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[摘要] 异向介质这种新型材料的出现给人们在世界观层面上带来巨大的冲击，昭示人们可以在不违背基本物理学规律的前提下，人工获得与自然媒质迥然不同的超常物理性质的“新媒质”。本文介绍了异向介质的概念，并列举了其在波导小型化、耦合器、滤波器、天线、和电磁波隐形中的应用。
[关键词] 异向介质 微波器件 潜在应用
1.引言
异向介质的提出是电磁学理论发展史上的重要事件，为电磁理论的发展开辟了崭新的研究空间，其重大的科学意义及巨大的应用前景对未来通信、雷达、国防、微电子、医学成像等科技和社会发展将产生极为重要的影响。随着异向介质研究的不断深入，其各种潜在应用引起了各国研究者的兴趣，并且取得了很多令人振奋的研究成果。由于异向介质独特的电磁特性，所以其在微波器件和微波电路中有广阔的应用前景。
2.异向介质介绍
介电常数ε和磁导率μ是描述媒质电磁场性质的两个基本物理量。上世纪六十年代以前人们都认为对于电介质来说，介电常数ε和磁导率μ都为正值，电场、磁场和波矢三者构成右手关系。所以大家称之为右手材料(right-handed materials,RHM)。前苏联科学家Veselago于1968年预言，在同时具有负介电常数和负磁导率材料中传播的电磁波相位的传播方向与能量的传播方向相反，即电场、磁场和波矢三者构成左手关系，所以这种材料叫左手材料(left -handed materials,LHM)或异向介质。电磁波在异向介质材料中表现出了与在右手材料中相反的性质，比如光的负折射、逆多普勒效应、逆斯涅耳定律和逆切连科夫效应等，由于其介电常数和磁导率同时为负，有人也称其为“双负材料”。
3.异向介质的应用
由于异向介质的特殊性质，专家预测它将在小型化波导、滤波器、耦合器、高指向性天线、雷达、聚焦微波波束、电磁波隐形、卫星通信等领域有着广阔的应用前景。随着异向介质材料性能的提高，异向介质材料的应用逐渐成为一个研究热点。
3.1小型化波导的应用
传统波导存在截止频率的限制，其横截面宽度必须要大于半个工作波长才能允许相应频率的电磁波传播，通过加载高介电常数的材料虽然可以降低其尺寸，但损耗问题却变得非常严重。异向介质材料正好可以在波导小型化方面起重要作用。从理论上讲，在截止频率以下，电磁波虽然无法以常规的传播方式在波导传播，但是却极有可能在加载异向介质材料的情况下以后向波的形式传播，这主要是因为截止波导实际上可以看作是一个负介电常数环境。通常情况下，由于电磁波在其中的传播常数为虚数，电磁波幅度呈指数衰减，无法在其中传播。但如果在波导中加载具有负磁导率效应的超介质就可以构造出一个介电常数和磁导率的双负环境——左手材料，而电磁波是完全可以在这样的环境中传播的，并且波导的尺寸将不再受波长的限制。2002年，R.Msrquew等人指出在截止频率以下，矩形波导相当于等离子体物质，其介电常数为负，而如果把开路环谐振器（SRR）结构放入波导中，则在波导的截止频率以下将出现通带，由此可以实现亚波长波导器件[2]，导致加载了开路环谐振器（SRR）结构的截止波导也能够传输电磁能量；2005年，S.Hrabar等人将上述理论进一步完善，最终提出了小型化异向介质材料波导的概念。基于亚波长谐振器和复合左/右手传输线原理，一此学者提出了亚波长波导。
3.2滤波器中的应用
异向介质材料的结构实现经历了漫长的过程，1996年由英国的Pendry J B研究指出[3]，在微波频段内设计实现的等效介电常数ε为负的周期排列的金属导线（Rod）阵列结构；在此之后，Pendry J B等又提出的用开路环谐振器阵列（SRRs）[3]结构构造出的等效磁导率μ为负的介质；直到2000年，Smith D R等人根据Pendry J B的理论研究结果，将细金属导线阵列和开路环谐振器阵列结合起来，印刷在电路板上，构造出了等效介电常数ε和磁导率μ同时为负的第一块人工介质。这一突破成为研究异向介质的重要的里程碑。
在現代通信系统中，滤波器是一个基本元件，能在不影响性能的前提下缩小尺寸是非常有意义的。在传统的对称谐振环的基础上加入金属短杆，通过改变短杆与开口边的距离实现对谐振频率的调节[4]。采用这种对称开路环谐振器的滤波器能够对传输零点进行调控，能有效提高滤波器的传输特性，减小尺寸。
