浅谈左手材料在未来无线通信系统中的应用

浅谈左手材料在未来无线通信系统中的应用国家无线电监测中心成都监测站唐若蜜陈良0引言新型的“左手材料（left-handedmaterial）”在固体物理、材料科学、光学和用电磁学领域内已获得愈来愈多的关注。所谓“左手材料”就是指介电常数ε磁导率μ都为负值的材料，也称之为“双负介质（材料）”；或者“负折射系数料(negativerefractivematerial)”，简称“负材料”。该类材料自从2000年实验上实现之后，引起了人们广泛的研究兴趣，左手材料具有一些独一无二的电磁学性质，如逆多普勒效应、反古斯汉森位移、逆切仑科夫辐射和超级透镜等，其特殊的电磁性质使该种材料具有重要的应用价值。左手材料可应用于高定向性的天线、激光、聚焦微波波束、电磁波隐身、微波平板聚焦透镜、带通滤波器、耦合器、宽带相移器等等。随着技术的发展，左手材料将广泛应用于无线通信系统中。1左手材料介绍在经典电动力学中，介质的电磁性质可以用介电常数ε和磁导率μ两个宏观参数来描述，决定着电磁波在物质中的传播特性，到目前为止，自然界中已发现的物质这两个参数一般都为正数，或者为一正一负，还没有找到一种ε和μ同时为负的物质。根据复数形式的Maxwell方程组和媒质的本构关系，可推出正弦时变电磁场的波动方程即Helmholtz方程220EkE（1）其中22200rrk，其中r和r分别是媒质的相对磁导率和相对介电常数，0和0分别是真空介电常数和真空磁导率。对于和都为正数的媒质，方程（1）有波动解，电磁波能在其中传播，其传播常数k取决于媒质的参数和,对于无损耗、各相同性、空间均匀媒质，由Maxwell方程组能推出：kEH(2.1)kHE(2.2)0kE(2.3)0kH(2.4)可见在常规媒质中，即μ0、ε0，电场强度E、磁场强度H和波矢量k之间满足右手螺旋关系；电磁波的相速度大小为k其中c为真空中的光速，电场强度和磁场强度大小的比例关系取决于媒质的波阻抗/。如果媒质的μ和ε中一个为正数而另一个为负22k0，k无实数解，即方程（1）无波动解，电磁波不能在其中传播,k只有虚数解，电磁波表现为倏逝波状态，它将随着距离的变大而衰减很快，不能向前传播。如果媒质的μ和ε都小于零，即0r0,0r022k0，k有实数解，即方程（1）有波动解，电磁波能在其中传播，但传播规律与在常规媒质中不同，从（2）式可以明确地看出，对于这种媒质E、H、k之间不再满足右手螺旋关系而是满足左手螺旋关系，即媒质波矢量k的方向不是E×H的方向而是H×E的方向，电磁波相速的大小依然为v=1/，电场强度和磁场强度大小的比例关系仍取决于波阻抗/。电磁波能流的方向取决于Poynting矢量（S）的方向,S=E×H可知，S始终与E和H构成右手螺旋关系，k的方向代表了电磁波相速的方向，在μ和ε都小于零的媒质中，k和S的方向相反，即相速和能流的方向相反，k0,媒质的折射率n=c/v=-ck/ω0，这也是左手介质与常规媒质最不同的地方，也是左手材料具有与众不同的特性的理论基础。2左手材料的研究进展1968年，苏联科学家维索拉古(V.G.Vesalago)就首次在理论上指出对电磁波在介电常数和磁导率同时为负数时，电磁波的能量传播方向将与波矢量传播方向相反，物质会表现出一些奇异的电磁特性。比如它的折射率是负数,反多普勒效应、反切伦可夫辐射、甚至辐射压力的倒转，原子自发辐射效率也会异常改变，此外它能放大倏失波（evanescentwave），还能导致非同寻常的光子隧道效应。维索拉古的文章属于纯理论的研究。但自然界中没有发现和同时为负数的介质存在，所以他的研究结果在20世纪一直没有得到实验验证，人们对左手材料的兴趣也基本消失了。1998-1999年，英国的Pendry等人相继提出了周期性排列的金属条和开口金属谐振环(Split-RingResonator)可以在微波波段产生负等效介电常数和负等效磁导率。