一、超材料概述

超材料（Metamaterial）是指自然材料通過人工手段加工設(shè)計(jì)后，具有自然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)。

通常，任意一種媒質(zhì)的電磁特性可以通過介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ兩個(gè)宏觀物理量來描述。自由空間的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別用ε0和μ0表示（ε0和μ0均大于零），而對一般物質(zhì)：ε=ε0εr，μ=μ0μr，其中εr表示相對介電常數(shù)，μr表示相對磁導(dǎo)率，媒質(zhì)的折射率則被定義為

。根據(jù)ε和μ取不同的值，可以把材料空間分為四個(gè)象限，如圖1所示。第一象限（ε﹥0，μ﹥0）表征的是自然界中的一般性材料，也稱為右手材料，電磁波在這種材料中傳播時(shí)電場、磁場與波矢量方向滿足右手螺旋關(guān)系，能量與相位的傳播方向相同（前向波）；第二象限（ε﹤0，μ﹥0）表征的是等離子體材料，第四象限（ε﹥0，μ﹤0）表征的是鐵氧體材料，由于電磁波在這兩種媒質(zhì)中傳播時(shí)相位常數(shù)為虛數(shù)，因此這兩種材料都只存在倏逝波；第三象限（ε﹤0，μ﹤0）表征的是左手材料，電磁波在這種材料中傳播時(shí)電場、磁場與波矢量方向滿足左手螺旋關(guān)系，能量與相位的傳播方向相反（后向波）。

自然界中的一般性媒質(zhì)只占到了第一象限的一部分，等離子體和鐵氧體也僅占了第二象限和第四象限中少有的幾種，而第三象限（ε﹤0，μ﹤0）中的左手材料在自然界根本不存在。也就是說絕大部分的媒質(zhì)需要通過“超材料”的方法獲得，包括所有的左手材料和大部分的右手材料，不過狹義的超材料通常是指左手材料。

二、超材料的研究歷程

從20世紀(jì)初期起陸續(xù)有一些學(xué)者研究了負(fù)介電常數(shù)媒質(zhì)及后向波的傳輸特性，1968年前蘇聯(lián)科學(xué)家V.G.Veselago系統(tǒng)地分析了介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的假想媒質(zhì)的特性，并提出了左手材料的概念。他的研究表明：左手材料不僅具有負(fù)折射率（如圖1所示，入射波與折射波在法線同一側(cè)）和傳播后向波的特性，還具有逆多普勒效應(yīng)和逆切侖科夫輻射、亞波長衍射等奇異特性。但在接下來的30年由于缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，左手材料一直沒得到重視，直到1996年英國科學(xué)家Pendry構(gòu)造了由周期性排列的細(xì)金屬棒陣列組成的人造媒質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了負(fù)的等效介電常數(shù)，而后在1999年，又構(gòu)造由金屬諧振環(huán)陣列組成的人造媒質(zhì)實(shí)現(xiàn)了負(fù)的等效磁導(dǎo)率。之后在2001年美國杜克大學(xué)Smith教授帶領(lǐng)的研究小組采用Pendry的理論模型，將雙面分別印制有細(xì)金屬絲和金屬諧振環(huán)結(jié)構(gòu)有規(guī)律地排列在一起，實(shí)現(xiàn)了等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的左手材料，如圖2所示，并通過棱鏡實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了左手材料的存在，此后，關(guān)于左手材料的理論研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)用研究等迅速成為物理學(xué)界和電磁學(xué)界的研究熱點(diǎn)。但是由于左手材料損耗大、帶寬窄的，使得它難以得到應(yīng)用。

與此同時(shí)，也就是在2002年，Eleftheriades、Oliner、Caloz-Itoh帶領(lǐng)的三個(gè)研究小組幾乎同時(shí)提出了左手材料的傳輸線模型。眾所周知，傳統(tǒng)無耗傳輸線（右手傳輸線）的等效電路模型可由一個(gè)低通LC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，單元模型如圖3（a）所示，如果我們把低通的電路結(jié)構(gòu)換成高通的結(jié)構(gòu)，即把串聯(lián)電感置換成串聯(lián)電容，并聯(lián)電容置換成并聯(lián)電感，如圖3（b）所示，則構(gòu)成了可傳輸后向波的左手傳輸線的等效電路模型。在實(shí)際中由于存在寄生效應(yīng)，純左手傳輸線是無法實(shí)現(xiàn)的，只能設(shè)計(jì)出一種在某個(gè)頻率范圍呈現(xiàn)“左手特性”，在其他頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)“右手特性”的傳輸線，這種傳輸線被稱為“復(fù)合左/右手傳輸線”（Composite Right/Left —Handed transmission lines，簡稱為：CRLH TL），等效電路模型單元如圖3（c）所示。這種超材料與由金屬諧振結(jié)構(gòu)構(gòu)成的左手材料相比具有損耗小，帶寬寬的優(yōu)點(diǎn)，且具有奇異的色散特性，在實(shí)現(xiàn)無源器件小型化、漏波天線從背射到端射連續(xù)掃描以及實(shí)現(xiàn)諧振型天線小型化等方面得到了很多應(yīng)用。

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