【左手材料的研究国内外文献综述3800字】

左手材料的研究国内外文献综述1.1左手材料发展历程“左手材料”等效介电常数和等效磁导率同时为负值并且波矢量方向将和波的传播方向相反，满足左手螺旋定则[5]的电磁特性最早由前苏联科学家Veselago于1968年提出。由于人们仅仅是通过大气中等离子体效应与Drude模型推测存在等效负介电常数[6]，通过铁氧体材料波导管观测到等效负磁导率存在的现象[7]，并未发现或制造出满足电场、磁场与波矢量三者满足左手关系的“左手材料”。因此左手材料的理论在很长一段时间停留在假设猜想阶段。直到上世纪的1996年，JonePendry等人通过周期排列的金属棒（arrayedmetallicwires）在低频段实现了负介电常数[8]。他提出，当存在一定方向的电场时，金属内的自由电子产生等离子体谐振，周期排列的金属棒结构的等效等离子频率随着金属棒的间距和金属棒的半径的改变而改变，通过调节等效等离子体频率使其大于工作频率即可实现负的介电常数。随后的1999年，JonePendry等人利用周期排列的金属开口谐振环（SplitRingResonators,SRR），通过改变金属SRR环单元结构的尺寸参数以及周期排列间隔使等效磁导率取得负值[9]。2000年，D.R.Smith等人将上述金属细棒与开口谐振环进行组合，首次成功合成等效介电常数与等效磁导率同时为负的人工材料[10]。从实验上验证了左手材料的理论，实现了左手材料里程碑式的发展。随后的2001年，D.R.Smith等人通过印刷电路板技术制备了二维左手材料，并通过棱镜实验验证了负折射率的存在[11]。2003年，左手材料入选美国《科学》杂志当年十大科学进展之一，在社会各界引起强烈反响。2005年，D.R.Smith等人讨论了通过S参数分析电磁特性的方法的有效性[12]，并且他们得出结论，对于非均匀结构，该方法也能计算得到合理的等效电磁参数。2010年，ZsoltSzabó等人提出了一种改进的提取超材料有效本构参数的算法[13]，通过采用Kramers-Kronig关系来估计折射率的实部，以确保有效参数的唯一性。同年，左手材料入选《科学》21世纪科技领域“十年中的10大卓见”[14]。1.2左手材料的研究现状及应用在D.R.Smith通过实验验证了左手材料的存在之后，左手材料发展迅猛。在周期排列的金属细棒与开口谐振环的基础上，人们针对结构加工复杂、左手频段窄以及工作频段低等缺陷，提出了一系列特性多样的左手材料。在结构上，由双层左手材料发展为单层左手材料；在频段范围上，由单频左手材料发展为多频左手材料以及可调谐左手材料。（1）单层左手材料对于双面左手材料存在的加工复杂等问题，将电谐振结构与磁谐振结构设计在同层的方案受到了广泛关注。2008年Kun-HsienLin等人设计了一款中心对称的“王”字型左手材料[15]，结构见图1-1（a）。通过调节“王”字结构中A、B、C的长度使结构在2.5GHz-3.6GHz的频率范围内介电常数和磁导率为负，工作在WiMAX频段上，虽然结构易加工，但存在负折射率频段只覆盖3.5GHz-3.6GHz的问题，频段较窄。2010年FabioUrbani设计了一款单面菱形左手材料[16]，见图1-1（b）。FabioUrbani设计、模拟、制造和测量了该二维周期结构的透射和反射特性，并在单元结构的等效介电常数和等效磁导率均为负的频率范围内观察到左手传输特性，结构尺寸小并且在10.3GHz-11GHz实现负折射，但是负折射率频段高，且频带较窄。2012年AlineCoelhodeSouza等人设计出一款M形左手材料[17]，见图1-1（c）。该结构在5.8GHz时等效介电常数与等效磁导率表现为负值，同时于微带贴片阵列天线上方时可使天线增益增加3dB以上，并保持天线的圆极化，M形左手结构能有效提升天线性能但仍未实现结构多频段负折射特性。2018年，厦门大学许海柯提出一款左手频段为3.44GHz-3.71GHz和5.63GHz-6.50GHz的整体交互耦合环状左手材料[18]，并为加大空间利用率设计环状交替耦合结构使设计的左手结构更为紧凑，拓展了结构的应用范围并尝试将拓扑理论应用于左手结构的设计中，通过循环耦合拓展了结构频带，但双负频段仍然较窄。见图1-1（d）。2019年FushenQiu等人设计了一款嵌套形左手材料[19]，见图1-1（e）。单元结构通过组合一个在2.45GHz谐振的LHM单元和一个在3.54GHz谐振的LHM单元实现实现双频带响应，但依然有负折射率带宽偏窄等缺陷。2020年，厦门大学董梦银提出左手频段为4.7GHz-5.7GHz和6.5GHz-7.1GHz的“囚”型左手材料[20]，并通过拓扑变换衍生出多种结构，验证了拓扑变换对单面左手结构的设计具有指导意义。（a）“王”字型左手材料（b）单面菱形左手材料（c）M形左手材料（d）整体交互耦合环状左手材料（e）嵌套型左手材料（f）“囚”型左手材料图1-1单层左手材料（2）多频左手材料多频段左手材料通过将不同频段的电负超材料与磁负超材料组合或是在一个单元内设计多种电谐振与磁谐振结构等方式实现，解决单频左手材料频带范围窄、频带单一等问题。