三維新型人工電磁媒質功能器件

《三維新型人工電磁媒質功能器件》是依託東南大學，由馬慧鋒擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：三維新型人工電磁媒質功能器件
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：馬慧鋒
• 依託單位：東南大學

中文摘要

從上世紀90年代至今，新型人工電磁媒質在這十幾年時間裡已經取得了長足的發展。從最初僅局限於負折射的左手媒質發展到如今可以對波進行調控的新型人工電磁媒質（metamaterials），不管從理論還是實驗上都已取得了顯著的成績。負折射理論提出到負折射實驗驗證、光學變換理論提出到自由空間隱身大衣實驗實現和基於準保角變換隱身地毯的理論提出到隱身地毯實驗驗證，這些構成了新型人工電磁媒質發展的幾個重要環節。然而，以上新型人工電磁媒質功能器件實驗驗證工作只僅局限於二維情況，對於三維功能器件研究尚鮮有報導，直到去年才有幾個完整三維功能器件的實驗報導（其中有兩個是本項目申請人完成的）。要想將新型人工電磁媒質這種新材料最終推向實際套用，服務於社會，對其三維情況下物理特性和實驗驗證是不可或缺的環節。因此，本項目對三維新型人工電磁媒質功能器件研究具有較高科研價值。

結題摘要

新型人工電磁媒質（Metamaterial，或稱超材料）是將特定幾何形狀的亞波長巨觀單元周期或非周期地排列所組成的人工結構，人們可以通過設計巨觀單元來控制等效媒質的屬性，進而調控電磁波的傳播，是近年來國際物理及信息領域的研究熱點，三次被《Science》評為十大科學突破。然而，新型人工電磁媒質領域大多數研究局限於理論分析、數值仿真和少數實驗驗證，而且大部分研究局限於二維平面情況，缺乏具有突出套用價值的三維新型器件。圍繞上述難題，本項目圍繞三維新型人工媒質對電磁波的調控理論、結構設計、實驗驗證及實際套用進行研究。主要研究內容包括： 1. 提出實現三維漸變折射率媒質的新方法，具有寬頻、低損耗等優點。利用漸變折射率新型人工電磁媒質實現了龍伯透鏡和半球魚眼透鏡，實現天線的高定向輻射，與傳統構建龍伯和魚眼透鏡的方法相比，具有設計簡單、造價便宜等優點；設計出大口徑三維平板透鏡，可將準球面波快速轉換成平面波，實現高定向輻射；將三維漸變折射率媒質與射線追蹤方法相結合，設計並製作出口面電磁幅度和相位同時可控的透鏡天線，進而可對天線遠場方向圖進行調製。 2. 基於各向異性零折射率媒質和電磁超表面的隱身研究。研究並設計出磁導率為0的各向異性零折射率材料，其仿真和實驗結果表明放置在該各向異性零折射率材料中且邊界為金屬的目標可以被隱身。此外，本項目還研究了另一款根據有實用價值的隱身技術，利用電磁超表面控制反射電磁波的輻射，調製反射波隨機輻射到空間不同方向，降低雷達散射截面，進而實現隱身功能，具有體積小、頻頻寬和便於集成等優點。 3. 各向異性新型人工電磁媒質對正交極化波的獨立調控。設計出各向異性漸變折射率平板透鏡對透射電磁波的兩種正交極化波進行分別獨立調控，利用各向異性電磁超表面對反射電磁波的兩種正交極化波進行分別獨立調控，可以實現極化分離、反常反射和極化轉換等功能，可以在天線設計、成像、通信等系統中得到套用。 4. 人工表面等離激元研究。提出一種柔性超薄鋸齒狀人工表面等離激元可以實現超長距離傳輸，具有結構緊湊、傳輸損耗小、超寬頻寬等優點。並設計出一款微帶匹配電路，可實現50Ω共面波導與超薄鋸齒狀人工表面等離激元之間的高效轉換，轉換效率接近100%。在此基礎上，本項目還設計了相關的人工表面等離激元器件，為人工等離激元與傳統電路相結合奠定了基礎。