从此以后，人们开始对这种材料投入了越来越多的兴趣。2001年的突破，为左手材料的研究形成热潮莫定了历史性基础。2001年，美国加州大学SanDiego分校的DavidSmith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。2002年底，麻省理工学院孔金甄教授从理论上证明了左手材料存在的合理性，并称这种人工介质可用来制造高指向性的天线、聚焦微波波束、实现“完美选镜”、用于电磁波隐身等等。左手材料的前景开始引起学术界、产业界尤其是军方的无限遐想。2003年，英国西雅图BoeingPhantomWorks的C.Parazzoli与加拿大UniversityofToronto电机系的G.日eftheriades所领导的两组研究人员在实验中直接观测到了负拆射定律;IowaStateUniversity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;美国麻省理工学览的E.Cubukcu和K.Aydin在《自然》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。3左手材料的实现方法3.1各种各样形状的周期排列材料根据英国帝国理工学院的J.B.Pendry等人相继提出理论模型可以采用周期性排列的金属直导线（wires）和开口谐振环（splitringresonators，SRRs）来分别实现材料的负介电常数和负磁导率。美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的D.R.Smith等人在J.B.Pendry等人工作的基础上，在世界上第一次人工制备了微波频段的左手材料，如图1所示世界上第一次人工左手材料。（a）一维人工左手材料（b）二维人工左手材料图1世界上第一次人工左手材料随后人们相继设计了其它各种各样形状的周期排列材料用以实现左手材料。图2（a）为工字形金属线与SRRs为结构单元的左手材料，在某一特定频段介电常数与磁导率同时为负。图2（b）由相对而置的两个S形的谐振器组成,在两个不同频率区域介电常数和磁导率同时为负，即有两个左手通带,这种特殊设计的S形谐振器发生了两次磁谐振，从结构单元的等效回路分析这种磁谐振的行为归结为大量的电容和电感的复合感应，此结构单元可以等效为5个电容和4个电感，通过调节电容和电感的大小能激励起两个或者两个以上左手通带。他们还指出如果在磁导率为负的频率段内如果能发生多次电谐振也可以实现多个左手通带。这种左手材料可广泛应用于滤波器和天线。图2（c）为Ω形状左手材料，这种左手材料的相对而置的Ω环的圆形部分可以看作为是现有开口谐振环的变形，而有着微小间断的直线部分是现有金属线模型的演化。电场与Ω结构金属细线的两条直线臂平行，由此产生的电等离子谐振可得到负介电常数；磁场垂直穿过Ω结构金属细线圆形部分产生的磁等离子谐振而得到负磁导率，相比于以前基于SRRs和金属线周期排列而成的左手材料其损耗小，带宽大。图2（d）为一种螺旋形状的左手材料，可实现了平板聚焦，且源和像的距离远小于波长。图2（e）为平行单谐振环的左手材料。图2（f）为类似于鱼形状的平板超材料。（a）工字形金属线与SRRs为结构单元(b)S形状（c）Ω形状(d)螺旋形状(e)平行单谐振环(f)鱼形状图2各种周期形状的左手材料3.2传输线构造左手材料传输线理论是在高频时用来研究微波传输线和微波网络的理论基础，它将基本电路理论与电磁场理论相结合，具有重要的实用价值。当高频信号通过传输线时将产生如下一些分布参数效应分布电阻效应分布电导效应分布电感效应分布电容效应，所以在高频情况下，传输线是具有分布参数的电路，导致传输线上的电压和电流是随时间和空间位置而变化的二元函数。