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材料的电磁波吸收与传播特性研究引言电磁波是一种电场和磁场相互作用并传播的物理现象。
在我们日常生活中，电磁波无处不在，如无线通信、雷达、红外线传感器等。
对于材料的电磁波吸收与传播特性的研究有着重要的科学和实际意义。
一、电磁波吸收机制电磁波的吸收是指电磁波能量被材料吸收后转化为其他形式的能量，而不是被材料反射、透射或散射。
材料的电磁波吸收机制主要包括电磁波与材料分子之间的相互作用、能带结构和电磁波频率之间的匹配程度等因素。
1. 相对论速度效应当电磁波频率高于光频区时，材料中的电子会出现相对论速度效应。
相对论速度效应会增大电子的有效质量，从而导致对高频电磁波有更强的吸收能力。
因此，材料的电子结构对电磁波吸收起着重要的影响。
2. 电磁波在材料中的传播在材料中，电磁波的传播受到几个因素的影响，包括材料的折射率、导电性以及磁导率等。
对于电磁波来说，材料的折射率决定了电磁波传播的速度和传播方向。
二、电磁波吸收与材料设计材料的电磁波吸收性能对于电磁波应用有着重要的影响。
因此，通过合理设计材料的结构和组分，可以实现对特定频率的电磁波的高吸收。
1. 纳米颗粒材料纳米颗粒材料具有较大的比表面积，能够提高材料与电磁波相互作用的机会。
在纳米颗粒表面修饰特定的吸波材料，可以实现特定频率电磁波的高吸收。
2. 多孔材料多孔材料的孔隙结构能够提供更多的吸收位置，以提高电磁波吸收效果。
通过控制多孔材料的孔隙大小和孔隙分布，可以实现对不同频率电磁波的有选择性吸收。
三、电磁波吸收与应用材料的电磁波吸收与传播特性的研究不仅仅是纯理论问题，还有着广泛的应用前景。
1. 无线通信技术在无线通信领域，材料的电磁波吸收特性的研究可以用于改善天线性能、减少信号干扰等。
通过选择合适的吸波材料，可以减少电磁波传播中的功率损耗，提高通信质量。
2. 雷达技术雷达技术是一种通过电磁波来实现目标探测与识别的技术。
在雷达系统中，通过控制材料的电磁波吸收特性，可以降低雷达信号的反射、透射和散射，提高目标探测的效率和准确性。
左手材料综述由于自然界中的介电常数和磁导率一般都为正值，因此之前人们关于电磁场的研究都局限在传统的电磁理论中。
近年来随着周期性排列的几何材料的出现使得左手材料成为了电子行业研究的热点。
这些周期排列的几何结构可以使得等效的介电常数和磁导率为负值。
这种双负的特性使得电磁场在其中的传播出现了新的特性，合理的将这些结构移植到传统的应用中可以得到我们所期望的效果。
基本原理：由麦克斯韦方程组和本构关系得出的无源波动方程如下：2220E k E ∇+=其中εμω22=k我们知道平面电磁波的电场与磁场如下：j 0j 0()()k rk rE r E eH r H e --⎧=⎪⎨=⎪⎩为保证电磁场的传播k 为实数，则介电常数与磁导率必须同号。
当它们同为负时，电场，磁场与波矢成左手螺旋关系。
这使得左手材料中的相速与能速是反向的。
基本特性： 1， 负折射特性为满足边界条件，左手材料表现出了负折射效应2， 逆多普勒效应同传统介质不同，左手材料中的电磁波表现出了逆多普勒效应。
简而言之，当波源朝观察者走近时，观察者接受到的频率变低了，背道而驰时却变高了。
3， 逆切伦科夫辐射当带电粒子在介质中匀速运动的速度大于介质中的光速时，周围介质中出现诱导电流形成的次波相互干涉产生电磁波向外辐射。
其中θ满足nvc=θcos传统材料 左手材料周期排列的金属结构，无限长金属棒产生负介电常数[])π(j 122202σωεωωωεr a ppeff +-=周期排列的金属谐振环产生负磁导率dc r lc r l a r Cr l r l a r eff 2lnπ32j1π1π32j 1π1322223202022ωμωσωμμωσμ-+-=-+-=通过合理的选择参数可以实现双负的特性j out + + + — — —j in — — —+ + +复合左右手传输线：等效介电常数和磁导率研究现状及难点目前的研究主要还在理论的深化阶段。
