左手材料在天线中的运用研究进展doc 12页.doc

左手材料的研究进展及应用左手材料研究进展及应用左手材料,指的是介电常数(ε)和磁导率(μ)都是负数的材料(物质).在自然界中,所有物质的介电常数(ε)和磁导率(μ)都是正数.左手材料这种新型材料的非常之处,在于其负的介电常数和磁导率使得主导普通材料行为的许多物理特性产生逆变. 左手材料有时也被称作”异向介质”,”负折射系数材料”. 迄今为止,我们在自然界中见到的都是右手材料,右手规则一直被认为是物质世界的常规.但是,在左手材料中,电磁波的电场,磁场和波矢却构成左手关系.这也是这种材料被称为"左手材料"的原因.由于这种材料的介电常数和磁导率都是负数,折射率也是负的,根据电磁学理论,可以推断出它有很多奇异的物理特性.由于这个学期正在学习电磁场,电磁场的数学基础和这种反常自然界物质的神奇特性让我非常感兴趣.虽然阅读了较多的文献,不过很多理论还是不能理解.不过,我理解的那一部分已经受益匪浅了.比如,人的大脑要有创新精神,敢于突破常规,虽然右手规则是统治自然界物质的普遍规律,在我们的脑海中,也根深蒂固的有ε和μ同时>0的概念,不过,只要敢于想,敢于创造,这种突破自然界常规的物质LHM(left hand material)就可以发挥出它巨大的功能.一.左手理论的起源和发展1967年，前苏联物理学家Veselag。

在前苏联一个学术刊物上发表了一篇论文，首次报道了他在理论研究中对物质电磁学性质的新发现，即:当ε和μ都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系。

他称这种假想的物质为左手材料，同时指出，电磁波在左手材料中的行为与在右手材料中相反，比如光的负折射、负的切连科夫效应、反多普勒效应等等。

这篇论文引起了一位英国人的关注，1968年被译成英文重新发表在另一个前苏联物理类学术刊物上。

但几乎无人意识到，材料世界从此翻开新的一页。

左手材料的研究发展并不是一帆风顺。

在这一具有颠覆性的概念被提出后的30年里，尽管它有很多新奇的性质，但由于只是停留在理论上，而在自然界中尚未发现实际的左手材料，所以，这一学术假设并没有立刻被人接受，而是处于几乎无人理睬的境地，直到将近本世纪时才开始出现转机。

