三维新型人工电磁媒质功能器件

从上世纪90年代至今，新型人工电磁媒质在这十几年时间里已经取得了长足的发展。从最初仅局限于负折射的左手媒质发展到如今可以对波进行调控的新型人工电磁媒质（metamaterials），不管从理论还是实验上都已取得了显著的成绩。负折射理论提出到负折射实验验证、光学变换理论提出到自由空间"隐身大衣"实验实现和基于准保角变换"隐身地毯"的理论提出到"隐身地毯"实验验证，这些构成了新型人工电磁媒质发展的几个重要环节。然而，以上新型人工电磁媒质功能器件实验验证工作只仅局限于二维情况，对于三维功能器件研究尚鲜有报道，直到去年才有几个完整三维功能器件的实验报道（其中有两个是本项目申请人完成的）。要想将新型人工电磁媒质这种新材料最终推向实际应用，服务于社会，对其三维情况下物理特性和实验验证是不可或缺的环节。因此，本项目对三维新型人工电磁媒质功能器件研究具有较高科研价值。

新型人工电磁媒质（Metamaterial，或称超材料）是将特定几何形状的亚波长宏观单元周期或非周期地排列所组成的人工结构，人们可以通过设计宏观单元来控制等效媒质的属性，进而调控电磁波的传播，是近年来国际物理及信息领域的研究热点，三次被《Science》评为十大科学突破。然而，新型人工电磁媒质领域大多数研究局限于理论分析、数值仿真和少数实验验证，而且大部分研究局限于二维平面情况，缺乏具有突出应用价值的三维新型器件。围绕上述难题，本项目围绕三维新型人工媒质对电磁波的调控理论、结构设计、实验验证及实际应用进行研究。主要研究内容包括：.1..提出实现三维渐变折射率媒质的新方法，具有宽带、低损耗等优点。利用渐变折射率新型人工电磁媒质实现了龙伯透镜和半球鱼眼透镜，实现天线的高定向辐射，与传统构建龙伯和鱼眼透镜的方法相比，具有设计简单、造价便宜等优点；设计出大口径三维平板透镜，可将准球面波快速转换成平面波，实现高定向辐射；将三维渐变折射率媒质与射线追踪方法相结合，设计并制作出口面电磁幅度和相位同时可控的透镜天线，进而可对天线远场方向图进行调制。.2..基于各向异性零折射率媒质和电磁超表面的隐身研究。研究并设计出磁导率为0的各向异性零折射率材料，其仿真和实验结果表明放置在该各向异性零折射率材料中且边界为金属的目标可以被隐身。此外，本项目还研究了另一款根据有实用价值的隐身技术，利用电磁超表面控制反射电磁波的辐射，调制反射波随机辐射到空间不同方向，降低雷达散射截面，进而实现隐身功能，具有体积小、频带宽和便于集成等优点。.3..各向异性新型人工电磁媒质对正交极化波的独立调控。设计出各向异性渐变折射率平板透镜对透射电磁波的两种正交极化波进行分别独立调控，利用各向异性电磁超表面对反射电磁波的两种正交极化波进行分别独立调控，可以实现极化分离、反常反射和极化转换等功能，可以在天线设计、成像、通信等系统中得到应用。.4..人工表面等离激元研究。提出一种柔性超薄锯齿状人工表面等离激元可以实现超长距离传输，具有结构紧凑、传输损耗小、超宽带宽等优点。并设计出一款微带匹配电路，可实现50Ω共面波导与超薄锯齿状人工表面等离激元之间的高效转换，转换效率接近100%。在此基础上，本项目还设计了相关的人工表面等离激元器件，为人工等离激元与传统电路相结合奠定了基础。