隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，世界各國相繼開放60GHz頻率附近連續(xù)5～7GHz頻寬免許可頻譜資源，在經(jīng)濟(jì)上極大的刺激了60GHz無線通信的研究和開發(fā)進(jìn)程[5]。但是要在更多領(lǐng)域發(fā)揮出60GHz的獨(dú)特優(yōu)勢仍有許多技術(shù)難題，例如相控陣天線技術(shù)、集成電路設(shè)計、材料成本高。根據(jù)左手材料表現(xiàn)出的新穎電磁特性，目前許多科研人員致力于把左手材料被運(yùn)用到60GHz通信領(lǐng)域以解決技術(shù)難題，并且一些左手材料已經(jīng)運(yùn)用其中，與傳統(tǒng)材料相比它具有寬頻帶、低損耗、小單元等優(yōu)點(diǎn)。左手材料的實(shí)現(xiàn)為60GHz頻率附近連續(xù)5～7GHz頻寬通信研究和開發(fā)開辟了一個新的研究領(lǐng)域。

　　摘要：文章在對S型左手材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，提出一種S型超寬帶左手結(jié)構(gòu)。通過電磁仿真軟件AnsoftHFSS對該結(jié)構(gòu)的電磁波反射、透射特性進(jìn)行模擬，并運(yùn)用NRW方法從中提取出該結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率。結(jié)果表明：在55.5～66.5GHz頻帶內(nèi)，該結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定的雙負(fù)特性，相對帶寬為9%，這對當(dāng)前超寬帶左手材料應(yīng)用到60GHz無線通信的研究和開發(fā)具有一定的意義。

　　關(guān)鍵詞：通信工程論文,左手材料,雙負(fù)特性,超寬帶,60GHz無線通信

　　“左手材料”是指介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時為負(fù)值的人工特異材料。此概念是1968年前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago提出的[1]，但自然界沒有發(fā)現(xiàn)這種的材料，其研究一直處于停滯不前的狀態(tài)。直到1996～1999年間，英國皇家學(xué)院Pendry等人提出用金屬棒和開口諧振環(huán)（Split-RingResonator，SRR）周期性排列可以在微波波段分別產(chǎn)生等效負(fù)介電常數(shù)和等效負(fù)磁導(dǎo)率[2-3]。2000年，Smith和pendry通過將細(xì)金屬棒陣列與SRR陣列合理布局，制造出了這種材料，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其左手特性[4]，從此左手材料才進(jìn)入實(shí)質(zhì)性應(yīng)用研究階段。從左手材料表現(xiàn)出的新穎電磁特性，越來越多的左手材料被應(yīng)用到諧振器﹑完美透鏡﹑天線等方面。

　　本文基于上述要求，通過對S型左手材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析和研究，設(shè)計出一種在55.5～66.5GHz頻帶內(nèi)等效效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率同時為負(fù)值、相對帶寬為9%的新型超寬帶左手結(jié)構(gòu)。

　　1S型單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計和分析

　　S型結(jié)構(gòu)與Smith結(jié)構(gòu)左手材料相比，無需加入金屬棒就能產(chǎn)生負(fù)介電常數(shù)，且其等效磁導(dǎo)率為負(fù)值的頻段和等效介電常數(shù)為負(fù)值的頻段能夠在比較寬的范圍內(nèi)重合。其結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。它是由兩個相同的S型的金屬貼片反向鏡像結(jié)構(gòu)印刷在介質(zhì)基板的兩面，形成“8”字型圖案，上下水平金屬條之間形成兩個等效電容C，中間水平金屬條之間形成等效電容Cm。由于等效電容Cm電容值很大且與等效電容C的值相同，當(dāng)電磁波沿法向方向入射且電場極化方向平行Z方向時，在“8”字型的兩個環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，使“8”字型金屬環(huán)產(chǎn)生等效負(fù)磁導(dǎo)率效應(yīng)，其等效電路模型如圖1（b）所示。