我们可以把均匀传输线分割成许多小的微元dz(dz)，这样每个微元段可看作集中参数电路，用一个型网络来等效。于是整个传输线可等效成无穷多个型网络的级联。如图3均匀传输线等效分布参数模型。图3均匀传输线等效分布参数模型如果将电感和电容的位置发生互换时，即电感并联、电容串联，电磁波在其中传播的色散关系与负折射材料类似，图4为采用传输线构造左手材料模型，目前可以利用多层陶瓷技术集成LC阵列可用于实现结构紧凑且易于器件化的左手材料。图4采用传输线构造左手材料模型3.3光子晶体((PhotonicCrystals)实现左手材料光子晶体是由两种或两种以上的电介质材料周期性排列而成的人造材料，排列周期为波长量级，具有光电带隙，可以控制电磁波在其中的传播。在一定条件下，它也可以表现出负折射率的现象。光子晶体结构如图5所示。光子晶体的“等效负折射率”可以由构成材料的电介质的介电常数和材料周期性来调整，而且在高频率下有着很低的电磁损耗，三维光子晶体比较容易制成，因此光子晶体容易实现红外和光学频率下的应用，比如“完美透镜”。图5光子晶体结构4左手材料的应用4.1双波段分支线耦合器用普通微带线制作的分支耦合器,通常应用于其基频和其奇数倍的频率，利用准复合左右传输线CRLH（dualband–CompositRight/LeftHanded）的非线性相位响应特性,可以实现所需双频(基频和偶数倍频率)的设计，拓宽了应用带宽，同时也有利于减小设计尺寸。4.2微带天线相比于普通微带天线，天线的带宽增加，缩小微带天线的尺寸，匹配性能得到改善，前向辐射增强，侧向辐射大大削减，天线的效率和方向性得到改善。4.3高定向性和高增益天线利用左手材料对电磁波的负折射效应制作左手材料平板透镜,可以实现对天线辐射电磁波波束的汇聚,减小天线的半波瓣宽度,提高天线的方向性另外左手材料还可替代微带天线的传统介质基板,利用其对表面波的抑制来减少边缘散射,提高天线辐射效率.由于微波段左手材料的结构单元尺寸与谐振波长之比可达1:10,并且可以通过电路板印刷的方式实现,因此有利于实现易共形,重量轻的高方向性天线。4.4漏波天线左手材料可以制造漏波天线，进行向后的扫描，突破了传统的天线在波束扫描上的缺陷，实现了天线波束汇还能制造后向波天线。4.4隐身技术目前各国的隐身技术,主要是使用各种吸波,透波材料,实现对雷达的隐形;采用红外遮挡与衰减装置,涂敷材料等,以降低红外辐射强度,实现对红外探测器的隐身;在可见光隐形上,只是靠涂抹迷彩或歪曲兵器的外形等初级的方法.不发光物质之所以可见,就是因为它反射和散射的光线。左手材料制造的兵器可能将光线或雷达波反向散射出去,使得从正面接收不到反射的光线或微波,从而实现隐身。4.5完美透镜由于传统的光学显微镜分辨率受衍射极限的限制,可分辨的最小结构约为半个波长。假设光源的频率为ω,考虑电磁波以Z轴(Z轴为透镜的中心轴)为传播方向，它的辐射电场呈沿传播方向指数衰减的减幅场，即倏逝波。由于倏逝波呈指数衰减的特别快，使得它不能到达成像面成像，而只有传播波对成像有贡献，而倏逝波所携带的信息被丢掉，所以成像并不完美。要想达到比较理想的成像效果，必须使倏逝波也能参与成像，使之能成为完全接近于光源的像。利用左手材料的介电常数和磁导率的“双负”特性，当透镜的相对介电常数和相对磁导率皆为-1时，即r=-1和r=-1,此时透镜介质阻抗与真空相同，透镜与外部媒质的分界面上达到良好的匹配,其反射系数为零。在这种情况下,传播波与消失波对图像的分辨率都有贡献。因此,在重构一副图像时,不受实际尺寸和透镜表面完美性的限制，可以实现理想成像。5结束语近年来，左手介质的研究已经成为国际国内学术界十分热门的话题，出现些新的研究成果，并开始探讨左手介质