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摘 要：文章在对S型左手材料结构进行理论分析的基础上，提出一种S型超宽带左手结构。通过电磁仿真软件Ansoft HFSS对该结构的电磁波反射、透射特性进行模拟，并运用NRW方法从中提取出该结构的有效介电常数和有效磁导率。结果表明：在55.5～66.5 GHz频带内，该结构具有稳定的双负特性，相对带宽为9%，这对当前超宽带左手材料应用到
60 GHz无线通信的研究和开发具有一定的意义。
关键词：左手材料；双负特性；超宽带；60GHz无线通信
中图分类号：TN928 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）03-0001-02
“左手材料”是指介电常数ε和磁导率μ同时为负值的人工特异材料。此概念是1968年前苏联物理学家Veselago提出的[1]，但自然界没有发现这种的材料，其研究一直处于停滞不前的状态。直到1996～1999年间，英国皇家学院Pendry等人提出用金属棒和开口谐振环（Split-Ring Resonator，SRR）周期性排列可以在微波波段分别产生等效负介电常数和等效负磁导率[2-3]。2000年，Smith 和pendry通过将细金属棒阵列与SRR阵列合理布局， 制造出了这种材料，并实验验证了其左手特性[4]，从此左手材料才进入实质性应用研究阶段。从左手材料表现出的新颖电磁特性，越来越多的左手材料被应用到谐振器﹑完美透镜﹑天线等方面。
随着无线通信技术的发展，世界各国相继开放60 GHz频率附近连续5～7 GHz频宽免许可频谱资源，在经济上极大的刺激了60 GHz无线通信的研究和开发进程[5]。但是要在更多领域发挥出60 GHz的独特优势仍有许多技术难题，例如相控阵天线技术、集成电路设计、材料成本高。根据左手材料表现出的新颖电磁特性，目前许多科研人员致力于把左手材料被运用到60 GHz通信领域以解决技术难题，并且一些左手材料已经运用其中，与传统材料相比它具有宽频带、低损耗、小单元等优点。左手材料的实现为60 GHz频率附近连续5～7 GHz频宽通信研究和开发开辟了一个新的研究领域。
本文基于上述要求，通过对S型左手材料结构进行理论分析和研究，设计出一种在55.5～66.5 GHz频带内等效效介电常数和等效磁导率同时为负值、相对带宽为9%的新型超宽带左手结构。
1 S型单元结构的设计和分析
S型结构与Smith结构左手材料相比，无需加入金属棒就能产生负介电常数，且其等效磁导率为负值的频段和等效介电常数为负值的频段能够在比较宽的范围内重合。其结构如图1（a）所示。它是由两个相同的S型的金属贴片反向镜像结构印刷在介质基板的两面，形成“8”字型图案，上下水平金属条之间形成两个等效电容C，中间水平金属条之间形成等效电容Cm。由于等效电容Cm电容值很大且与等效电容C的值相同，当电磁波沿法向方向入射且电场极化方向平行Z方向时，在“8”字型的两个环内产生感应电流，使“8”字型金属环产生等效负磁导率效应，其等效电路模型如图1（b）所示。
等效电容：
■（1）
等效电感：
■（2）
dc为基板的厚度，F为x方向的周期。
通过S型结构的理论分析和计算，可以得到该结构的谐振频率为：
■（3）
磁等离子频率为：
■（4）
a1和b1分别是S结构单元在Z方向的周期和Y方向的周期。
基于对S型左手结构理论分析，设计出如图2所示的超宽带左手结构；其单元结构前后表面为（X方向）磁边界（PMC）、上下表面为（Z方向）电边界（PEC），当电磁波沿+x方向入射且电场极化方向平行Z方向（如图2所示）时，当电磁波频率ω在ωm0和ωmp之间时，则该结构出现负磁导率。首先将中心频率设定为60 GHz，采用介电常数为2.2的Rogers RT/duroid 5 880（tm）作为介质基板。利用（1）～（4）式估算结构单元尺寸，包括S型金属条的宽度、长度、基板的厚度及其单元结构周期。然后利用HFSS电磁软件仿真确定上述参数。
2 仿真结果与分析
通过电磁仿真软件Ansoft HFSS软件对上述估算的单元尺寸结构进行模拟及其优化调整，得到所期望的反射（S11）和透射（S21）系数幅度随频率变化的曲线，如图3所示。
从图3中可以看在54～68 GHz的频段内，电磁波能够在该结构中传播， 表现为通带，且S21幅度大于
-3 dB，这也说明，在54～68 GHz的频段内电磁波在该结构传输时损耗非常少。
结构参数：a=0.15 mm，b=1.4 mm，c=0.315 mm，d=0.35 mm，dc=0.15 mm，相邻阵元间距为0.1 mm，单元结构周期参数如图3所示。
通过NRW方法[6]从S参数中提出该结构的有效介电常数ε和有效磁导率μ。S参数中提取出等效磁导率和等效介电常数随频率变化的曲线图，如图4和图5所示。