3.3耦合器中的应用
异向介质材料的反向波特性可以用来设计定向耦合器。反向波导定向耦合器是一种四端口无源器件，输入信号经过耦合器后被分为几路，其中一部分能量由另一端口输出作为参考或者系统的反馈。S.Xiao等人基于异向介质材料提出了一种新型定向耦合器[5]，Y.Yuan等人利用异向介质材料提出了一种X频段（8.2GHz~12.4GHz）波导耦合器[6]，实现了能量反向耦合。
在波导耦合器的主波导内填充异向介质材料，能够观察到异向介质材料与常规介质交界面处能量反向耦合的现象。在异向介质材料的奇异特性通带的中心频点11GHz处，反向波导定向耦合器的方向性大约为20dB，能够基本上满足实际应用的要求。而且，耦合器的耦合系数也可以通过低损耗或者更好色散特性的异向介质材料进一步改善耦合器的性能，实现高性能的异向介质材料对于设计实用的反向波导定向耦合器也将起到关键的作用。
3.4天线应用
M.C.KWiltshire等人指出异向介质材料特别适于射频微波器件的研究，可以使天线具有很强的定向辐射能力。R.W.Ziokowski等人发现得用异向介质材料的相位补偿原理，可以改变天线的负载，提高天线辐射效率[7]。N.Engheta等人提出了超薄谐振腔的概念。N.Engheta基于二维的平面异向介质材料在某些频段内会表现出高阻抗表面的特性，提出了一种对电磁波有较强吸收的超薄材料设计思路。A.Alu等人提出了亚波长异向介质材料漏波天线[8]。
利用异向介质材料对电磁波的负折射效应制作异向介质材料平板透镜，可以实现对天线辐射电磁波波束的汇聚，减小天线的半波瓣宽度，提高天线的方向性。另外异向介质材料还可替代微带天线的传统介质基板，利用其对表面波的抑制来减少边缘散射，提高天线辐射效率。由于异向介质的结构单元尺寸与谐振波长之比可达1：10，并且可以通过电路板印刷的方式实现，因此有利于实现易共形、重量轻的高方向性天线，并将对通信和武器的发展起到巨大的推动作用。
3.5 电磁波隐身的应用
隐形技术，又称隐身技术或低可探测技术是通过降低武器装备等目标的信号特征，使其难以被发现、识别、跟踪和攻击的技术。在传统隐形技术中，人们通过某种合理设计或采用吸波材料等方法降低目标的信号特征，但不能完全取消目标的信号特征，因此仅仅是增加了“敌方”发现的难度。一直以来，世界各国科研工作者孜孜不倦地探索不能辐射任何目标信号特征的材料。随着异向介质材料研究的不断深入，完全“隐形”这一天方夜谭早有可能变成有物理依据的事实。
利用异向介质材料可以制成各种完美透镜的原理，采用异向介质平板可实现微波镜像分析。在完美透镜中按照普通光学成像原理由像判定物的位置并不是物所处的真正位置,故该结构可起到隐蔽天线的作用。Schurig等人巧妙地利用了笛卡儿坐标变换，将“隐形”空间辐射线压缩到了一个被欺骗空间环绕的“壳状物”。斯韦方程笛卡儿坐标变换形式的不变性使得仅仅磁导率和介电常数发生变化，导致电磁波空间上的变化和各向异性，因此通过特殊的异向介质材料特性实现了从外部看来“不可见”的空间，致使没有散射波产生，也没有由于反射波的存在而产生的电磁波“阴影”，从而实现了电磁波“被屏蔽”，使目标很难被发现，达到了隐身的目的。
4.总结和展望
异向介质不仅可以应用在各类天线、亚波长波导器件、隐形材料、非线性器件滤波器、定向耦合器，还可以应用在移相器、反相波导器件、放大器、频率选择表面、亚波长谐振腔、漏波元件、各类光学器件、电磁波局域化等各个方面[1]。随着异向介质研究的深入，新的物理和新的应用不断涌现。随着科学研究的进一步发展，人们将制造出更加丰富多样的异向介质，并将在空间技术、武器装备、卫星有效载荷和遥感探测等领域得到更加广泛的应用。
参考文献:
[1] 崔萬照，马伟，邱乐德，张洪太．电磁超介质及其应用[M].北京：国防工业出版社，2008．
[2] Marques R, Martel J,Mesa F, Medina F. Left-handed-media simulation and transmission of EM waves in subwavelength splitring –resonator loaded metallic waveguides[J]. Physical Review Letters.2002.
