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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。
新型电磁超材料在天线中的应用研究摘要：人工电磁超材料自身具备独有的特质，这些优异的特性是目前自然形成的物质所不具备的，电磁超材料自身主要的性质就是超常电磁特性，这种电磁超材料是一种复合结构材料。
本文主要研究了在天线中运用新型的电磁超材料的可能性，并且依据材料的特点发掘潜在能力，不断的提升天线的自身性能。
关键词：新型电磁超材料：天线；应用在超材料领域，材料的分类主要涉及到两个方面的内容，分别是单负材料以及左手材料，在这两种材料中左手材料主要是介电常数和磁导率双负，有负介电常数以及负磁导率是单负材料的主要特征，与入射电磁波的波长进行类比发现这些材料具有很小的单元周期尺寸。
在材料性质方面，超材料具有三个主要特点：采用新型的人工结构、卓越的物理性质，此外人工结构还会导致超材料出现一些特殊的性质。
1新型电磁超材料的简述对负介电常数产生相应的研究与分析。
在正常的等离子中，由于正负电荷产生分离，由于离子的质量较大，所以通常视为固定的，所以此基础上就会形成带有正电荷的背景环境，通过静电力的作用，等离子机体在遇到负电子时会出现振荡，这个振荡的频率就是所谓“等离子体谐振频率”。
在一定的条件下，超材料是处于负介电常数状态，既入射电磁波频率相较等离子体谐振频率低。
正常情况下，金属的等离子体谐振频率较高。
从负磁导率的角度进行分析和阐述时，研究人员需要依靠同轴开口谐振圆环结构，并且需要用其他材料来代替其中的原子和分子，并且主要采用金属结构单元，并在宏观展现出谐振特性，在负磁导率的方面运用较广，并且在负磁导率频段进行调节，通常要实现这一操作需要对几何参数以及结构都进行改变。
同谐振环结构的谐振频率进行类比后发现，当频率处于较低时，磁导率是正值，当频率高时，就会出现负值。
在根据相应公式进行研究之后可以得知，谐振频率受到多方面因素的共同作用，主要涉及到几何尺寸、形状以及排列周期等，受到这些因素的影响，就需要工作人员依据特点对其进行相应的调整与设计。
基于左手材料透镜的毫米波天线设计赵敏;赵建平;郭瑾昭;张月;徐娟【摘要】随着当下众多电子设备、军事化装备对天线的方向性要求日益提高,加载超材料透镜的天线系统逐渐成为研究重点.毫米波天线由于体积小、重量轻、易于高度集成化,且频带宽、分辨率高、敌方难于截获、抗干扰性能强等特性,在军事上得到了广泛应用.因此,结合超材料中具有负折射率特性的左手材料,设计了能够应用在毫米波介质谐振器天线上的透镜.与介质谐振器单独工作相比,加载超材料透镜后,天线方向图的半功率波瓣宽度明显收敛,增益值也获得了有效提高,进一步验证了所提设计方案的可行性.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2019(052)004【总页数】5页(P986-990)【关键词】左手材料;毫米波;介质谐振器;负折射率;方向图收敛【作者】赵敏;赵建平;郭瑾昭;张月;徐娟【作者单位】曲阜师范大学,山东曲阜 273165;曲阜师范大学,山东曲阜 273165;曲阜师范大学,山东曲阜 273165;曲阜师范大学,山东曲阜 273165;曲阜师范大学,山东曲阜 273165【正文语种】中文【中图分类】TN920 引言毫米波是介于微波与光波之间的电磁波。
通常，毫米波频段是指30～300 GHz，对应波长为1～10 mm，因此毫米波通信系统天线尺寸相比于低频设备更小，集成度更高。
毫米波通信系统具有高跟踪和制导精度、不易受电子干扰、雷达分辨率高等特性[1]，在雷达、制导、战术和战略通信、电子对抗、遥感和辐射测量等方面得到了推广。
随着当下超材料在天线领域的广泛应用，左手材料成为研究的热点。
左手材料（Left Handed Metamaterials，LHMs）由前苏联物理学家Veselago于1958年在物质电磁学理论研究中首次提出[2]。
当介电常数ε和磁导率μ都为负值时，电磁波在其中传播时，电场矢量E、磁场矢量H以及波矢K满足左手螺旋定则，进而得到负折射率[3]，所以左手材料也称为负折射率超材料。
