前言

“Metamaterials”（异向介质）指一类人工制作的复合结构或复合材料，它具有天然材料不具备的电磁特性。异向介质在 21世纪的头十年中得到了迅猛的发展，在材料科学、光学、应用电磁学等多个领域得到越来越广泛的关注。早期“Metamaterials”一词，主要是指周期性排列的金属条（Rods）和周期性排列的金属开口谐振环（Split Ring Resonators，SRRs）组成的结构。对这种结构，根据其电磁特性有多种称呼：①“左手介质”（Left-Hand ed Material，LHM），指材料中的电场强度E、磁场强度H、波矢量k三者间不满足通常的右手螺旋关系，而是满足左手螺旋关系；②“负折射率介质”（Negative Index of refraction Material，NIM），指等效的介质折射率为负数；③“双负介质”（Double Negative Material，DNM），指结构的等效介电常数和等效磁导率都为负数；④“后向波介质”（Backward Wave Materials，BWM）指材料中电磁波的相速与群速方向相反，等等。目前广义的“Metamaterials”涵盖的范围已经非常广泛，除左手介质外，还包括电磁带隙结构（Electro magnetic Band Gap，EBG）、光子晶体、人工合成高磁性材料和通过材料结构设计使其具有控制电磁波传播的特殊功能材料，等等。此外，一些早有研究及应用的电磁结构如高阻抗表面（HISs）、频率选择表面（FSSs）、双各向异性介质等也包括在内。一般可以分为以下几个大类：负折射率介质（包括左手介质）及人工磁介质和电介质，手征介质及双各向异性介质和准晶体，基于传输线结构的异向介质，人造表面，非线性及可调的异向介质等。按照“Metamaterials”的涵义，可将其译为“人工电磁材料”，但它过长，不太合适作为学术词汇，也不方便应用或组成复合词。近年来出现使用“超材料”或“超介质”作为“Metamaterials”新的中译文，意在强调拉丁文词头“me ta-”表达的“超出…”的含义。但使用“超材料”或“超介质”是否会在物理上引起误解或混淆（如含超子的材料，或某种“新”的特殊物质）？况且，词头“meta-”也不一定要翻译为“超出…”的意思（如“metaphysic”译为形而上学）。

美国麻省理工学院孔金瓯教授（Prof．Kong Jin Au）曾建议使用“异向介质”作为“Metamaterials”的中译文，以突出电磁波在这种材料中传播时所表现出的异常效应。这个建议在国内不少文献中已有应用，因此本书也沿用“异向介质”作为“Metamaterials”的中文名称表达（尽管也许将“异向介质”中的“向”字改为同音的“象”字更能达意）。

本书以中国科学院电子学研究所电磁场理论及应用研究室对异向介质的研究工作为基础，介绍微波异向介质的平面电路实现方法及其在微波电路及电磁隐身应用方面的有关内容。中国科学院电子学研究所主要从事电子与信息科学领域的高技术应用研究。1978年电子学研究所和中国科学院的所有研究所一样，迎来了科学的春天。1981年在时任电子所所长吕保维院士的提议下，成立了电磁场理论及应用研究室，吕保维院士亲任室主任，在这里开辟了一块应用基础研究的“小小绿洲”。绿洲历经风雨，虽没有“参天大树”的可喜成绩，却也培养了不少科技人才。“异向介质”研究只是绿州上的一颗“小芽”。2002年以来，参加研究项目的仅有一位在职研究员，其他全是当时在读的研究生：隋强、李超、刘潇三位博士，姚侃、刘开宇、刘慈香、荣志杰硕士。其中李超博士几乎参加了书中涉及的所有理论研究和微波电路的研制。这群年轻的学子对科学孜孜不倦的追求，“不扬鞭，自奋蹄”的热情，给研究带来无尽的活力和愉快的工作享受。本书内容的完成是和他们共同劳动的成果。

“异向介质”至今仍是电磁场理论、物理学、材料科学、微波技术等学科交叉的热门课题。异向介质的微波器件、电磁隐身的应用也是目前许多研究人员关心的内容。近年已有多部“Metamaterials”的专著出版。本书不打算对“Metamaterials”作全面、系统的介绍，而仅以自身工作为线索，介绍微波异向介质的平面电路实现及应用。由于书中内容大多涉及我们自身开展的研究，因此对其中理论问题的介绍能给出思路及方法的细节，对微波器件研制能给出其设计过程、具体结果、技术指标及实物照片等，以方便读者在工程应用或开展进一步研究时参考。

也许本书可作为阅读“Metamaterials”专著的一个补充，希望它能对“异向介质”的深入研究及应用起到“抛砖引玉”的作用。书中介绍的未完成的工作及对一些问题的思考，希望能与有兴趣的读者讨论和交流，并诚恳地欢迎读者对书中的错误批评指正。书中引用了一些相关著作和图片，在此对其作者表示诚挚的谢意。书中的研究工作得到国家自然科学基金项目的支持（项目号：60501018，60990320［60990323］）；另外，《北京市优秀博士学位论文指导教师科研资助项目》也为本书的出版增加了动力，在此表示感谢。

作者
中科院电子所 246室
2010－11－5