基于电磁幅相调制人工结构材料的波束动态操控机理及实验研究

As a key device in the modern communication system, the radiation device plays the great role in the military and civil fields. The beam is often utilized to evaluate the radiation performance in the far field. In the different application fields, the requirement of the beam performance is also different. It is found that metamaterial has the strong ability in controlling the radiation beam. Most of the research only utilized the phase modulation fucntion of the metamaterial,but ignored its amplitude modulation property. In order to solve this problem, we propose a new method of utilizing metamaterial that can control the amplitude and phase of electromagetic wave to dynamically manipulate the radiation beam. In this project, we mainly investigate the physical mechanism of metamateiral for adjusting the amplitude of eletromagnetic wave, establish the physical model of amplitude modulation based on the metamaterial, and then acquire the close relation between the radiation beam and the geometrical structure of the metamateiral. On this condition, the integrated design of the metamateial would be invesitgated to achieve the phase and amplitude modulation simultaneously, and the corresponding dynamic modulation technique need to be develpoed as well. Finally,some novel radiaton devices with dynamical beam control would be designed and their perfomances are verified by experiment. The proposed project would firmly lay the theoretical and experimental foundation for the application of the metamaterial in the electromagnetic radiation field.

电磁辐射器件作为现代通信系统的核心器件，在军事及民用领域发挥着至关重要的作用。波束作为表征器件远场辐射特性的主要手段，在不同的应用领域，对其形状的要求也不尽相同。现有研究发现：超材料能被用于操控电磁波束，但当前大多数研究都只利用了超材料对电磁波位相的调制功能，而忽视了其对电磁波振幅的调制特性，从而使得现有的超材料对波束的操控能力未能得到充分的发挥。针对该问题，项目组提出设计集成振幅和位相调制特性的新型超材料实现对波束动态操控的新思路。本项目将主要研究超材料对电磁波振幅的调制机理，建立基于超材料的电磁波幅度调制物理模型，得到不同电磁波束形状与超材料几何结构和排布形式之间的映射关系。在此基础上，发展基于超材料位相和振幅调制单元的动态操控技术，设计出新型的波束动态调控器件，并开展实验验证。本项目的研究成果将为新型超材料电磁辐射器件的应用奠定坚实的理论和实验基础。

超构材料，作为一种由亚波长结构单元构造出来的人造电磁材料，对电磁波具有较强的操控能力，已引起各国研究人员的广泛关注。在电磁辐射领域，利用超构材料对电磁波幅度和位相独特的调制能力，电磁波的传播方向、波束副瓣、极化和散射特性等有望得到调制，从而能发展出满足不同应用需求的新颖电磁功能器件。在国家自然基金的支持下，课题组开展了基于超构材料实现电磁波束调控的新原理和新方法研究，研制出一系列具有不同功能的电磁波束器件，具体工作如下：. 1、提出了基于超构材料实现电磁波束扫描的新方法，设计出了能实现360°位相调制的有源超构材料，将其与天线馈源一体化集成，最终构造出低成本的相控阵天线，实现了±60°电控波束扫描。在此基础上，进一步引入极化调控功能，实现了双极化宽角波束扫描和圆极化宽角波束扫描效果。. 2、提出了基于超构材料实现电磁波束幅度控制的新方法，通过合理设计出满足一定幅度分布的超构材料各区域单元结构，并将其作为天线罩加载于馈源上方，可有效降低辐射波束的副瓣电平。此外，超构材料还可用于减小雷达照射波幅度，实现天线的后向散射缩减。基于这一原理，课题组设计出一款低RCS天线，能同时实现带内带外的宽带散射缩减。 . 3、提出了基于电磁幅相调制结构的新材料及其器件的设计方法。例如首次将位相调制型散射缩减材料与幅度调制型吸波结构材料集成设计，构造出了跨波段宽带RCS缩减材料。利用幅度和位相调制结构分别实现了宽带RCS缩减和频率的动态调控，构造出了同时具有频率重构特性和宽带低RCS特性的新型天线。. 除了上述工作以外，课题组利用超构材料还发展了其它电磁功能器件，如设计出了集成RCS调控、波束扫描、极化转化等功能于一体的多功能可重构电磁材料，首次实现了具有动态幻象功能的地毯隐身衣等。通过四年的研究，课题组已掌握基于幅度和位相调制材料的新型电磁波束动态调控技术，研制出一系列新颖电磁波束调控器件，显著拓展和提升了传统辐射器件的功能和性能，为新型电磁辐射器件的应用奠定了坚实的技术基础。在项目研究过程中，课题组发表SCI收录论文19篇，培养博士研究生3名，硕士研究生1名，荣获四川省技术发明特等奖。