　　等效電容：

　　■（1）

　　等效電感：

　　■（2）

　　dc為基板的厚度，F(xiàn)為x方向的周期。

　　通過S型結(jié)構(gòu)的理論分析和計算，可以得到該結(jié)構(gòu)的諧振頻率為：

　　■（3）

　　磁等離子頻率為：

　　■（4）

　　a1和b1分別是S結(jié)構(gòu)單元在Z方向的周期和Y方向的周期。

　　基于對S型左手結(jié)構(gòu)理論分析，設(shè)計出如圖2所示的超寬帶左手結(jié)構(gòu)；其單元結(jié)構(gòu)前后表面為（X方向）磁邊界（PMC）、上下表面為（Z方向）電邊界（PEC），當(dāng)電磁波沿+x方向入射且電場極化方向平行Z方向（如圖2所示）時，當(dāng)電磁波頻率ω在ωm0和ωmp之間時，則該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率。首先將中心頻率設(shè)定為60GHz，采用介電常數(shù)為2.2的RogersRT/duroid5880（tm）作為介質(zhì)基板。利用（1）～（4）式估算結(jié)構(gòu)單元尺寸，包括S型金屬條的寬度、長度、基板的厚度及其單元結(jié)構(gòu)周期。然后利用HFSS電磁軟件仿真確定上述參數(shù)。

　　2仿真結(jié)果與分析

　　通過電磁仿真軟件AnsoftHFSS軟件對上述估算的單元尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬及其優(yōu)化調(diào)整，得到所期望的反射（S11）和透射（S21）系數(shù)幅度隨頻率變化的曲線，如圖3所示。

　　從圖3中可以看在54～68GHz的頻段內(nèi)，電磁波能夠在該結(jié)構(gòu)中傳播，表現(xiàn)為通帶，且S21幅度大于

　　-3dB，這也說明，在54～68GHz的頻段內(nèi)電磁波在該結(jié)構(gòu)傳輸時損耗非常少。

　　結(jié)構(gòu)參數(shù)：a=0.15mm，b=1.4mm，c=0.315mm，d=0.35mm，dc=0.15mm，相鄰陣元間距為0.1mm，單元結(jié)構(gòu)周期參數(shù)如圖3所示。

　　通過NRW方法[6]從S參數(shù)中提出該結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)ε和有效磁導(dǎo)率μ。S參數(shù)中提取出等效磁導(dǎo)率和等效介電常數(shù)隨頻率變化的曲線圖，如圖4和圖5所示。

　　從圖4和圖5可以看，有效介電常數(shù)出現(xiàn)負(fù)值的頻段范圍55.5～66.7GHz，而有效磁導(dǎo)率出現(xiàn)負(fù)值頻段范圍55.5～66.5GHz。因此出現(xiàn)雙負(fù)頻段范圍為55.5～66.5GHz。這也表明在雙負(fù)頻段內(nèi)，該結(jié)構(gòu)是左手結(jié)構(gòu)。通過計算可知，該左手結(jié)構(gòu)的帶寬為11GHz，相對帶寬為9%。與其他左手材料相比，它具有超寬帶特點(diǎn)。這對當(dāng)前把超寬帶左手結(jié)構(gòu)運(yùn)用到60GHz頻率附近連續(xù)5～7GHz頻寬通信研究和開發(fā)具有一定意義。

　　3結(jié)語

　　本文針對當(dāng)前其他材料應(yīng)用到60GHz無線通信中具有損耗大，帶寬窄的缺點(diǎn)，基于對S型左手結(jié)構(gòu)理論分析，設(shè)計出一種帶寬為11GHz、相對帶寬為9%的新型超寬帶左手結(jié)構(gòu)。同時，該結(jié)構(gòu)的左手頻段帶寬比其它左手結(jié)構(gòu)更寬，這對當(dāng)60GHz頻率附近連續(xù)5～7GHz頻寬無線通信研究和開發(fā)具有一定意義。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]VESELAGOVG.Theelectrodynamicsofsubstanceswithsimultaneouslynegativevaluesofpermittivityandpermeability[J].Sov.Phys.Usp.1968，10（4）：509-514.

　　[2]PendyJB，PendyAJ.StewarWJ，etal.Extremelylowfrequencyplasmonsinmetallicmesostructures[J].PhysicalReview.Letter，1996，76（25）：4773-4776.

　　[3]PendyJB，HoldenAJ，RobbinsDJ，StewarWJ.Magnetismfromconductorsandenhancednonlinearphenomena[J].IEEETransactions.onMicrowaveTheoryandTechniques，1999，（47）：2075-2084.

　　[4]SMITHDR，PADILLAWJ，VIERDC.Compositemediumwithsimultaneouslynegativepermeabilityandpermittivity[J].PhysicalReviewLetters，2000，84（18）：4184-4187.

　　[5]鄧博，陳金鷹，梅康.60GHz技術(shù)掀起無線領(lǐng)域研究浪潮[J].通信與信息技術(shù)，2011，（2）：32-34.