基于复合左右手传输线结构的新型多频、小型化天线研究一、本文概述随着无线通信技术的飞速发展，天线作为无线通信系统的重要组成部分，其性能对整体系统的传输效率和稳定性起着至关重要的作用。
近年来，多频、小型化天线因其能满足现代无线通信系统对频带宽度和集成度的高要求，逐渐成为天线研究领域的热点。
复合左右手传输线结构（Composite Right/Left-Handed, CRLH）作为一种新型的人工电磁媒质，具有独特的电磁特性，为实现多频、小型化天线提供了新的思路。
本文旨在研究基于复合左右手传输线结构的新型多频、小型化天线。
我们将对复合左右手传输线结构的基本原理和特性进行深入分析，探讨其在天线设计中的应用潜力。
通过理论分析和仿真实验，研究基于CRLH结构的多频、小型化天线的设计方法，分析不同参数对天线性能的影响。
在此基础上，提出一种新型的基于CRLH结构的多频、小型化天线设计方案，并对其性能进行仿真验证。
我们将通过实验测试验证所设计天线的性能，并与现有技术进行对比分析，评估其在实际应用中的优势。
本文的研究不仅有助于推动多频、小型化天线技术的发展，为现代无线通信系统的性能提升提供有力支持，同时也为复合左右手传输线结构在天线设计领域的应用拓展新的思路和方法。
二、复合左右手传输线结构（CRLH-TL）概述复合左右手传输线结构（Composite Right/Left-Handed Transmission Line，CRLH-TL）是一种人工设计的传输线结构，通过周期性地在传输线上加载集总元件（如电容、电感等），使得传输线同时展现出左手材料（Left-Handed Material，LHM）和右手材料（Right-Handed Material，RHM）的特性。
这种独特的结构为电磁波的传播提供了新的可能性，使得天线设计者在追求多频、小型化的目标上取得了显著的突破。
在CRLH-TL中，左手材料和右手材料的结合使得电磁波的传播常数β和相位常数k不再是单一的正值或负值，而是可以根据需要设计为正值、负值或零。
交指型左手微带天线研究的开题报告
标题：基于交指型左手微带天线的设计与研究
背景：
随着现代通信技术的不断发展，对天线技术的要求变得越来越高。
近些年来，左手材料作为新型天线材料被广泛研究和应用。
左手材料的应用可以扩展天线的频带宽度、提高天线的增益和降低副瓣水平。
微带天线作为一种新型小型化、低成本的天线结构，受到了广泛的研究和应用。
目的：
本文旨在研究基于交指型左手微带天线的设计方法，探索其性能与应用。
方法：
在本次研究中，首先对交指型左手材料的电磁特性进行了研究，实验验证了其左手性质。
然后，通过模拟软件设计了交指型左手微带天线，并对其进行了仿真分析。
结果：
经过仿真与分析，发现交指型左手微带天线能够增强天线辐射的低频段和高频段带宽，具有良好的阻抗匹配和辐射性能。
结论：
交指型左手微带天线在天线的频带宽度扩展、增益提高和副瓣降低等方面具有特殊的优势，对于现代通信的需求有着很好的应用前景。
建议：
为了进一步提高交指型左手微带天线的性能，可结合实际应用需求，对天线的结构参数进行优化设计，提高天线的性能指标。
同时，可以进一步研究天线的制造工艺和成本控制等问题。
3负折射材料的应用3. 1倏逝波的放大Pendry[ 14 ]指出:在正折射率介质中指数衰减的倏逝波进入负折射率介质后随即增长. Zhang等[ 15 ]人的研究也发现负折射率材料能极大地增强光子隧道效应. 这些理论研究都是在负折射率介质没有任何损耗的情况下提出来的. 众所周知,任何介质都不可避免地带有损耗和色散等性质, 因此,对于倏逝波在负折射率介质中的传播不能用简单的方法来研究.图4为多层平板结构示意图,该结构是一种物理模型,主要用来研究负折射率介质中,倏逝波的传播情况[ 16 ]. 其中n l , u l ( l = 1, 2, 3 , 4)表示第l层介质参数; d2 , d3 为中间两层介质的厚度;第3层为负折射率介质,即n3 < 0,μ 3 < 0;在z < 0和z > d2 + d3 的区域,材料均匀无限延伸. 