宽带异向介质研究及其在小型化天线和微波器件中的应用

异向介质是近年来国际上提出的一种新型人工电磁材料（Metamaterials），随之带来一系列新概念和宽广的应用前景。本项目主攻"宽带异向介质研究及其在小型化天线和微波器件中的应用"。严格来说，现阶段所研究的人工异向介质还不能称为真正的材料，而是一种周期或非周期的结构。由于结构的灵活多变性、非线性和各向异性性质，给人工异向介质的实际应用带来新的问题。因此，急需在异向介质的物理结构参数、等效电磁特性以及天线微波器件的性能指标之间搭建一座联系的桥梁，本课题将其提炼为等效媒质模型理论，这是异向介质突破发展和应用的关键。在此理论的指导下，针对无线通信系统宽带小型化的趋势，提出低损耗宽带/多带异向介质的研究和实现方案，深入探索基于分形几何的Metamaterial设计理论。研究将宽带异向介质应用到实际通信天线和微波器件的集成条件、小型化因子和性能改善，旨在研发出高性能小型化的微波器件和天线。

人工异向介质，亦称为电磁超材料（Metamaterials）,它的出现为人们设计可控的介电常数和磁导率材料提供了广阔的空间，为调控电磁波的传输提供了新的方法和手段。本项目通过三年的研究，已顺利完成相关研究内容，全面达到预定的研究目标，取得下面的研究成果：. （1）从理论上深入研究了异向介质的实现机理和等效媒质模型，在异向介质的物理结构参数与等效的媒质参数之间搭建了一座联系的桥梁；提出局域谐振微腔模型理论，并研究了电磁波在单轴各向异性异向介质中的电磁特性，为异向介质的应用研究奠定了理论基础。. （2）深入研究了小型化低损耗、宽频/多带Metamaterial结构的理论与设计，提出基于分形几何的Metamaterial设计和多种宽带、多带电磁超材料的有效实现方案，建立了快速仿真与设计的CAD软件平台。在波调控方面，基于光学变换，提出二维任意形状的隐身反斗篷，在保证目标隐身的同时可实现信息的单向传递。. （3）重点研究了Metamaterial在天线和微波器件中的创新应用，设计了高性能小型化的超材料天线和滤波器，零阶谐振天线，新型频率选择反射天线阵，超宽带陷波天线，已成功应用于新一代LTE无线通信终端和微基站系统。. （4）建立电磁超材料覆层高增益天线的理论分析模型和优化设计方法，研发出具有宽带低剖面的高方向性超材料覆层天线，这为相控阵天线的发展带来新的前景。. （5）创新性地设计了一种新型的超薄超材料吸波结构TAR，具有多带、极化不敏感、宽入射角稳定的优良吸波特性，可应用于新型雷达目标的RCS减缩。该成果受到国内外学者的积极评价和引用。. （6）抓住两个新兴领域的切入点，即结合电磁超材料的异向特性和磁谐振耦合理论，研究超材料结构在实现中距离无线能量传输的新原理、新技术和新方法，为建立基于新型人工电磁媒质的高效无线能量传输系统奠定了理论基础，在物联网领域中具有重要的应用前景。. 本项目的研究成果共发表学术论文45篇，其中国际权威期刊26篇，重要国际会议论文11篇，国内学术会议论文8篇。SCI检索24篇，EI检索29篇，授权发明专利1项，实用新型专利3项，申请发明专利4项。培养博士研究生2名，硕士研究生9名。本项目的研究为新一代无线通信和卫星通信系统等重要应用领域提供新材料设计理论与技术支撑。