1引言
左手材料的概念最初由苏联物理学家Veselago在1967年发表的论文中率先提出，文章指出，当材料的介电常数ε和磁导率μ同时为负的情况下，电场E、磁场H和波矢K构成左手坐标关系，电磁波在其中传播时，会产生一系列奇异的现象，如逆Snell折射效应，逆切伦科辐射效应及逆多普勒频移等。相比普通且常见的右手材料（ε、μ均大于0）来说，这种新型型材料在自然界中至今没有发现过，因此在以后的几十年间，人们一直没有对其投入更多的研究和关注。这种发展缓慢甚至停滞的局面直至最近才被打破，1999年，J.Pendry等人指出可以通过细金属导线阵列和谐振环阵列构造一种复合结构的人工左手材料，这一发现重新引起了人们的兴趣。2001年，美国加州大学的D.R.Smith等人通过实验证实了J.Pendry的设想，利用铜制的开口谐振环和细铜导线阵列构造出了自然界中首个介电常数和磁导率同时为负的左手材料并发现“负折射”现象。2002年，美国加州大学洛杉矶分校的T.Itoh教授和加拿大多伦多大学的G.V.Eleftheriades教授等人首先提出后来又得到中国科技大学研究人员改进的利用对偶原理制作的左手材料，该材料可通过微带线、共面波导等传输线结构来实现。大量的国内外研究人员的理论和实验研究证实这些材料都具有自然界材料中所不具备的特殊电磁特性，包括：同时具有负的等效介电常数和负的等效磁导率，电磁波在这些材料中传输时，群速和相速平行反向，所激发的辐射方向与带电粒子的运动方向相反且夹角为一钝角等。
本文将主要描述左手材料的传输线型式结构的工作原理，对其现阶段在微波领域的研究成果展开简单的介绍。
2传输线左手材料的工作原理
2.1等效电路模型
对普通材料传输线的等效电路作二重性处理，即将串联电感/并联电容分量转变为并联电容/串联电感分量，并联/串联回路转成串联/并联回路，可得到左手传输线的等效电路模型，如图1所示。
经过上述变换之后，传输线由原先的右手低通特性变为左手高通特性，根据波数r和特性阻抗ZC的定义可得到：

 (1)
为了简化分析，仅考虑无耗（G′=R′=0）时的情况，则可将上两式作进一步的推导

 (2)
根据定义，左手传输线的相速和群速可分别列为
 (3)
 (4)
从(2)~(4)式可以看出，电磁波的传播常数为一负值，导致相速与群速平行方向，使得图1所示的电路模型具备了左手材料的传播特征。
2.2等效材料参数
应用麦克斯韦方程对左手材料的特性进行分析，并根据材料的结构参数与阻抗、导纳之间的关系式，以及图1模型中串联阻抗，并联导纳的定义，可推出

 (5)
以上两式证明了左手材料中的等效介电常数和等效磁导率同时为负的事实。
2.3左手传输线结构
2001年，美国圣地亚哥加州大学Smith教授等人提出了具有谐振型结构的左手材料，这种材料是由细金属导线阵列和金属谐振环组合而成，由于该结构的尺寸和损耗都较大而且工作频率较窄，因此很难在微波和毫米波集成电路系统中获得广泛的应用。2002年，美国加州大学的I.toh教授等人提出了用传输线结构来实现左手材料特性的新理念，该材料通过微带形式的串联交指电容和并联短截线电感构造而成，如图2所示：
相比早先提了的谐振型式左手材料，这种新型合成材料是一种非谐振结构，它具有小尺寸、低损耗和宽频带的特性。同时，由于采用传统意义上的传输线形式来人工合成左手材料，这种新型结构中不可避免的存在着一些右手传输线参数的寄生影响，如寄生串联电感和寄生并联电容，它们的影响随着频率的上升而不断的增大，使得这种结构形式只能在一定频带范围内体现出左手特征。严格意义上讲，这种材料是集左手特性和右手特性于一身的合成材料（Composite right/left handed material）。
合成材料的电路模型如图3a所示，在满足平衡条件CL·LR=CR·LL时，可以等效为图3b所示的电路模型。
对上述模型展开分析，可以得到

 (6)