然后根据麦克斯韦方程的对称性,来计算电场的传播模式:E l ( x, z) = [A l exp ( ik lz ( z - z l- 1 ) ) + B l exp ( - ik lz ( z -z l- 1 ) ) exp ( ik x x) (6)其中z0 = z1 = 0, z l = z l - 1 + d1 ( l = 2, 3) , k x 为平面波波矢在x轴方向的分量; k lz表示介质l中平面波波矢在z方向的分量. 当波为行波时, k lz = k20 n2l - k2x ;当波为倏逝波时, k lz =i k2x - k20 n2l .图4四层介质组成的传输阵列,其中第三层为负折射介质其次是放大过程分析[ 16 ] : 先考虑中间两层分别为理想的正折射率介质和负折射率介质时,倏逝波的变化规律,当n l , u l 取特定数值代入上式时,发现电场为指数衰减和指数增长的两个部分的叠加, 其变化规律由两个部分的相对强度决定. 陈龙等经过计算得出:在介质2中任何一点z的放大(即d| E2 | 2d z> 0) 或者衰减(即d| E2 | 2d z< 0) 的变化趋势由exp ( - 2β·z) 的相对大小决定;在介质3中,由exp ( -2βd3 ) 和exp ( - 2β·( z - d2 ) ) 确定. 当介质4和3阻抗匹配, 则只有单个方向的倏逝波存在,电场在正、负折射率介质层中分别以指数衰减和指数增长, 倏逝波在负折射率介质中是一个完全放大的过程. 倏逝波在负折射率介质中的放大效应, 使负折射率介质有可能应用在光子隧道效应(光耦合) 和完善透镜等方面.3. 2光子隧道效应[15, 17 ]倏逝波进入负折射介质后被放大的过程, 其实也是光子隧道效应的结果,这主要是因为在该介质中,能量的转移主要依赖于光子隧道效应. 其原理是:在两种正折射介质中增加负折射率介质,当前面两种介质之间的势能不是足够低,也就是说当势阱宽度不小于波长λ时,光束穿过前两种介质进入后一种介质时,就会发生隧道效应. 具体图示如图4,该图为四层介质组成的传输阵列, 第一层和第四层是由两种半绝缘介质组成,且两者折射率相等, 第二层是真空,第三层是由负折射介质组成, 该阵列非常成功地达到了辐射能量传输的增加. 通过采用传输矩阵方程可以很好的计算出LHM的折射率和厚度在直线和半球形传输方向上对辐射传输能量的影响量级. 图5是直线传输能量跟d3 / d2 的关系图( d3 是LHM的厚度, d2 是真空层的厚度) ,入射光(λ= d2 ) 以45°角射入. 该图主要体现了LHM的负折射率和厚度在光子隧道效应中对能量传输的影响. 图6主要研究的是四层结构的半球形传输模式跟d3 /λ的关系图, 其中T p rop , T evan 和T com 分别表示传输波、衰减波的传播以及这两种波的结合传播等. 当d3 =λ( = d2 ) ,并且n3 = - n2时,传播达成一致. 从该图可知:光子隧道效应的分布对于厚度和折射率的失谐非常敏感. 从Zhang等的系统分析中可以看出,负折射率材料可以用来制造高功效的微观能量转化装置.3. 3超透镜聚焦成像传统光学透镜已经有很久的历史,其局限性是没有哪50 咸宁学院学报第26卷© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 个透镜能够将光聚焦到一个比λ 2 还要小的范围内,所以,传统的光学透镜要受到光波长的限制. 自从负折射率材料出现以后,一些关于负折射率材料方面的应用也有所突破.如果利用该材料制作透镜,可以聚焦2D成像中的所有傅立叶成分以及那些不能在辐射方式中存在的传播,这样的透镜可以作为微波光束检测的常规技术. Pendry[ 14 ]从传统光学透镜的理论推导着手,模拟了负折射光学透镜的可能性原理. 他认为传统的光学透镜只适应于纵向波矢,而无法对横向波矢进行研究,因为,横向波矢的衰减太严重,而体现物质光学传输特性的传输波几乎都在横向波矢(衰减波)里面,要对这些传输波进行研究,就得找新型材料,负折射材料自然而然成为了大家关注的对象. Pendry[ 14 ]对负折射材料的传播特性进行了严格的因果推算,得到:负折射材料确实可以增强衰减波的振幅,修复衰减波的相位,因此这种具有传播和增强衰减波性能的材料可以提高成像分辨率. 