摘要：在自然界中，大多数介质是各向同性的，只有少数介质是各向异性的。介质的本构关系形式固定，无法覆盖所有的电磁参数范围。这种不可调性和单一性极大地限制了人类对电磁波自由操控的能力。此外，对于某些具有奇异功能的新型电磁器件（如电磁波隐身装置、超透镜等），它们所需的电磁

在自然界中，大多数介质是各向同性的，只有少数介质是各向异性的。介质的本构关系形式固定，无法覆盖所有的电磁参数范围。这种不可调性和单一性极大地限制了人类对电磁波自由操控的能力。此外，对于某些具有奇异功能的新型电磁器件（如电磁波隐身装置、超透镜等），它们所需的电磁参数无法通过自然界中的常规介质来满足。正是基于这一背景，异向介质（metamaterial，或称人工电磁材料）的研究应运而生。

异向介质是一种由亚波长单元结构有序或无序排列形成的复合材料，其单元结构等效于自然界中常规介质的原子或分子。异向介质的电磁本构关系可以视为大量单元结构对外加电磁场的宏观响应。通过设计其单元结构和排列方式，可以实现常规介质所不具备的特殊电磁特性。由于异向介质具有“超常”的电磁特性，能够突破常规介质的电磁性能极限，因此可以用于制造具有某些特异功能或优于同类器件性能的新型电磁器件，展现出广阔的应用前景。基于异向介质的多项颠覆性创新研究曾多次入选《科学》杂志评选的年度十大科技突破及关键科学问题。

电磁波与物体的相互作用及以此为基础的电磁隐身

在短短20 多年间，异向介质在军事和民用领域中的应用日益广泛，其适用频段也不断扩展，从最初的微波频段逐渐延伸到射频、毫米波、远红外甚至可见光波频段，跨越了7 个数量级。随着研究的深入，人们对异向介质的理解也日益全面。从起初对其及相关现象的怀疑，到如今各种具有独特性能的异向介质的涌现，这归功于研究人员在理论和实验方面的不懈努力。目前，异向介质仍然处于国内外科学研究的前沿，由此诞生的原理与应用创新也广泛应用于其他领域。近年来，异向介质与量子光学、人工智能、集成电路等前沿技术相融合，继续保持着迅猛的发展势头，有望为生产生活方式的革新提供重要的技术驱动力。

常见的双曲型异向介质

作为异向介质的一个重要分支，双曲型异向介质因其在近场电磁波调控方面的独特特性，成为该领域研究的重点。双曲型异向介质的核心特性在于其高度各向异性。由于具有双曲色散，这种介质在理论上可以支持无限大波矢的电磁波传播，因此展现出突破衍射极限的潜力。这使其在高分辨率成像、纳米级光刻和自发辐射增强等领域具有广泛的应用前景。此外，基于双曲异向介质的传感器在生物医学和环境检测等领域也具有显著的应用价值

《异向介质电磁理论及应用》（陈红胜, 沈炼, 王作佳著. 北京 : 龙门书局，2024. 12）是浙江大学信息与电子工程学院陈红胜教授团队在总结近年来关于异向介质电磁理论及其应用研究成果的基础上编写完成的。全书从麦克斯韦方程组出发，探讨异向介质的电磁特性及其应用，涉及电磁散射、隐身、辐射等前沿领域，同时涵盖基本电磁理论和电磁波传播特性等内容。

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本书重点突出异向介质的“电磁”特性，提供了充足的电磁理论知识，旨在帮助读者为未来研究高级课题做好知识储备。各章节内容和相关知识点，以及穿插的案例，均经过作者精心挑选，确保读者能够从浅入深、由片面到全面地理解异向介质的电磁特性及其在前沿科技中的应用。目前，国内外已出版的关于异向介质（超材料）的书籍虽有不少，但侧重于电磁理论的研究书籍相对较少，多数书籍偏向科普性质。尤其是从麦克斯韦方程组出发，探究基于异向介质的散射、隐身、辐射等前沿领域的书籍更为罕见。

本书共6 章。

第1 章概述了异向介质的电磁理论基础，简要介绍了异向介质的麦克斯韦理论及其发展历程，讨论了异向介质的本构关系、边界条件和电磁特性。

第2 章探讨了异向介质中的电磁波，以kDB 坐标系为基础，介绍了电磁波在不同类型异向介质中的传播、反射和透射特性。

第3 章讨论了异向介质的电磁散射，研究了异向介质柱体和球体的散射问题，并在此基础上探讨了不同类型异向介质的超散射现象。

第4 章简要介绍了异向介质的电磁隐身，包括电磁隐身的基本概念、坐标变换理论模型及其在电磁隐身中的应用，并进一步提出了电磁隐身的散射模型。

第5 章涉及异向介质的电磁辐射，系统地推导了偶极子天线辐射、切连科夫辐射和渡越辐射的理论，并研究了不同类型异向介质中的电磁辐射现象。

第6 章讨论了异向介质的电磁表征和应用，从等效电路理论、等效介质理论、转移矩阵理论和对称性分析理论等多个角度展开，并介绍了各种不同类型的异向介质及其应用。

本书内容涉及的研究工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等多个项目的支持，并获得了国内外异向介质研究领域专家和同行的长期关注与帮助。作者借此机会特别感谢清华大学周济院士和东南大学崔铁军院士的鼎力支持。

本书所涉及的是相关领域前沿科学研究的最新进展，从麦克斯韦电磁理论出发，并附有大量设计案例，循序渐进地帮助读者理解异向介质的重要性。本书可供从事异向介质器件设计与开发的科研人员和工程技术人员参考，也可作为高等院校电磁场与微波技术、电路与系统、物理电子学、微电子学与固体电子学等相关专业高年级本科生、研究生及教师的参考书。

本文摘编自《异向介质电磁理论及应用》（陈红胜, 沈炼, 王作佳著. 北京 : 龙门书局，2024. 12）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

(超材料前沿交叉科学丛书)

ISBN 978-7-5088-6463-1

责任编辑: 陈艳峰 郭学雯

本书以麦克斯韦电磁理论为基础，深入探讨了异向介质的“超常”电磁特性，展示了其在超越自然材料电磁性能极限方面的潜力，聚焦其在电磁场与电磁波的实际应用。全书共6 章，涵盖了异向介质的电磁理论基础、异向介质中的电磁波、异向介质的电磁散射、异向介质的电磁隐身、异向介质的电磁辐射，以及异向介质的电磁表征和应用。

来源：科学出版社