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摘要：近年來，左手材料（Left-Handed Material）凭借其异常的电磁特性（左手特性、后向波特性、负折射特性）受到了越来越多的青睐。左手材料在高定向性天线、耦合器、辐射器、宽带滤波器、聚焦微波波束、传输线等通信领域有着非常广泛的应用前景。随着左手材料的发展，单一的左手材料已经不能满足人们的需求，左手材料正从最早的印刷电路结构向夹杂着颗粒的左右手复合材料方向发展。
关键词：左手材料；天线；滤波器；通信系统；左右手复合材料
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）06-0014-02
1 概述
在通信领域，传统天线的尺寸受制于谐振频率，并且效率和信噪比较低，将左手材料和右手材料按一定的比例和结构分布在传输线中，可以得到具有超强电磁波聚焦特性的左右手复合材料，通过改变其本构关系参数，可以实现天线的小型化，减小插入损耗，增强天线增益和实现更宽的工作带宽，具有较好的通带特性。本文通过分析左手材料对通信系统各个器件性能的改善，论述了左手材料在通信系统的应用前景。
2 左手材料在微波器件中的应用
2.1 定向耦合器
传统的微带天线采用电容间隙耦合，其尺寸由偶、奇模阻抗确定，而左右手复合材料具有负谐振特性，能够制成平行耦合滤波器，通过在普通耦合器中加载具有相位超前特性的左右手复合材料，可以消除耦合端与直通端之间存在的90°的相移，使耦合端与直通端输出相移相等。由于左手传输线的相速和群速方向相反，左手传输线可以对右手传输线的相位滞后进行补偿，通过调整左右手复合传输线与右手传输线之间的距离，可以实现在一定频率范围内无相差，从而实现分功率分配器的功能。
2.2 新型滤波器
由于左手材料中不可避免地会引入右手寄生参量，所以一般的左手材料均为左右手复合材料，当二者处于平衡状态时，就构成了一个左手高通网络和右手低通网络的复合结构，通过调节其本构参数，就可以获得超带宽滤波器。左右手复合传输线与普通传输线掺杂时，具有良好的耦合性，可以拓宽滤波器的通频带，这种滤波器是通过贴片电容和贴片电感来实现的。
3 左手材料在天线中的应用
3.1 天线小型化
对于普通的贴片天线，在贴片两端电场相位相反，这相当于一个水平放置的偶极子，远场的主瓣沿垂直于贴片的方向辐射。由于左手材料具有后向波特性，贴片两端辐射的电场几乎同相位，根据边缘场的叠加性原理，这等效于一个垂直放置的单极子，远场的主瓣沿两侧向外辐射。传统的天线主要是在牺牲天线效率、带宽和增益的前提下，利用集总参数元件或较大的介电常数来实现天线的小型化。但是，左右手复合传输线在低频和高频段具有一致的电流幅值，在过渡频段内，电流波波长无限大，相位常数为零，从而突破了半波长的物理限制。
3.2 辐射效率高
由于天线表面波的存在，使得天线的辐射效率低，利用各向异性介质在某个频段内折射率接近为0的特性，可以制造出具有很强辐射率的新型天线，这种异向介质基板还可以减小边缘辐射，提高辐射效率。
3.3 指向性高
传统的微波透镜都是曲面结构，尤其在毫米波段，聚焦性能对透镜曲面曲率变化十分敏感，极大地增加了加工难度。将左手材料嵌入到普通的天线基板中，由于其具有折射率为0的特性和超强的电磁波聚焦特性，可以使在空间自由辐射的电磁波汇聚在法线附近，减小电磁波的半波瓣宽度，从而提高天线的指向性，增强其定向辐射，增加其增益。
3.4 扫描范围大
现实中的纵向均匀漏波天线，利用馈电装置抑制主模，只激励高阶模，来完成电磁波的向外辐射，由于传播常数为正，使得天线只能在前向1/4的范围内辐射。对于纵向周期漏波天线，则是通过导波结构引入扰动，来实现从后到前的波束扫描，在传播常数为0的区域无法实现测射，只能实现后向1/4的范围内辐射。但是，左右手复合传输线包含了辐射频段和导波频段，在相移为0时，群速并不等于0，因而可以实现180°空间扫描能力的后向到前向的漏波天线。
4 左手材料在通信设备中的应用
4.1 降低手机辐射
