【正文】 列成功的實(shí)驗(yàn)工作，樣品實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算非常吻合，清晰而顯著地展示出負(fù)折射現(xiàn)象；且在不同入射角下測(cè)量到的負(fù)折射率是一致的，完全符合Snell定律，證實(shí)了左手材料的存在。研究還表明LC左手材料在微波電路、天線等方面的應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)。2002年，美國(guó)加州大學(xué)Itoh教授和加拿大多倫多大學(xué)Eleftheriades教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組幾乎同時(shí)提出一種基于周期性LC網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)左手材料的新方法。　周期排列的金屬線結(jié)構(gòu)2000 年，美國(guó)Smith 等首次利用開(kāi)口諧振環(huán)（SRR）和電諧振器（如開(kāi)口金屬線）組成的陣列實(shí)現(xiàn)了“雙負(fù)”材料。1996年P(guān)endry提出了金屬線周期結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可使介質(zhì)的介電常數(shù)為負(fù)。本文通過(guò)研究CRLH理論以及左手材料實(shí)現(xiàn)天線小型化的理論依據(jù)，“蘑菇”結(jié)構(gòu)天線及小型超寬帶天線。左手材料傳輸線的實(shí)現(xiàn)形式是復(fù)合左／右手傳輸線(Composite Right／Left—Handed Transmission Line，CRLH TL)，CRLH特性是在某些頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)為“左手特性，具有左手材料電磁特性，而在其它頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)為“右手特性”。在常規(guī)介質(zhì)微波分析和設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，傳輸線方法是有效的分析工具之一。例如，為了實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的保密性、機(jī)動(dòng)性、易攜帶性以及降低系統(tǒng)的復(fù)雜性等特性，要求設(shè)計(jì)的天線具有高方向性、小型化、高增益等，這些特性都可以通過(guò)左手材料實(shí)現(xiàn)，而且LHM電路板印制實(shí)現(xiàn)方式，對(duì)于天線共面、易于與PCB板集成等都非常有利，因此LHM對(duì)于通信系統(tǒng)和武器裝備的發(fā)展將會(huì)起到巨大的推動(dòng)作用；太赫茲頻段的左手材料可能實(shí)現(xiàn)太赫茲電磁波成像，該技術(shù)在軍事、醫(yī)療、反恐等領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊，如新型雷達(dá)、導(dǎo)航、遠(yuǎn)距離武器探測(cè)、醫(yī)學(xué)成像等，其應(yīng)用價(jià)值不可估量；紅外波段和可見(jiàn)光頻段的左手材料也有著非常重要的應(yīng)用，如生物安全成像和指紋識(shí)別、遙感、微型器件、超靈敏單分子探測(cè)器和醫(yī)學(xué)診斷成像等。左手材料具有一些獨(dú)特的電磁特性，如負(fù)折射效應(yīng)、倏逝波放大、逆多普勒效應(yīng)、逆切比科夫輻射、完美透鏡和亞波長(zhǎng)衍射等。左手材料(Lefthanded Materials，LHM)就是一種介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的電磁材料，最初由前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago于1964年提出。 目 錄 iii基于左手材料理念的小型化天線研究畢業(yè)論文目 錄第一章 緒 論 1 研究背景及意義 1 國(guó)外左手材料發(fā)展歷史 2 國(guó)內(nèi)左手材料的發(fā)展現(xiàn)狀 4 左手材料的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì) 5 天線覆層可提高天線定向性 5 減少手機(jī)輻射對(duì)人體傷害 5 隱身技術(shù) 5 屏蔽技術(shù) 5 小型化微波部件 6 論文結(jié)構(gòu) 7第二章 天線基礎(chǔ)理論 9 方向函數(shù) 9 方向圖 10 方向圖參數(shù) 11 方向系數(shù) 12 天線效率 14 增益系數(shù) 15 極化方式 16 輸入阻抗與輻射阻抗 16 頻帶寬度 17第三章 左手材料理論及實(shí)現(xiàn)方式 19 左手材料基本理論 19 左手材料的性質(zhì) 21 22 負(fù)折射現(xiàn)象 22 逆多普勒效應(yīng) 23 完美成像 24 反常切倫柯夫輻射 24 反GoosH228。