其中研究又在微波频段以实验现象和测量分析为主，而现有的材料对电磁波的响应有明显的各向异性，而且带宽窄损耗大而限制了应用范围。
材料物理结课论文题目：左手材料学院：姓名：学号：指导老师：2013年 12月26日目录摘要 (1)1.引言 (1)2.左手材料概念与提出，发展 (1)2.1左手材料概念 (1)2.2左手材料的提出 (3)3.左手材料的理论 (3)4．左手材料的奇异特性 (7)4.1负折射效应 (7)4.2反常 Doppler 效应 (7)4.3反常 cherenkov 辐射 (8)5.左手材料的实验制备和研究现状 (9)5.1左手材料的实验制备 (9)5.2左手材料研究现状 (11)6.左手材料的潜在应用 (11)7.结语 (13)参考文献 (14)致谢 (16)题目：左手材料摘要：左手材料是一种介电常数和磁导率同时为负值的人工材料,这种材料具有负群度、负折射率、逆多普勒效应等多种奇特的物理性质。
叙述了左手材料概念和基本原理,介绍了左手材料的应用及其发展前景。
详细介绍了左手材料(同时拥有负磁导率和负介电常数)存在的理论依据、实现方法和基本电磁特性 ,光学和微波等领域的潜在应用 ,及其研究现状。
关键词：左手材料;负磁导率;负介电常数 ; 负折射逆多普勒效应Abstract:Left-handed materials is a kind of dielectric constant and magnetic permeability and negative artificial materials, the material with negative group of degree of negative refractive index inverse doppler effect and so on a variety of unique physical properties. Describes the left-handed material concept and basic principle, this paper introduces the application and development prospect of left-handed materials. Left-handed materials was introduced in detail(also has the negative magnetic permeability and negative permittivity) method and the theoretical basis of the basic electromagnetic characteristics, potential applications in the field of optical and microwave etc, and its research statusKey words: Left hand materials; Negative magnetic permeability; Negative dielectric constant; Negative refraction inverse doppler effect.1.引言19世纪60年代，Maxwell方程组的提出极大地促进了人工复合电磁材料的发展，人工复合电磁材料是自然界中并不存在，而是人们根据电磁理论推导，计算，设计并且制备出来的，具有特殊电磁属性的人造媒质或材料。
左手材料的奇异特性研究摘要：左手材料是一种介电常数ε和磁导率μ都是负的人工周期结构材料，在其中传播的电磁波的群速度与相速度方向相反，从而呈现出许多起义的特性。
本文介绍了左手材料的基本概念、原理、奇异的特性以及其潜在的应用。
