超材料微波感測器的理論及實驗研究

《超材料微波感測器的理論及實驗研究》是依託雲南大學，由黃銘擔任負責人的國家自然科學基金專項基金項目。

基本介紹

• 中文名：超材料微波感測器的理論及實驗研究
• 負責人：黃銘
• 依託單位：雲南大學
• 項目類型：專項基金項目

項目摘要

超材料(Metamaterials)是一種人工複合的新型介質，特性主要由其微觀結構而不是成分決定。超材料具有許多不同於傳統材料的奇異物理效應，如完美透鏡、電磁斗篷和消逝波放大效應等，將超材料與微波感測器結合，可利用超材料放大消逝波，提高微波感測器的靈敏度和解析度。課題將以超材料微波感測器為研究對象，利用模式展開理論和電路理論，結合時域有限差分法和COMSOL軟體進行仿真、最佳化設計和實驗研究，擬揭示超材料放大消逝波、提高微波感測器靈敏度和解析度的機理，同時進行套用探討。具體是：(1)研究超材料放大消逝波、提高感測器靈敏度和解析度的機理及規律，並探討消逝波與傳輸波的相互轉換，為新型感測器設計奠定理論基礎；(2)結合典型套用問題，研究超材料微波感測器的理論、仿真和信號處理方法，並在仿真和實驗的基礎上進行最佳化設計；(3)針對雲南省菸草和冶金行業的特殊檢測需求，解決1-2個問題，以期套用上取得突破。

結題摘要

超材料(Metamaterials)是一種材料等效物理參數可取正、零、負、無窮小或者無窮大的人工複合材料，它具有許多奇異的物理特性。例如，電磁超材料的等效介電常數和/或磁導率可取任意值，與電磁波相互作用時會發生負折射、負相速、完美成像、電磁斗篷和電磁聚焦等現象。與目前文獻主要關注負折射和電磁斗篷等奇異現象不同，本項目主要關注超材料的感測套用。項目研究了超材料放大消逝波，提高感測器靈敏度和解析度的機理，設計了感測器原型，並進行實驗驗證。主要結果如下：(1)證實了在普通介質表面覆蓋超材料層後產生的消逝波放大現象；發現將介質層閉合形成環形結構，表面波將沿著環傳播，並形成表面回音壁模，與普通環形介質諧振器產生的回音壁模不同，表面回音壁模式的場分布和能量分布主要集中在超材料層表面，能夠與被測物質強烈相互作用，因此提高了感測器的靈敏度；基於LC網路設計了傳輸線超材料，證實消逝波放大現象。(2)研究了褶皺金屬結構的色散關係，並與負介電常數材料進行了比較，證實了它們的等效性；通過調節平板褶皺金屬波導的褶皺深度，實現了傳輸波與消逝波的相互轉換；將褶皺金屬周期結構彎曲形成閉環，獲得了類表面回音壁模。(3)設計了互補型立體超材料粒子，由於該結構可以獨立於基底介質層製備，有效避免了介質襯底損耗的影響，提高了感測器的靈敏度。(4)由於在紅外和太赫茲頻段石墨烯的介電常數為負，能夠放大消逝場，因此研究了石墨烯的感測特性，發現了傳輸模式與分子振動指紋的關聯。(5)設計了基於褶皺金屬結構波導的感測器原型、基於石墨烯帶的感測器原型。製備了基於類表面回音壁模式的感測器原型，並進行了實驗和測試。此外，我們擴展了研究內容，在基於超材料的電磁波調控、天線設計等方面取得了進展。 超材料感測器解析度與其損耗有關，超材料損耗越小，感測器解析度越高。超材料損耗大，消逝波難以處理和放大已成為進一步提高超材料感測器性能的瓶頸。本項目證實：消逝波與傳輸波可以相互轉換，通過放大傳輸波補償超材料損耗，從而達到放大和處理消逝波的目的，具有重要科學意義；通過褶皺金屬結構在微波頻段實現類表面回音壁模感測，以及用石墨烯帶在太赫頻段獲取分子振動指紋具有重要的技術價值。