左手材料应用于隐身领域的可行性研究与分析

摘要：左手材料（LHM）是近年来发现的一种新型的人工电磁功能材料，与普通材料相比，左手材料具有许多独特的电磁特性：左手特性、后向波特性、负折射特性。其异常的电磁特性由负的介电常数和负的磁导率决定，左手材料的这三大电磁特性使它在隐身领域受到越来越多的青睐。

关键词：左手材料；电磁特性；介电常数；磁导率；隐身

中图分类号：O411 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）05-0009-02

LHM早在1968年就成为科学家们的研究对象，但是，由于在自然界中，一直无法找到天然的左手材料，它的存在性一度受到人们的质疑。直到1996年，Pendry等人提出，周期排列的细导线阵列和周期放置的开口谐振环阵列在微波波段分别呈现出负介电常数和负磁导率效应，这一重大发现为隐身领域的发展开启了一扇大门。本文通过对左手材料的三大电磁特性进行分析，论述了左手材料隐身特性的可行性。

1 左手材料的存在性

1.1 Smith棱镜实验

在Pendry研究理论的基础上，美国Smith等人将细金属导线阵列和开口谐振环阵列刻制在同一块电路板上，制成了微波段下的左手材料。使入射波通过楔形左手材料块，在可能的折射区域用检测器检测各处折射波束功率的强弱，实验发现，当折射波束和入射波束在交界面法线的同侧时，折射波束的功率最大，证明了材料试品具有负折射特性，即左手材料是存在的。

1.2 实验补充

由于实验材料会对波束产生损耗，棱镜各处的厚度不一，对波束的耗散程度不同，可能会使折射角为负的区域检测到的波束功率较大。为了排除材料对波束耗散作用的影响，很多科学家又设计了波束平移实验、波束汇聚实验、左手材料填充波导方针实验等，都充分地证实了左手材料的负折射特性，从而验证了左手材料的存在。

2 左手材料的电磁特性

2.1 左手特性

由麦克斯韦方程可得：

K×E=w?H

K×H=-wεE

式中：K为波向量，E为电场方向，H为磁场方向。当介电常数ε和磁导率?均为负时，电场方向E、磁场方向H、波向量K将形成左手正交关系，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，能量是由近及远传播，并逐级递减的。在普通材料中，能量传播方向和相位波前的传播方向一致，而在左手材料中，K为负值，通过下式：

V=w/K

可得，其相位波前的传播方向与普通材料是相反的，即电磁波的能量传播方向与相位传播方向相反。因为相位波前由远及近传播，所以能量依然是由近及远传播，并不违背能量守恒定律。

2.3 负折射特性

折射定律可改写为：

式中：p1为入射波所在材料的正向性，P2为折射波所在材料的正向性。

当两种材料的正向性一致时，不管是普通材料还是左手材料，都只发生正折射现象，只有当两种材料的正向性不一致时，才会发生负折射现象。

3 左手材料在隐身领域的应用

3.1 隐身材料的发展

隐身材料，最初被认为是只吸收电磁波，而丝毫不发生反射或反射的电磁波不足以使人们产生视觉效果的材料。随着人们对左手材料认识的不断提高和对隐身领域的不断研究，隐身已经扩展到了使电磁波绕过被隐身对象实现隐身效果的范畴。

3.2 左手材料的隐身模型

以无限长非均匀各向异性介质覆盖圆柱体模型为例，利用仿真软件可以得出，电磁波能够在介质层的作用下，绕过内部导体，而不形成任何散射。不仅仅高度对称的左手材料介质层圆柱体模型具有隐身效果，无限长棱柱体、球体、椭球体都具有类似的隐身特性。

3.3 左手材料适用于隐身领域的条件

3.3.1 电磁波波长条件。左手材料隐身特性的应用环境为微波波长，这种波在电磁波谱中的位置紧邻无线电波，相当于可以吸收此微波频段的“黑洞”。微波的波长较长，可以绕过障碍物，左手材料只有在微波波段才具有负介电常数和负磁导率，从而具有隐身特性。

3.3.2 频率要求。左手材料具有隐身特性时，要求其频率低于工作器件的谐振频率。由于在高频段，左手材料的分布参数效应增大，模型要求的单元尺寸远小于波长的条件不再满足。

4 左手材料的发展趋势与应用前景

随着左手材料的不断发展，负介电常数材料和负磁导率材料在越来越多的领域受到青睐，“超常媒质”的概念也随之衍生出来。普通的左手材料由于其带宽窄、损耗大、结构单元电尺寸大等问题严重限制了其应用。将普通材料和左手材料相互穿插，可以得到具有超强电磁波聚焦特性的材料；左手材料和右手材料相结合，可以实现微带天线的小型化；以左手材料为基础研究的零折射材料，可以实现汇聚波束的作用，从而增强天线增益；通过改变左手材料的本构参数，可以实现更宽的工作带宽和较好的通带特性，使左手材料具有更广的应用领域。

5 结语

左手材料具有异常的电磁特性，其左手特性、后向波特性和负折射率特性使左手材料在隐身领域得到广泛应用。但其必须在微波波段和低于工作器件谐振频率的情况下使用，通过改变左手材料的结构参数和将左手材料与其他材料相结合，可以将左手材料应用得更广。

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作者简介：周璐（1991-），女，湖北武汉人，就读于武汉大学，研究方向：机械设计制造及其自动化。

（责任编辑：黄银芳）