左手材料應(yīng)用于隱身領(lǐng)域的可行性研究與分析

摘要：左手材料（LHM）是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種新型的人工電磁功能材料，與普通材料相比，左手材料具有許多獨(dú)特的電磁特性：左手特性、后向波特性、負(fù)折射特性。其異常的電磁特性由負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率決定，左手材料的這三大電磁特性使它在隱身領(lǐng)域受到越來(lái)越多的青睞。

關(guān)鍵詞：左手材料；電磁特性；介電常數(shù)；磁導(dǎo)率；隱身

中圖分類(lèi)號(hào)：O411 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）05-0009-02

LHM早在1968年就成為科學(xué)家們的研究對(duì)象，但是，由于在自然界中，一直無(wú)法找到天然的左手材料，它的存在性一度受到人們的質(zhì)疑。直到1996年，Pendry等人提出，周期排列的細(xì)導(dǎo)線(xiàn)陣列和周期放置的開(kāi)口諧振環(huán)陣列在微波波段分別呈現(xiàn)出負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率效應(yīng)，這一重大發(fā)現(xiàn)為隱身領(lǐng)域的發(fā)展開(kāi)啟了一扇大門(mén)。本文通過(guò)對(duì)左手材料的三大電磁特性進(jìn)行分析，論述了左手材料隱身特性的可行性。

1 左手材料的存在性

1.1 Smith棱鏡實(shí)驗(yàn)

在Pendry研究理論的基礎(chǔ)上，美國(guó)Smith等人將細(xì)金屬導(dǎo)線(xiàn)陣列和開(kāi)口諧振環(huán)陣列刻制在同一塊電路板上，制成了微波段下的左手材料。使入射波通過(guò)楔形左手材料塊，在可能的折射區(qū)域用檢測(cè)器檢測(cè)各處折射波束功率的強(qiáng)弱，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)折射波束和入射波束在交界面法線(xiàn)的同側(cè)時(shí)，折射波束的功率最大，證明了材料試品具有負(fù)折射特性，即左手材料是存在的。

1.2 實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充

由于實(shí)驗(yàn)材料會(huì)對(duì)波束產(chǎn)生損耗，棱鏡各處的厚度不一，對(duì)波束的耗散程度不同，可能會(huì)使折射角為負(fù)的區(qū)域檢測(cè)到的波束功率較大。為了排除材料對(duì)波束耗散作用的影響，很多科學(xué)家又設(shè)計(jì)了波束平移實(shí)驗(yàn)、波束匯聚實(shí)驗(yàn)、左手材料填充波導(dǎo)方針實(shí)驗(yàn)等，都充分地證實(shí)了左手材料的負(fù)折射特性，從而驗(yàn)證了左手材料的存在。

2 左手材料的電磁特性

2.1 左手特性

由麥克斯韋方程可得：

K×E=w?H

K×H=-wεE

式中：K為波向量，E為電場(chǎng)方向，H為磁場(chǎng)方向。當(dāng)介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率?均為負(fù)時(shí)，電場(chǎng)方向E、磁場(chǎng)方向H、波向量K將形成左手正交關(guān)系，即左手材料具有左手特性。

2.2 后向波特性

由能量守恒定理可知，能量是由近及遠(yuǎn)傳播，并逐級(jí)遞減的。在普通材料中，能量傳播方向和相位波前的傳播方向一致，而在左手材料中，K為負(fù)值，通過(guò)下式：

V=w/K

可得，其相位波前的傳播方向與普通材料是相反的，即電磁波的能量傳播方向與相位傳播方向相反。因?yàn)橄辔徊ㄇ坝蛇h(yuǎn)及近傳播，所以能量依然是由近及遠(yuǎn)傳播，并不違背能量守恒定律。

2.3 負(fù)折射特性

折射定律可改寫(xiě)為：

式中：p1為入射波所在材料的正向性，P2為折射波所在材料的正向性。

當(dāng)兩種材料的正向性一致時(shí)，不管是普通材料還是左手材料，都只發(fā)生正折射現(xiàn)象，只有當(dāng)兩種材料的正向性不一致時(shí)，才會(huì)發(fā)生負(fù)折射現(xiàn)象。

3 左手材料在隱身領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 隱身材料的發(fā)展

隱身材料，最初被認(rèn)為是只吸收電磁波，而絲毫不發(fā)生反射或反射的電磁波不足以使人們產(chǎn)生視覺(jué)效果的材料。隨著人們對(duì)左手材料認(rèn)識(shí)的不斷提高和對(duì)隱身領(lǐng)域的不斷研究，隱身已經(jīng)擴(kuò)展到了使電磁波繞過(guò)被隱身對(duì)象實(shí)現(xiàn)隱身效果的范疇。

3.2 左手材料的隱身模型

以無(wú)限長(zhǎng)非均勻各向異性介質(zhì)覆蓋圓柱體模型為例，利用仿真軟件可以得出，電磁波能夠在介質(zhì)層的作用下，繞過(guò)內(nèi)部導(dǎo)體，而不形成任何散射。不僅僅高度對(duì)稱(chēng)的左手材料介質(zhì)層圓柱體模型具有隱身效果，無(wú)限長(zhǎng)棱柱體、球體、橢球體都具有類(lèi)似的隱身特性。

3.3 左手材料適用于隱身領(lǐng)域的條件

3.3.1 電磁波波長(zhǎng)條件。左手材料隱身特性的應(yīng)用環(huán)境為微波波長(zhǎng)，這種波在電磁波譜中的位置緊鄰無(wú)線(xiàn)電波，相當(dāng)于可以吸收此微波頻段的“黑洞”。微波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，可以繞過(guò)障礙物，左手材料只有在微波波段才具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率，從而具有隱身特性。

3.3.2 頻率要求。左手材料具有隱身特性時(shí)，要求其頻率低于工作器件的諧振頻率。由于在高頻段，左手材料的分布參數(shù)效應(yīng)增大，模型要求的單元尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的條件不再滿(mǎn)足。

4 左手材料的發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景

隨著左手材料的不斷發(fā)展，負(fù)介電常數(shù)材料和負(fù)磁導(dǎo)率材料在越來(lái)越多的領(lǐng)域受到青睞，“超常媒質(zhì)”的概念也隨之衍生出來(lái)。普通的左手材料由于其帶寬窄、損耗大、結(jié)構(gòu)單元電尺寸大等問(wèn)題嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。將普通材料和左手材料相互穿插，可以得到具有超強(qiáng)電磁波聚焦特性的材料；左手材料和右手材料相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)微帶天線(xiàn)的小型化；以左手材料為基礎(chǔ)研究的零折射材料，可以實(shí)現(xiàn)匯聚波束的作用，從而增強(qiáng)天線(xiàn)增益；通過(guò)改變左手材料的本構(gòu)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更寬的工作帶寬和較好的通帶特性，使左手材料具有更廣的應(yīng)用領(lǐng)域。

5 結(jié)語(yǔ)

左手材料具有異常的電磁特性，其左手特性、后向波特性和負(fù)折射率特性使左手材料在隱身領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但其必須在微波波段和低于工作器件諧振頻率的情況下使用，通過(guò)改變左手材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)和將左手材料與其他材料相結(jié)合，可以將左手材料應(yīng)用得更廣。

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作者簡(jiǎn)介：周璐（1991-），女，湖北武漢人，就讀于武漢大學(xué)，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）