关键词：左手材料；反常折射；能流的方向和波矢方向相反；消除手机辐射；隐身术；引言在谈左手材料之前，先说一下什么是右手材料。
对于一般电解质而言，介电常数ε和磁导率μ都是非负的常数，由有麦克斯韦方程可知，在ε和μ都为正值的物质中，电场、磁场和波矢之间构成右手关系，我们称这样的物质为右手性介质（RHM）。
1968年，前苏联物理学家Veselago在理论上研究了介电常数ε和磁导率μ都为负值的物质的电磁学特性，他发现与常规材料不同的是：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性介质（LHM）。
他还指出，左手性介质中电磁波的行为与在右手性介质中有很大的不同，比如光的负折射率、负的切连科夫效应、反多普勒效应等等。
1996年尽管左手性介质有很多新奇的特性，但在自然界中人类尚未发现真实存在的左手性物质，因此它还主要处在实验室研究阶段。
目前左手性材料的研究仍是科学的热点项目。
一、何谓左手性材料在经典电动力学中，对于无损耗、各项同性、空间介质均匀的自由空间，Maxwell方程组为：正弦时变电磁波的波动方程（Helmholtz方程）为：其中n代表折射率，c是真空中光速。
自然界中物质的ε和μ一般都与电磁波频率有关，如果不考虑任何能量的损耗，在正常的介质中，n、ε和μ在大多数情况下都为正数，此时方程（1）有波动解，电磁波能在其中传播。
对于无损耗、各项同性、空间介质均匀，有Maxwell方程组能推出平面电磁波方程为：且有可见，电磁波是横波，波的相位传播矢量K和电矢量E和磁矢量H互相垂直，并且K、E、H之间满足右手螺旋关系。
这种常规的介质就被称为“右手材料”（Right - Hand Materials）。
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。
·226·一、左手材料的来源众所周知，介电常数和渗透率是电磁研究中两个最重要的物理参数，而电磁波在物质中的传播特性也是由它们决定的。
在自然界中，介电常数和电导率都大于零。
当电磁波在介质中传播时，电场矢量E 、磁场矢量H 和波矢量k 三者之间遵循的是右手螺旋定则，这是传统的材料，称它为右手材料。
然而介电常数有时也会出现负值。
接下来，将给出详细的分析。
大多数自然界存在材料都处于第一象限(0,0>>µε)。
但是在第二象限(0,0><µε)中也有个别的材料，如等离子体及位于特定频段的部分金属。
在第二象限，因为0,0><µε，所以折射率µε=n 为虚数是虚数。
由于电磁波只能在实数折射率的材料中传播，所以说电磁波在这种材料中传播时只能是消逝波,在第四象限中0,0<>µε，所以折射率同样是个虚数。
电磁波在第四象限的性质和第二象限的材料性质类似。
在第三象限中0,0<<µε，因此折射率是实数。
但是它与电磁波在第一象限中材料的传播性质完全不同。
在第三象限中，电磁波的能流密度和波矢量是反平行的，也就是说电磁波的群速度和相速度是反平行的。
在0,0<<µε的材料中，麦克斯韦方程组仍然允许电磁波传播，但要求材料的折射率n 必须为复数。
左手材料是一种负介电常数和磁导率的新型人工合成材料，其折射率为负，因此具有不同于右手材料的独特性能。
平面电磁波，也可以在负介电常数和负磁导率的材料中传播，电磁波此时的电场矢量E 、磁场矢量H 和波矢量k 之间遵循左手螺旋定则，这种材料称它为左手材料。
其实自然界中并没有这种材料。
因此，有关左右材料的研究很少。
直到1968年，前苏联科学家V.G.Veselago 通过计算，预测介质介电常数和磁导率都取负值时，电磁波的传播将表现出不同寻常的物理性质。
电磁波传播特性研究电磁波，这个在现代科技中无处不在的“神秘使者”，深刻地影响着我们的生活。
从通信到医疗，从导航到雷达，电磁波的应用广泛而深入。
然而，要想充分利用电磁波，就必须深入了解它的传播特性。
