基于梯度超表面的微波表面等离激元平板天线的理论及实验研究

Dealing with the compelling application requirements for novel high-performance planar antennas in fields of military, aviation, communication, etc, we propose the academic idea of designing planar antennas based on unique electromagnetic properties of microwave surface plasmon polaritons by means of metasurfaces. To this end, the design, realization and applications of novel planar antennas based on the excitation and control of microwave surface plasmon polaritons will be explored profoundly. The physical mechanism and operating principles of surface plasmon polariton planar antennas will be illustrated. The design theory and design methods of microwave plasmon polariton planar antennas will be established as well. The influence rules of gradient metasurfaces on the mode selection, high-efficient excitation, low-loss transmission and controllable radiation will be investigated. The design theory and design methods of the feeding structures of surface plasmon polariton planar antennas will be also established. Furthermore, according to practical application demands, we are going to carry out design and experiment investigations on surface plasmon polariton planar antennas with technical performances of low-profile, high directivity, frequency sweep, stealth, etc. Through the above work, the design theory, realization methods and technical application schemes will be established finally. The research work of this project will provide solid theoretical background and brand-new technical means for developing novel high-performance antenna systems.

针对军事、航天、通信等领域对新型高性能平板天线的迫切应用需求，本申请提出了利用梯度超表面的奇异电磁特性设计微波表面等离激元平板天线的学术思想。围绕这一思想，探索基于微波表面等离激元激发与控制机制的新型平板天线的设计、实现及应用，阐明微波表面等离激元平板天线的物理机制和工作原理，建立微波表面等离激元平板天线的设计理论和设计方法；揭示梯度超表面对微波表面等离激元的模式选择、高效激发、低损耗传导以及受控辐射的影响规律，研究利用梯度超表面实现微波表面等离激元波与辐射电磁波高效转换的机理及控制手段；建立微波表面等离激元平板天线馈电结构的设计理论和方法；根据应用需求研发出具有低剖面、高方向性、频扫特性、隐身性等技术性能的微波表面等离激元平板天线；最终建立微波表面等离激元平板天线的设计理论、实现方法及应用技术方案，为我国发展新型高性能天线系统提供坚实的理论依据和崭新的技术途径。

针对军事、航天、通信等领域，对新型高性能平板天线的应用需求，项目开展了基于梯度超表面的微波表面等离激元激元（MSPP）平板天线的设计理论和实验验证研究，具体包括：（1）建立了基于折射率渐变相位梯度表面的MSPP耦合激发理论模型，制作了基于渐变折射率材料的反常反射超表面，从实验上验证了这一理论模型。（2）阐明了各向同性、各向异性二维界面以及对称和非对称界面上的MSPP的存在条件、色散方程、传播特性，建立了二维界面上MSPP传输模型。（3）建立了基于超材料结构参数渐变的相位梯度超表面设计理论与方法，通过超材料结构单元设计产生不同的散射相位，构建相位梯度，设计制备了针对线极化波、圆极化波的相位梯度超表面原理样件，验证了相位梯度超表面设计理论与方法。（4）基于反射相位梯度设计、超材料色散调控、法布里-珀罗谐振等，建立了基于反射/透射型超表面的宽带高效MSPP耦合结构设计理论与设计方法；将各向异性、双曲超材料引入到MSPP耦合结构设计，建立了基于反射型超表面的双模式、多方向MSPP耦合结构设计方法和MSPP波形调控技术。设计制备了原理样件并进行了实验验证。（5）面向平板天线应用，开展了基于反射/透射型相位梯度超表面和编码超表面的新型平板天线设计研究，建立了基于超表面反射背板/盖板的圆极化、高增益、低剖面、低RCS、低副瓣、偏馈等新型平板天线设计理论与方法。（6）基于反射/透射型表面MSPP耦合超表面、MSPP传输结构等，开展了基于MSPP的新型平板天线设计研究，建立了基于相位梯度超表面的MSPP平板天线设计理论与方法。设计了基于MSPP的宽带频扫天线、高增益端射天线、多波束天线、低RCS天线等，制作了原理样件并进行了实验验证。（7）开展了天线应用开发研究，设计了基于透射型相位梯度超表面的超薄高增益透镜天线、某型弹体共形频扫天线等，达到了技术指标要求。