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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。
基于左手材料的高增益双频带微带天线赵亚娟;王东红;李宝毅;王蓬;周必成;江波【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2015(27)10【摘要】左手材料具有平板透镜聚焦效应,突破电磁波的衍射极限实现倏逝波的放大,其覆盖于微带天线上方,可以提高天线增益.设计了一种应用于UHF和WLAN的双频微带天线,通过在接地板上刻蚀"己"字形弯折缝隙的方法实现双频谐振.为了改善微带天线低频段的增益,设计了一种新型的哑铃型结构双频段左手材料,将其作为微带天线的覆层.测试结果表明,覆层左手材料微带天线的低频段和高频段的峰值增益分别为2.1 dBi和7.4 dBi.【总页数】4页(P272-275)【作者】赵亚娟;王东红;李宝毅;王蓬;周必成;江波【作者单位】中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原030006;电磁防护材料及技术山西省重点实验室,太原030006;中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原030006;电磁防护材料及技术山西省重点实验室,太原030006;中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原030006;电磁防护材料及技术山西省重点实验室,太原030006;中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原030006;电磁防护材料及技术山西省重点实验室,太原030006;中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原030006;电磁防护材料及技术山西省重点实验室,太原030006;中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原030006;电磁防护材料及技术山西省重点实验室,太原030006【正文语种】中文【中图分类】TN828.6【相关文献】1.宽频带高增益微带天线阵的设计 [J], 倪国旗;王丽娜;余白平2.一种高增益宽频带微带天线设计 [J], 陈章友;李飞仪;秦米佳;蔡子伟3.一种宽频带高增益16单元微带天线阵设计* [J], 倪国旗;梁军;余白平;张涛4.一种宽频带高增益高极化隔离度的微带天线 [J],5.一种新型高增益宽频带微带天线 [J], 蔺占中;孙良因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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]。
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。
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RFID天线中的应用
王宏伟;刘禹;郁文生
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2008(008)012
【摘要】作为一种新型的电磁材料,左手材料的电场E、磁场H、波矢K之间呈现出一种左手关系,它在电磁波的某些频段下能够产生负介电常数和负磁导率,这一特性应用于天线设计,可以改善其方向性.考虑在RFID读写器天线中添加左手材料层,从负Snell折射效应、聚焦电磁波"成像"角度解释方向性增强特性,并以不停车收费系统(ETC)、巡检机器人大角度扫描应用场景为例,对该材料替代天线阵及有源标签作了可行性分析.
【总页数】4页(P3141-3144)
【作者】王宏伟;刘禹;郁文生
【作者单位】中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室,北京,100190;中国科学院自动化研究所RFID研究中心,北京,100190;中国科学院自动化研究所RFID研究中心,北京,100190;中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室,北京,100190
【正文语种】中文
【中图分类】TM271
【相关文献】
1.左手材料及其在微带天线中的应用 [J], 曾文波;赵嘉
2.左手材料在天线中的应用研究进展 [J], 李杰;杨方清;董建峰
3.左手材料及其在天线中的应用 [J], 赵伟;李晓
4.八边形SSRR结构左手材料及其在微带天线中的应用 [J], 孙烨;曹其栋;史美霞;刘辉;孙绪保
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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“巨”型左手材料微带天线优化设计研究的开题报告一、研究背景及意义微波天线在通信、雷达等领域中具有重要作用，其性能的优化设计是天线工程师和科学家不断探索的课题。
在微带天线中，由于其具有小型化、低成本等优点，越来越受到研究者的关注。
近年来，随着5G通信的到来，对天线功率和频率响应等方面的要求更高，因此对微带天线的优化设计更为迫切。
本课题基于对巨型左手材料（metamaterials）的研究，旨在研究巨型左手材料微带天线的优化设计。
巨型左手材料是一种人工制造的材料，其具有一些传统材料不具备的性质，例如负折射率（negative refraction index）和负阻抗（negative impedance）。
巨型左手材料微带天线的设计涉及到天线几何结构、材料特性和天线性能等多个因素，因此具有研究的重要性和实用性。
二、研究方法本课题将通过仿真分析和试验验证相结合的方法，对巨型左手材料微带天线进行优化设计。
1.仿真分析采用有限元方法（FEM）对巨型左手材料微带天线进行电磁仿真分析。
通过改变不同参数对巨型左手材料微带天线的性能进行研究，例如天线长度、宽度、厚度、介电常数、磁导率等参数。
并利用仿真软件对天线的频率响应、天线增益、辐射特性等进行仿真分析。
2.试验验证采用标准微带天线实验仿真测试平台，制作巨型左手材料微带天线的样品，并对其进行实验测试和验证。
通过改变不同参数，对巨型左手材料微带天线进行性能测试和优化。
