左手材料综述.doc

左手材料及其在器件中的应用摘要：左手材料是近年来国际上研究的热点，具有负折射率、逆多普勒效应、完美成像等一系列性质，通过金属周期性结构及传输线可人工实现，在天线及新型微波器件等性能改进方面具有极大的优势。在自然界中，介质的介电常数和磁导率是描述物质基本电磁性质的两个重要参数，这两个参数决定着电磁波的传播特性。当介质的介电常数和磁导率都为正值时，根据电磁波理论可知介质中的电场、磁场和电磁波传播常数(E、H、k)三者之间构成右手螺旋关系，所以这类物质被称为右手材料(right一handed materials，RHMs)。而左手材料是指介电常数和磁导率同时为负数的材料，在这种介质中，电场、磁场和电磁波传播常数三者之间构成左手螺旋关系。这是一种新颖奇异的材料,其通常也称负折射率材料。一、左手材料的发展历史1968年，前苏联科学家Veselago VG发现介电常数和磁导率都为负值的物质的电磁学性质与常规材料不同，还指出当平面电磁波照射在这样的媒介时，会发生反常的折射现象，不过其在自然界中并不存在，因此他的研究只是停留在理论上。1996年Pendry提出了金属线周期结构，这种结构可使介质的介电常数为负。1999年，Pendry等人又用电介质体设计了一种具有磁响应的周期性结构实现了介质磁导率的负值，进而展现了负折射率材料存在的可能性，人们对这种材料也投入了更多的兴趣。2001年，加州大学San Diego分校的Smith等物理学家根据Pendry等人的建议，首次制造出在微波波段具有负介电常数和负磁导率的物质，证明了负折射材料的存在。2002年，美国加州大学Itoh教授和加拿大多伦多大学Eleftheriades教授领导的研究组几乎同时提出一种基于周期性LC网络的实现左手材料的新方法。目前基于LC网络的左手材料的研究在理论和实验上都有很大进展。研究还表明LC左手材料在微波电路、天线等方面的应用中具有很大的优势。在2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授也从理论上证明了“左手”材料存在的合理性，他称之为“导向介质”。2003年美国Parazzoli C G等人及Houcl等人同时分别进行了一系列成功的实验工作，样品实验的数据与模拟计算非常吻合，都晰而显著地展示出负折射现象；且在不同入射角下测量到的负折射率是一致的，完全符合Snell定律，证实了左手材料的存在二、左手材料的性质材料与电磁波的相互作用主要体现在材料的介电常数和磁导率这两个物理参数上。考虑波在低损耗介质中传播,此时介电常数和磁导率可以看作实数,根据和的正负取值,材料可以分为如图所示的4类。在自然界中, 大部分材料位于1象限,根据Maxwell方程,当一束平面波在位于象限的各向同性材料中传播时,波矢为实数,因此波可以在这种材料中传播,波在位于第和象限的介质中传播时,波矢为虚数,这时材料的耗散非常大,一般认为电磁波在该类介质中不能传播,因为这类材料对频率具有截止功能。对于位于第象限的材料,发现和乘积仍然为正,说明波可以在其中传播,与象限材料相比,虽然波方程没有改变,但Maxwell旋度方程发生了改变,从而引起了电磁波传播性质上的根本变化1. 电磁学性质对于平面单色波，Maxwell方程可以化成如下简单形式在右手介质（0，0）中，由（1）、（2）两式知，E、H、k三者构成右手关系；在左手介质中，因为0，0，E、H、k成左手关系。而（3）式不含和，因此不论是在左手介质还是在右手介质中，E、H、S三者都是右手关系。在右手介质中，S方向与K方向相同，而在左手介质中两者相反。K代表位相传播方向，S代表能流传播方向即群速度方向，因此，左手介质是一种相速度和群速度方向相反的物质。同时，左手介质必然是色散介质，这一点可以由电磁场能量表达式（4）得到若不存在色散的话，由 0，0总能量将为负值。2.负折射现象当波通过两介质之间的界面时,如图所示.一边的磁导率1和电导率1均大于0,另一边的磁导率2和电导率2均小于0.设对2种媒介使用Maxwell方程都将被满足,则有边界条件:可见,E和H沿法线分量En2和Hn2的正负号,在2/10,2/10,2/10时符号的相对,那么,与2/10,2/10的情况相对,在左手材料中折射光线将关于z轴对称传播. 考虑比值2/1和2/1的2个可能的符号, Snell定律应写为这里的V1,V2为两媒介中的相速度, sign为不确定的正负号, i1、i2分别为入射角和折射角.