论文总字数：15632字

目 录

1. 绪论······················1

1.1 左手材料的介绍························· 1

1.2 研究背景及意义························· 2

1.3 国内外研究现状与进展······················ 3

1.4 左手材料的应用研究······················· 4

1. 几种不同八边形SRR单元的构造··········4

2.1 负折射率的简介··························· 4

2.2 Ansoft HFSS软件介绍·······················5

2.3 实现双负介质的基本构造····················· 5

2.3 谐振结构分析验证·························6

2.5 单开口与多开口金属环的对比研究··················6

2.6 新型左手材料的构建························10

1. S参数的反演验证··············10

3.1 NRW反演算法的介绍························10

3.2 新型左手材料折射率与磁导率的验证·················11

1. 结语与展望····················15

4.1 全文总结·····························15

4.2 左手材料后续发展的展望······················15

致谢·······················16

参考文献·····················17

左手材料的构建

张源

, China

Abstract: This paper designed a new kind of dual-band left-handed metamaterial which is based on octagon. Through setting staggered metal rings on a side of the dielectric material which can damage coupling capacity of the two rings.Then the dual-band magnetic resonance has been obtained.After that, It was combined with metal wires which is the same material from rings to make this new kind of dual-band left-handed HFSS which is from Ansoft company was used in this paper to complete simulation,by obtaining S parameter and using NRW to validate and analyze the structure. From the result of the HFSS simulation of this octagon left-handed metamaterial.It has negative relative permittivity and magnetic permeability at 6.5GHz and 7.6GHz which is characteristic belong to left-handed materials.

Key words: left-handed material; split-ring resonator(SRR); dual-band;multi-defects

绪论

1.1 左手材料的介绍

自然界的万物都有其独特的构成特点，人也不例外，但最为显著的是我们有一双可以创造事物的双手， 我们的日常生活都要依靠双手的帮助，更为可贵的是，伸出一只手，将拇指伸直，而另外四指紧握时，大拇指的指向和四指回旋的方向为我们的研究创造了一种自然的表征方式。我们把符合这样左手螺旋规则的称为左旋，符合这样右手螺旋规则的成为右旋即拇指指向时钟时，时针旋转的方向，例如一般的螺丝上紧方向都是符合右手螺旋定则的，而某些用于装特殊化学用品的容器盖子则是符合左旋的，这是为了防止人们无意打开。另外，汽车左边和右边的轮胎则是分别符合左手旋转规则和右手旋转规则的。在光学研究当中，很多物质对线偏振光有一定的旋光性，例如有机化合物具有旋光异构等特别的现象等。这些现象也都可以用左右手的旋转定则来表征。光传播的方向便是便是拇指指向的方向，而偏振面旋转的方向则是另外四指的方向。

在数学这门学科里面，同样也有很多问题的解决用到右手定则，例如向量的外积，B= A×C也可以完美的使用右手定则进行描述，伸出右手把除了大姆指之外的四个指头握紧在一起，大姆指的方向与另外的四只手指头的方向垂直，再把另外四指从A向量所指的方向向内握往B向量所指的方向，此时大姆指所指的方向就是A,C两个向量的矢量积的所指的方向。这也就说明了AB两个向量的矢量积指向的方向90°垂直于AC向量它们所确定的一个平面。

另一方面，如果把A与C向量当中有任意一个向量的方向旋转180°即指向相反方向，满足B= -(A× C), 这个时候，由向量A,B,C构成的向量组就不再遵守右手4螺旋定而是遵守左手螺旋定理了。电动力学里面也有相当多关于向量的计算，例如,在一般煤质中发现一束平面电磁波（TEM）具有矢量波k的方向、和电场强度E和磁场强度H一起构成的一个矢量组遵守右手的螺旋定则[1]，而电磁波（TEM）具有的能量（energy）也将顺着(E×H)的方向传播下去，这与k的方向是完全一致的，如图1(a)所示，所以这里，我们引入了一个非常有意义的思考:有没有这样一种特殊的媒质，可以使平面电磁波（TEM）在这种非常特殊的媒质的中间传播的时候，能够有E和H这两个矢量中的其中一个矢量的方向旋转180°即方向倒转的情况发生，最后使得k；E；H三者构成的矢量组再也不遵守遵守右手螺旋定则而转为遵守左手螺旋的定则，更为关键的是是否电磁波的能量能够改变方向沿与k相反的方向传播。