nchen位移 25 左手材料的人工實(shí)現(xiàn) 26 傳輸線結(jié)構(gòu)左手材料的實(shí)現(xiàn) 26 金屬諧振結(jié)構(gòu)左手材料的實(shí)現(xiàn) 27 28 左手傳輸線理論 28 純左手傳輸線理論 28 左手材料實(shí)現(xiàn)天線小型化思想 30第四章 左手材料實(shí)現(xiàn)天線小型化 33 等效左手材料——“蘑菇結(jié)構(gòu)” 33 N=2時(shí)模型及結(jié)果 33 N=4時(shí)模型及結(jié)果 39 N=6時(shí)模型 46 50第五章 總結(jié)與展望 55致謝 57參考文獻(xiàn) 59 第一章 緒 論 7第一章 緒 論 研究背景及意義 介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是描述物質(zhì)基本電磁性質(zhì)的物理量，人們往往認(rèn)為它們是正值，但實(shí)際上介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都可以為負(fù)數(shù)。[[] V. Veselago, The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of and Soviet Physics Uspekhi, vol. 10, no. 4, pp. 509514, 1968.]與常規(guī)介質(zhì)(Righthanded Medium，RHM)中電場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)強(qiáng)度、波矢量置服從“右手定則不同，左手材料中它們服從“左手定則。利用上述特性，左手材料能夠用于實(shí)現(xiàn)平板聚焦、天線波束匯聚，電磁隱身、完美透鏡、超薄諧振器和天線小型化等，在軍事和經(jīng)濟(jì)生活中有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。因此，深入研究左手材料的空間電磁響應(yīng)行為將對(duì)左手材料的實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。利用傳輸線方法來(lái)分析左手材料，可以使左手材料的應(yīng)用變得更為直觀、便捷，同時(shí)也為左手傳輸線設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。CRLH開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域，是一種極有可能最先在實(shí)際中得到應(yīng)用的左手材料。 國(guó)外左手材料發(fā)展歷史 1968年，前蘇聯(lián)科學(xué)家Veselago VG發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ都為負(fù)值的物質(zhì)的電磁學(xué)性質(zhì)與常規(guī)材料不同，還指出當(dāng)平面電磁波照射在這樣的媒介時(shí)，會(huì)發(fā)生反常的折射現(xiàn)象，不過(guò)其在自然界中并不存在，因此他的研究只是停留在理論上。1999年，Pendry等人又用電介質(zhì)體設(shè)計(jì)了一種具有磁響應(yīng)的周期性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)磁導(dǎo)率的負(fù)值，進(jìn)而展現(xiàn)了負(fù)折射率材料存在的可能性，人們對(duì)這種材料也投入了更多的興趣。2001年，加州大學(xué)San Diego分校的Smith等物理學(xué)家根據(jù)Pendry等人的建議，首次制造出在微波波段具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的物質(zhì)，證明了負(fù)折射材料的存在。目前基于LC網(wǎng)絡(luò)的左手材料的研究在理論和實(shí)驗(yàn)上都有很大進(jìn)展。在2002年底，麻省理工學(xué)院孔金甌教授也從理論上證明了“左手”材料存在的合理性，他稱之為“導(dǎo)向介質(zhì)”。2002年7月，瑞士ETHZ實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們宣布制造出三維的左手材料?！蹲匀弧冯s志發(fā)表文章，描述了電磁波在兩維光子晶體中的負(fù)折射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2004年，俄羅斯莫斯科理論與應(yīng)用電磁學(xué)研究所宣布用左手材料研制成功一種具有超級(jí)分辨率的鏡片，這種鏡片可以構(gòu)成不會(huì)丟失信息、將所有能量完全復(fù)制到成像點(diǎn)的完美透鏡（Perfect Lens）。同年，加拿大多倫多大學(xué)的科學(xué)家制造出一種左手鏡片，其工作原理與具有微波波長(zhǎng)的射線有關(guān)，這種射線在電磁波頻譜緊鄰無(wú)線電波。2005年， μm的紅外線區(qū)域呈現(xiàn)負(fù)折射率的人造介質(zhì)左手性特異材料。在光通信控制技術(shù)方面，此前的研究熱點(diǎn)是硅微細(xì)線光導(dǎo)波路及光子結(jié)晶，而此次LHMs的開(kāi)發(fā)成功，則提供了一種全新的光控方法。利用雙模板輔助化學(xué)電沉積法制備了周期性排列的金屬銀樹枝陣列， 發(fā)現(xiàn)其在紅外波段具有很強(qiáng)的透射通帶，并且在對(duì)應(yīng)頻率表現(xiàn)出明顯的平板聚焦效應(yīng)，得到了紅外波段的左手材料。