非线性人工电磁材料特性及应用研究

Nonlinear metamaterial refers to the electromagnetic (EM) functional material that has the effective permittivity and effective permeability depend on the intensity of the applied field or the propagating EM waves, which further expands the concepts of negative refraction and zero-refraction metamaterials. Nonlinear metamaterial has more fancy properties, which will expand the space on the design and development of new microwave components, terahertz components and optical elements. And it may bring breakthrough in metamaterial applications. Here, we are going to explore the characteristics of nonlinear metamaterials, especially for harmonic generations, parametric amplifications, and intelligent electromagnetic regulations, in two aspects: theories and experiments. Firstly, nonlinear circuit models and full wave simulations will be performed based on planar transmission line structures. Then, microstrip line network loaded with varactor diodes will be used to fabricate nonlinear metamaterials. After performing above works, we will further explore the application of nonlinear metamaterials on EM absorption, EM detection, polarization rotation, high-efficiency harmonic conversion, and EM characteristics regulation. The project is based on the applicant's recent reseach work on nonlinear metamaterials. We hope to take on further study on the relevent theories, experiments and applications, and try our best to acquire originality products.

非线性人工电磁材料是指其等效介电常数或磁导率具有随入射场强度变化而改变的一类功能性电磁材料。它进一步扩展了负折射、零折射人工电磁材料的概念，所具备的电磁性质更为丰富，将大大拓展微波、太赫兹及光学器件的设计和开发空间，有可能在应用方面带来突破性进展。本项目主要围绕非线性人工电磁材料的特性，特别是电磁波的谐波产生及传播、参量放大、智能电磁调控等方面开展理论和实验研究，建立基于平面传输线结构的非线性电路模型，通过微带线电路网络加载变容二极管实现非线性人工电磁材料。实际制备具有优良特性的基于非线性传输线型结构的射频与微波波段器件，探索其在电磁波吸收、探测、极化旋转、高效率谐频转化，以及电磁波特征信息调控等技术方面的实际应用。本项目结合申请人近年来在非线性人工电磁媒质方面的研究工作，希望通过对非线性新型人工电磁材料的理论、实验和应用作进一步研究，争取在这一研究领域获得具有原创性自主知识产权的研究成果

非线性人工电磁材料是指其等效介电常数或磁导率具有随入射场强度变化而改变的一类功能性电磁材料，近几年一直受到学界的关注。本项目主要围绕非线性人工电磁材料的特性，特别是电磁波的谐波产生及传播、参量放大、智能电磁调控等方面开展理论和实验研究。主要研究内容及结果包括以下几个部分：.（1）建立了一维非线性左手传输线模型，分析了电磁波在一维非线性左手传输线媒质中的色散关系和传播特性；实验研究了基于晶格网络的复合左右手传输线的非线性特性。当该非线性传输线处于非平衡状态时，我们可观察到明显的谐频、分频及参量激励；而当该非线性传输线处于平衡状态时，发现分频产生及参量过程得到明显压制，而激励的高频谐波在较宽的频带范围内都具有几乎相等的功率电平，这一特点在传统的复合左右手传输线难以发现，有助于促进微波电路的发展。.（2）用二维非线性左手传输线网络模拟谐频近场聚焦和突破衍射极限的成像。首先给出了设计非线性左手传输线网络和右手传输线网络进行谐频匹配的详细过程，然后通过微波电路仿真观察到了左右手传输线网络边界处的强表面波；最后，我们证明非线性人工电磁材料可以用来制备可以屏蔽基频电磁波而实现高频电磁波精细成像的平板透镜。.（3）分析了二维非线性左手传输线网络中二次谐频、三次谐频产生及传播的色散关系和传播特性。借助微波电路仿真软件构建了加载变容二极管的二维非线性左手传输线网络，该非线性网络对于基频和二次谐频电磁波是左手材料，而对于三次谐频则是右手材料。更加有意思的是，如果选择合适的电磁波入射频率，该非线性人工电磁材料的传播特性（左手传播，不能传播，右手传播）可以用电磁波的场强来控制，从而实现可智能调控功能。.（4）首先用二端口网络分析了电磁场穿过介电材料时的相位和幅度变化，然后用不同厚度介电材料构建人工电磁表面，实现完全操控传输电磁波的波阵面。用非均匀聚酰亚胺人工电磁表面设计了两款超薄太赫兹凸透镜，全波仿真实验表明该透镜可以具有控制传输电磁波的良好性能。在微波段将全介质人工电磁表面与贴片天线集成，设计了超低剖面透镜天线系统。. 总体而言，本项目研究发现基于非线性传输线型结构的射频与微波器件与传统结构相比具有一些新的特点，验证了场强可以调控非线性人工电磁材料的传输特性，具有很好的发展前景。