单方环结构左手材料微带天线

郭林燕; 杨河林; 李敏华; 高超嵩; 田原

doi:10.7498/aps.61.014102

摘要

设计了一种简单的双面单方环结构左手材料,在4.85.25 GHz频率范围内该材料的等效介电常数和等效磁导率同时为负.将此单方环左手材料作为覆盖层,置于中心工作频率为5.0 GHz的微带天线之上. 仿真和实验研究表明:相对普通微带天线而言,覆层微带天线的性能得到了明显改善, E面和H面的半功率波束宽度分别收缩了25和20,定向性得到了提高, 5 GHz处的增益提高了3 dB, -10 dB带宽增加了600 MHz.

关键词:

Abstract

A simple structured left-handed metamaterials composed of single square ring cell is fabricated. Its permittivity and permeability are simultaneously negative in 4.8-5.25 GHz. A 5.0 GHz microstrip antenna is proposed, and we use this single square ring structured left-handed metamaterials (SSR-LHMs) as covering layer. Simulation and experiment results show that compared with conventional microstrip antenna, the performance of the new microstrip antenna with SSR-LHMs has been improved remarkably. The -3 dB beam of E-plane and H-plane can be reduced respectively by 25 and 20, so the directional property of the antenna is enhanced. The gain is improved by 3dB and the -10 dB bandwidth is increased by 600 MHz.

Keywords:

作者及机构信息

1.
华中师范大学物理科学与技术学院, 武汉 430079

基金项目: 中央高校基本科研业务费(批准号:CCNU10A02021)资助的课题.

Authors and contacts

1.
College of Physical Science and Technology, Central China Normal University, Wuhan 430079, China

Funds: Project supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Ministry of Education of China (Grant No. CCNU10A02021).

参考文献

[1]	Veselago V G 1968 Sov. Phys. Usp. 10 509
[2]	Pendry J B, Holden A J, Stewart W J, Younge I 1996 Phys. Rev. Lett. 76 4773
[3]	Pendry J B, Holden A J, Robbins D J, Stewart W J 1999 IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 47 2057
[4]	Smith D R, Padilla W J, Vier D C, Nemat-Nasser S C, Schultz S 2000 Phys. Rev. Lett. 84 4184
[5]	Chen H S, Ran L X, Huangfu J T, Zhang X M, Chen K S, Grzegorczyk T M, Kong J A 2005 Appl. Phys. Lett. 86 151909
[6]	Wang H X, Lü Y H, Zhang H X, Wu Y L 2011 Acta Phys. Sin. 60 034101 (in Chinese) [王海侠,吕英华,张洪欣,吴艳琳 2011 物理学报 60 034101]
[7]	Kafesaki M, Tsiapa I, Katsarakis N, Koschny Th, Soukoulis C M, Economou E N 2007 Phys. Rev. B 75 235114
[8]	Wu Q, Meng F Y, Fu J H, Li L W 2008 Acta Phys. Sin. 57 2180 (in Chinese) [吴群,孟繁义,傅佳辉,李乐伟 2008 物理学报 57 2180]
[9]	Burokur S N, Latrach M, Toutain S 2005 IEEE Anten. Wireless Propag. Lett. 4 183
[10]	Alici K B, Ozbay E 2007 J. Appl. Phys. 101 083104
[11]	Oh S S, Shafai L 2006 Microw. Opt. Technol. Let. 48 329
[12]	Zhu Z K, Luo C R, Zhao X P 2009 Acta Phys. Sin. 58 6152 (in Chinese) [朱忠奎,罗春荣,赵晓鹏 2009 物理学报 58 6152 ]
[13]	WuMF, Meng F Y,Wu Q,Wu J 2006 Acta Phys. Sin. 55 6368 (in Chinese) [武明峰,孟繁义,吴群,吴健 2006 物理学报 55 6368]
[14]	Yang R, Xie Y J, Wang P, Li L 2006 Appl. Phys. Lett. 89 064108
[15]	Li L W, Li Y N, Tat S Y, Juan R, Olivier J 2010 Appl. Phys. Lett. 96 164101
[16]	Wang J F, Qu S B, Xu Z, Zhang J Q, Ma H, Yang Y M, Gu C 2009 Acta Phys. Sin. 58 3224 (in Chinese) [王甲富,屈绍波,徐卓,张介秋,马华,杨一鸣,顾超 2009 物理学报 58 3224]
[17]	Bayindir M, Aydin K, Ozbay E, Markos P, Soukoulis C M 2002 Appl. Phys. Lett. 81 120
[18]	Cheng Y Z, Xiao T, Yang H L, Xiao B X 2010 Acta Phys. Sin. 59 5715 (in Chinese) [程用志,肖婷,杨河林,肖柏勋 2010 物理学报 59 5715]
[19]	Smith D R, Vier D C, Koschny Th, Soukoulis C M 2005 Phys. Rev. E 71 036617
[20]	Li J, Ding J, Guo C J, Xu Q 2010 Electron. Compon. Mater. 29 47 (in Chinese) [李靖,丁君,郭陈江,徐千 2010 电子元件与材料 29 47]
[21]	Ji N, Zhao X P 2010 Comput. Simul. 27 102 (in Chinese) [纪宁,赵晓鹏 2010 计算机仿真 27 102]
[22]	Bao S, Luo C R, Zhao X P 2011 Acta Phys. Sin. 60 014101 (in Chinese) [保石,罗春荣,赵晓鹏 2011 物理学报 60 014101]
[23]	Kiang J F 1996 IEEE Proc. Microw. Anten. Propag. 143 107