从图4和图5可以看，有效介电常数出现负值的频段范围55.5～66.7 GHz，而有效磁导率出现负值频段范围55.5～66.5 GHz。因此出现双负频段范围为55.5～66.5 GHz。这也表明在双负频段内，该结构是左手结构。通过计算可知，该左手结构的带宽为11 GHz，相对带宽为9%。与其他左手材料相比，它具有超宽带特点。这对当前把超宽带左手结构运用到60 GHz频率附近连续5～7 GHz频宽通信研究和开发具有一定意义。
3 结 语
本文针对当前其他材料应用到60 GHz无线通信中具有损耗大，带宽窄的缺点，基于对S型左手结构理论分析，设计出一种带宽为11 GHz、相对带宽为9%的新型超宽带左手结构。同时，该结构的左手频段带宽比其它左手结构更宽，这对当60 GHz频率附近连续5～7 GHz频宽无线通信研究和开发具有一定意义。
参考文献：
[1] VESELAGO V G.The electrodynamics of substanceswith simultaneously negative values of permittivity and permeability[J].Sov.Phys.Usp.1968，10（4）：509-514.
[2] Pendy J B，Pendy A J.Stewar W J，et al.Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures[J].Physical Review.Letter，1996，76（25）：4773-4776.
[3] Pendy J B，Holden A J，Robbins D J，Stewar W J.Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena[J].IEEE Transactions.on Microwave Theory and Techniques，1999，（47）：2075-2084.
[4] SMITH D R，PADILLA WJ，VIER D C.Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity[J].Physical Review Letters，2000，84（18）：4184-4187.
[5] 邓博，陈金鹰，梅康.60GHz技术掀起无线领域研究浪潮[J].通信与信息技术，2011，（2）：32-34.
[6] Koschny T，Kafesaki M，Economous E N.Effective medium theory of left-handed materials[J].PhysRev Lett，2004，86（684）：587-698.
60 GHz无线通信的研究和开发具有一定的意义。
关键词：左手材料；双负特性；超宽带；60GHz无线通信
中图分类号：TN928 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）03-0001-02
“左手材料”是指介电常数ε和磁导率μ同时为负值的人工特异材料。此概念是1968年前苏联物理学家Veselago提出的[1]，但自然界没有发现这种的材料，其研究一直处于停滞不前的状态。直到1996～1999年间，英国皇家学院Pendry等人提出用金属棒和开口谐振环（Split-Ring Resonator，SRR）周期性排列可以在微波波段分别产生等效负介电常数和等效负磁导率[2-3]。2000年，Smith 和pendry通过将细金属棒阵列与SRR阵列合理布局， 制造出了这种材料，并实验验证了其左手特性[4]，从此左手材料才进入实质性应用研究阶段。从左手材料表现出的新颖电磁特性，越来越多的左手材料被应用到谐振器﹑完美透镜﹑天线等方面。
随着无线通信技术的发展，世界各国相继开放60 GHz频率附近连续5～7 GHz频宽免许可频谱资源，在经济上极大的刺激了60 GHz无线通信的研究和开发进程[5]。但是要在更多领域发挥出60 GHz的独特优势仍有许多技术难题，例如相控阵天线技术、集成电路设计、材料成本高。根据左手材料表现出的新颖电磁特性，目前许多科研人员致力于把左手材料被运用到60 GHz通信领域以解决技术难题，并且一些左手材料已经运用其中，与传统材料相比它具有宽频带、低损耗、小单元等优点。左手材料的实现为60 GHz频率附近连续5～7 GHz频宽通信研究和开发开辟了一个新的研究领域。
本文基于上述要求，通过对S型左手材料结构进行理论分析和研究，设计出一种在55.5～66.5 GHz频带内等效效介电常数和等效磁导率同时为负值、相对带宽为9%的新型超宽带左手结构。
1 S型单元结构的设计和分析