左手材料天线左手材料天线是一种新型的天线结构，它利用左手材料的特殊性质来实现对电磁波的辐射和接收。

左手材料是一种具有负折射率的材料，它具有一些非常奇特的电磁性质，例如负折射率、负抗性、负色散等。

利用这些特性，左手材料天线可以实现一些传统天线无法实现的功能，例如超宽带、宽角度辐射、多频段工作等。

因此，左手材料天线在通信、雷达、无线电等领域具有广阔的应用前景。

左手材料天线的工作原理是基于左手材料的负折射率特性。

在传统的天线设计中，通常使用正折射率的材料来实现对电磁波的辐射和接收。

而左手材料天线则采用具有负折射率的左手材料来实现对电磁波的控制。

当电磁波穿过左手材料时，由于其负折射率特性，电磁波的传播方向会发生反转，从而实现对电磁波的控制。

这种特性使得左手材料天线可以实现一些传统天线无法实现的功能，例如超宽带、宽角度辐射、多频段工作等。

左手材料天线具有许多优点。

首先，由于左手材料具有负折射率特性，可以实现对电磁波的精确控制，从而实现更高效的辐射和接收。

其次，左手材料天线可以实现超宽带、宽角度辐射、多频段工作等功能，具有更广泛的应用范围。

此外，左手材料天线的制作工艺相对简单，成本较低，适合大规模生产和应用。

在实际应用中，左手材料天线已经得到了广泛的研究和应用。

在通信领域，左手材料天线可以实现更高效的信号辐射和接收，提高通信质量和覆盖范围。

在雷达领域，左手材料天线可以实现更宽波束宽度和更高分辨率，提高雷达探测和跟踪性能。

在无线电领域，左手材料天线可以实现多频段工作，适应不同频率的信号传输和接收。

总之，左手材料天线是一种具有广阔应用前景的新型天线结构。

它利用左手材料的特殊性质，实现了对电磁波的精确控制，可以实现超宽带、宽角度辐射、多频段工作等功能，具有更高效的辐射和接收特性。

在通信、雷达、无线电等领域具有重要的应用价值，将为相关领域的发展带来新的机遇和挑战。

随着左手材料天线技术的不断进步和完善，相信它将在未来发挥越来越重要的作用。

2023左手材料在天线中的运用研究进展CATALOGUE 目录•左手材料与天线的概述•左手材料在天线中的应用研究•左手材料在天线中运用的发展趋势•左手材料在天线中运用的电磁仿真分析•左手材料在天线中运用的实验研究•结论与展望01左手材料与天线的概述左手材料是一种具有负折射率、零传播常数和正群速度传播特性的电磁材料。

左手材料的定义具有负的介电常数和磁导率，电磁波在这种材料中传播时，电场、磁场和波矢量三者构成左手定则的关系。

左手材料的特性左手材料的定义与特性天线的定义天线是一种用于发射或接收无线电波的设备，能将电路中的高频电流转换为无线电波，并向外辐射或接收电磁波。

天线的分类根据不同的标准，天线有多种分类方式，如线天线和面天线、全向天线和定向天线、单极天线和偶极天线等。

天线的定义与分类提高天线的性能左手材料具有高透射性、低损耗等特点，可以用来提高天线的辐射效率、增益和带宽等性能。

开发新天线技术左手材料具有特殊的电磁波传播特性，可以开发出一些传统天线难以实现的新技术，如超宽带天线、高隔离度天线等。

左手材料在天线的应用意义02左手材料在天线中的应用研究左手材料在天线结构设计中的应用左手材料具有负折射率特性，可以改变天线的辐射模式和方向图。

通过将左手材料应用于天线结构中，可以实现对天线性能的有效调控。

左手材料对天线性能改善的应用左手材料具有高导电性和高磁导率，可以用来增强天线的辐射效率和缩小天线的尺寸。

将左手材料与右手材料结合使用，可以进一步提高天线的性能。

左手材料在天线结构中的应用使用左手材料可以拓展天线的带宽，提高天线的频率响应。

通过结合使用左手材料和右手材料，可以实现天线的宽频带和多频带工作。

左手材料对天线增益提升的应用由于左手材料的负折射率特性，使用它可以提高天线的增益和辐射效率。

在某些情况下，左手材料甚至可以使天线的增益提高一倍以上。

左手材料在天线的极化方式调控中的应用通过使用左手材料，可以实现对天线极化方式的调控。

学号：P200702040密级：微波透波增强特性及在天线中的应用研究Research on characteristics of enhanced microwave transmission and application in theantenna姓名刘义学科专业电磁场与微波技术研究方向电磁散射与目标识别指导教师李民权教授完成时间2012年4月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

本人授权可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日学位论文作者毕业去向：工作单位：电话：通讯地址：邮编：摘要自Ebbesen等人发现透波增强现象以来，金属-介质界面的电磁特性、金属孔/缝和周期皱褶结构透射特性的研究迅速成为研究者们的研究热点。

从而使得研究光电器件及其光学材料进入了一个新的时代。

然而大多数研究都聚焦在光学范围的贵金属上，微波范围内却很少研究。

而微波段的透波增强研究，在微波性能调控、新型微波器件及超导薄膜微波非线性器件设计等方面具有重要的意义。

本文主要基于微波段的透波增强研究，把透波增强现象应用于天线设计中，在分析几种透波增强结构基础上，提出了一种新型的平板馈电天线，由亚波长环形孔周围环绕凹槽结构组成。

左手材料在天线中的应用研究进展摘要：首先从理论上解释了左手材料用于天线设计时实现天线高指向性、高效率、小型化以及大的扫描范围的原因，然后重点介绍了基于金属谐振结构和复合左/右手传输线(CRLH TL)结构的左手材料用于天线设计时的研究进展，显示了金属谐振结构在提高天线方向性、增大天线增益、减小天线体积等方面具有很大优势，而CRLH TL 结构在提高天线带宽、增加天线频带、增大漏波天线扫描范围等方面具有潜在应用价值。

