左手材料在天线领域中的应用

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1、左手材料在微波天线领域中的应用1.概述1.1左手材料的发展历程左手材料(Left-HandedMaterials,LHM)是指一种介电常数和磁导率同时为负值的材料。电磁波在其中传播时，波矢量K,电场E和磁场H之间的关系符合左手螺旋关系，因此称为左手材料。相对而言，在左手材料的研究领域，又常常把常规的普通材料叫做右手材料(Right-HandedMaterials,RHM)0左手材料的基本概念最早由苏联物理学家Veselago在1968年捉出⑴。他预言了左手材料的存在，并分析其具有独特的电磁特性，比如负折射特性

2、、逆Doppler效应、逆Cherenkov效应等。但是由于自然界中一直无法找到天然的左手材料，在其后的近30年的吋间内，左手材料的研究一直没有大的突破和发展。直到1996年，Pendry等人提出周期排列的细导线阵列能够在微波波段展现出负介电常数效应巴而周期放置的开口谐振环(SplitRingsResonators,SRR)阵列能够代替磁性材料在微波波段展现出负介电常数效应⑶。Pendry的工作几乎为左手材料的物理实现打开了大门。最终在2001年，Smith等学者将上述细导线阵列和SRR阵列合理布局,首次实现

3、了微波段的左手材料⑷。2003年，左手材料被Science杂志评定为年度世界十大科技突破之一。2006年，Dunk大学的科学家们提出利用左手材料制作“隐身斗篷”,也被Science杂志评定为年度世界十大科技突破Z—。1.2左手材料的主要研究领域到目前为止，左手材料的相关研究主要分为相互交叉乂相互补充的四个研究领域。(1)左手材料存在性的论证这一研究领域的产生有其必然性，这主要是因为一方面左手材料的异常电磁特性与很多现有物理定律相矛盾；另一方面，到目前为止，人们一直无法在自然界找到左手材料。需要注意的是，虽然口

4、前左手材料的存在性已经得到了世界的公认，不再被质疑，但是在其存在性产牛的各种验证技术仍对左手材料研究领域产牛着深远的影响。这是因为只有可靠的验证技术才能保证性能更为优良的•其至是实际中得到应用的左手材料岀现，才能保证左手材料的研究和应用持续不断的向前发展。(1)左手材料的电磁特性分析在这一领域，很多学者都对左手材料的异常电磁特性的激发机理展开了深入的理论分析，发表了大量的研究著作。其中一些经典的工作包括：1996年，Pendry的小组率先基于等离子体振子理论指出，周期布置的金属细导线在入射波频率低于等离子体谐

5、振频率时，会呈现负介电常数效应，并给出了计算有效介电常数的解析模型；1999<

6、-,Pendry的小组再一次提出周期放置的SRR阵列可以呈现出负磁导率效应，并给出了计算有效介电常数的解析模型；2000年，Pendry等人分析了普通透镜对电磁波聚焦能力受限的原因在于“消逝波”的存在，同事指出有左手材料构成的“完美透镜”可以通过恢复“消逝波”的方式得到更加清晰的像；2000年，Smith等人分析确定了左手材料负折射率的解析结构，给出了左手材料负折射率随材料介电常数和磁导率的变化关系。(2)左手材料的构造技术研究为

7、了得到满足带宽大、损耗小、结构单元电尺寸小等特性的性能优良的左手材料,世界上冇多个研究小组对其展开研究。到目前为止，不同类型的左手材料可以分为两类:一是基于传输线结构或复合左右手传输线结构的左手材料；二是由SRR和金属线阵列组成的结构或其变形。前者的优点在于其具有相当好的传输特性，加工、控制上也比较容易，而且其结构单元通常比较小。而缺点表现在当工作频率较高时，需要用复杂的分布参数元件代替低频时的集总参数原件。这使得其工作带宽大大降低，并口工作频段、传输特性控制起来都将变的十分困难。而基于SRR和金屈线阵列的左

8、手材料则更容易工作在较高频段，但其问题在于结构单元通常比较大，甚至达到0.2个工作波长。实际上当左手材料单元尺寸较大，尤其是接近1/4个工作波长吋，左手材料将面临由于不均匀带来的一系列问题，如各向异性、折射性能下降、不变将其作为填充或涂敷材料应用等。(3)左手材料的应用研究近年来，随着人们对左手材料电磁特性的逐渐熟悉，关于其在微波、太赫兹波以及光波波段的应用研究越来越多。尤其是左手材料在各种微波元器件和天线屮的应用成为近年来左手材料研究的热点领域，这种新型材料的的使用可以大大改善器件的性能，缩小其体积等。虽然

9、目前左手材料的应用还处丁理论和实验阶段，但其依然冇着巨大的应用价值和潜力。本文中，主要对近年來左手材料在天线领域中的应用进行小结，以便对下一步的深入研究工作打好基础。2.左手材料在微波天线领域的应用2.1左手材料对天线性能的影响2.1.1SRR可以直接作为天线辐射单元文献［5］设计了一款以SRR为辐射单元的RFID读写器天线。该天线采用共面波导馈电，具冇较好的阻抗和辐射特性。文献［6］屮设计、测试了