基于柱形超表面的新型天线的机理研究和实验验证

Electromagnetic metasurfaces have powerful capabilities of manipulating the electromagnetic waves, while possessing advantages such as low profiles, low losses, and low cost. They provide new methods and venues for creating novel high-performance antennas, thus becoming one of the major research directions in the electromagnetic community. However, there is still a lack of systematic investigation on conformal metasurfaces which can be seamlessly integrated with antenna structures, thereby hampering more widespread and profound applications of metasurfaces in antenna engineering. In this project, mechanism investigations, device design, and experimental demonstrations of antennas integrated with cylindrical metasurfaces will be carried out. In the theoretically aspect, modal field analysis will be utilized for studying several typical types of body of revolution antennas coated by cylindrical metasurfaces. Corresponding accurate and efficient semi-analytical modal-expansion method will be developed. Based on this, the mechanism of the impact of cylindrical metasurfaces on the antenna properties will be analyzed. Furthermore, new compact ultra-wideband/multi-polarization omni-directional antennas and directive antennas with a high aperture efficiency will be designed and demonstrated. The outcome of this project will offer the theoretical foundation, design methodology, and engineering guidance for the future development of the integration of antennas and conformal metasurfaces.

电磁超表面具有强大的电磁波调控能力，并同时拥有低剖面、低损耗、低成本等优势，为新型高性能天线的研制提供了全新的方法和途径，近年来已成为国际电磁界的重要研究领域之一。然而，在与天线可高度集成的共形超表面这一方向，仍缺少系统性的研究，进而限制了超表面在天线领域更加广泛和深入的应用。本项目将针对基于柱形超表面的新型天线进行机理研究、器件研制和实验验证。在理论上对具有复杂电磁特性的柱形超表面与多种回转体天线紧密耦合的整体结构进行模式场分析，研究并实现相应的准确高效的模式展开半解析算法；以此为基础，进一步从机理上研究柱形超表面对多种典型天线结构的输入阻抗和辐射特性进行调控的方法和规律，设计和优化基于柱形超表面的紧凑型超宽带/多极化全向天线和高口径效率定向天线，并进行实验验证。此项目旨在为共形超表面与天线一体化集成这一方向的发展奠定理论基础，并提供设计方法和工程指导。

电磁超表面具有拥有低剖面、低损耗、低成本等优势，其强大的电磁波调控能力为新型高性能天线的设计提供了新的方法和途径，已成为国际电磁界的重要研究领域之一。然而，在超表面与传统辐射结构高度集成的新型超表面天线这一方向，仍缺少系统性的理论研究，进而限制了超表面在天线领域更加广泛和深入的应用。本项目主要开展了加载超表面的集成天线的模式分析、调控机理和器件研制等方面的研究，提出了超表面加载天线的模式分析方法，解决了复杂超表面天线的高效分析问题，并在设计上对新型超表面天线的电磁特性实现了大幅拓展。主要研究内容包括：1）针对加载超表面的全向辐射天线和定向辐射天线，建立模式分析理论并开发了高效而精准的模式匹配算法；2）基于解析场表达式，阐明了超表面对天线辐射模式的调控机理，并提出将模式匹配算法和优化算法相耦合的超表面天线逆向设计方法；3）提出并成功研制了多款高性能超表面天线，实现了超表面与传统天线紧密集成时，对天线阻抗带宽及口径效率的大幅提升。在本项目资助下，项目负责人以第一作者/通信作者身份共计发表期刊和会议论文20篇，其中SCI期刊论文11篇（包括1篇Advanced Materials和9篇天线领域权威期刊IEEE Trans. AP）；申请发明专利8项，其中4项已授权；获2020年国际无线电联盟（URSI）青年科学家奖、2019年国际应用计算电磁学协会（ACES）青年科学家奖，指导学生获得多个国际会议最佳学生论文奖。