S型结构与Smith结构左手材料相比，无需加入金属棒就能产生负介电常数，且其等效磁导率为负值的频段和等效介电常数为负值的频段能够在比较宽的范围内重合。其结构如图1（a）所示。它是由两个相同的S型的金属贴片反向镜像结构印刷在介质基板的两面，形成“8”字型图案，上下水平金属条之间形成两个等效电容C，中间水平金属条之间形成等效电容Cm。由于等效电容Cm电容值很大且与等效电容C的值相同，当电磁波沿法向方向入射且电场极化方向平行Z方向时，在“8”字型的两个环内产生感应电流，使“8”字型金属环产生等效负磁导率效应，其等效电路模型如图1（b）所示。
等效电容：
■（1）
等效电感：
■（2）
dc为基板的厚度，F为x方向的周期。
通过S型结构的理论分析和计算，可以得到该结构的谐振频率为：
■（3）
磁等离子频率为：
■（4）
a1和b1分别是S结构单元在Z方向的周期和Y方向的周期。
基于对S型左手结构理论分析，设计出如图2所示的超宽带左手结构；其单元结构前后表面为（X方向）磁边界（PMC）、上下表面为（Z方向）电边界（PEC），当电磁波沿+x方向入射且电场极化方向平行Z方向（如图2所示）时，当电磁波频率ω在ωm0和ωmp之间时，则该结构出现负磁导率。首先将中心频率设定为60 GHz，采用介电常数为2.2的Rogers RT/duroid 5 880（tm）作为介质基板。利用（1）～（4）式估算结构单元尺寸，包括S型金属条的宽度、长度、基板的厚度及其单元结构周期。然后利用HFSS电磁软件仿真确定上述参数。
2 仿真结果与分析
通过电磁仿真软件Ansoft HFSS软件对上述估算的单元尺寸结构进行模拟及其优化调整，得到所期望的反射（S11）和透射（S21）系数幅度随频率变化的曲线，如图3所示。
从图3中可以看在54～68 GHz的频段内，电磁波能够在该结构中传播， 表现为通带，且S21幅度大于
-3 dB，这也说明，在54～68 GHz的频段内电磁波在该结构传输时损耗非常少。
结构参数：a=0.15 mm，b=1.4 mm，c=0.315 mm，d=0.35 mm，dc=0.15 mm，相邻阵元间距为0.1 mm，单元结构周期参数如图3所示。
通过NRW方法[6]从S参数中提出该结构的有效介电常数ε和有效磁导率μ。S参数中提取出等效磁导率和等效介电常数随频率变化的曲线图，如图4和图5所示。
从图4和图5可以看，有效介电常数出现负值的频段范围55.5～66.7 GHz，而有效磁导率出现负值频段范围55.5～66.5 GHz。因此出现双负频段范围为55.5～66.5 GHz。这也表明在双负频段内，该结构是左手结构。通过计算可知，该左手结构的带宽为11 GHz，相对带宽为9%。与其他左手材料相比，它具有超宽带特点。这对当前把超宽带左手结构运用到60 GHz频率附近连续5～7 GHz频宽通信研究和开发具有一定意义。
3 结 语
本文针对当前其他材料应用到60 GHz无线通信中具有损耗大，带宽窄的缺点，基于对S型左手结构理论分析，设计出一种带宽为11 GHz、相对带宽为9%的新型超宽带左手结构。同时，该结构的左手频段带宽比其它左手结构更宽，这对当60 GHz频率附近连续5～7 GHz频宽无线通信研究和开发具有一定意义。
参考文献：
[1] VESELAGO V G.The electrodynamics of substanceswith simultaneously negative values of permittivity and permeability[J].Sov.Phys.Usp.1968，10（4）：509-514.
[2] Pendy J B，Pendy A J.Stewar W J，et al.Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures[J].Physical Review.Letter，1996，76（25）：4773-4776.
[3] Pendy J B，Holden A J，Robbins D J，Stewar W J.Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena[J].IEEE Transactions.on Microwave Theory and Techniques，1999，（47）：2075-2084.
[4] SMITH D R，PADILLA WJ，VIER D C.Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity[J].Physical Review Letters，2000，84（18）：4184-4187.
[5] 邓博，陈金鹰，梅康.60GHz技术掀起无线领域研究浪潮[J].通信与信息技术，2011，（2）：32-34.
[6] Koschny T，Kafesaki M，Economous E N.Effective medium theory of left-handed materials[J].PhysRev Lett，2004，86（684）：587-698.