那么左手材料相对于真空的折射率应有n0.3.逆多普勒效应在右手材料中，当波源和观察者之间的距离增加时，比如反射面相对于波源后退时，观察到的反射波的频率会减小，这就是多普勒效应。但在左手材料内，电磁波的相速度和群速度方向相反，即能量的传播方向和相位传播方向相反，所以在左手材料中的频移情况正好和右手材料相反，观察者接受到的反射波的频率会增加，这种现象为逆多普勒效应。4.完美成像根据瑞利准则，一种频率的电磁波通常只能用来分辩尺寸不小于大约其半个波长的物体，电磁波的波长决定成像的质量和清晰程度，所以波长越短，电磁波能分辩的物体尺寸就越小，清晰度就越高。传统透镜无法达到更好的分辩率，是因为电磁波同时具有凋落波和传播波分量，而凋落波在达到像点前大部分已经衰落。如果能够使凋落波分量在达到像点前放大，就可以恢复出凋落波对成像的贡献，而左手材料就可以做的这一点，近场可以在左手材料的表面激励起高频谐振，使己经衰落的凋落波在左手材料中被放大，那么使得凋落波在媒质内被放大的程度与在相当厚度的外部媒质中的衰落程度抵消，于是就可以在像点处完美成像。5.反常切伦柯夫辐射当带电粒子在介质中匀速运动时会在其周围引起诱导电流，诱导电流激发次波，当粒子速度超过介质中光速时，这些次波与原来粒子的电磁场互相干涉，从而辐射出电磁场，称为切伦柯夫辐射。正常材料中，干涉后形成的波面，即等相面是一个锥面。电磁波能量沿此锥面的法线方向辐射出去，是向前辐射的，形成一个向后的锥角，即能量辐射的方向与粒子运动方向夹角。由式子确定，其中v是粒子运动的速度。而在负群速度介质中,能量的传播方向与相速相反，因而辐射将背向粒子的运动方向发出,辐射方向形成一个向前的锥角。下图为两种情况下的切伦柯夫辐射情形。6.反Goos-Hnchen位移 光波从光密媒质入射到光疏媒质，当入射角为将会发生全反射。全反射光束在介质的分界面上将沿入射光波波矢量的平行分量发生侧向位移，该位移由Goos和Hnchen首次发现，因此命名为Goos-Hnchen位移。如果介质2为左手材料，|n2|n1时也会发生全反射，此时的反射光束同样在界面上发生侧向位移，但是位移的方向与入射波波矢量的平行分量反向，这主要是因为左手材料的负相速的缘故，该现象被称为反Goos-Hnchen位移。Goos-Hnchen位移和反Goos-Hnchen位移如下图所示：三、左手材料的人工实现1、金属谐振结构左手材料的实现目前，对于左手材料人工等效实现的研究，主要集中在以金属谐振结构为基础的人工等效实现研究，通过SRRs周期结构形式的改进及研究，完成左手材料的人工等效实现。2000年美国加州大学San Diego分校的科学家D.R.Smith等采用电路板刻蚀技术制备了铜SRRs和铜线并周期性排列成结构材料，并测量了其微波透射曲线。当有垂直于环面的磁场振动时，环内产生振荡电流与电荷；而产生的有效介电常数（）和磁导率（）的计算如下：其中p为电子的等离子体共振频率，为损耗频率，可知当p时出现负的介电常数；m是体系的磁共振频率，而F为金属占据格子的体积分数，i为虚数单位，为损耗频率（远小于m）。可知在大于共振频率m的范围内体系出现负的磁导率。2、传输线结构左手材料的实现传统的传输线由周期性排列的电子元器件组成,包括串联的电感和并联的电容,电磁波在其中传播的色散关系与正折射材料相同。如果将电容与电感互换,即电感并联、电容串联,电磁波在其中传播的色散关系就与负折射材料类似。下图给出了传输线实现左料的基本原理：基于这一理论研究,2002年,美国加州大学Itoh教授给出了左手传输线单元结构,采用串联的交指电容等效左手输线中的串联电容,同时通过一个长的接地枝节来等效实现左手传输线中的并联电感。几乎同时候加拿大多伦多大学Eleftheriades教授也提出左手传输线实现共面波导结构,并证明了电磁波沿传输线方向传播具有后向辐射特性。由于在利用微带结构的分布集总参数等效实现左手单元结构中的串联电容和并联电感的时候,不可避免的引入了右手效应,所以，研究更多的是一种复合左右手结构(composite right/left-handed structure,CRLH)。通过在单元结构中加入串联电感和并联的电容来表示寄生的右手特性。四.左手材料在器件中的应用及优势1.左手材料与天线通信系统的保密性、高效性要求天线具有高定向性；机动性、移动性和易携带性要求天线具有小型化；为了降低对发射系统的要求，天线要具有高增益。这些特性都可以通过左手材料的奇特的电磁特性实现。