隨著無線通信技術的發展，世界各國相繼開放60GHz頻率附近連續5～7GHz頻寬免許可頻譜資源，在經濟上極大的刺激了60GHz無線通信的研究和開發進程[5]。但是要在更多領域發揮出60GHz的獨特優勢仍有許多技術難題，例如相控陣天線技術、集成電路設計、材料成本高。根據左手材料表現出的新穎電磁特性，目前許多科研人員致力于把左手材料被運用到60GHz通信領域以解決技術難題，并且一些左手材料已經運用其中，與傳統材料相比它具有寬頻帶、低損耗、小單元等優點。左手材料的實現為60GHz頻率附近連續5～7GHz頻寬通信研究和開發開辟了一個新的研究領域。

　　摘要：文章在對S型左手材料結構進行理論分析的基礎上，提出一種S型超寬帶左手結構。通過電磁仿真軟件AnsoftHFSS對該結構的電磁波反射、透射特性進行模擬，并運用NRW方法從中提取出該結構的有效介電常數和有效磁導率。結果表明：在55.5～66.5GHz頻帶內，該結構具有穩定的雙負特性，相對帶寬為9%，這對當前超寬帶左手材料應用到60GHz無線通信的研究和開發具有一定的意義。

　　關鍵詞：通信工程論文,左手材料,雙負特性,超寬帶,60GHz無線通信

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

　　本文基于上述要求，通過對S型左手材料結構進行理論分析和研究，設計出一種在55.5～66.5GHz頻帶內等效效介電常數和等效磁導率同時為負值、相對帶寬為9%的新型超寬帶左手結構。

　　1S型單元結構的設計和分析

　　S型結構與Smith結構左手材料相比，無需加入金屬棒就能產生負介電常數，且其等效磁導率為負值的頻段和等效介電常數為負值的頻段能夠在比較寬的范圍內重合。其結構如圖1（a）所示。它是由兩個相同的S型的金屬貼片反向鏡像結構印刷在介質基板的兩面，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”字型的兩個環內產生感應電流，使“8”字型金屬環產生等效負磁導率效應，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為x方向的周期。

　　通過S型結構的理論分析和計算，可以得到該結構的諧振頻率為：

　　■（3）

　　磁等離子頻率為：

　　■（4）

　　a1和b1分別是S結構單元在Z方向的周期和Y方向的周期。

　　基于對S型左手結構理論分析，設計出如圖2所示的超寬帶左手結構；其單元結構前后表面為（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，當電磁波頻率ω在ωm0和ωmp之間時，則該結構出現負磁導率。首先將中心頻率設定為60GHz，采用介電常數為2.2的RogersRT/duroid5880（tm）作為介質基板。利用（1）～（4）式估算結構單元尺寸，包括S型金屬條的寬度、長度、基板的厚度及其單元結構周期。然后利用HFSS電磁軟件仿真確定上述參數。

　　2仿真結果與分析

　　通過電磁仿真軟件AnsoftHFSS軟件對上述估算的單元尺寸結構進行模擬及其優化調整，得到所期望的反射（S11）和透射（S21）系數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，電磁波能夠在該結構中傳播，表現為通帶，且S21幅度大于

　　-3dB，這也說明，在54～68GHz的頻段內電磁波在該結構傳輸時損耗非常少。

　　結構參數：a=0.15mm，b=1.4mm，c=0.315mm，d=0.35mm，dc=0.15mm，相鄰陣元間距為0.1mm，單元結構周期參數如圖3所示。

　　通過NRW方法[6]從S參數中提出該結構的有效介電常數ε和有效磁導率μ。S參數中提取出等效磁導率和等效介電常數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，有效介電常數出現負值的頻段范圍55.5～66.7GHz，而有效磁導率出現負值頻段范圍55.5～66.5GHz。因此出現雙負頻段范圍為55.5～66.5GHz。這也表明在雙負頻段內，該結構是左手結構。通過計算可知，該左手結構的帶寬為11GHz，相對帶寬為9%。與其他左手材料相比，它具有超寬帶特點。這對當前把超寬帶左手結構運用到60GHz頻率附近連續5～7GHz頻寬通信研究和開發具有一定意義。

　　3結語

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

　　參考文獻：

　　[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技術掀起無線領域研究浪潮[J].通信與信息技術，2011，（2）：32-34.