[3] Pendry J B, Holden A J, Stewart W J, et al. Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructrue. Phys.Rev。Lett，1996，76（25）：4773-4776.
[4] 陈聪，张世全异向介质开路环谐振器及其滤波器应用陕西：咸阳师范学院学报 24（6），2009.
[5] Sanshui Xiao,Linfang Shen,Sailing He.A novel directional coupler utilizing a left-handed material [J]. IEEE Photonics Technology Letters.2004.
[6] Yu Yuan,Lixin Ran, HOngsheng Chen, et al. A backward waveguide coupler using left-handed materials[J]. Applied Physics Letters.2006.
[7] Ziolkowski P W, Kipple A D.Application of double negative materials to increase the power radiated by electrically small antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propaation.2003.
[8] Engheta N.Thin absorbing screens using metamaterial surfaces[C].IEEE Antennas and Propagation Society Int.Symp.2002.
[9] Lippmann G.Sur la theories de la photographie des couleurs simples et compose par lametode interferentielle[J].J Phys.1894.
[关键词] 异向介质 微波器件 潜在应用
1.引言
异向介质的提出是电磁学理论发展史上的重要事件，为电磁理论的发展开辟了崭新的研究空间，其重大的科学意义及巨大的应用前景对未来通信、雷达、国防、微电子、医学成像等科技和社会发展将产生极为重要的影响。随着异向介质研究的不断深入，其各种潜在应用引起了各国研究者的兴趣，并且取得了很多令人振奋的研究成果。由于异向介质独特的电磁特性，所以其在微波器件和微波电路中有广阔的应用前景。
2.异向介质介绍
介电常数ε和磁导率μ是描述媒质电磁场性质的两个基本物理量。上世纪六十年代以前人们都认为对于电介质来说，介电常数ε和磁导率μ都为正值，电场、磁场和波矢三者构成右手关系。所以大家称之为右手材料(right-handed materials,RHM)。前苏联科学家Veselago于1968年预言，在同时具有负介电常数和负磁导率材料中传播的电磁波相位的传播方向与能量的传播方向相反，即电场、磁场和波矢三者构成左手关系，所以这种材料叫左手材料(left -handed materials,LHM)或异向介质。电磁波在异向介质材料中表现出了与在右手材料中相反的性质，比如光的负折射、逆多普勒效应、逆斯涅耳定律和逆切连科夫效应等，由于其介电常数和磁导率同时为负，有人也称其为“双负材料”。
3.异向介质的应用
由于异向介质的特殊性质，专家预测它将在小型化波导、滤波器、耦合器、高指向性天线、雷达、聚焦微波波束、电磁波隐形、卫星通信等领域有着广阔的应用前景。随着异向介质材料性能的提高，异向介质材料的应用逐渐成为一个研究热点。
3.1小型化波导的应用
