是另一个电偶极子，但由于该超材料层的介电常数为负值，其电抗呈感性而非容性，超材料层等效为一电感，因此，整个超介质加载的电小天线系统等效为一个LC谐振器，这就相当于在天线与空间之间增加了匹配网络，达到减小甚至抵消其电抗的作用，以提高天线辐射效率。

图5  超介质加载的空间匹配原理示意图

贝尔实验室根据空间匹配的原理设计了超介质加载的单极子天线（如图6），将单极子的尺寸缩短至λ/50，辐射效率也达到了61%。

图6  贝尔实验室设计的超介质加载单极子天线

3.1.2、近场谐振寄生电小天线（Near-field resonant parasitic antenna，简称NFRP天线）

NFRP天线的设计实际上也是源自超介质加载的空间匹配原理，不同的是NFRP天线不需要加载超介质层覆盖住整个辐射体，它只需要在天线的近场加载一些超介质结构，通过精确设计超材料的结构形式、尺寸及位置，同样可以达到抵消天线电抗，使得天线阻抗与源阻抗匹配的作用。NFRP天线的等效模型及匹配原理如图7所示。R. W. Ziolkowski等人设计的几种NFRP天线如图8~10所示。

图7  NFRP天线的工作原理

模型

Z型ENG超介质（反面）                印制单极子（正面）

图8  基于Z型ENG加载的NFRP单极子天线

图9  GPS L1 NFRP圆极化天线

图10 双频GPSL1/L2 NFRP圆极化天线

3.2、复合左/右手传输线在天线中的应用

3.2.1、电控扫描复合左/右手（CRLH）漏波天线

自2002年起，复合左/右手传输线开始被引入到天线的设计中，L. Liu、C. Caloz、T. Itoh和George V. Eleftheriades等人对基于微带线、带状线形式的CRLH传输线的漏波天线进行了大量的研究。CRLH漏波天线主要是利用了平衡情况下的CRLH传输线的相位常数从负值到正值连续变化的色散特性，实现了波束的横向辐射以及从背射到端射的连续扫描。传统的漏波天线通过频率的变化来控制主波束的辐射方向，而对于CRLH传输线构成的漏波天线，只需在天线上适当加载变容二极管，通过压控的方式改变变容二极管的电容值（即改变传输线的LC参数）就可以方便地改变CRLH传输线的相位常数β，从而改变天线主波束的辐射角度θ_m（θ_m≈arsin(β/k₀)），这就是CRLH传输线实现的电控扫描漏波天线（如图11所示）。2009年，Tetsuya Ueda等人提出了加载铁氧体材料的方法实现非互易的CRLH 传输线，并将其应用在漏波天线中。C. Caloz等人也提出了在矩形波导中加载铁氧体材料，设计了波导结构的CRLH 传输线漏波天线。

图11  电控扫描CRLH漏波天线

3.2.2、CRLH零阶谐振小天线

CRLH传输线的反相和逆群速现象在谐振型天线中非常有用。利用CRLH传输线具有负数阶、零阶谐振的特性，不仅可以极大地缩小天线的尺寸，还能改善谐振天线的性能，具有优于传统微带天线的奇异特性。如图12所示是采用无过孔的CRLH传输线结构谐振器实现的零阶谐振天线（CRLH传输线结构采用交指电容和折线电感实现），天线的谐振频率仅与电容、电感的大小有关，与结构的物理尺寸无关，这就意味着天线的尺寸可以任意地小，最小尺寸的极限是加工制作技术实现所需LC值元件的最小尺寸。图13为工作频率为4.88GHz 的CRLH传输线零阶谐振天线样品与工作频率为4.9GHz传统贴片天线样品的尺寸对比图，与半波长的贴片天线相比，零阶谐振天线的尺寸减小了大约75%。