施引文献

[1]	Veselago V G 1968 Sov. Phys. Usp. 10 509
[2]	Pendry J B, Holden A J, Stewart W J, Younge I 1996 Phys. Rev. Lett. 76 4773
[3]	Pendry J B, Holden A J, Robbins D J, Stewart W J 1999 IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 47 2057
[4]	Smith D R, Padilla W J, Vier D C, Nemat-Nasser S C, Schultz S 2000 Phys. Rev. Lett. 84 4184
[5]	Chen H S, Ran L X, Huangfu J T, Zhang X M, Chen K S, Grzegorczyk T M, Kong J A 2005 Appl. Phys. Lett. 86 151909
[6]	Wang H X, Lü Y H, Zhang H X, Wu Y L 2011 Acta Phys. Sin. 60 034101 (in Chinese) [王海侠,吕英华,张洪欣,吴艳琳 2011 物理学报 60 034101]
[7]	Kafesaki M, Tsiapa I, Katsarakis N, Koschny Th, Soukoulis C M, Economou E N 2007 Phys. Rev. B 75 235114
[8]	Wu Q, Meng F Y, Fu J H, Li L W 2008 Acta Phys. Sin. 57 2180 (in Chinese) [吴群,孟繁义,傅佳辉,李乐伟 2008 物理学报 57 2180]
[9]	Burokur S N, Latrach M, Toutain S 2005 IEEE Anten. Wireless Propag. Lett. 4 183
[10]	Alici K B, Ozbay E 2007 J. Appl. Phys. 101 083104
[11]	Oh S S, Shafai L 2006 Microw. Opt. Technol. Let. 48 329
[12]	Zhu Z K, Luo C R, Zhao X P 2009 Acta Phys. Sin. 58 6152 (in Chinese) [朱忠奎,罗春荣,赵晓鹏 2009 物理学报 58 6152 ]
[13]	WuMF, Meng F Y,Wu Q,Wu J 2006 Acta Phys. Sin. 55 6368 (in Chinese) [武明峰,孟繁义,吴群,吴健 2006 物理学报 55 6368]
[14]	Yang R, Xie Y J, Wang P, Li L 2006 Appl. Phys. Lett. 89 064108
[15]	Li L W, Li Y N, Tat S Y, Juan R, Olivier J 2010 Appl. Phys. Lett. 96 164101
[16]	Wang J F, Qu S B, Xu Z, Zhang J Q, Ma H, Yang Y M, Gu C 2009 Acta Phys. Sin. 58 3224 (in Chinese) [王甲富,屈绍波,徐卓,张介秋,马华,杨一鸣,顾超 2009 物理学报 58 3224]
[17]	Bayindir M, Aydin K, Ozbay E, Markos P, Soukoulis C M 2002 Appl. Phys. Lett. 81 120
[18]	Cheng Y Z, Xiao T, Yang H L, Xiao B X 2010 Acta Phys. Sin. 59 5715 (in Chinese) [程用志,肖婷,杨河林,肖柏勋 2010 物理学报 59 5715]
[19]	Smith D R, Vier D C, Koschny Th, Soukoulis C M 2005 Phys. Rev. E 71 036617
[20]	Li J, Ding J, Guo C J, Xu Q 2010 Electron. Compon. Mater. 29 47 (in Chinese) [李靖,丁君,郭陈江,徐千 2010 电子元件与材料 29 47]
[21]	Ji N, Zhao X P 2010 Comput. Simul. 27 102 (in Chinese) [纪宁,赵晓鹏 2010 计算机仿真 27 102]
[22]	Bao S, Luo C R, Zhao X P 2011 Acta Phys. Sin. 60 014101 (in Chinese) [保石,罗春荣,赵晓鹏 2011 物理学报 60 014101]
[23]	Kiang J F 1996 IEEE Proc. Microw. Anten. Propag. 143 107