电磁波是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场。
它具有波动性和粒子性双重特性。
其传播不需要介质，可以在真空中以光速传播。
电磁波的传播速度是一个关键特性。
在真空中，电磁波的速度恒定为约 3×10^8 米每秒。
但在不同的介质中，电磁波的传播速度会发生变化。
比如，在光导纤维中，电磁波的传播速度就会明显低于在真空中的速度。
这种速度的变化会导致折射现象的发生。
当电磁波从一种介质进入另一种介质时，由于传播速度的改变，电磁波的传播方向会发生弯折，就像光线从空气进入水中会发生折射一样。
电磁波的频率和波长也是其重要的特性。
频率是指电磁波在单位时间内振动的次数，而波长则是电磁波在一个振动周期内传播的距离。
它们之间存在着密切的关系：速度等于频率乘以波长。
不同频率的电磁波具有不同的性质和应用。
例如，频率较低的无线电波可以实现远距离的通信，而频率较高的微波则常用于雷达和卫星通信。
电磁波在传播过程中还会发生反射和散射。
当电磁波遇到障碍物时，如果障碍物的尺寸远大于电磁波的波长，电磁波就会发生反射。
这就像我们对着一面大镜子照射光线，光线会被反射回来一样。
而如果障碍物的尺寸与电磁波的波长相当或者更小，电磁波就会发生散射。
例如，在大雾天气中，电磁波的传播会受到雾气中微小水滴的散射影响，从而导致信号的衰减和失真。
衰减是电磁波传播中不可忽视的一个问题。
电磁波在传播过程中，其能量会逐渐减少。
这可能是由于介质的吸收、散射或者传播距离的增加等原因造成的。
在长距离的通信中，必须考虑电磁波的衰减问题，采取适当的措施来补偿能量的损失，以保证信号的质量和强度。
电磁波的传播还会受到环境因素的影响。
例如，地形地貌会对电磁波的传播产生阻挡和反射，从而影响信号的覆盖范围和强度。
左手材料电磁特性的研究的开题报告
这是一份关于左手材料电磁特性的研究的开题报告。
左手材料（left-handed materials）是指一种具有反常波导特性的新型材料，其具有与通常材料不同的电磁特性，即电磁波从传播速度、波长、偏振方向、介电
常数等方面表现出与自然规律相反的性质。
在如此反常的电磁特性背后，是左手材料所独有的负折射率。
因此，在某些特殊应用领域中，左手材
料具有独特的优势和应用潜力，引起了广泛的关注和研究。
本研究旨在探究左手材料的电磁特性，并通过实验验证其具体表现。
首先，我们将了解左手材料的基本概念、分类、性质以及制备方法。
其次，我们将从理论角度分析左手材料的电磁特性，并使用实验手段对其
进行验证。
具体地，我们将使用微波传输线实验系统对左手材料的电磁
特性进行实验验证，以及使用原子力显微镜、拉曼光谱检测等技术手段
对其进行表征。
研究成果将具有一定的学术价值和应用价值。
一方面，将为深入理
解左手材料的基本特性提供一定的理论和实验依据；另一方面，本研究
的成果还将为相关应用领域的进一步研究提供参考和支持，包括天线、
光学、成像、能量转换等领域。
通过对左手材料电磁特性的研究，我们有望在这一新型材料领域中
有所突破，取得一定的研究成果，为相关应用领域提供新的思路和方法。
电磁波的性质与传播特点电磁波是由振动的电场和磁场所组成的一种波动形式，它具有许多独特的性质和传播特点。
本文将探讨电磁波的性质以及它的传播特点，不仅仅是从科学角度，还会涉及到与日常生活的关系。
首先，我们来讨论电磁波的性质。
电磁波既具有粒子性，又具有波动性。
而且，电磁波是无质量的，速度恒定。
这也是为什么光速是绝对恒定，无法被超越的原因。
此外，电磁波还存在着极化现象，即电场和磁场振动的方向垂直于传播方向。
这一性质也是电磁波在天线接收和发射过程中起到重要作用的原因。
接下来，我们探讨电磁波的传播特点。
首先，电磁波具有波动性的特点。
当电磁波传播时，它可以沿直线传播，也可以被物体的反射、折射、衍射等现象所影响而改变传播方向。
这也是信号传输和通信技术中常常遇到的问题。