关键词：左手材料；天线；金属谐振结构；复合左/右手传输线结构0 引言左手材料(Left-Handed Material ，LHM)又被称为双负介质，它是一类在一定的频率下同时具有负磁导率和负介电常数的新型人工电磁结构材料。

1968年，前苏联物理学家Veselago[1]首次从理论上研究了电磁波在介电常数和磁导率同时为负的物质中传播的奇异特性，如负折射率等。

20世纪90年代，英国物理学家Pendry 等人相继提出了用周期性金属棒结构（Rod ）[2]和金属谐振环结构（SRR ）[3]分别来实现负介电常数和负磁导率的设想，为左手材料的实现提供了基础。

依据Pendry 的设计思想，2000年Smith 等人[4]把以上两种结构有规律地排列在一起，首次制出了在微波段同时具有负介电常数和负磁导率的材料。

而Pendry [5]关于双负介质平板可以放大或恢复倏逝波来实现完美聚焦成像的建议为左手材料的研究起到了进一步的推动作用。

2002年，美国加州大学的Itoh 教授[6]提出了一种新的设计左手材料的方法—左手传输线，它是用串联交指电容来实现的。

几乎同时加拿大多伦多大学的Eleftheriades 教授[7]提出了周期加载串联电容和并联电感组成的平面一维左手传输线结构。

2004年，Itoh 等人[8]又提出了复合左/右手传输线（CRLH TL ）概念，这开创了一个全新的研究领域，复合左/右手传输线是最有可能首先得到应用的左手材料。

基于左手材料（LHM）的天线设计理念详细介绍随着雷达应用需求的不断扩展，作为关键部件的天线，尤其是主流的有源相控阵天线的发展日新月异。

为适应现代雷达的高设计指标要求，新的解决方案、设计理论、材料以及微波器件正不断涌现，天线微波领域面临着新的技术革命。

左手材料(kft-Handed Material，LHM)作为一种应用材料，可为天线微波领域提供更多的技术选择。

LHM具有介电常数占与磁导率p同时为负值的电磁特性，这与自然界中的大多数材料有着直接的差异。

电磁波在该介质中传播时，电场强度、磁场强度与传播矢量三者遵循左手螺旋定则，因此存在负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射和理想透镜等多种奇特物理现象。

2001年，美国麻省理工学院的Smith等人根据Pendry的理论模型及设计思想，首次制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的材料，并通过实验观察了负折射现象旧1。

LHM由此引起了科学界的浓厚兴趣，对其基本理论和实验的研究正不断完善，其已成为近年来物理学和电磁学领域的研究热点。

1.左手材料(kft-Handed Material，LHM)作为一种应用材料，可为天线微波领域提供更多的技术选择。

LHM具有介电常数占与磁导率p同时为负值的电磁特性，这与自然界中的大多数材料(s 与弘构造的材料空间如图1所示)有着直接的差异。

电磁波在该介质中传播时，电场强度、磁场强度与传播矢量三者遵循左手螺旋定则，因此存在负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射和理想透镜等多种奇特物理现象?。

2001年，美国麻省理工学院的Smith等人根据Pendry的理论模型及设计思想，首次制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的材料，并通过实验观察到了负折射现象。

LHM由此引起了科学界的浓厚兴趣，对其基本理论和实验的研究正不断完善，其已成为近年来物理学和电磁学领域的研究热点。

2.天线及阵列复合左手结构中存在4个频带区，分别为左手导波区、左手辐射区、右手辐射区和右手导。

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ε和磁导率μ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ε和磁导率μ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。