[1]	杨欢欢, 曹祥玉, 高军, 刘涛, 马嘉俊, 姚旭, 李文强. 基于超材料吸波体的低雷达散射截面微带天线设计. 物理学报, 2013, 62(6): 064103. doi: 10.7498/aps.62.064103
[2]	杨晨, 张洪欣, 王海侠, 徐楠, 许媛媛, 黄丽玉, 张可欣. 十字环型左手材料单元结构设计与仿真. 物理学报, 2012, 61(16): 164101. doi: 10.7498/aps.61.164101
[3]	李文强, 曹祥玉, 高军, 刘涛, 姚旭, 马嘉俊. 基于斜三角开口对环的宽带低耗左手材料. 物理学报, 2012, 61(15): 154102. doi: 10.7498/aps.61.154102
[4]	刘亚红, 刘辉, 赵晓鹏. 基于小型化结构的各向同性负磁导率材料与左手材料. 物理学报, 2012, 61(8): 084103. doi: 10.7498/aps.61.084103
[5]	陈春晖, 屈绍波, 徐卓, 王甲富, 马华, 周航. 基于单面金属结构的二维宽带左手材料. 物理学报, 2011, 60(2): 024101. doi: 10.7498/aps.60.024101
[6]	弓巧侠, 赵双双, 段智勇, 马凤英. 结构参量对左手材料通带位置影响的研究. 物理学报, 2011, 60(10): 107804. doi: 10.7498/aps.60.107804
[7]	保石, 罗春荣, 赵晓鹏. S波段超材料完全吸收基板微带天线. 物理学报, 2011, 60(1): 014101. doi: 10.7498/aps.60.014101
[8]	樊京, 蔡广宇. 一种基于金属开口谐振环和杆阵列的左手材料宽带吸收器. 物理学报, 2010, 59(9): 6084-6088. doi: 10.7498/aps.59.6084
[9]	高仁璟, 史鹏飞, 刘书田, 段玉平, 唐祯安. 左手材料微结构构型的传输线比拟模型. 物理学报, 2010, 59(12): 8566-8573. doi: 10.7498/aps.59.8566
[10]	王甲富, 屈绍波, 徐卓, 张介秋, 马华, 杨一鸣, 吴翔, 鲁磊. 基于金属结构单元间耦合的左手材料的设计及实验验证. 物理学报, 2010, 59(6): 4018-4022. doi: 10.7498/aps.59.4018
[11]	郭云胜, 张雪峰. 一种结构简单的二维左手材料设计及仿真研究. 物理学报, 2010, 59(12): 8584-8590. doi: 10.7498/aps.59.8584
[12]	杨一鸣, 屈绍波, 王甲富, 徐卓. 由同时具有磁谐振和电谐振结构组成的左手材料. 物理学报, 2009, 58(2): 1031-1035. doi: 10.7498/aps.58.1031
[13]	孙明昭, 张淳民, 宋晓平, 梁工英, 孙占波. 基于矩形谐振环的新型复合周期结构左手材料研究. 物理学报, 2009, 58(9): 6179-6184. doi: 10.7498/aps.58.6179
[14]	朱忠奎, 罗春荣, 赵晓鹏. 一种新型的树枝状负磁导率材料微带天线. 物理学报, 2009, 58(9): 6152-6157. doi: 10.7498/aps.58.6152
[15]	艾芬, 白洋, 徐芳, 乔利杰, 周济. 基于铁氧体基板的开口谐振环的可调微波左手特性研究. 物理学报, 2008, 57(7): 4189-4194. doi: 10.7498/aps.57.4189
[16]	王甲富, 屈绍波, 徐卓, 张介秋, 杨一鸣, 马华. 磁谐振和电谐振结构构成的左手材料设计. 物理学报, 2008, 57(8): 5015-5019. doi: 10.7498/aps.57.5015
[17]	刘亚红, 罗春荣, 赵晓鹏. 同时实现介电常数和磁导率为负的H型结构单元左手材料. 物理学报, 2007, 56(10): 5883-5889. doi: 10.7498/aps.56.5883
[18]	杨锐, 谢拥军, 王鹏, 杨同敏. 含有左手介质双层基底的亚波长谐振腔微带天线研究. 物理学报, 2007, 56(8): 4504-4508. doi: 10.7498/aps.56.4504
[19]	武明峰, 孟繁义, 吴群, 吴健. 基于左手介质后向波特性的微带天线小型化研究. 物理学报, 2006, 55(12): 6368-6373. doi: 10.7498/aps.55.6368
[20]	罗春荣, 康雷, 赵乾, 付全红, 宋娟, 赵晓鹏. 非均匀缺陷环对微波左手材料的影响. 物理学报, 2005, 54(4): 1607-1612. doi: 10.7498/aps.54.1607

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