左手材料(left-handed metamaterials,LHMs)是一种介电常数与磁导率同时为负值的电磁材料,因其中传播的电磁波的电场矢量、磁场矢量以及波矢方向满足左手定则而得名。左手材料概念最初由前苏联物理学家Veselago于1968年提出,他从Maxwell方程出发,分析了电磁波在介电常数和磁导率同时为负介质中传播的状况,从理论上指出这种介质存在是不违反物理学定律的,并且具有负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射、完美透镜等奇异物理现象。但自然界不存在这种性质特异的物质,故在该理论提出的近30年内左手材料发展几乎处于停滞状态。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研究。2001年Smith等人根据Pendry的理论模型,首次制备出微波段具有负介电常数、负磁导率材料,并通过实验观察到了负折射现象。随后左手材料研究取得重大突破,并被《Science》杂志评为2003年度十大科技进展之一。现阶段,左手材料的研究向多方向发展,主要包括利用已有左手材料对其物理特性的进一步研究、新的材料设计理念的提出以及红外和可见光波段左手材料的研究等。 本文分别研究了波导和空间中微波左手材料的非对称结构特征,并且把左手材料应用到微带天线中,制得左手材料微带天线。主要得出如下结论: 1、研究了X方向环杆中心不对称的左手材料微波透射和反射现象,采用波导法测量了环中心相对于杆中心的偏移量对左手透射峰的影响。实验发现左手材料微波透射谱呈“M”状,即在左手透射峰内出现了一个禁带,且禁带位置受环杆中心位置偏移量调节,不对称的引入使得左手透射峰的强度增强,左手频段增宽;X方向环杆中心不对称左手材料的反射谱呈“W”形,其左手透射峰的禁带对应于反射峰极大值,且“W”形反射峰相对于“M”形透射峰发生蓝移。通过不同类型的不对称结构的研究,可以认为环杆间的电磁耦合不对称、环的开口边与波导上下壁的耦合作用是引起左手透射峰出现禁带的主要因素。 2、研究了Z方向环杆中心不对称的左手材料微波透射和反射现象,采用波导法测量了环中心相对于杆中心的偏移量对左手透射峰的影响。实验表明,环杆中心偏移量在[0,a/2]区间变化时(a为SRRs的晶格常数),左手材料透射谱由单峰变成“M”形的双峰,即在左手透射峰内出现禁带,最后又变成单峰,禁带的出现使左手透射峰的总频段增宽,峰值强度增强;Z方向环杆中心不对称程度可以调节