左手材料及其微波應用

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1、北京石油化工學院學報第14卷第4期Vol.14No.4JournalofBeijingInstituteof2006年12月Dec.2006Petro-chemicalTechnology*左手材料及其微波應用1,21李超李芳(1中國科學院電子學研究所高功率微波與電磁輻射重點實驗室,北京100080;2中國科學院研究生院,北京100080)摘要左手材料由前蘇聯(lián)科學家Veselago于上個世紀60年代首先從理論上提出,是指介電常數(shù)和磁導率同時為負值的材料。這種材料具有許多新奇的電磁特性。近年來由于在實驗上取得

2、了突破性的進展,這方面的研究引起了學術(shù)界的廣泛興趣。對微波頻段左手材料的研究情況作了一個總體的回顧。首先介紹了左手材料的基本概念,左手材料在微波頻段的實現(xiàn)方法。其次概括敘述了微波波段左手材料的研究進展。最后通過一些典型的實例介紹了左手材料在微波領(lǐng)域的應用。關(guān)鍵詞左手材料;微波頻段中圖法分類號TQ0739左手材料(Left-handedMaterials,LHM)ence》雜志上,在國際上引起了很大的反響,也是近年來國際物理學和電磁學的一個研究熱引起了廣大學者的興趣,對這種介質(zhì)的深入研點,是一個全新的研究領(lǐng)域

3、。所謂左手材料是究成為各國物理學家、電磁學家的一個重要研指等效介電常數(shù)(ε)和等效磁導率(μ)同時為負究方向。2002年,美國加州大學Itoh教授和加值的介質(zhì),故又稱雙負介質(zhì)(DoubleNegative拿大多倫多大學Eleftheriades教授領(lǐng)導的研Materials,DNG)。早在1968年,前蘇聯(lián)科學究組幾乎同時提出一種基于周期性LC網(wǎng)絡(luò)的[45]家Veselago就對左手材料做過純理論性的研實現(xiàn)左手材料的新方法。目前基于LC網(wǎng)究,并指出左手材料具有許多奇異的電磁特性,絡(luò)的左手材料的研究在理論和實

4、驗上都有很大比如相速與能流的方向相反、逆Snell效應(負進展。研究還表明LC左手材料在微波電路、折射)、逆Doppler效應和逆Cerenkov輻射等天線等方面的應用中具有很大的優(yōu)勢[5]。近幾等。然而自然界中并未發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)和磁導率年來,國際上有關(guān)左手材料的研究論文呈逐年同時為負值的天然物質(zhì),他的工作一直沒有受上升的趨勢,據(jù)不完全統(tǒng)計,在國際主要學術(shù)刊到學術(shù)界的重視。1996年～1999年,英國物理物上,2000年與2001年所發(fā)表的關(guān)于左手材[1,2]學家J.B.Pendry等人相繼提出用周期性料的研

5、究論文數(shù)量分別是13篇與17篇,2002排列的金屬條(RODs)和金屬諧振環(huán)(SRRs)在年上升至60篇,2003年上升到100篇以上。微波波段分別產(chǎn)生負等效介電常數(shù)和負等效磁左手材料的研究也已引起國內(nèi)科學界的關(guān)注。導率的理論。2001年美國加州大學圣迭哥分國家自然科學基金委將左手材料和負折射效應[3]校的物理學家Smith教授等人用Pendry提的研究列入了2005年重點交叉項目指南中,同出的方法制作了X波段ε和μ同時為負值的介時,基金委信息學部將“異向介質(zhì)理論與應用基質(zhì),并且利用此介質(zhì)進行了電波傳播實驗

6、,用實礎(chǔ)研究”列入2005年重點項目指南,其中“異向驗的方法證明了左手材料的特殊性質(zhì),并驗證介質(zhì)”即是左手材料的另一個名稱。此外,“新了負折射現(xiàn)象。有關(guān)的研究論文發(fā)表在《Sci-型人工電磁介質(zhì)的理論與應用研究”也于2004年被列入國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計收稿日期:2006-05-08*國家973基礎(chǔ)研究項目,項目號:2004CB719800;國家自劃)。筆者將結(jié)合我們單位在這方面的研究工然科學基金資助項目,項目號:60271027,60501018作,對左手材料的基本概念,左手材料在微波頻第4期李

7、超等.左手材料及其微波應用71段的實現(xiàn)方法,微波波段左手材料的研究進展,1212W=εE+μH(4)22左手材料在微波領(lǐng)域的應用等方面做一個較為為負值,這意味著當電磁波從外部傳入左手材全面的回顧和總結(jié)。料時,無源的左手材料將對外做功,這也違背了1左手材料的基本概念能量守恒定律。可見左手材料必須是色散介質(zhì),其電磁能量密度表達式具有以下形式介質(zhì)的電磁特性可以用介電常數(shù)和磁導率1(ωε)21(ωμ)2這兩個宏觀參數(shù)來描述。根據(jù)麥克斯韋方程組W=E+H(5)2ω2ω和介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系,電磁波在介質(zhì)中的傳播滿由于左手材

8、料突破了傳統(tǒng)電磁場理論中的足波動方程。平面波在介質(zhì)中傳播可表示為,一些重要概念,它表現(xiàn)出許多新奇的電磁特性,→→→→→→-jkr-jkr[E(r),H(r)]=[E0e,H0e](1)比如:負折射現(xiàn)象(逆Snell定律)、逆Cerenkov用麥克斯韋方程表示如下:輻射、逆Doppler效應超分辨率成象(完美透→→→k×E0=ωμH0鏡)等等?！鷎×H0=-ωεE0(2)2微波頻段左手材料的實現(xiàn)方法對于通常介質(zhì)