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左手材料是一种介电常数与磁导率同时为负值的奇特材料,因其中传播的电磁波电场矢量、磁场矢量以及波传播方向满足左手定则而得名。其概念最早由前苏联理论物理学家Veslago于1968年提出,并预言了这种材料可能具有的奇特性质,如反常Doppler效应、反常Cerenkov辐射、负折射效应、完美透镜效应等。但由于自然界不存在这种性质特异的物质,故在其后近30年内左手材料的发展几乎处于停滞状态。直到20世纪九十年代,随着人工周期性材料的发展,英国皇家学院院士Pendry教授重新开始了该领域的研究,进而Smith等人在此基础上进行了及金属线阵列的制备及负折射实验,左手材料受到广泛关注。在一系列设计精巧的实验得到报道后,左手材料逐渐被科学界所认可,并被评为2003年度十大科技进展。现阶段,左手材料的研究向多方向发展,主要包括利用已有材料对其物理特性的进一步研究、红外和可见光波段左手材料的研究以及新的材料设计理念的提出等。 本文实验研究了左手材料及负磁导率材料的缺陷效应以及电磁波反射性质。设计并采用电路板刻蚀方法制备了六边形开口谐振环（Split ring resonators,SRRs）及金属线,利用AV3618微波一体化矢量网络分析仪系统测量了对称性破缺条件下左手材料（Left-handed materials,LHMs）及负磁导率材料（Negative permeabilitymaterial,NPMs）的电磁响应行为。得到以下研究结果: 1.开口谐振环基本性质的实验研究。设计并采用电路板刻蚀方法制备了六边形SRRs,系统研究了其结构参数对SRRs电磁谐振行为的影响。得到以下结论:径向间距可以大范围的调节SRRs的谐振行为,单个SRRs的谐振频率随内外环间距即径向间距的增加而减小,传输相位在谐振频率处发生跃变;两个SRRs间的相互作用随其间距的变化而变化,且当间距小于λ/4时（λ为作用中心波长）,谐振频率随间距的增加而增加;SRRs系统在谐振频率处出现吸收最大值,其带隙不同于光子晶体的情形,能量不是被反射而是山系统存储并损耗;SRRs的电磁谐振行为可由环的开口大小调控,且谐振频率随开口间距的增加而增加。 2.负磁导率材料缺陷效应实验研究。周期排列的SRRs仅在频率稍大于其谐振频率ω0的极窄区域内具有负的磁导率,实现磁导率μeff小于零的负磁导率材枓是左手材料的重要组成部分。利用波导法实验研究了缺陷条件下一维、二维负磁导率材料的微波透射行为。实验得到以下结论:西北工业大学硕士毕业论文 （l）一维负磁导率材料的点缺陷效应:三个间距为smm的SRR排列而成的 样品存在一个谐振频率。当缺陷谐振环引入一维负磁导率材料时,由于缺陷与 基底谐振坏间的近邻相互作用,使得主谐振频率和缺陷环谐振频率同时发生移 动。通过测量2.0/3.0 SRR基底、2.0/2.5、1 .5/3 .0、2.0/4.0 SRR为缺陷,2.0/2.5 SRR基底、2.0/3.0、1.5/3.0、1.5/2.0、2.0/4.OSRR为缺陷和2.5/4.OSRR基底, 2.0/2.5、2.0/3.0、1.5/2.0 SRR为缺陷的三组样品发现以下规律:主谐振频率和 缺陷环谐振频率的移动量随缺陷与基底环谐振频率之差的增加而减少;当一维 负磁导率材料中存在缺陷时,主谐振峰和缺陷谐振峰的强度均有所下降。 （2）二维负磁导率材料中的点缺陷及线缺陷效应:基底SRRS为1.0/2 .2和 1.0/3.0的样品存在一个谐振频率,即f、.。/2.2=10520 MHz,f,..,:,..,二8140M升}z,在 靠近其谐振频率上侧的极窄区域内样品可能具有负的磁导率;点缺陷SRRS的 引入导致样品主谐振峰强度最大下降61%,谐振频率变化24OMHz,品质因数 Q由无缺陷时的73.6减小为空位点缺陷时的33.2;线缺陷SRRs的引入导致样 品主谐振峰强度最大下降75%,谐振频率变化60MHz,品质因数Q由无缺陷时 的73.6减小为线缺陷时的26.2;缺陷的存在破坏了材料的周期性结构,从而 引起其谐振峰的谐振强度和谐振频率发生变化。3.左手材料缺陷效应实验研究。实验研究了引入SRRs构成的点缺陷、线缺陷及 面状分布缺陷对三维左手材料X波段微波透射行为的影响。实验得到以下结 论: （l）三维左手材料引入缺陷SRR冶组构成点缺陷、线缺陷时的缺陷效应:以 1.0/2.2六边形SRRS与9.9/0 .5金属铜线的组合为结构单元的基底三维左手 材料与电磁波作用形成谐振峰,在谐振峰频率区域内材料呈现“左手”特性; 基底材料中引入不同尺寸点缺陷时,谐振峰强度最多下降6dB,相当于原来的 18.6%,谐振频率蓝移120MHz,通频带宽在【63072OMHz]范围变化;基底材 料中引入不同尺寸SRRs构成三种取向的线缺陷时,谐振峰强度最多降低1 1 dB, 相当于原来的34.1%,谐振频率红移和蓝移的情况都存在,红移最多为60MHz, 蓝移最多为240阳z,通频带宽在【420一870MHz〕范围变化;材料中引入线缺陷 时的缺陷效应大于点缺陷的情形。 （2）三维左手材料中引入缺陷SRRs组构成不同面状分布时的缺陷效应:引 入不同尺寸及空间取向的面缺陷时,谐振频率移动且红移和蓝移的情况都存 在,红移最多为105MHz,蓝移最多为307.SMHz,谐振强度下降19.3dB,相当 于原来的46%,通频带宽在[315一817.SMHz〕范围内变化;材料中引入面缺陷 时的缺陷效应大于引入点、线缺陷的情形;不同取向的面缺陷的缺陷效应差异 较大。