同年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Valentine 等用多層魚網(wǎng)結(jié)構(gòu)第一次在紅外波段實(shí)現(xiàn)三維的LHM ，并通過(guò)棱鏡折射實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其負(fù)折射行為。 國(guó)內(nèi)左手材料的發(fā)展現(xiàn)狀2004年，國(guó)際學(xué)術(shù)界開(kāi)始出現(xiàn)中國(guó)科學(xué)家的身影。利用SRR環(huán)和開(kāi)口金屬線組成陣列分別實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率和負(fù)介電常數(shù)，這種組陣方式的復(fù)雜性增加了制作難度。已經(jīng)報(bào)道的有浙江大學(xué)的“S”形 ，復(fù)旦大學(xué)的“工”形 ，西北工業(yè)大學(xué)的“H”形等。這種單一結(jié)構(gòu)制作方便，雙負(fù)頻段較寬。采用絲網(wǎng)印刷制作的“巨”。[[] Liu H，Zhao X P，Yang Y，et al. Fabrication of infrared lefthanded metamaterals via double templateassisted electrochemical deposition（J）.Adv Mater，2008，20:2050]采用雙模板輔助化學(xué)電沉積制備金屬銀樹枝狀結(jié)構(gòu)陣列，制備出大面積（平方厘米級(jí)）紅外左手材料。[[] 李慶武，相建凱，趙延. 藍(lán)光波段左手材料的化學(xué)制備方法（J）.材料導(dǎo)報(bào)，2009，23（9）：8~10，21]采用雙模板輔助化學(xué)電沉積法，以聚苯乙烯小球?yàn)槌跫?jí)模板，二維ZnO 有序多孔薄膜為二級(jí)模板，制備了銀樹枝狀結(jié)構(gòu)陣列，同時(shí)還研究了沉積電壓對(duì)ZnO 有序多孔薄膜質(zhì)量和銀樹枝形貌的影響。 左手材料的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì) 天線覆層可提高天線定向性空間通信與微波武器等領(lǐng)域?qū)μ炀€的要求日益提高， 左手材料用在天線上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以提高天線定向性，以確保通信的保密性和高效性。 dB。[[] 吳微微，黃敬健，胡俊偉. Ku波段新型左手材料平面天線罩（J）.宇航學(xué)報(bào)，2009，30（5）：1953~1956]實(shí)驗(yàn)證明加入左手材料平面天線罩后，天線的波束得到匯聚，同時(shí)增益提高了5 dB左右。 減少手機(jī)輻射對(duì)人體傷害[[] 周曉明. 左手材料SRR在手機(jī)輻射防護(hù)中的作用（J）.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，37]同濟(jì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室制造出新型左手材料開(kāi)口環(huán)狀諧振器（SRR），用它制成定向天線，通過(guò)人造結(jié)構(gòu)控制電磁波傳播方向，可以智能尋找附近的基站，只向該基站方向發(fā)射信號(hào)，并通過(guò)相關(guān)技術(shù)阻止信號(hào)向人腦方向傳播，從而避免電磁波對(duì)手機(jī)使用者造成輻射傷害。這預(yù)示著利用左手材料有可能使某些金屬結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波產(chǎn)生“隱身”效果，左手材料可望用于隱身技術(shù)。左手媒質(zhì)微波空間濾波器的優(yōu)良特性在軍事上有廣泛的應(yīng)用前景，例如軍用飛機(jī)的雷達(dá)罩、微波天線防干擾和防微波高能武器的屏蔽罩等。這些特性都可以通過(guò)左手材料的奇特的電磁特性實(shí)現(xiàn)。選用位于左手特性區(qū)域中的某一頻率作為微帶貼片天線工作的中心頻率，將一定體積的左手材料覆層置于天線前方。若選用損耗小的左手材料且保證良好的波阻抗匹配，天線的增益可達(dá)到12 dB。這將顯著改善天線方向性，提高天線的增益。 加載左手材料，基板中激勵(lì)起的表面波在兩種材料的分界面發(fā)生負(fù)折射，折射波被金屬接地板反射后在分界面處再次發(fā)生負(fù)折射，使得表面波在天線基板中的傳播形成閉合路徑，可抑制天線邊沿輻射，減少天線陣元間的干擾，提高方向性和輻射效率。他指出左手材料作為天線基板可以減少天線的邊緣散射，提高天線輻射效。%。理論部分主要介紹了天線基礎(chǔ)理論、左手材料理論和實(shí)現(xiàn)以及在天線小型化上的應(yīng)用等。 第二章主要為天線基礎(chǔ)理論，介紹了評(píng)估天線性能所用到的主要參數(shù)，對(duì)更好的理解后文做了鋪墊。第四章列出兩個(gè)實(shí)例，通過(guò)等效左手材料思想實(shí)現(xiàn)天線小型化和增加天線帶寬，更好地理解了左手材料在實(shí)際中的應(yīng)用。最后部分是致謝及參考文獻(xiàn)。[[] 宋錚等著，天線與電波傳播，西安電子科技大學(xué)出版社][[] 魏文元等