Burokur等人研究了左手材料对微带贴片天线性能的影响，他们设计了一种圆形辐射贴片微带天线，采用同轴线馈电，如下图a所示。选用位于左手特性区域中的某一频率作为微带贴片天线工作的中心频率，将一定体积的左手材料覆层置于天线前方。研究发现左手材料覆层的引入可使天线的聚焦性和方向性更好，增益提高了2.8 dB，改善了天线的性能。若选用损耗小的左手材料且保证良好的波阻抗匹配，天线的增益可达到12 dB。左手材料覆层相当于凸透镜，使电磁波只能够在垂直方向附近的小角度内传播，其它方向的传播被限制。这将显著改善天线方向性，提高天线的增益。例如：可以把LHM刻蚀在引信系统的天线罩上，在不改变天线罩外形的同时，提高了天线增益和方向性。图b是将左手材料与传统材料复合作为天线基板，基板中激励起的表面波在两种材料的分界面发生负折射，折射波被金属接地板反射后在分界面处再次发生负折射，使得表面波在天线基板中的传播形成闭合路径，可抑制天线边沿辐射，减少天线阵元间的干扰，提高方向性和辐射效率。Baccarelli在理论上假设天线基板的介电常数和磁导率均小于0，对基板的散射方程进行了数学讨论，提出以左手材料作为天线基板抑制表面波TE模、TM模的条件。他指出左手材料作为天线基板可以减少天线的边缘散射，提高天线辐射效。下图是工作在相同频率的不同类型材料的天线尺寸比较。图a是利用左手特性设计的天线，图6b是利用微带天线理论设计的天线，前者尺寸相对于后者缩小了将近76.5%。2. 左手材料与微波器件（1）.新型滤波器传统右手传输线的等效电路是一个低通结构，而左手传输线结构的等效电路是一个高通结构.因此左右手复合传输线构成的特异媒质是一个带通结构.利用左右手复合传输线结构的这个带通特性可以制成尺寸小、带内损耗小、频带宽的带通滤波器.下图左，给出了基于新型复合结构的新型超宽带滤波器结构示意图.通过改变其中的交指电容长度kaP可得到不同工作频段上的带通滤波器.右图给出了lcap=8mm时的电磁场全波仿真和实验测试结果，可看出，新型滤波器的相对带宽在70%以上。 （2）. 新型零阶谐振器对于左右手复合传输线结构，在左手通带和右手通带的过渡段上有两个特殊的非零频率点，在此两点上电磁波的相位常数=0。再通过适当调节分布结构，使得左手传输线和右手传输线具有相等的特性阻抗，即可实现一个新型的零阶谐振器，其谐振频率由复合结构等效的电感、电容值决定，而与谐振器的尺寸无关，因而具有小尺寸的优点.下图(a)为简化左右手复合结构零阶谐振器，其等效电路模型为图(b).（3）. 任意双频带分支藕合器传统的右手四分之一波长分支线只能工作在设计频率f0和它的奇次倍频3f0，5f0，上。由于在双频段或多频段通讯系统中，各段频率的选择是独立的，一般不满足奇次倍频的关系，所以传统右手分支线有时不能满足这些系统的要求。而左右手复合传输线结构具有非线性相移特性，所以可以利用复合传输线来替代传统分支线中的右手传输线，以获得在第一个频段不变的情况下的任意第二个工作频段。下图左给出了采用简化的左右手复合传输线结构设计的纯分布结构的藕合器，两输出端口通带中心频率分别为0.9G珑和1.8GHz，右图为实测结果。3. 左手材料与隐身左手材料用于电磁波隐身的思想是目前国际研究的热点。利用左手材料的“负折射”效应，通过合理设计能够使光折射率可人为控制，进而达到隐形的效果。2006年，J.Pendry和D.R.Smith在美国Science上发表文章指出：麦克斯韦方程经坐标系统变换后能够提供特定分布的折射率，可以实现对电磁波传播方向的控制。D.R.Smith等人基于左手材料思想在微波频段成功验证了微波隐身。S.A.Cummer等人通过仿真发现，理想的、甚至物理可实现的柱状隐身“外衣”的低反射性及其功率流的弯曲特性对于介电常数和磁导率适度的改变并不特别敏感，但隐身效果随着损耗的增大而恶化，而且还发现8层均匀的基本理想连续的柱状筒壳的电磁隐身“外衣”就能达到屏蔽低反射的效果，为实现电磁隐身“外衣”提供了一个简单的方法。Leonhardt提出利用二维Helmholtz方程的变换也能够实现电磁波隐身。下图是考虑了各向异性、不均匀的媒质的麦克斯韦方程的几何限制，通过对哈密顿方程组数值积分获得电磁波轨迹示意图。可以看出电磁波绕过了目标并在绕过目标后返回了其原始轨迹，实现了目标的隐身。五、结束语器件性能的极限突破或极大改进关键在于新材料的发现并成功应用，一旦有新材料的发现，并展现出优良的性质，便会引起国际上的跟风研究，并很快从理论与实验中验证并开发出初步的应用。左手材料提出后，其特异的性质为众