基于人工表面等离激元的微波器件与系统

Spoof surface plasmon polaritons (SSPPs) in microwave frequencies can be guided on structured metallic surfaces (e.g. corrugations, drilling holes, or metal blocks). Due to their physical features of subwavelength effects, field confinements, and field enhancements, SSPPs have important application potentials in the miniaturization of devices and reduction of mutual coupling for signals. However, the traditional SSPP topics have the following bottlenecks: lack of theoretical circuit models; complicated structures and difficult for integration; more attentions on physical phenomena and fewer on device performance; lack of SSPP systems, etc. To solve the above bottleneck problems, this project aims to study SSPPs systematically from the basic physical features to wireless communication system, based on an ultrathin and conformal structure proposed by this group. For details, we will propose a theoretical circuit model for microwave SSPP transmission line, from which high-performance passive and active SSPP devices, including reconfigurable SSPP devices, will be developed and fabricated. We will also explore the approaches and design methods to solve the signal-integrity problems based on SSPPs. Finally, the first full-SSPP wireless communication system will be built up to realize high-quality and low-coupling signal communications. Through the investigation of the project, the leading position of the microwave SSPPs in China over the world wide will be firmly founded, all the engineering applications of microwave SSPPs will be greatly enhanced.

微波段人工表面等离激元可在结构化的金属表面（例如开槽、打孔、凸结构等）传输，具有亚波长效应与场局域及场增强现象，在微波器件小型化、减少信号互扰等方面具有重要的应用前景。但传统的人工表面等离激元领域存在如下瓶颈问题：缺乏电路理论模型；结构复杂、不易集成；重物理现象而轻器件性能；缺乏系统级工作等。为解决上述瓶颈问题，本项目基于项目组之前提出的超薄、可共形结构，从基本物理特性到无线通信系统对微波人工表面等离激元进行系统化研究。具体地，将建立人工表面等离激元传输线的电路理论模型，据此系统地研制基于人工表面等离激元的高性能无源器件和有源器件（包括可重构功能器件），探索利用人工表面等离激元解决信号完整性问题的途径与方法，进而研制出首个高保真、低耦合的人工表面等离激元无线通信系统原型。通过本项目的研究，可奠定我国微波人工表面等离激元领域在国际上的领先地位，推动微波人工表面等离激元在工程实际的应用。

信息时代的高速发展对微波电路与系统提出了越来越高的性能要求，传统微波毫米波电路与系统的发展面临着传输损耗高、信道耦合严重、功能单一、系统成本和复杂度高等诸多难题。针对上述问题，本项目围绕“基于人工表面等离激元的微波器件与系统”主题，立足物理底层创新，构建具有亚波长尺度电磁场操控能力的新型人工表面等离激元传输线，从理论研究、性能发掘、构型设计、无源、有源器件设计与系统集成等各方面开展了系统性研究，取得了一系列突破性原创研究成果，主要包括：建立了人工表面等离激元的色散分析方法、色散曲线测量方法、损耗分析方法、阻抗计算方法，完善了人工表面等离激元器件微波设计与综合的理论体系；研制了包括基于人工表面等离激元的滤波器、功分器、耦合器、谐振器、磁介电材料测试传感器、吸波及光热转换装置、平面天线等在内的一系列高性能微波无源器件，研制了包括基于人工表面等离激元的放大器、谐波发生器、调制器、混频器等在内的一系列高性能微波有源器件；构建了首个全人工表面等离激元的无线通信系统实验原理样机，实现了亚波长间距信号的高质量无线传输。..受本项目资助，项目组在一系列国际重要期刊、国内领军期刊发表高水平论文138篇，授权/申请国家发明专利31/3项，授权实用新型专利5项，并荣获国家自然科学二等奖，培养了39名博士、硕士人才，在国内国外形成显著影响，奠定了我国在人工表面等离激元研究领域“全局并跑、局部领跑”的国际地位。本项目中取得的人工表面等离激元的理论、器件、系统层面的一系列成果，不仅充分发掘了人工表面等离激元的底层物理特性优势，展现了其在解决现有系统瓶颈问题的巨大应用潜力，相关研究成果有望在未来 5-10年内广泛应用于B5G/6G新型通信、高速高集成度电路系统、先进微波片上系统等场景中，为我国国防技术和产业发展提供技术创新原动力。