三、研究内容1.巨型左手材料微带天线的设计原理和性能分析2.巨型左手材料微带天线的优化设计方法的研究3.仿真分析和试验验证结果对比分析四、预期结果本研究将优化设计一种巨型左手材料微带天线，达到在5G通信等领域中具有更高的性能和应用效果。
五、研究难点1.如何确定巨型左手材料微带天线的几何结构，并针对不同参数进行设计优化?2.巨型左手材料的制备技术和加工难度?3.如何优化巨型左手材料微带天线的性能，使其更加适合于实际应用？六、研究进度安排1.文献综述与分析（2周）2.巨型左手材料微带天线设计原理与性能分析（3周）3.巨型左手材料微带天线优化设计方法研究（5周）4.仿真分析与试验验证（6周）5.数据处理与结果分析（3周）6.论文撰写与答辩准备（6周）七、参考文献1. Agrawal, A. K., & Devesh Kumar, P. (2013). Design of Meta Material Antenna for Selected Frequency Range. International Journal of Scientific & Engineering Research, 4(8): 198-202.2. Dyab, H. A., & Hussein, T. Y. (2012). Design of Fractal Slotted Printed Wideband Microstrip Antenna with LHM material for microwave imaging applications. International Journal of Engineering Research and Technology, 1(10): 1-8.3. Zhang, L., & Sievenpiper, D. (2005). Investigation of a broad-band dipole antenna constructed from left-handed materials. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 53(8): 2563-2571.。
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。
左手材料的研究进展与应用前景
张勇;张斌珍;段俊萍;王万军
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2015(029)023
【摘要】左手材料是一种介电常数ε和磁导率μ同时为负的人工复合材料,具有许多反常的物理性质,是材料、电磁、光学等领域的热门研究方向.在结合国内外研究现状的基础上综述了左手材料的理论、结构特征、制备工艺、性能测试等,最后探讨了左手材料的发展趋势、应用前景和亟需解决的问题,以期获得对左手材料更为深刻和全面的理解.
【总页数】8页(P126-133)
【作者】张勇;张斌珍;段俊萍;王万军
【作者单位】中北大学电子测试技术重点实验室,太原030051;中北大学仪器与电子学院,太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室,太原030051;中北大学仪器与电子学院,太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室,太原030051;中北大学仪器与电子学院,太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室,太原030051;路易斯安那州立大学机械工程系,巴吞鲁日70803
【正文语种】中文
【中图分类】TB34;O441
【相关文献】
1.左手材料在天线中的应用研究进展 [J], 李杰;杨方清;董建峰
2.左手材料研究进展及应用前景 [J], 张世鸿;陈良;徐彬彬;邓龙江
3.微波左手材料及其应用前景 [J], 刘亚红;罗春荣;赵晓鹏
4.左手材料的研究进展 [J], 王小军;文庆珍;朱金华;李志生;余超
5.左手材料对微带天线关键性能改善研究进展 [J], 王淑娟
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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。
由于真空中的折射率n vac =1，n meta ≈0，所以左手材料空气空气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 TMmodes of the 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Z 0Z h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：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：22000y z y k k j βα=-=-，2211y z k k β=-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：11111111tanh ()21r r r r r h f μεεπμε-⎧<⎪<⎪⎨⎪>⎪-⎩（5）在111r r με>下，能抑制表面波传播的充分条件是：11111121r r r r h f μεηπμε⎧<⎪>⎪⎨⎪<⎪-⎩（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 R R L L L C p L C ββωβωω⎛⎫=+= ⎝(10)04R R L L L C L C ω=（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。
Zani等人[19]设计了基于矩形开口环结构的左手材料圆形贴片天线，其增益从2.02dB增加到了3.51dB，回波损耗从22.08dB增加到了24.2dB，因此具有更好的匹配性能，且这种左手材料天线的尺寸只有传统天线的一半。
（a）（b）（c）图4 开口环结构[16][17][18]Fig.4 Split ring resonator structure [16] [17] [18].目前实现天线小型化的主要方法有短路加载、开槽开缝、选用高介电常数基板和利用集总元件等。
然而，这些方法是在牺牲天线的增益、效率和带宽等方面的性能指标下获得的。
有鉴于此，人们提出了利用左手材料的相位补偿作用来实现天线小型化设计的思想，从而解决了以上问题[12]。
2005年，周雷教授[20]利用左手材料制作了双夹板谐振腔天线，将腔体厚度减少到了半波长以下，实现了天线的小型化设计，并且这种天线具有很好的方向性。
