1、毕业设计文献综述通信工程双负介质平板对电磁波的反射和透射特性研究摘要综述了双负介质的理论与法研究方面取得的进展。介绍了若干双负介质的基本性质及应用。分析了制备双负介质的方法。介绍了双负介质平板对电磁波的反射和透射特性的基本研究方法。关键词双负介质；逆多普勒效应；完美透镜；传输矩阵；负折射。1引言双负介质DNG也称左手介质LHM，其介电常数和磁导率均为负值，是最早于1967年由前苏联物理学家VESELAGO1在理论上预言了的特殊介质。双负介质中电磁波的电场强度E、磁场强度H和波矢量K之间呈左手螺旋关系，且其折射率也为负值。VESELAGO同时指出，它还具有许多反常的电磁学现象，例如反多普勒效应、
2、反常切伦科夫辐射等。这一发现开始引起人们极大的兴趣。近年来双负介质因其异常的电磁特性，特别是在材料科学、光学和生物医学等领域内的应用前景，得到了越来越多的关注，成为电磁学研究的热点。如亚波长聚焦的平板“完美透镜”、高指向性的天线、电磁波隐身以及新颖的微波器件和光子器件等等。2双负介质的电磁学性质从理论上说，运用麦克斯韦方程组，可以得到RRN（1）式中N为介质折射率，R为相对介电常数，R为相对磁导率。可以看出，麦克斯韦方程允许R和R取负值。根据电磁理论，当介质的和同为正或负时，电磁波能够在其中传播；而当和为一正一负时，电磁波表现为倏逝波，不能在物质中传播2。一般取正值的原因在于自然界没有发现折射
3、率为负的介质。若现在考虑双负介质的情况，则有以下讨论（1）麦克斯韦方程可简化为如下形式EKH1HKE1HES（2）可得右手介质中电场E、磁场H和波矢K三者构成右手关系；在双负介质中，由于0，0，因此电场E、磁场H和波矢K构成左手关系。在右手介质中坡印亭矢量方向与波矢K方向相同，在左手介质中坡印亭矢量方向与波矢K方向相反。而波矢K代表相传播方向，坡印亭矢量S代表能流传播方向即群速度方向，因此左手介质是一种相速度和群速度方向相反的物质。（2逆多普勒效应。如果电磁波波在负折射材料中传播时，由于其能量传播方向与相位传播方向相反，就会使探测频率反而大于波源的频率，称之为逆多普勒效应（3）反常切伦科夫效应
4、一个粒子以速度V在介质中沿一直线运动时会在其周围产生引导电流，在其路径上形成一系列次波源，发出次波。当粒子速度超过介质中的光速，次波就会相互干涉，辐射电磁波。在右手性介质中，辐射圆锥在粒子运动轨迹的反方向上，而在双负介质中，辐射圆锥则在粒子运动轨迹的同方向上。如图1所示图1（4）完美透镜。传统的光学显微镜分辨率受RAYLEIGH衍射极限的限制,可分辨的最小结构约为半个波长。此要想突破光学分辨率极限,必须想办法使倏逝波参与成像。PENDRY3在2000年发表于PRL的一篇论文中证明了当1，1时，双负介质平板透镜不仅能够捕获光场的传播波成分，而且能够捕获倏逝波成分，光场的所有成分都无损失地参与了成
5、像，他把这种透镜称为“完美透镜”PERFECTLENS。由于。完美透镜中，左手介质与右手介质的波矢方向恰好相反，因此在右手介质中的衰减场进入左手介质后变为增强场，右手介质中的增强场进入左手介质后变为衰减场，也因此指数衰减的倏逝波进入完美透镜后由于波矢相反，在完美透镜内变为指数增强，即对倏逝波进行放大，使之能够参与成像，变成完美透镜。而实际上损耗总是客观存在，在负折射率材料中也不例外4,5，只是相对完美。3双负介质的制备双负介质在自然界中并不存在，只有通过人工合成来制备。研究者在具有SRRS和导线阵列基础上不断优化实验，制备了各种微波段的负折射率材料，也有人采用电容和电感组合实现负折射，上述两种