单环SRR型左手材料对微带天线增益提高的研究摘要:本文以左手材料为研究背景,研究其应用于微带天线对增益特性的影响。

通过分析矩形微带天线的特性参数得出要求设计的微带贴片尺寸。

又在其上加载单环SRR型左手材料天线罩并对其进行仿真,分析其对天线增益的提高效果。

关键词:左手材料微带天线增益提高作为一种新型的电磁材料,左手材料具有独特的电磁特性,如负折射率,负多普勒效应,逆楔伦可夫辐射等。

虽然左手材料仅在最近十年才得到深入研究,但国内外众多科研小组在这个领域已开展了大量的研究工作,并取得了丰硕的成果。

与传统天线相比,利用左手材料及单负材料设计出的新型天线具有性能和结构上的双重优势,在商业和军事上均有广阔的应用前景。

本文首先分析了矩形微带天线的特性参数,以此设计矩形微带天线。

并设计了单环SRR型左手材料的天线罩并对其进行仿真。

得出加载该SRR环的天线罩一定程度上提高了天线增益。

1、微带天线概述1.1 微带辐射贴片尺寸设介质基板的介电常数为,对于工作频率的矩形微带天线,其高效率辐射贴片的宽度W为:其中c为光速。

辐射贴片的长度一般取是介质的导波波长,即:考虑边缘缩短效应,实际辐射单元长度L为:式中为有效介电常数,为等效辐射缝隙长度。

它们可分别用下式计算:1.2 频带宽度和增益微带天线的设计过程中,带宽和增益都影响其应用的重要指标。

天线的频带宽度以驻波系数小于某个给定值,对应的频率范围来确定,即其中Q为微带天线的品质因数。

工程实践中,由于实际的,故品质因数可由近似估计,即根据微带天线尺寸,可以近似得到天线的增益G可由下式计算:其中,为天线的效率,D为天线的方向系数。

2、加载天线罩前矩形微带天线参数2.1 加载前矩形微带天线的HFSS仿真按上述求解对矩形微带天线的参数进行变量定义,见表1。

表1 变量定义图1 矩形微带天线模型图2 矩形微带天线S11参数图3 矩形微带天线3D增益方向图图4 矩形微带天线的远场主极化面方向图（E面、H面）由图2可见,矩形微带天线的频点在2.45G,回波损耗-26.7dB,说明天线谐振特性很好,满足工程上的要求。

探讨左手材料在通信系统的应用1 概述在通信领域，传统天线的尺寸受制于谐振频率，并且效率和信噪比较低，将左手材料和右手材料按一定的比例和结构分布在传输线中，可以得到具有超强电磁波聚焦特性的左右手复合材料，通过改变其本构关系参数，可以实现天线的小型化，减小插入损耗，增强天线增益和实现更宽的工作带宽，具有较好的通带特性。

本文通过分析左手材料对通信系统各个器件性能的改善，论述了左手材料在通信系统的应用前景。

2 左手材料在微波器件中的应用2.1 定向耦合器传统的微带天线采用电容间隙耦合，其尺寸由偶、奇模阻抗确定，而左右手复合材料具有负谐振特性，能够制成平行耦合滤波器，通过在普通耦合器中加载具有相位超前特性的左右手复合材料，可以消除耦合端与直通端之间存在的90°的相移，使耦合端与直通端输出相移相等。

由于左手传输线的相速和群速方向相反，左手传输线可以对右手传输线的相位滞后进行补偿，通过调整左右手复合传输线与右手传输线之间的距离，可以实现在一定频率范围内无相差，从而实现分功率分配器的功能。

2.2 新型滤波器由于左手材料中不可避免地会引入右手寄生参量，所以一般的左手材料均为左右手复合材料，当二者处于平衡状态时，就构成了一个左手高通网络和右手低通网络的复合结构，通过调节其本构参数，就可以获得超带宽滤波器。

左右手复合传输线与普通传输线掺杂时，具有良好的耦合性，可以拓宽滤波器的通频带，这种滤波器是通过贴片电容和贴片电感来实现的。

3 左手材料在天线中的应用3.1 天线小型化对于普通的贴片天线，在贴片两端电场相位相反，这相当于一个水平放置的偶极子，远场的主瓣沿垂直于贴片的方向辐射。

由于左手材料具有后向波特性，贴片两端辐射的电场几乎同相位，根据边缘场的叠加性原理，这等效于一个垂直放置的单极子，远场的主瓣沿两侧向外辐射。

传统的天线主要是在牺牲天线效率、带宽和增益的前提下，利用集总参数元件或较大的介电常数来实现天线的小型化。

左手材料在天线中的运用研究进展(doc 12页)左手材料在天线中的应用研究进展摘要：首先从理论上解释了左手材料用于天线设计时实现天线高指向性、高效率、小型化以及大的扫描范围的原因，然后重点介绍了基于金属谐振结构和复合左/右手传输线(CRLH TL)结构的左手材料用于天线设计时的研究进展，显示了金属谐振结构在提高天线方向性、增大天线增益、减小天线体积等方面具有很大优势，而CRLH TL结构在提高天线带宽、增加天线频带、增大漏波天线扫描范围等方面具有潜在应用价值。