如果用负折射材料制成超透镜,那么这样的透镜就有几个重要的优点: (1)由于没有光学轴,因此不需要精确的队列. (2)平行厚板代替曲线形状,其结构更简单. (3)当给定超透镜的结构和光束的波长后,超透镜的分辨率就透镜的表面周长和光束的波长限制了, a s /λ越小,分辨率越高.光子晶体具有负折射行为,也可以用来制作超透镜. 为了模拟出这样的超透镜, Guven等采用了有限差异时间领域的模拟技术( finie2difference time2domain,简称FDTD) [ 5 ] ,该技术与平行厚板光子晶体的边界条件非常匹配. 光子晶体平行厚板的厚度跟表面周长都选择发射最小的状态. 超透镜为我们研究负折射率材料的聚焦成像提供了依据,也为今后微波透镜的发展以及克服传统透镜内在的衍射极限限制开拓了道路.4展望负折射现象向人们展示了一个新奇的光学世界,它引起了人们对负折射现象研究的热潮[ 18～20 ]以及对现有理论和现象的重新审度. 越来越多的研究表明,负折射材料具有很多潜能,譬如制造超透镜、高效微观能量转换装置以及提供高分辨的光学分辨率和高功率光耦合等. 尽管对负折射现象的理论研究已经初具规模,但是,在日常生活中负折射材料却少之又少,目前还只是停留在光子晶体以及金属合成物上,而要广泛地制作这种材料,还需要进一步的努力.__5 潜在应用从左手材料表现出的新颖电磁特性,其潜在的应用研究也逐渐提上日程。
第16卷 第5期长 春 大 学 学 报Vol .16 No .5 2006年10月JOURNAL OF CHANGCHUN UN I V ERSI TY Oct .2006 文章编号:1009-3907(2006)05-0031-03收稿日期:2006-06-09作者简介:刘晓旭(1982-),男,黑龙江省绥化市人,哈尔滨师范大学物理系硕士生,主要从事凝聚态物理方面的理论研究。
左手材料的性质及研究动态刘晓旭,王选章(哈尔滨师范大学物理系,黑龙江哈尔滨 150080)摘 要:左手材料(也被称为负折射率材料)最早由前苏联科学家Veselag o 在20世纪60年代从理论上提出来的,是一种具有介电常数和磁导率同时为负值的材料,它具有诸如负相位速度,负折射率,理想成像,逆Dopp ler 频移及反常的Cerenkon 辐射等多种奇异的物理现象。
本文主要论述左手材料的性质并分析左手材料全新应用前景,简要介绍左手材料近年来的研究动态及发展前景。
关键词:左手材料;负折射率;非寻常折射中图分类号:O44116 文献标识码:B0 引 言左手材料是一种新颖奇异的材料,其通常也称负折射率材料,负折射率介质是一种重要的新型人工合成材料,不同于自然界存在和已有的人工合成材料,电磁波在这种材料中传播时,其电场、磁场传播方向遵循左手法则。
图1 介电常数ε和磁导率μ构造的材料空间材料与电磁波的相互作用主要体现在材料的介电常数ε和磁导率μ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ε和磁导率μ可以看作实数,根据ε和μ的正负取值,材料可以分为如图1所示的4类在自然界中,大部分材料位于1象限,根据M axw ell 方程,当一束平面波在位于象限Ⅰ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Ⅱ和Ⅳ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。
基于左手材料的小型化差分微带天线
韩丽萍;赵亚娟;曲美君
【期刊名称】《测试技术学报》
【年(卷),期】2014(028)002
【摘要】本文提出了一种应用于WiMAX的小型化差分微带天线,并通过在辐射贴片刻蚀U型缝隙的方法实现天线的小型化.与传统的半波长天线相比,该天线的尺寸为15 mm×15 mm (0.38 λg×0.38 λg).为了改善天线的带宽性能,设计了一种新型的哑铃型开口环金属线复合周期结构的左手材料,并将左手材料作为天线的覆层.仿真和测量结果表明:覆层左手材料的小型化差分微带天线的带宽为8.5％(3.4 GHz～3.7 GHz),峰值增益为3.8 dBi.