传统波导存在截止频率的限制，其横截面宽度必须要大于半个工作波长才能允许相应频率的电磁波传播，通过加载高介电常数的材料虽然可以降低其尺寸，但损耗问题却变得非常严重。异向介质材料正好可以在波导小型化方面起重要作用。从理论上讲，在截止频率以下，电磁波虽然无法以常规的传播方式在波导传播，但是却极有可能在加载异向介质材料的情况下以后向波的形式传播，这主要是因为截止波导实际上可以看作是一个负介电常数环境。通常情况下，由于电磁波在其中的传播常数为虚数，电磁波幅度呈指数衰减，无法在其中传播。但如果在波导中加载具有负磁导率效应的超介质就可以构造出一个介电常数和磁导率的双负环境——左手材料，而电磁波是完全可以在这样的环境中传播的，并且波导的尺寸将不再受波长的限制。2002年，R.Msrquew等人指出在截止频率以下，矩形波导相当于等离子体物质，其介电常数为负，而如果把开路环谐振器（SRR）结构放入波导中，则在波导的截止频率以下将出现通带，由此可以实现亚波长波导器件[2]，导致加载了开路环谐振器（SRR）结构的截止波导也能够传输电磁能量；2005年，S.Hrabar等人将上述理论进一步完善，最终提出了小型化异向介质材料波导的概念。基于亚波长谐振器和复合左/右手传输线原理，一此学者提出了亚波长波导。
3.2滤波器中的应用
异向介质材料的结构实现经历了漫长的过程，1996年由英国的Pendry J B研究指出[3]，在微波频段内设计实现的等效介电常数ε为负的周期排列的金属导线（Rod）阵列结构；在此之后，Pendry J B等又提出的用开路环谐振器阵列（SRRs）[3]结构构造出的等效磁导率μ为负的介质；直到2000年，Smith D R等人根据Pendry J B的理论研究结果，将细金属导线阵列和开路环谐振器阵列结合起来，印刷在电路板上，构造出了等效介电常数ε和磁导率μ同时为负的第一块人工介质。这一突破成为研究异向介质的重要的里程碑。
在現代通信系统中，滤波器是一个基本元件，能在不影响性能的前提下缩小尺寸是非常有意义的。在传统的对称谐振环的基础上加入金属短杆，通过改变短杆与开口边的距离实现对谐振频率的调节[4]。采用这种对称开路环谐振器的滤波器能够对传输零点进行调控，能有效提高滤波器的传输特性，减小尺寸。
3.3耦合器中的应用
异向介质材料的反向波特性可以用来设计定向耦合器。反向波导定向耦合器是一种四端口无源器件，输入信号经过耦合器后被分为几路，其中一部分能量由另一端口输出作为参考或者系统的反馈。S.Xiao等人基于异向介质材料提出了一种新型定向耦合器[5]，Y.Yuan等人利用异向介质材料提出了一种X频段（8.2GHz~12.4GHz）波导耦合器[6]，实现了能量反向耦合。
在波导耦合器的主波导内填充异向介质材料，能够观察到异向介质材料与常规介质交界面处能量反向耦合的现象。在异向介质材料的奇异特性通带的中心频点11GHz处，反向波导定向耦合器的方向性大约为20dB，能够基本上满足实际应用的要求。而且，耦合器的耦合系数也可以通过低损耗或者更好色散特性的异向介质材料进一步改善耦合器的性能，实现高性能的异向介质材料对于设计实用的反向波导定向耦合器也将起到关键的作用。
3.4天线应用
M.C.KWiltshire等人指出异向介质材料特别适于射频微波器件的研究，可以使天线具有很强的定向辐射能力。R.W.Ziokowski等人发现得用异向介质材料的相位补偿原理，可以改变天线的负载，提高天线辐射效率[7]。N.Engheta等人提出了超薄谐振腔的概念。N.Engheta基于二维的平面异向介质材料在某些频段内会表现出高阻抗表面的特性，提出了一种对电磁波有较强吸收的超薄材料设计思路。A.Alu等人提出了亚波长异向介质材料漏波天线[8]。
利用异向介质材料对电磁波的负折射效应制作异向介质材料平板透镜，可以实现对天线辐射电磁波波束的汇聚，减小天线的半波瓣宽度，提高天线的方向性。另外异向介质材料还可替代微带天线的传统介质基板，利用其对表面波的抑制来减少边缘散射，提高天线辐射效率。由于异向介质的结构单元尺寸与谐振波长之比可达1：10，并且可以通过电路板印刷的方式实现，因此有利于实现易共形、重量轻的高方向性天线，并将对通信和武器的发展起到巨大的推动作用。
3.5 电磁波隐身的应用
隐形技术，又称隐身技术或低可探测技术是通过降低武器装备等目标的信号特征，使其难以被发现、识别、跟踪和攻击的技术。在传统隐形技术中，人们通过某种合理设计或采用吸波材料等方法降低目标的信号特征，但不能完全取消目标的信号特征，因此仅仅是增加了“敌方”发现的难度。一直以来，世界各国科研工作者孜孜不倦地探索不能辐射任何目标信号特征的材料。随着异向介质材料研究的不断深入，完全“隐形”这一天方夜谭早有可能变成有物理依据的事实。
