基于深耦合机制的各向同性全介质超材料的设计和增材制造

Because of their advantages such as low loss, erosion- and high-temperature resistances, all-dielectric metamaterials are of great application values in novel radar radomes, high-power microwave devices, etc. Dealing with the incompatibility of design freedom and isotropy of electromagnetic parameters, we propose the idea to design all-dielectric metamaterials based on deep-couplings between dielectric resonator unit cells. Using the mode hybridization effect brought about by deep-couplings between unit cells, the design freedom of electromagnetic parameters can be enhanced; meanwhile, the isotropy of all-dielectric metamaterials is kept by means of compact unit cell design and array optimization. Preparation techniques based on additive manufacturing technology, will be investigated to fabricate the designed all-dielectric metamaterials. This project is promising in illustrating the physical mechanism of all-dielectric metamaterials based on deep-couplings between unit cells and in presenting the influences of factors such as unit cell size, geometry, material parameters on the effective electromagnetic parameters, isotropic property, loss and bandwidth. To this end, the design theory and preparation techniques will be finally established for deep-coupling all-dielectric metamaterials, which provides theoretical supports and technical routes for novel all-dielectric metamaterials.

由于具有低损耗、高功率容量、耐腐蚀、耐高温等优点，全介质超材料在新型雷达罩、高功率微波器件中具有重要的应用价值。针对当前全介质超材料设计与制备中无法兼顾电磁参数需求和各向同性需求的问题，本申请提出了基于介质谐振器深耦合机制的全介质超材料设计思想，研究利用介质谐振器形状设计、紧凑结构单元设计、排布方式优化等耦合手段产生的模式杂化效应提升全介质超材料电磁参数的设计自由度，在满足超材料电磁参数调控设计要求的同时兼顾其各向同性。基于增材制造技术，研究开发具有复杂空间结构的全介质超材料的制备工艺，设计并制备出基于深耦合机制的各向同性微波段全介质超材料。项目可望阐明基于谐振器深耦合的全介质超材料的物理机制，揭示材料参数、外形尺寸、耦合方式等对超材料电磁参数的影响规律，从而最终建立深耦合全介质超材料的设计理论和制备路线，为发展新型全介质超材料提供理论支撑和技术途径。

项目按计划进行，围绕全介质超材料研究这一主题，完成了以下研究内容：①阐明了通过介质谐振器谐振耦合，调控全介质超材料电磁参数了方法和原理；②设计了一系列使用高介电常数微波陶瓷或低介电常数介质的，兼具不同性能的频率选择表面；③对运用介质谐振器构建相位梯度超表面、极化旋转超表面等进行了拓展性研究；④探索了介质材料及复合材料的增材制造技术，设计并制备了用增材制造技术实现的全介质超材料表面； ⑤开展了微纳尺度介质材料及结构的电磁特性研究，进行了太赫兹、红外全介质超材料研究。在项目资助下，发表学术论文39篇，获得专利授权3项。.项目研究基本实现了预期目标，创新点包括：①学术思想的创新：提出了用将介质谐振器谐振耦合作为全介质超材料电磁性能调控补充手段的理论。②理论研究的创新：提出并验证了基于高介电常数陶瓷材料的全介质超材料频率选择表面的设计方法，阐明了利用全介质超材料实现带阻/带通频率选择表面的设计机理；提出了基于陶瓷材料的微波频段全介质极化旋转超表面、相位梯度超表面设计方法。③工艺路线的创新：综合利用多种手段，开展了不同尺度介质材料及结构的成型研究。.