基于变换光学的辐射特性可调控的天线理论与应用研究

Founded on transformation optics and meta-material, this project aims to explore new methods and new ways to realize“static”and“dynamic”control of the radiation characteristics of an antenna. The starting point of the research can be simply summarized as "to accept the challenge and to grasp the opportunity as well". The challenges come from the problems encountered as casting the perfect concept of the transformation optics into the complicated applications of antenna designs. One is that how to find the appropriate coordinate transformation? The other is that how to facilitate the artificial realization of the resulting material of transformation medium. In view of the above problems, from a physical perspective, we would explore the design potential of inverse transformation optics in antenna applications and develop a simplification method of transforming the 3D parameters into 2D parameters. Based on them, we would explore the design schemes capable of flexibly and efficiently manipulating the radiation characteristics of antenna in a simple and practical way. In addition, considering the powerful computing ability of transformation optics, we would conduct the research on the microwave active device in the design of a meta-material unit cell, thus leading to flexible switch and dynamic adjustment of antenna’s the radiation pattern.

本项目以变换光学为理论指导、以人工电磁材料为物质基础，探索实现天线辐射特性“静态”和“动态”双调控的新方法和新途径。研究的出发点可以简单概括为“接受挑战，把握机遇”。所谓的挑战来自于把变换光学这一完美概念引入到复杂的天线应用时所遇到的问题。首先是合适的坐标变换从哪里来？其次是复杂的材料参数怎么便于人工实现？针对以上问题，我们将从场的角度上，开发变换光学逆向设计思路在天线应用中的潜力以及完善由三维参数向两维参数简化的理论方法。在此基础上，探索可对天线辐射特性任意调控的灵活有效且简单实用的设计方案。此外，基于变换光学强大的运算能力，我们将开展在人工电磁单元中融入可调控有源的微波器件的研究，探索可对应用中天线辐射模式进行灵活转换和动态调节的新方法。

以本项目为依托，我们已完成逆变换光学应用于调控天线辐射特性的设计方案，给出了参数简化的具体方案。结合移动通信应用需求，搭建了不同波束可调控天线的实验系统。并基于微带天线及其阵列，研制出多种辐射特性可调控天线样品。本项目在两个方面取得了创新性的成果：1）在把变换光学理论引入天线应用的理论研究中，提出了逆变换光学和参数简化等理论克服了变换光学在解决实际问题时很难建构数学模型的困难，此外，我们把微带天线的介质板作为变换空间，扩大了变换光学的应用范围，相信随着3d打印的技术不断发展，很快会实现从理论到实践的落地。2）在利用特征模式分析方法来调控天线辐射特性的研究中，我们创新型地利用不同模式相互耦合的方式为产生特定辐射特性的波束和在这些模式间切换提供了新的方法和途径，希望能为5G应用场景下新型天线的研究提供了新思路。本项目共发表论文6篇，培养10名硕士生，一些研究成果正在总结中，有两篇期刊论文正在审稿中，有两篇准备投稿，相信会收获更多的研究成果。