平面型超材料机器在高性能微波器件中的应用基础研究

超材料在众多领域具有良好的应用前景，也是当今微波领域和材料领域交叉.的一个研究热点。本项目将以平面型超材料为研究对象，从理论上建立有限长度负折射率.传输线模型与高阶低波纹系数契比雪夫滤波电路之间的关系，探讨二维超材料电路模型与.交叉耦合的经典滤波电路之间的关系，从而可以利用经典滤波电路理论指导超材料的设计，.改善平面型超材料的性能。本项目使用新的研究思想，利用经典滤波电路理论的指导，为.超材料提供一种崭新的设计方法。在此基础上，利用超材料的特殊性能，研究构造新型的.高性能微波器件的方法。另外一方面，拓宽超材料在传统微波器件中的使用，通过对超材.料的应用基础研究，提高现有微波器件的性能。在理论上，统一超材料电路模型和滤波电.路模型；在应用基础中，使用超材料提高微波器件的性能。本项目将从新的角度研究新兴.的平面型超材料，为超材料技术的发展和在微波领域的应用奠定坚实的基础。

《平面型超材料及其在高性能微波器件中的应用基础研究》项目对平面型超材料特性和机理及其在微波器件中的应用进行了研究，主要针对一维超材料和二维超材料这两个方面展开了理论分析和应用研究，取得了一系列有特色的创新性成果。在一维超材料方面，建立起一维超材料电路模型和经典高阶契比雪夫滤波电路之间的对应关系，从机理上分析了一维超材料的内在特性。通过研究建立了1）混合左右手传输线（CRLH TL）与高阶低波纹契比雪夫带通滤波电路之间的等效关系，混合左右手传输线阻抗匹配与高阶契比雪夫滤波电路波纹系数之间的关系；2）对偶混合左右手传输线（D-CRLH TL）与高阶低波纹契比雪夫带阻滤波电路之间的等效关系。讨论了借鉴经典滤波电路理论，进行一维超材料优化设计的方法。通过对典型的一维超材料进行研究分析，构造了基于负折射率传输线的频扫无过孔的K波段多层微带漏波天线；利用负折射率传输线构造出新型的宽带高性能平衡-非平衡变换的微带电路；利用对偶混合左右手传输线实现了新型双工器；基于混合左右手传输线构造的功分器和定向耦合器等。在二维超材料方面，尝试建立二维超材料电路模型与交叉耦合滤波电路之间的关系，并应用二维超材料构建新型的频扫微带漏波天线，对利用二维超材料构建的微波平面透镜进行仿真验证。研究了新兴的平面型人工传输线，建立人工传输线与低通滤波电路之间的关系，比较了基于巴特沃斯、不同波纹系数的切比雪夫、线性相移低通滤波电路设计人工传输线的特性能，为人工传输线的设计和优化提供了参考。提出了两种改进型的人工传输线，分别设计实现了高特征阻抗和低特征阻抗的人工传输线，扩大了人工传输线的应用范围，并且改善了人工传输线的特性。利用人工传输线构造了小型化的威尔金森功分器、不等分功分器、双频功分器、宽带和小型化巴伦、高阶巴伦、紧凑的双定向耦合器等微波器件。总之，在机理上，平面型超材料的等效电路与经典切比雪夫滤波电路有着必然的内在联系；在应用中，平面型超材料可以在减小微波器件尺寸和拓展微波器件性能方面获得应用。随着材料技术的发展，平面型超材料有望进一步降低插入损耗，有机地融入新型微波器件的设计。