同时，不同频率的电磁波在传播过程中还存在着衰减的现象，即电磁波能量逐渐减弱。
对于无线通信领域而言，这也是信号传输距离受限的原因。
此外，电磁波还具有干涉和相干性的特点。
当两个相同频率、相同振幅的电磁波相遇时，它们会产生干涉现象，即增强或减弱波峰和波谷的幅度。
这一现象在光学实验以及天线设计中都有重要的应用。
而相干性则指的是两个电磁波之间存在着确定的相位关系，相位相同或相差一定角度。
相干性也是无线通信中频谱分配和调制技术的基础。
除了这些基本的性质和传播特点外，电磁波还具有许多与我们日常生活密切相关的应用。
以无线通信为例，电磁波的不同频段被用于不同的通信方式。
其中，微波频段用于手机通信、无线电广播等；射频频段用于电视广播、卫星通信等；而红外线频段则应用于遥控器和红外线传感器等。
利用电磁波的这些特性，我们可实现无线信息传输、远程控制和传感器检测等功能。
此外，电磁波还用于医学领域的影像技术。
例如，X射线就是一种特殊频率的电磁波，它可以穿透人体组织并被不同密度的组织吸收或散射，从而形成影像。
这使得医生能够诊断疾病并选择合适的治疗方法。
同样，核磁共振和超声波等成像技术也依赖于电磁波的性质和传播特点。
文献综述
应用物理
电磁波在左手材料中的传输特性
过去二十年，一种被称为“左手材料”的人工复合材料在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域内开始获得愈来愈广泛的青睐，对其的研究正呈现迅速发展之势，而它的出现却是源于上世纪60年代前苏联科学家的假想。
LHM概念的提出
1964年前苏联科学家V.G.Veslago教授从Maxwell方程出发，分析了电磁波在拥有负磁导率和负电介常数的材料中传播的情况，对其进行了阐述，如负的切连科夫效应、反斯涅耳定律、反多普勒效应等等。
电磁波在传播时相速和群速方向相反，E、H、K三矢量之间呈现左手法则，与电磁波在传统材料（E、H、K三矢量之间呈现右手法则）中传播情况恰好相反，他定义该种材料为LHM材料。
由于当时在自然界和实验室中未能找到这种材料，因此负折射率的问题并未引起大家的关注。
在Veslago之后的几十年内，很少有关于负折射率问题的进一步报道。
【1】
电磁波在左手材料传播特性
理论上麦克斯韦方程允许介电常数和磁导率都取负值，因此，麦克斯韦方程对于左手材料仍适用。
对于单色平面波，麦克斯韦方程组可以写成如下：
对于右手材料，由前两式可知，电场E，磁场H，波矢k三者之间构成右手关系，而在左手介质中，波矢k三者之间构成左手关系。
波矢k代表了相位传播方向，而能流传播方向S=E×H，代表了群速度。
易判断波矢方向和能流方向相反。
即相速度和群速度方向相反。
逆Doppler频移
声波在介质中传播时，波源和观察者如果发生相对运动，会出现Doppler效应。
但是，在左手材料中，相速度和群速方向恰好相反，当波源和观察者相向而行时，观察者接收到的频率会降低，反之，则会提高。
从而出现逆Doppler频移。
反常Cerenkov辐射【2】
反常Cerenkov辐射电动力学告诉我们，在真空中，匀速运动的带电粒子不会辐射电磁波，而
当带电粒子在介质中做匀速运动时，会在其周围引起诱导电流，从而在其路径上形成一系列次波源，分别发出次波。
当粒子速度超过介质中光速时，这些次波互相干涉，从而辐射出电磁波，这被称之为Cerenkov辐射。
在右手材料中，干涉后形成的波前，即等相位面是一个锥面，电磁波能量沿此锥面的法线方向辐射出去，形成一个向后的锥角，如图l—5—3(a)所示。
国内外研究现状【3,4】
在1998~1999年，英国科学家Pendry等人在1998~1999年提出了一种巧妙的设计结构
可以实现负的介电系数与负的磁导率。
2001年，美国加州大学San Diego分校的David Smith等物理学家根据Pendry等人的建议，利用以铜为主的复合材料首次制造出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的物质，他们使一束微波射入铜环和铜线构成的人工介质，微波以负角度偏转，从而证明了左手材料的存在。