利用异向介质材料可以制成各种完美透镜的原理，采用异向介质平板可实现微波镜像分析。在完美透镜中按照普通光学成像原理由像判定物的位置并不是物所处的真正位置,故该结构可起到隐蔽天线的作用。Schurig等人巧妙地利用了笛卡儿坐标变换，将“隐形”空间辐射线压缩到了一个被欺骗空间环绕的“壳状物”。斯韦方程笛卡儿坐标变换形式的不变性使得仅仅磁导率和介电常数发生变化，导致电磁波空间上的变化和各向异性，因此通过特殊的异向介质材料特性实现了从外部看来“不可见”的空间，致使没有散射波产生，也没有由于反射波的存在而产生的电磁波“阴影”，从而实现了电磁波“被屏蔽”，使目标很难被发现，达到了隐身的目的。
4.总结和展望
异向介质不仅可以应用在各类天线、亚波长波导器件、隐形材料、非线性器件滤波器、定向耦合器，还可以应用在移相器、反相波导器件、放大器、频率选择表面、亚波长谐振腔、漏波元件、各类光学器件、电磁波局域化等各个方面[1]。随着异向介质研究的深入，新的物理和新的应用不断涌现。随着科学研究的进一步发展，人们将制造出更加丰富多样的异向介质，并将在空间技术、武器装备、卫星有效载荷和遥感探测等领域得到更加广泛的应用。
参考文献:
[1] 崔萬照，马伟，邱乐德，张洪太．电磁超介质及其应用[M].北京：国防工业出版社，2008．
[2] Marques R, Martel J,Mesa F, Medina F. Left-handed-media simulation and transmission of EM waves in subwavelength splitring –resonator loaded metallic waveguides[J]. Physical Review Letters.2002.
[3] Pendry J B, Holden A J, Stewart W J, et al. Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructrue. Phys.Rev。Lett，1996，76（25）：4773-4776.
[4] 陈聪，张世全异向介质开路环谐振器及其滤波器应用陕西：咸阳师范学院学报 24（6），2009.
[5] Sanshui Xiao,Linfang Shen,Sailing He.A novel directional coupler utilizing a left-handed material [J]. IEEE Photonics Technology Letters.2004.
[6] Yu Yuan,Lixin Ran, HOngsheng Chen, et al. A backward waveguide coupler using left-handed materials[J]. Applied Physics Letters.2006.
[7] Ziolkowski P W, Kipple A D.Application of double negative materials to increase the power radiated by electrically small antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propaation.2003.
[8] Engheta N.Thin absorbing screens using metamaterial surfaces[C].IEEE Antennas and Propagation Society Int.Symp.2002.
[9] Lippmann G.Sur la theories de la photographie des couleurs simples et compose par lametode interferentielle[J].J Phys.1894.