前苏联理论物理学家韦色拉哥Veselago[2]在1964年最早研究了电磁波在介电常数ε和磁导率μ同时为负介质中传播有可能的特点，他把这种磁导率μ和介电常数ε同时为负的材料，称为左手超材料(left-handed metamaterial简称LHM)。由于不同寻常的电磁特性，国际上左手材料又被命名为双负材料（Double-Negative material，DNG）后向波材料（Backward Wave Material,BWM）以及负折射材料（Negative Index of Refraction Material，NIR）等。科学家们将传输线（Transmission Line）频率选择表面（Freqcuency Selective Surface）电磁带隙结构（Electromagnetic Band Gap），光子晶体（Photonic Crystal），表面等离子晶体（Surface Plasmaon Polariton）以及人工磁导体都归类于左手材料。而相比左手材料的命名方式，在左手材料研究领域，又常常把常规的普通材料叫做右手材料（Right-Hande Material，RHM）

电磁波在( a) 右手材料( b) 左手材料中之电场、、波向量与能量流密度方向之间的向量关系

1.2 研究背景及意义磁场

左手材料不仅颠覆了现代物理学当中的“右手规律”，完全改变了描述电场与磁场关系以及波动的方向，而且因为这种材料具备许多正常右手材料都不具备的优越性，例如负折射现象和逆向多普勒效应等，使得左手材料在微波滤波器，各种天线以及军用隐身材料等的应用方向有着无可替代的重要作用，但是，虽然早就得到了左手材料的理论分析，但由于自然界中并没有这种物质，所以并没有得到极大关注，真正使其成为研究热点的是在近30年后另一个对超材料发展做出开创性贡献的科学家，到20世纪末，英国皇家帝国理工学院潘德睿的J.B.Pendry等[3]科学家相继提出了具有双负特性的左手材料的理论结构，即使用金属导线来实现负的介电常数并引入了开口谐振环（Split Ring Resonators，缩写为SRRs）的磁谐振结构概念。这种结构可以非常良好的使材料具有负的磁导率和负的介电常数等性质，具体的产生方法为在介电常数4.65的介子板（0.25毫米厚印刷集成电路板）的材料(FR4）上，上，运用印刷集成电路版刻蚀技术生产出具有左手材料性质的条状带，.每个单元的铜的厚度只有0.03毫米。每个条状带上的铜线（copper wire）和SRRs谐振环分别印刷在这种集成电路板的两个面上，与此同时，在这些条状带上开出一些小的槽，最后，把这些有槽的单元组装结合在一起就能够形成一种左手超材料。美国加利福利亚州大学圣地亚哥分校（U.C. San Diego）的大卫史密斯David Smith等物理学家[4]根据潘德睿的J.B.Pendry等学者的建议，利用以铜（copper）为主的复合金属材料，使得人类第一次制造出了在某些特定波段具有负介电常数和负磁导率的物质材料，他们使用了一束电磁微波垂直射入铜环（copper circle）和铜线（copper wire）构成的人工材料，测出的结果微波发生了负角度的偏转，以此有力证明左手材料的真实存在。

Smith[4]等人最早设计出一种由细金属线阵列复合而成的矩形谐振环，实现且展示的负折射率,如图1（a）（b）（c），负介电常数可以通过细金属线阵列产生，另一方面负的磁导率则可以通过谐振环阵列产生,把它们在同一电磁波频段内复合,就可以得到折射率为负.

（a） （b）

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