移动通信手机在使用时，天线离人脑很近，脑部处于近区感应场和辐射场范围内，其微波辐射会对人体产生潜在的危害，通过将开口环谐振器放入手机内，可以大大地降低电磁波在人脑处辐射的峰值，使电磁波平均分布强度明显降低。
4.2 左手材料应用于通信雷达
左手材料在某些频段内会出现高阻抗表面特性，对电磁波有超强的吸收能力。在高阻抗表面载入电阻，使之呈现纯阻性，调节阻值，可使表面阻抗接近于空气中的波阻抗，对垂直入射的电磁波有很好的吸收作用，对于斜入射的电磁波，虽然不能完全吸收，但是反射波并不是按原路返回，因此，对电磁波后向辐射截面很小，可应用于雷达吸波材料。
5 左手材料在通信领域的应用展望
目前，左手材料的应用主要集中在微波频段，随着人们对左手材料研究的不断深入，左手材料将朝着高频率波段发展，有望在太赫兹频段、红外频段甚至光频段不断发展，可用于新型雷达、遥感、导航设备、远距离探测仪等高级通信设备。
6 结语
左手材料的后向波特性使它在通信系统中得到了广泛的应用，左手材料和右手材料相结合的复合材料能够制成定向耦合器和新型滤波器，将其应用于天线中，能够实现天线的小型化，扩大扫描范围，还能够降低手机辐射。左手材料具有广泛的潜在作用，随着进一步深入研究，左手材料将在多频率波段下获得更为广阔的应用前景。
参考文献
[1] 吴群，孟繁义，傅佳辉.左手材料理论及其应用[M].北京：国防工业出版社，2010.
[2] 王坤，胡皓全.Mushroom结构CRLH的微波滤波器的研究[D].电子科技大学，2010.
[3] 胡明春.左手结构及其在天线微波领域中的应用[J].现代雷达，2008，（5）.
[4] 冯理，曹卫平，田国涛.基于复合左右手传输线的天线小型化研究[J].桂林电子科技大学学报，2009，（6）.
[5] 李杰，杨方清，董建峰.左手材料在天线中的应用研究进展[J].材料导报，2011，（7）.
[6] 李雁，徐善驾.左手传输线在新型天线设计中的应用
[D].中国科学技术大学，2007.
[7] 周晓明.左手材料SRR在手机辐射防护中的作用[J].华南理工大学学报（自然科学版），2009，（7）.
[8] 姜锼，刘福平，朱梦渝，常满文.左手材料在武器装备系统中的应用[J].装备环境工程，2010，7（1）.
（责任编辑：黄银芳）
关键词：左手材料；天线；滤波器；通信系统；左右手复合材料
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）06-0014-02
1 概述
在通信领域，传统天线的尺寸受制于谐振频率，并且效率和信噪比较低，将左手材料和右手材料按一定的比例和结构分布在传输线中，可以得到具有超强电磁波聚焦特性的左右手复合材料，通过改变其本构关系参数，可以实现天线的小型化，减小插入损耗，增强天线增益和实现更宽的工作带宽，具有较好的通带特性。本文通过分析左手材料对通信系统各个器件性能的改善，论述了左手材料在通信系统的应用前景。
2 左手材料在微波器件中的应用
2.1 定向耦合器
传统的微带天线采用电容间隙耦合，其尺寸由偶、奇模阻抗确定，而左右手复合材料具有负谐振特性，能够制成平行耦合滤波器，通过在普通耦合器中加载具有相位超前特性的左右手复合材料，可以消除耦合端与直通端之间存在的90°的相移，使耦合端与直通端输出相移相等。由于左手传输线的相速和群速方向相反，左手传输线可以对右手传输线的相位滞后进行补偿，通过调整左右手复合传输线与右手传输线之间的距离，可以实现在一定频率范围内无相差，从而实现分功率分配器的功能。
2.2 新型滤波器
由于左手材料中不可避免地会引入右手寄生参量，所以一般的左手材料均为左右手复合材料，当二者处于平衡状态时，就构成了一个左手高通网络和右手低通网络的复合结构，通过调节其本构参数，就可以获得超带宽滤波器。左右手复合传输线与普通传输线掺杂时，具有良好的耦合性，可以拓宽滤波器的通频带，这种滤波器是通过贴片电容和贴片电感来实现的。
3 左手材料在天线中的应用
3.1 天线小型化
