超材料在高性能小型化天线中的应用

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%。

图12  零阶谐振天线的结构及其等效电路

  图13  微带谐振天线样品的尺寸比较

3.3、零折射率超材料在高指向性天线中的应用

根据斯涅尔定律，当电磁波斜入射至超介质与自由空间的分界面时，有：n₁sinθ₁=n₂sinθ₂

其中，θ₁、θ₂分别为电磁波的入射角和折射角，n₁为自由空间的折射率，n₂为超介质的折射率。假设超介质是ε﹤0，μ﹤0的左手材料，那么折射波将与入射波在法线的同一侧，如图14所示。

图14  电磁波在两种不同媒质交界面的透射关系

（媒质1为自由空间，媒质2为左手材料）