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高频电磁波实验

引言：

最近几年来，一种称为“左手材料(left-handedmaterial)”的人工复合材料在固体物理、

材料科学、光学和应用电磁学领域内开始获得愈来愈多的关注。所谓“左手材料”就是指

介电常数占及磁导率都为负值的材料。一般地，任何材料都具有两个物理参数，介电常数和

磁导率，它们决定该材料与电磁辐射包括光，微波，无线电波，甚至x射线之间的相互作用。

由于左手材料的显著特点是它的介电常数和磁导率都是负数，所以有人也称之为“双负介质

(材料)’；或者“负折射系数材料，简称“负材料”。又由于在左手材料中，其相速度与群速

度是反向的，所以它也被称为“回波介质”。这样的材料自从2000年在实验上实现之后，引

起了人们广泛的研究兴趣。该种材料具备一些特殊的电磁特性，从而使其具有重要的应用价

值。例如，左手材料可用来制造高指向性的天线、激光、聚焦微波波束、以及实现“完美透

镜，’、用于电磁波隐身等等。它还有可能在新型波导和光纤中得到应用。最近，已有实验报

道了磁性纳米结构的复合物在中红外波段其磁导率呈现负值，将这样的材料与介电常数为负

值的材料复合值的材料复合可可以获得在中以获得在中红外红外波波段段的“左手材料的“左手材料。所谓的“。所谓的“瑞士卷瑞士卷结构可以在兆赫兹频

率范围内实现磁导率为负值。如果人们能将产生负折射系数的微波频段拓展到可见光领域，

则可能带来更多的光学应用前景。

基本理论：

1、左手材料[1]

左手材料是一种人工复合材料，是相对于右手材料而言的，而右手材料就是我们常见



的普通介质。对于均匀介质而言，介电常数和磁导率是描述其电磁场性质的最基本的



物理量，在正常情况下，这俩个物理量都是非负的常数。依据麦克斯韦方程，介电常数和

磁导率同时为正值时，电场强度E、磁场强度H、和波矢K三个物理量的方向是呈右手

关系的。这样的材料我们称之为右手材料、与此对应，左手材料就是这三个量满足左手定则

的介质。

图一实验用双层左手材料图二左手右手材料物理量关系

2、S参数

[2]

S参数（散射参数）用于描述某个器件更改信号的路径。对于二端口器件，有四个S参数（S12

S11S22S21）。

1端口2端口

S21：从1端口进入2端口出去，为2端口透射的量与1端口进入量的比值

S11：从1端口进入2端口出去，为1端口反射的量与1端口进入量的比值

对于S参数的下标含义为第二个下标表示进入端口，第一个下标表示投射（反射）的端口

则S22、S12同理可得去含义

其中，对于互易网络，有：S12＝S21；对于对称网络，有：S11＝S22；对于无耗网络，有：



S2S21

1112

3、驻波比

在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Ｖmax，形成波腹；

在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Ｖmin，形成波节。其它

各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。驻波比是驻波波腹处的声压

幅值Vmax与波节处的声压Vmin幅值之比。

实验仪器：

矢量网络分析仪，电缆，喇叭，左手材料等

图三矢量网络示意图操作图四喇叭装置

实验装置：

图五投射测量示意图图六反射测量示意图

图七反射实物图