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1、北京石油化工学院学报第14卷第4期Vol.14No.4JournalofBeijingInstituteof2006年12月Dec.2006Petro-chemicalTechnology*左手材料及其微波应用1,21李超李芳(1中国科学院电子学研究所高功率微波与电磁辐射重点实验室,北京100080;2中国科学院研究生院,北京100080)摘要左手材料由前苏联科学家Veselago于上个世纪60年代首先从理论上提出,是指介电常数和磁导率同时为负值的材料。这种材料具有许多新奇的电磁特性。近年来由于在实验上取得
2、了突破性的进展,这方面的研究引起了学术界的广泛兴趣。对微波频段左手材料的研究情况作了一个总体的回顾。首先介绍了左手材料的基本概念,左手材料在微波频段的实现方法。其次概括叙述了微波波段左手材料的研究进展。最后通过一些典型的实例介绍了左手材料在微波领域的应用。关键词左手材料;微波频段中图法分类号TQ0739左手材料(Left-handedMaterials,LHM)ence》杂志上,在国际上引起了很大的反响,也是近年来国际物理学和电磁学的一个研究热引起了广大学者的兴趣,对这种介质的深入研点,是一个全新的研究领域
3、。所谓左手材料是究成为各国物理学家、电磁学家的一个重要研指等效介电常数(ε)和等效磁导率(μ)同时为负究方向。2002年,美国加州大学Itoh教授和加值的介质,故又称双负介质(DoubleNegative拿大多伦多大学Eleftheriades教授领导的研Materials,DNG)。早在1968年,前苏联科学究组几乎同时提出一种基于周期性LC网络的[45]家Veselago就对左手材料做过纯理论性的研实现左手材料的新方法。目前基于LC网究,并指出左手材料具有许多奇异的电磁特性,络的左手材料的研究在理论和实
4、验上都有很大比如相速与能流的方向相反、逆Snell效应(负进展。研究还表明LC左手材料在微波电路、折射)、逆Doppler效应和逆Cerenkov辐射等天线等方面的应用中具有很大的优势[5]。近几等。然而自然界中并未发现介电常数和磁导率年来,国际上有关左手材料的研究论文呈逐年同时为负值的天然物质,他的工作一直没有受上升的趋势,据不完全统计,在国际主要学术刊到学术界的重视。1996年～1999年,英国物理物上,2000年与2001年所发表的关于左手材[1,2]学家J.B.Pendry等人相继提出用周期性料的研
5、究论文数量分别是13篇与17篇,2002排列的金属条(RODs)和金属谐振环(SRRs)在年上升至60篇,2003年上升到100篇以上。微波波段分别产生负等效介电常数和负等效磁左手材料的研究也已引起国内科学界的关注。导率的理论。2001年美国加州大学圣迭哥分国家自然科学基金委将左手材料和负折射效应[3]校的物理学家Smith教授等人用Pendry提的研究列入了2005年重点交叉项目指南中,同出的方法制作了X波段ε和μ同时为负值的介时,基金委信息学部将“异向介质理论与应用基质,并且利用此介质进行了电波传播实验
6、,用实础研究”列入2005年重点项目指南,其中“异向验的方法证明了左手材料的特殊性质,并验证介质”即是左手材料的另一个名称。此外,“新了负折射现象。有关的研究论文发表在《Sci-型人工电磁介质的理论与应用研究”也于2004年被列入国家重点基础研究发展规划(973计收稿日期:2006-05-08*国家973基础研究项目,项目号:2004CB719800;国家自划)。笔者将结合我们单位在这方面的研究工然科学基金资助项目,项目号:60271027,60501018作,对左手材料的基本概念,左手材料在微波频第4期李
7、超等.左手材料及其微波应用71段的实现方法,微波波段左手材料的研究进展,1212W=εE+μH(4)22左手材料在微波领域的应用等方面做一个较为为负值,这意味着当电磁波从外部传入左手材全面的回顾和总结。料时,无源的左手材料将对外做功,这也违背了1左手材料的基本概念能量守恒定律。可见左手材料必须是色散介质,其电磁能量密度表达式具有以下形式介质的电磁特性可以用介电常数和磁导率1(ωε)21(ωμ)2这两个宏观参数来描述。根据麦克斯韦方程组W=E+H(5)2ω2ω和介质的本构关系,电磁波在介质中的传播满由于左手材
8、料突破了传统电磁场理论中的足波动方程。平面波在介质中传播可表示为,一些重要概念,它表现出许多新奇的电磁特性,→→→→→→-jkr-jkr[E(r),H(r)]=[E0e,H0e](1)比如:负折射现象(逆Snell定律)、逆Cerenkov用麦克斯韦方程表示如下:辐射、逆Doppler效应超分辨率成象(完美透→→→k×E0=ωμH0镜)等等。→→→k×H0=-ωεE0(2)2微波频段左手材料的实现方法对于通常介质
