波导超电路研究及天线应用

In this project, we aim to study the concept of waveguide metatronics. i.e., lumped circuity based on structural dispersion. Metatronics is a new concept, merging the fields of electronics and optics/photonics with notion of metamaterials. By properly design the material property, we may transplant the “lumped circuit” concept to the concept of “field”, building lumped nanocircuity with subwavelength scale in the optical domain and reducing the difficulty in the designs of optical systems and devices. As a method to achieve the practical metatronic circuits, waveguide metatronics utilized the structural dispersion of waveguide to imitate the material intrinsic dispersion, expanding the realization of the idea of metatronics. In this project, based on the initial theory of waveguide metatronics, we will study its performance, including the bandwidth, loss issue, and operating frequency, in the experimental point of view. We will further study the methods to improve the quality of waveguide metatronics, comparing the theoretical and experimental results. As another objective, we aim to adopt the idea of waveguide metatronics into the field of antennas, achieving the unity of antenna and its circuits inside the identical waveguide structure. There are three ways: (1) matching circuits for wideband impedance matching; (2) Filter circuits to optimized the dispersion; (3) Phase shifter circuits for beam forming and scanning of antenna array.

本项目拟研究波导超电路的基本特性及面向天线应用的关键技术。超电路是超材料面向电路的重要应用，利用对材料特性的设计和优化，实现微波与光学频段的集总电路，将“路”的概念应用于“场”的分析中，大大简化了“场”求解的复杂度。作为“超电路”概念的重要实现形式，波导超电路利用波导结构的色散特性模拟材料本身色散特性，在波导结构中实现“超电路”概念。本项目基于波导超电路的基本理论，拟从实验角度评估其性能，如带宽、损耗、最高工作频率等；与理论研究对比，探索提高波导超电路性能的方案。本项目拟将波导超电路的概念应用于天线理论，实现天线性能的提升，实现基于波导结构天线的一体化设计，避免额外电路所引入的损耗与系统复杂度提升。本项目拟从三个方面实现波导超电路的天线应用：（1）匹配电路拓展天线阻抗带宽，（2）滤波电路实现天线频率响应的控制与优化，（3）相移电路实现天线阵列的波束赋形与扫描。

超电路（Metatronics），即基于超材料的集总电路，将集总电路的概念由低频移植到光学频段，实现亚波长尺度的光学集总电路。自2007年首次提出超电路的概念及设计范式以来，超电路的研究引起了世界范围内的关注，颠覆了传统光学电大尺寸电路的设计方法，为光学集成电路的研究指明了方向。本课题项目基于波导超电路的概念与相关理论指导从实验角度验证波导超电路的基本特性，进一步完善波导超电路理论体系。同时，研究面向微波、毫米波天线应用的波导超电路方案，实现对基于波导结构天线的性能提升，探索超电路概念在微波、毫米波频段的应用价值。在本课题项目中，项目组完成了波导超电路的理论研究并搭建起波导超电路测试平台，实现了波导超电路的实验验证。在此基础上，项目组进一步实现了基于波导超电路的多种电路形式，包括匹配电路，滤波电路，相移电路等，并将其应用到各种天线设计中，实现了全新的天线设计理论。以上成果发表期刊论文29篇，授权国家发明专利2项。波导超电路结构具有多方面的优势，第一，波导超电路具有小型化（亚波长尺度）的优势；第二，波导超电路实现集总元件介电常数的均匀性，且单模工作，可以采用基于“路”的方法设计电路,简化“场”分析的复杂度；第三，面向基于波导结构的天线应用，如基于波导超电路概念设计匹配电路拓展天线带宽，设计滤波电路实现天线频率响应的控制，设计相移电路实现天线波束赋形等。本项目实现了全新的高频电路形式，并使波导超电路得到了全新的应用。