新型谐振式人工电磁介质的特性以及在天线设计中的应用(6)
3 人工电磁介质的应用
左手材料（人工电磁介质）的应用分为微波段和可见光波段。(1)微波段可用作延迟线、耦合器、天线收发转换开关、固态天线、滤波器、光导航、微波聚焦器等。微波左手材料还可广泛应用于微波器件。如微波平板聚焦透镜、带通滤波器、调制器、卫星反向天线、基于传输线左手材料的前向波方向耦合器、宽带相移器等。另外，反常Cherenkov辐射效应可用于探测高能带电粒子。左手材料还可以制作便宜而性能好的磁共振成像设备。另外手机辐射有望解决，隐身材料的有望实现。(2) 在可见光波段，左手材料能够突破该衍射极限，可应用于超灵敏单分子探测器，用于探测微量污染、极微量具有危险性的生物化学药剂、以及血液中标症早期疾病的蛋白质分子和医学领域诊断成像等。利用其负折射和倏逝波放大特性，可以用其制作集成光路里的光引导元件，有望制作出分辨率比常规光学透镜高几百倍的扁平光学透镜。左手材料也有望解决高密度近场光存储遇到的光学分辨率极限问题，可能制作出存储能量比现有DVD高几个数量级的新型光学存储系统。
3.1 人工电磁介质与天线
通信系统的保密性、高效性要求天线具有高定向性；机动性、移动性和易携带性要求天线具有小型化；为了降低对发射系统的要求，天线要具有高增益。这些特性都可以通过人工电磁介质的奇特的电磁特性实现。
Burokur等人研究了人工电磁介质对微带贴片天线性能的影响，他们设计了一种圆形辐射贴片微带天线，采用同轴线馈电，如下图a所示。选用位于左手特性区域中的某一频率作为微带贴片天线工作的中心频率，将一定体积的人工电磁介质覆层置于天线前方。研究发现人工电磁介质覆层的引入可使天线的聚焦性和方向性更好，增益提高了2.8 dB，改善了天线的性能。若选用损耗小的左手材料且保证良好的波阻抗匹配，天线的增益可达到12 dB。左手材料覆层相当于凸透镜，使电磁波只能够在垂直方向附近的小角度内传播，其它方向的传播被限制。这将显著改善天线方向性，提高天线的增益。例如：可以把LHM刻蚀在引信系统的天线罩上，在不改变天线罩外形的同时，提高了天线增益和方向性。
图1 左手材料在天线上的应用
图b是将左手材料与传统材料复合作为天线基板，基板中激励起的表面波在两种材料的分界面发生负折射，折射波被金属接地板反射后在分界面处再次发生负折射，使得表面波在天线基板中的传播形成闭合路径，可抑制天线边沿辐射，减少天线阵元间的干扰，提高方向性和辐射效率。Baccarelli在理论上假设天线基板的介电常数和磁导率均小于0，对基板的散射方程进行了数学讨论，提出以左手材料作为天线基板抑制表面波TE模、TM模的条件。他指出左手材料作为天线基板可以减少天线的边缘散射，提高天线辐射效。
图2 表面波抑制原理
3.2 人工电磁介质与微波器件
3.2.1新型滤波器
传统右手传输线的等效电路是一个低通结构，而左手传输线结构的等效电路是一个高通结构.因此左右手复合传输线构成的特异媒质是一个带通结构.利用左右手复合传输线结构的这个带通特性可以制成尺寸小、带内损耗小、频带宽的带通滤波器.
下图左，给出了基于新型复合结构的新型超宽带滤波器结构示意图.通过改变其中的交指电容长度kaP可得到不同工作频段上的带通滤波器.右图给出了lcap=8mm时的电磁场全波仿真和实验测试结果，可看出，新型滤波器的相对带宽在70%以上。