2002年7月，瑞士ETHZ实验室的科学家们宣布制造出三维的左手材料，这将可能对电子通讯业产生重大影响，相关研究成果也发表在当月的美国《应用物理快报》上。
2003年是左手材料研究获得多项突破的一年。
美国西雅图Boeing Phantom Works 的C. Parazzoli 与加拿大University of Toronto电机系的G. Eleftheriades所领导的两组研究人员在实验中直接观测到了负折射定律；Iowa State University的S. Foteinopoulou也发表了利用光子晶体做为介质的左手物质理论仿真结果；美国麻省理工学院的E.Cubukcu 和K.Aydin 在《自然》【6】杂志发表文章，描述了电磁波在两维光子晶体中的负折射现象的实验结果。
基于科学家们的多项发现，左手材料的研制赫然进入了美国《科学》杂志评出的2003年度全球十大科学进展，引起全球瞩目。
2004年，国际学术界开始出现上海科学家的身影。
“973”光子晶体项目首席科学家、复旦大学的资剑教授领导的研究小组经过两年的研究与巧妙设计，利用水的表面波散射成功实现了左手介质超平面成像实验【7，10】，论文发表于著名的《美国物理评论》杂志上，即刻
引起学术界的高度关注，被推荐作为《自然》杂志焦点新闻之一。
同济大学波耳固体物理研究所以陈鸿教授为首的研究小组从2001年开始对左手材料展开研究，经过两年的研究，在基础理论和材料的制备与表征方面取得了重大进展，成果在国际物理学著名刊物上发表。
2004年在国际微波与毫米波技术大会上作大会报告，并将在2005年日本召开的国际微波与光学技术研讨会上作邀请报告【8,9】。
2009年初，美国杜克大学和中国东南大学合作，最近成功研制出微波段新型“隐形衣”，这一研究成果发表在年初出版的《科学》杂志上。
作为东南大学毫米波国家重点实验室副主任，崔铁军教授在计算电磁学和新型人工电磁材料等领域做出了很多原创性的研究成果【13,14】。
崔铁军教授课题组和杜克大学史密斯教授课题组于2006年开始合作，在新型人工电磁材料的理论分析、设计、实验和应用上取得了一系列成果，为新型“隐形衣”的研制打下了坚实基础【15】。
2009年11月，东南大学毫米波国家重点实验室以崔铁军和程强为首的研究团队成功地制作出人造电磁学收集器，在微波环境中，它能够像宇宙中的“黑洞”一样去吸收环境中的微波【10】。
该成果引起了世界科技界的高度关注，10月15日，《自然》网站也以“科学家研制出可携带黑洞”为题介绍了这项研究成果。
应用前景【15-19】
左手材料的巨大应用前景源于它的制造实现。
Pendry在2000年就曾建议制作“超级透镜”（也称“理想棱镜”）以实现左手材料的应用，这一建议在2004年被变成了现实，科学家利用左手材料已经成功制造出平板微波透镜。
2004年２月，俄罗斯莫斯科理论与应用电磁学研究所的物理学家宣布他们研制成功一种具有超级分辨率的镜片，但是他们的技术要求被观察的物体几乎接触到镜片，这一前提使其在实际应用中难以操作。
同年，加拿大多伦多大学的科学家制造出一种左手镜片，其工作原理与具有微波波长的射线有关，这种射线在电磁波频谱中的位置紧邻无线电波。
目录
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Volume 323, Issue 5, March 2011, Pages 607-610DOI:
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【12】理想导体前单层吸波材料的设计综合，崔铁军;梁昌洪。
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