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O 引言
左手材料(Left—handed metamaterials，LHMs)是一種介電常數(shù)和磁導率同時為負的人工復合結構材料，最早是由前蘇聯(lián)科學家Velago V G在20世紀60年代從理論上提出的。20世紀90年代，英國皇家學院John Pendry從研究結構材料的角度出發(fā)，先后發(fā)表論文指出金屬細線結構和開口諧振環(huán)結構分別在電等離子頻率和磁等離子頻率下時電參數(shù)ε、μ會表現(xiàn)出負值，這為LHM的實現(xiàn)提供了基礎。美國加州大學Smith D R等人將這兩種結構結合起來，使材料的介電常數(shù)和磁導率在某個頻率范圍內同時出現(xiàn)負值，LHM就這樣產生了。
由于LHM中傳播電磁波的相速度和群速度方向相反，導致在該媒質中傳播電磁波的電場E、磁場H、以及波矢量K三者構成左手系，而不遵循常規(guī)媒質的右手法則。它具有負折射率、負群速度、逆Doppler頻移、反常Cerenkov輻射等種種奇異的物理性質，上述性質具有較廣泛的應用前景，它突破了傳統(tǒng)電磁學理論中的一些基本概念，引起科學界的部分關注。本文重點研究該媒質的后向波特性以及它在微帶天線小型化中的應用。
左手材料是一個全新的前沿領域，基于其奇特的反常電磁波特性，在無線通訊領域將有很大的應用前景，可用作延遲線、耦合器、天線收發(fā)轉換開關、固態(tài)天線、微型反響天線、平板聚焦透鏡、帶通濾波器、光導航、超敏感傳感器、醫(yī)學診斷成像等。特別是其在天線上的應用很有吸引力。將左手介質的后向波效應和右手介質的前向波效應相結合可以設計出小于半波長的諧振腔，而且諧振腔的物理尺寸不再受諧振頻率的限制。此時的左手介質相當于一個相位補償器，電磁波在右手介質中傳播時產生的相位差可以通過左手介質的后向波效應加以補償。
l 左手材料
左手材料(LHM)是一種新型的人造材料，它可將尺寸很小的一些周期性結構放在波導中構成，因為當介電常數(shù)和磁導率同時為負的時候，LHM呈現(xiàn)出負折射率特性。
本研究采用圓環(huán)形左手材料的結構單元，如圖1(a)所示，它是將兩個開口的金屬環(huán)和一個金屬桿放在介電常數(shù)為2．2的媒質里組成，其尺寸為：r=35mii，R=45mil，a=c=7mil，d=2mil，h=100miI，整個單元的尺寸是100mil×lOOmil×18mil。兩個開口金屬環(huán)是相互平行放置的，大小相同，每個環(huán)上有兩個缺口，后面一個環(huán)可由前面的環(huán)旋轉90°得到。金屬桿和前面的金屬環(huán)位于同一個平面。這里金屬用的是銅，厚度為0．018mm。
將5個這樣的結構單元放在波導中，如圖1(b)所示，該結構的尺寸為：n=b=100mil，m=92mil，p=18mil。波導中填充介電常數(shù)是2．2的介質材料，波導的上下面是電壁，前后面是磁壁，入射波從端口1向端口2傳播。
通過用IE3D仿真軟件仿真得到這5個陣列的S參數(shù)的實部和虛部，再通過MATLAB編程，從S參數(shù)中提取出介電常數(shù)和磁導率的實部隨頻率的變化曲線，如圖2(a)所示。可以看到，在10～14GHz之間，介電常數(shù)和磁導率的實部同時為負。同時可得到折射率的實部和虛部隨頻率變化的曲線圖如圖2(b)所示，在10～14GHz之間，折射率n的實部為負，虛部趨于零�？梢�，在10～14GHz之間有一個2GHz的左手通帶。
由于這個左手材料的電尺寸很小，并且測試時所用的邊界條件和把它放置在微帶天線基板中相同，所以可以用它的后向波特性來設計小型化的微帶天線。
2 加載左手介質的小型微帶天線
傳統(tǒng)的微帶天線有個難以解決的問題，當基板的介電常數(shù)比較小時，要得到寬頻帶必須增大貼片面積；當基板介電常數(shù)比較大時，貼片面積會變小，但同時帶寬也會變小。當把左手材料加到天線的基板中時，我們就可以利用左手材料作為相位補償器來解決這個問題。