【总页数】5页(P163-167)
【作者】韩丽萍;赵亚娟;曲美君
【作者单位】山西大学物理电子工程学院,山西太原030006;山西大学物理电子工程学院,山西太原030006;山西大学物理电子工程学院,山西太原030006
【正文语种】中文
【中图分类】TN823+.24
【相关文献】
1.应用于WLAN的小型化差分双频微带天线设计 [J], 韩丽萍;沈艳芳;曲美君
2.基于左手材料的矩形环分形微带天线研究 [J], 胡灿灿;唐磊;刘啸;王纪俊;徐雷钧
3.基于左手材料的高增益双频带微带天线 [J], 赵亚娟;王东红;李宝毅;王蓬;周必成;
江波
4.基于左手材料的微带天线小型化设计 [J], 孙烨;赵文美;刘硕;程永霞
5.一种新的基于左手材料的小型化RFID微带天线设计 [J], 李光福;金杰;刘青爽;孟庆斌
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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。
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：221p eff 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 in out vac n sin sin n θθ= （2）在这里θout 为折射角，θin 为入射角。
由于真空中的折射率n vac =1，n meta ≈0，所以sin θout 近似为0，也就是电磁波折射后，会在很靠近法线方向辐射出去。
这就是利用这种介质构造高指向性天线的机理。
1.2 提高辐射效率微带天线中表面波的存在会降低天线的辐射功率，而把左手材料作为微带天线的基板，可以抑制表面波的传输，有效的减小边缘辐射，增强天线耦合到空间电磁波的辐射功率，增大其辐射效率[11]。
假设一个高为h 的各向同性的左手材料平板，其相对介电常数和相对磁导率分别为μr1和εr1，它们都为负值，如图2（a ）所示。
图2 （a ）左手材料接地平板结构[11] （b ）接地平板的TE 和TM 模式横向等效网络Fig.2 (a) LHM grounded-slab structure [11] ； (b) Transverse equivalent network for TE and TM modes ofthe grounded slab.表面波沿着z 方向传播，其传播常数为k z =βz ，表面波在y 方向会逐渐的减弱。
假定在x 方向上电磁场没有变化，因此对于二维空间上我们可以单独地研究TE 和TM 模式。
其y方向上的等效网络如图2（b ）所示，其中Z 0为自由空间中的特征阻抗，Z 1为平板中的特征阻抗。
对于自由空间和平板，它们各自对应的两个极化（TE 和TM ）的特征阻抗表达式为：Z 0Z 1h左手材料空气空气00TE y z k ωμ=,011TE r y z k ωμμ=，000y TM k z ωε= ,1101y TM r k z ωεε= （3）上式中：00y y k j α==-，1y k =αy0是一个正实数，这是为了满足在y 方向上无穷远处的辐射条件。
TE 和TM 模式的色散方程为：110tan()0y jz k h z += （4）普通表面波为k y1=βy1，倏逝波为k y1=j αy1，后面一种波不能在双正的各向同性平板介质中存在。
经讨论可知在TE 和TM 模式下表面波不能传播的条件如下[17]：在111r r με<下，能抑制表面波传播的充分条件是：111111tanh (r r r h μεε-⎧<⎪<⎪⎨⎪>⎪⎩ （5）在111r r με>下，能抑制表面波传播的充分条件是：1111r r h με⎧<⎪>⎪⎨⎪<⎪⎩ （6） 因此通过式（5）和（6）可知：若μr1εr1＜1，则当平板厚度足够大时可以抑制表面波的传播。
若μr1εr1＞1，则当平板厚度足够小时可以抑制表面波的传播。
1.3 小型化设计左手材料天线的小型化设计是基于左手介质的后向波特性的应用之一。
Engheta [12]在2002年首次提出了基于左右手介质的一维小型化谐振腔结构，它是将左手介质的后向波效应与传统介质的前向波效应相结合设计出的小于半波长的谐振腔。