 (7)
满足时，传输常数β为0，电磁波在该频率上的波长趋近于无穷大。当w<w0时，β<0，，相位超前，该结构体现出“左手”的特征，而当w>w0时，β>0，，相位滞后，该结构体现出“右手”的特征。
若CRLHTL的单元长度，则该结构近似于理想的均匀左手材料，在此基础上可对上述单元进行多次级联，以满足实际的相位传播需要。研究和试验表明，通过增加级联的单元数（实质上是增大单元电路中对应L、C的元件值以保证传输线的电特性不受影响），可以向低端扩展左手材料的工作带宽，实现其宽带性能。此外，从（7）式可以看出，在满足平衡条件的前提下，左手材料的特性阻抗与频率无关，有利于在较宽的频带范围内实现良好匹配。
除了采用分布参数方式来合成左手材料以外，还可通过集总元件方式来进行合成，即采用非色散或是弱色散性质的电感、电容元件来搭建，与前一种合成方式相比，这些元件的应用有一定的频率范围限制，尤其是在高频时的特性很不理想，而分布参数构造的左手传输线则在高频时的性能较好，并且从目前左手传输线在国内外的研究应用情况来看，利用该结构可以进行1-D，2-D甚至3-D空间内电磁波的传播，因而从某种程度上来说更加类似于实现真正意义上的“左手材料”。
3左手材料的最新应用
a.新型双频段分支线耦合器
传统的右手分支线耦合器只能工作在设计频率f0和它的奇次倍频3f0，5f0，……上。由于在双频段通讯系统中，双频的选择是独立的，一般不是奇次部频的关系，所以传统的右手分支线耦合器不能满足这些系统的要求。由于左手传输线材料具有非线性相移特性，所以可以用左手和右手复合传输线来替代传统分支线耦合器中的右手传输线，以获得在第一个频段不变的情况下的任意第二个工作频段。
b.新型不对称后向波宽带定向耦合器
传统的分支线定向耦合器和环行耦合器在3dB耦合下带宽较窄，一般小于10%。传统的微带定向耦合器可以达到大于25%的工作带宽，但是其耦合强度很低，一般小于-10dB。Lange耦合器可以满足宽频带和高耦合度的要求，但是该结构需要复杂且昂贵的金属线捆绑。利用左手传输线的后向传播特性，可以获得一种新型不对称定向耦合器，其带宽大于50%，并且可以通过改变传输线材料中单元的个数或者耦合线的间隙来获得任意的耦合度。与传统右手不对称定向耦合器相比，其尺寸大为减小。
c.新型频扫漏波天线
由左手材料构成的漏波天线与传统的漏波天线相比具有以下两个独特的优点：①该漏波天线可以工作在主模。传统的波导漏波天线必须工作在高次模。传统右手结构的主模一般都是导模，而导模是一种慢波，它不能辐射，为了建立起高次模就必须引入复杂的馈电系统，最终会导致天线效率降低。②该漏波天线可以随着频率的改变从后向到前向在-90°至+90°的范围内连续扫描；而传统的右手漏波天线不能有后向辐射，因为它的β>0，同时也不能有侧向辐射，因为在β=0时群速Vg=0，至于周期结构的漏波天线，可以从后向至前向范围内扫描，但因为受到布拉克条件的限制同样不可能有侧向辐射。
利用左手材料的导波特性和辐射波特性，可以制成耦合器、移相器、谐振器等新型微波器件以及新型后向辐射天线、零阶谐振器天线、频扫漏波天线等，这类器件和天线各自具有一些不同于普通同类型器件的特殊电磁特性。此外，利用左手材料独特的负折射特性，可以研究它在微波成象、极化偏振器和极化天线中的可能应用。虽然目前国内外学者在这方面的工作刚刚开始，但二维异向材料的应用前景却是非常诱人的。
4总结
本文回顾了最近2年来左手材料在国内外的研究进展，对其中最具有应用前景的左手传输线技术的工作原理进行了详细的描述，并从该左手传输线结构出发，简单介绍了国内外学者的最新研究成果。

参考文献
[1]I.C.Caloz and T.itoh.Transmission Line Approach of left-handed Materials and Microstrip Implimentation of and artificial LH transmission line.IEEE Trans on Antennas and Propagation， Vo152，May2003，1159-1166.
[2]Anthony Lai，Christophe Caloz，and Tatsuo Itoh.Composite right/left-handed transmission line metamaterias.IEEE magazine September2004，35-50.