关键词：左手材料；天线；金属谐振结构；复合左/右手传输线结构0引言左手材料(Left-Handed Material，LHM)又被称为双负介质，它是一类在一定的频率下同时能首先得到应用的左手材料。

左手材料在微波平板聚焦透镜、带通滤波器、耦合器、天线以及隐身衣等方面具有广泛的应用前景。

特别是在天线上的应用更具吸引力，因为它具有传统天线无法比拟的优点，它可以提高天线的方向性系数和增益、增大天线辐射效率、增加天线带宽、减小天线系统尺寸等。

1 左手材料天线1.1 高指向性利用左手材料奇异的电磁特性，可以实现左手材料平板透镜聚焦效应，从而可以改善天线辐射特性，提高天线的方向性，进而增大辐射增益。

Enoch等人[9]最早研究了具有零折射特性的左手材料在天线定向辐射上的应用。

他们指出在适当的条件下，嵌入到平板左手材料的全向天线向自由空间辐射的电磁波会被聚集在法线方向附近，从而减小了天线的半波瓣宽度，提高了天线的方向性，增大了其增益。

他们考虑了一种最简单的左手材料：薄金属网孔的线介质。

实验和理论的研究表明这种连续的线介质具有等离子频率的特性，在微波频段其等效介电常数为：221peff ωωε=-（1）当ω很接近ωp 时，可以看到其等效介电常数接近于0，从而实现了零折射特性。

下图给出了简单的几何光学原理解释：图1 等效折射率接近零的左手材料平板中源的辐射示意图Fig.1 The emission of a source inside a slab of LHM whose optical index is close to zero.把一辐射源嵌入到折射率接近于零的左手材料平板中，其周围为均匀各向同性的介质，可以看到所有的折射光线基本上都是沿着法线方向出去，这一现象可以用斯奈尔定律解释[10]:meta inout vac n sin sin n θθ=（2）在这里θout 为折射角，θin 为入射角。

基于左手材料的矩形环分形微带天线研究胡灿灿;唐磊;刘啸;王纪俊;徐雷钧【摘要】通过将矩形环分形天线嵌入到左手材料中, 形成一种基于左手材料的矩形环分形微带天线. 采用有限元法对该复合天线进行分析和仿真, 发现基于左手材料的矩形环分形微带天线在各频段增益明显增大, 同时具有较低的回波损耗和电压驻波比, 实现了较好的匹配性, 且有效地改善了天线的性能. 由此可以看出基于左手材料的矩形环分形微带天线在移动通信、卫星通信以及航空航天等领域具有潜在的应用价值.%In this article , the fractal rectangular ring antenna is embedded in the left-handed material to com-pose a fractal rectangular ring microstrip antenna based on the left-handed material .The finite element method is used to analyze and simulate the composite fractal antenna .It is found that the proposed antenna has a higher gain at different frequencies with a relatively low return loss and voltage standing wave ratio , favorably matching with single chips and improving the antenna 's performance parameters .The proposed antenna has potential applications in such fields as mobile communications , satellite communications , and aerospace .【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2016(029)001【总页数】5页(P60-64)【关键词】微带天线;分形;左手材料;增益;回波损耗【作者】胡灿灿;唐磊;刘啸;王纪俊;徐雷钧【作者单位】江苏大学理学院,江苏镇江 212013;江苏大学理学院,江苏镇江212013;江苏大学理学院,江苏镇江 212013;江苏大学理学院,江苏镇江 212013;江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江 212013【正文语种】中文【中图分类】TN828.6;S220.4AbstractIn this article,the fractal rectangular ring antenna is embedded in the left-handed material to compose a fractal rectangular ring microstrip antenna based on the left-handed material.The finite element method is used to analyze and simulate the composite fractal antenna.It is found that the proposed antenna hasa higher gain at different frequencies with a relatively low return loss and v oltage standing wave ratio,favorably matching with single chips and impro ving the antenna’s performance parameters.The proposed antenna has p otential applications in such fields as mobile communications,satellite com munications,and aerospace.Keywords fractal;left-handed material;gain;return loss“分形”的概念由法国数学家Benoit Mandelbrot于1973年在《自然界中的分形几何》一书中首次提出[1]。