对于普通的贴片天线，在贴片两端电场相位相反，这相当于一个水平放置的偶极子，远场的主瓣沿垂直于贴片的方向辐射。由于左手材料具有后向波特性，贴片两端辐射的电场几乎同相位，根据边缘场的叠加性原理，这等效于一个垂直放置的单极子，远场的主瓣沿两侧向外辐射。传统的天线主要是在牺牲天线效率、带宽和增益的前提下，利用集总参数元件或较大的介电常数来实现天线的小型化。但是，左右手复合传输线在低频和高频段具有一致的电流幅值，在过渡频段内，电流波波长无限大，相位常数为零，从而突破了半波长的物理限制。
3.2 辐射效率高
由于天线表面波的存在，使得天线的辐射效率低，利用各向异性介质在某个频段内折射率接近为0的特性，可以制造出具有很强辐射率的新型天线，这种异向介质基板还可以减小边缘辐射，提高辐射效率。
3.3 指向性高
传统的微波透镜都是曲面结构，尤其在毫米波段，聚焦性能对透镜曲面曲率变化十分敏感，极大地增加了加工难度。将左手材料嵌入到普通的天线基板中，由于其具有折射率为0的特性和超强的电磁波聚焦特性，可以使在空间自由辐射的电磁波汇聚在法线附近，减小电磁波的半波瓣宽度，从而提高天线的指向性，增强其定向辐射，增加其增益。
3.4 扫描范围大
现实中的纵向均匀漏波天线，利用馈电装置抑制主模，只激励高阶模，来完成电磁波的向外辐射，由于传播常数为正，使得天线只能在前向1/4的范围内辐射。对于纵向周期漏波天线，则是通过导波结构引入扰动，来实现从后到前的波束扫描，在传播常数为0的区域无法实现测射，只能实现后向1/4的范围内辐射。但是，左右手复合传输线包含了辐射频段和导波频段，在相移为0时，群速并不等于0，因而可以实现180°空间扫描能力的后向到前向的漏波天线。
4 左手材料在通信设备中的应用
4.1 降低手机辐射
移动通信手机在使用时，天线离人脑很近，脑部处于近区感应场和辐射场范围内，其微波辐射会对人体产生潜在的危害，通过将开口环谐振器放入手机内，可以大大地降低电磁波在人脑处辐射的峰值，使电磁波平均分布强度明显降低。
4.2 左手材料应用于通信雷达
左手材料在某些频段内会出现高阻抗表面特性，对电磁波有超强的吸收能力。在高阻抗表面载入电阻，使之呈现纯阻性，调节阻值，可使表面阻抗接近于空气中的波阻抗，对垂直入射的电磁波有很好的吸收作用，对于斜入射的电磁波，虽然不能完全吸收，但是反射波并不是按原路返回，因此，对电磁波后向辐射截面很小，可应用于雷达吸波材料。
5 左手材料在通信领域的应用展望
目前，左手材料的应用主要集中在微波频段，随着人们对左手材料研究的不断深入，左手材料将朝着高频率波段发展，有望在太赫兹频段、红外频段甚至光频段不断发展，可用于新型雷达、遥感、导航设备、远距离探测仪等高级通信设备。
6 结语
左手材料的后向波特性使它在通信系统中得到了广泛的应用，左手材料和右手材料相结合的复合材料能够制成定向耦合器和新型滤波器，将其应用于天线中，能够实现天线的小型化，扩大扫描范围，还能够降低手机辐射。左手材料具有广泛的潜在作用，随着进一步深入研究，左手材料将在多频率波段下获得更为广阔的应用前景。
参考文献
[1] 吴群，孟繁义，傅佳辉.左手材料理论及其应用[M].北京：国防工业出版社，2010.
[2] 王坤，胡皓全.Mushroom结构CRLH的微波滤波器的研究[D].电子科技大学，2010.
[3] 胡明春.左手结构及其在天线微波领域中的应用[J].现代雷达，2008，（5）.
[4] 冯理，曹卫平，田国涛.基于复合左右手传输线的天线小型化研究[J].桂林电子科技大学学报，2009，（6）.
[5] 李杰，杨方清，董建峰.左手材料在天线中的应用研究进展[J].材料导报，2011，（7）.
[6] 李雁，徐善驾.左手传输线在新型天线设计中的应用
[D].中国科学技术大学，2007.
[7] 周晓明.左手材料SRR在手机辐射防护中的作用[J].华南理工大学学报（自然科学版），2009，（7）.
[8] 姜锼，刘福平，朱梦渝，常满文.左手材料在武器装备系统中的应用[J].装备环境工程，2010，7（1）.
（责任编辑：黄银芳）