6、方法的原理都是通过设计材料使之产生电共振和磁共振使得介电常数0和磁导率0，实现负折射。如果单考虑0的话，那么金属就是一个很好的例子，由于表面等离子体激元的存在，金属对入射场的响应有90的位相延迟，因此其介电常数为负值。磁场中并不存在像金属表面自由电荷那样的自由磁荷，通过人工合成的方法制作小的“自由磁偶极子”来构造0的材料，然后尝试把0和0的材料组合在一起得到同时满足0和0的双负介质。PENDRY在1999年指出，利用图2中所示的开口环共振器开环谐振腔SPLITRINGRES2ONATOR，SRR就可以得到负的当频率稍低于共振频率时，磁导率为负值5。2001年，加州大学圣迭戈分校的SMITH7等
7、物理学家成功地实现了这种构想，制作出双负介质并通过实验观察到了光线的负折射。图2近几年来，研究者把纳米科技应用到双负介质的设计中，分别实现了光频段的磁共振和电共振811。，但始终很难实现光频段负折射现象，直到双金属线的出现，其损耗较大，仍需进一步改进12。4双负介质平板对电磁波的反射和透射特性研究首先建立双负介质平板模型。设有一双负介质平板，其介电常数和磁导率均为负值，厚度为D，当电磁波以入射角射入时，图3为其示意图图3微分形式的麦克斯韦方程组为D0BTBETDJH电磁波在无源介质中传播时有0D，TDH。此外ED，HB。在TE模的情况下，由于界面的反射和折射，介质中的电场和磁场应为前向波和反向
8、波的叠加13，即ZJKZJKXIKYZZXBEAEEEZJKZJKXIKZXZZXBEAEEKHZJKZJKXIKXZZZXBEAEEKH表达式中的系数A、B由边界处电磁场的连续性条件决定。由此可求得在图1所示界面1及界面2上的边界连续性条件。若以1E、1H和2E、2H分别代表在双负介质两边的界面1、2上切向的电场强XZD00EKH12度和磁场强度。记111KZ为介质层的修正导纳则可得22122111111111111COSSINSINCOSHEMHEDKDKIDKIDKHEZZZZ其中1M称为图中双层介质平板的传输矩阵，可由此计算得到反射系数R和透射系数T，并得到反射率2RR，透射率2TT。
9、对于TM模，记112KZ为修正导纳，可采用相同方法研究。研究不同极化状态、不同入射角以及双负介质平板的厚度、介电常数、磁导率对反射和透射特性的影响，即分别在保持其余条件不变的情况下，选择变化极化状态、入射角厚度、介电常数、磁导率其一为单一变量。5结论双负介质的提出和人工实现改变了对两个物理量介电常数和磁导率的传统认识，突破了传统电磁场理论的一些重要概念，堪称麦克斯韦电磁理论建立以来的又一个里程碑式的重大发。其独特性质预示着广阔的应用前景。由于它是一种新颖奇异的物质，因此迄今为止的大部分工作集中在对这种材料的理解，对其存在合理性进行检验以及对现有理论及现象进行重新审度。当然，对双负介质特性的研究
10、，是为后续研究打下的基础，有助于初步了解其应用价值，也有利于进一步深入研究其独特电磁特性，发掘其潜在功能，是非常重要和必要的。随着研究的深入，现在研究的热点主要有151利用纳米技术把双负介质小型化，工作波段向光波段发展2设计一个稳定的、固态的、宽频带、低损耗双负介质材料,以利于在实际领域中获得大量应用3理论上继续完善,能够完美解释双负介质领域中存在的所有现象。相信随着科技的发展，特别是纳米技术的发展在实现双负介质材料中的应用，双负介质材料将会广泛地应用于各个领域。参考文献1VESELAGO,VG,1968,THEELECTRODYNAMICSOFSUBSTANCESWITHSIMULTANEO
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