基于超表面的阻抗边界条件及其在导波系统中的应用研究

Dealing with the application requirements for novel high-perpromance microwave devices in fields of telecommunication，we propose the academic idea of realizing impedance boundary condition by metasurfaces. The microwave in the waveguieds will be smartly controlled by the impedance boundary condition based on metasurfaces. The impedance boundary condition based on metasurfaces can be used to solve the problems in cost, weight, loss and usability, and it can also be used to realize novel transmision lines, polarization converters, filters… What’s more, we will use active devices to realize tunable impedance boundary conditions (TIBC). In this program, the theory, design method and measurement method will be studied, and this program will give the theory support and a new way to design novel microwave devices. The researchs about the impedance boundary condition by metasurfaces possess great academic and engineering value.

针对目前无线通信应用对高性能微波器件的迫切需求，本申请提出了一种基于超表面实现阻抗边界条件的思想，并将其应用在导波系统中。人工电磁超表面是由超材料结构单元二维阵列构成的平面，是近年来人工电磁超材料研究的最新发展方向和研究热点之一。通过超表面阻抗边界条件可实现对导波系统中电磁波传输特性的灵活调控，在军事、航天、通信领域具有潜在的应用价值。本项目针对阻抗边界条件在导波系统应用时遇到的重量、成本、损耗、适用性以及器件设计方面的技术瓶颈，研究超表面阻抗边界条件实现新型传输线、极化变换、微波器件等的基本理论和设计方法，并将可调控的思想引入阻抗边界条件，提出可调控阻抗边界条件的概念，并展开对可调控阻抗边界条件的深入研究。本项目将为发展新型高性能微波器件提供坚实的理论依据与崭新的技术途径。

本项目对微波超表面及其在导波系统中的应用展开研究，主要进展为研究了多频及宽带相位梯度超表面表面波耦合的机理并进行了实验验证；研究了相位梯度超表面在导波系统中的工作机理，设计了矩形波导与表面等离激元波导转换装置、矩形波导与表面等离激元波导功分器以及矩形波导馈电的表面等离激元辐射天线；研究了可调控超表面及其在导波系统中的应用，基于液晶材料设计了可调控超表面，并将其用于实现方向性可重构波导缝隙天线。此外，还对极化可重构和轨道角动量可重构超表面进行了研究。.本项目研究验证了超表面在导波系统中应用的可行性，其可实现矩形波导与表面等离激元波导转换器件、矩形波导与表面等离激元波导功分器、矩形波导馈电的表面等离激元天线以及基于液晶超表面的方向图可重构波导缝隙阵列天线。.以上研究可用于雷达天线、导波系统转换、卫星通信天线等已能够用场景。