2004年HongshengChen等人以S形谐振器为基础实现多频左手材料，见图1-2（a）。该结构左手频段覆盖9.6-11GHz和12-13.5GHz，同时由于结构中感应出的多个电容和电感，可以进一步调整以实现具有多个（两个以上）左手频带的超材料，但结构存在尺寸偏大的问题。2009年JiafuWang等人通过交替堆叠具有不同几何尺寸的单位设计了一种双频左手材料，见图1-2（b）[21]。他们首先设计了两个通带分别为8.7-9.6GHz和11.0-11.5GHz的左手材料，然后将两种左手材料紧密平行排列得到具有双频段的左手材料，但相比于单频左手材料，损耗也有所增加。2012年O.Turkmen等人设计了一种多频带嵌套U型环左手材料[22]，见图1-2（c），该结构通过调节相关U形环的臂长可以独立地控制其中每一个谐振频率，但该结构仅实现实现在8.24GHz、9.86GHz和12.42GHz三个频率附近获得等效负磁导率，结构未能在多频段实现等效负介电常数特性。同年，He-XiuXu等人提出通过树型分形设计了一款在微波频段上的多频左手材料[23]，见图1-2（d）。该结构通过分形产生多个电谐振与磁谐振回路从而实现多频左手效应，在多频化方面取得突破但是结构较为复杂且负折射率频带偏窄。2015年SikderSunbeamIslam等人通过两个相连的开口方形谐振环设计了一款多频段左手材料[24]，见图1-2（e）。该结构在微波频谱的S波段，C波段，X波段和Ku波段表现出左手特性，并且通过表面电流的分析发现，该结构的不同部位能够在不同频率下激发磁谐振因而产生多频效应，结构在多频化方面取得突破，但是依然存在左手频带偏窄的问题。2016年，厦门大学黎江威利用不同几何尺寸的环状结构设计了一款双频左手材料[25]，见图1-2（f）。该结构在3.8GHz和5.6GHz两个频点附近表现出左手特性，但采用此方法实现的两个左手频段带宽均较窄，最大带宽仅为340MHz。2017年，XuanxuanLi等人通过镜像的手段设计了一款“巨”形双频左手材料[26]，见图1-2（g）。该结构通过镜像对称的方式对结构的磁谐振进行调控，当电谐振和磁谐振的频率重叠时即可实现双频左手特性，结构双负频带宽但是频点较高。2020年，厦门大学朱建基通过在基础结构上引入新谐振枝节激发新的左手频段，设计了一款覆盖3.3-3.6GHz和4.8-5.0GHz5G频段与X频段的四频段左手材料[27]，见图1-2（h）。该结构最大带宽为2.18GHz并且具有结构小巧、易加工等特点，为拓展左手结构频带提供了新的设计思路。上述几种左手材料一经加工完成其工作频段就固定不可改变，通过可调谐电子器件[28、29]、机械调谐的方式[30、31]或是利用液晶材料与铁氧体材料[32、33]实现左手材料的电磁特性的快速改变构成可调谐左手材料，为左手材料的进一步发展开拓了方向。（a）S形结构多频左手材料（b）组合型双频左手材料（c）多频带嵌套U型环左手材料（d）树型分形左手材料（e）开口方形谐振环多频左手材料（f）葫芦形双频左手材料（g）镜像“巨”形多频左手材料（h）多枝节多频左手材料图1-2多频左手材料（3）左手材料的应用由于左手材料所拥有的不寻常的电磁特性，使其在天线、微波器件、吸波材料[34-36]等领域拥有广泛的应用。在天线中，利用左手材料可以对天线进行相位补偿从而提高天线辐射效率[37]；将左手单元直接作为辐射单元实现小型化以及高增益天线[38-40]，或是实现天线陷波特性[41、42]；利用左手材料负折射率特性可以提高天线指向性[43-45]，或将左手材料与天线进行组合从而拓展天线带宽[46-50]。在微波器件中，利用左手材料可以减小微波器件尺寸[51、52]、拓展工作频带[53]、实现多频工作[54]等。1.3拓扑学发展历程及在电磁领域的应用拓扑学在二十世纪初被定义为一个明确的学科，但早在几个世纪前就有一些零散的拓扑学理论被提出。其中包括LeonhardEuler研究的某些几何问题。1736年LeonhardEuler发表的关于柯尼斯堡七桥的论文被认为是拓扑学最早的实际应用之一。1750年LeonhardEuler提出的多面体公式V-E+F=2（其中V表征多面体的顶点数，E表征多面体的边数，F分别表征多面体的面数），被视为拓扑学的第一个定理，标志着拓扑学的诞生[55]。1883年，《自然》杂志首次使用“topology”来区分“定性几何与主要处理定量关系的普通几何”[56]。1906年MauriceFréchet引入了度量空间的概念[57]。度量空间现在被认为是一般拓扑空间的特例，任何给定的拓扑空间都有可能产生许多不同的度量空间。1914年，FelixHausdorff提出了“拓扑空间”一词，并给出了现在称为Hausdorff空间的定义[58]。现代拓扑学在很大程度上依赖于19世纪下半叶由GeorgCantor提出的集合论的思想，同时逐渐发展为拥有点集拓扑、代数拓扑、微分拓扑等多个分支的数学的基础性学科，并在电磁领域中的天线设计、超材料等方向有着广泛且极其重要的应用[59-63]。2019年厦门大学微波与天线技术课题组提出左手结构的电磁拓扑变换理论[64]，并根据左手材料结构拓扑强度的不同将其分为微分同胚变换、同胚变换和非同胚变换三种