把它运用到天线中可突破传统微带天线的半波长电尺寸的束缚，从而达到天线小型化设计的目的。
图3 复合左右手介质构成的一维相位补偿结构[12]Fig.3 Based on compost right/left media of one-dimensional phase compensator structure [12].图3左边平板由无耗的一般介质构成（ε1＞0，μ1＞0），假设这一介质的特征阻抗与外部自由空间的特征阻抗相等，但其折射率不同。
当电磁波进入到平板时，在介质表面不会发生反射，波前相位与入射点的相位差为：1101n k d θ∆= （7）图3右边平板由无耗的左手介质构成（ε0＜0，μ0＜0），且假设左手介质的特征阻抗也与外部空间相匹配。
将左手介质平板与右手介质平板并列放置，电磁波穿透两介质最终离开左手介质平板，坡印廷矢量始终不变，因为穿过的介质都为无耗介质。
在右手介质平板中坡印廷矢量1s →与波矢1k →的方向相同，而在左手介质平板中两者方向相反。
因此，电磁波进入到左手介质平板到穿透左手介质所产生的相位差为：2202n k d θ∆=-(8)因此，电磁波穿过图示的一维结构所产生的总的相位差为： 12101202n k d n k d θθθ∆=∆+∆=- (9)从上式中看到，如果左手介质平板与右手介质平板的厚度比为d 1/d 2=n 2/n 1，则由左右手介质构成的平板其总的相位差为零。
因此，左手介质在左右手复合结构中起着相位补偿的作用，重要的是这种相位补偿作用不依赖与平板的总厚度d 1+d 2，而是取决于它们厚度的比值d 1/d 2。
所以，理论上只要满足d 1/d 2=n 2/n 1，则厚度可以是任意值。
1.4 增大扫描范围由于复合左/右手传输线单元的相位常数随频率和等效电路参数的变化而变化，在不同的频率区间呈现负值或正值，而在一个非零频率点上的相位常数甚至可以为零。
利用这种奇异的相位传播特性，结合漏波天线频率扫描的工作原理，可以构造大角度微带漏波天线[13]。
在平衡状态下,复合左/右手传输线单元的相位常数为：1()()L R p ββωβω⎛⎫=+= ⎝ (10)0ω= （11） 当ω<ω0时，β<0，反之β＞0；当ω=ω0时, β=0。
而漏波天线的辐射角为10sin ()k βθ-=(12) 由上式可以看到CRLH 漏波天线的辐射角理论上可以实现从-900到900的连续扫描，当ω<ω0时，天线后向扫描，当ω>ω0时，天线前向扫描。
而传统的微带漏波天线只能从边射到端射的扫描（即00到900的扫描），因为β总是为正值，而且传统微带漏波天线不能进行边射扫描，因为对于右手材料来说当β=0时,v g =0，但是对于CRLH 漏波天线，当β=0时，群速v g 并不为零，天线将能够在边射方向进行辐射。
2 左手材料天线发展2.1 金属谐振结构的左手材料天线提高天线增益的方法有很多种，例如改用阵列天线、碟形天线、抛物面天线等，但这些天线的体积都过于庞大，限制了它们在一些特殊场合的应用。
微带天线虽具有小的体积，但是它具有很低的增益，而且其辐射方向容易受到表面波的影响。
针对这些问题，人们提出了利用左手材料的平板透镜聚焦效应来提高天线增益的方法[14,15]，这不仅获得了很高的增益，而且可实现天线的小型化设计。
2005年，Burokur[16]从理论上研究了左手材料对微带天线的影响，这种左手材料是由矩形开口环和金属线构成（图4（a）），将一定体积的这种左手材料覆层置于天线前方，发现它的引入可使天线的增益提高2.8dB，且具有很好的方向性。
还发现若选用损耗小的左手材料且保证良好的波阻抗匹配，天线的增益可以达到12dB。
Rahim等人[17]将改进的矩形开口环结构与电容加载金属线相结合构造出一种新的左手材料结构（图4（b）），将这种左手材料作为微带天线的覆层，则增益显著增加，且半波功率点波束宽度变得更加狭窄，因此具有很好的方向性。
Zhao等人[18]研究了在矩形微带贴片天线上覆盖表面开口方形环结构左手材料后对天线性能的影响（图4（c）），他们发现随着加载这种左手材料层数的增加，天线的增益会进一步的增强，四层这种结构其增益达到了2.12dB。
