电磁超材料合成机理及应用关键技术研究

电磁超材料(Electromagnetic Metamaterial)是一种自然界不存在的具有超常电磁学和光学特性的结构型材料,其主要由人工合成获得,在材料学、电磁学、光学等物理领域具有极其重要的研究价值,亦在电子电路、无线通信等工程领域具有广泛的应用前景。从21世纪初首个微波频段的电磁超材料实现后至今,电磁超材料技术已成为国内外学术界和产业界的研究热点而受到持续广泛的关注。近15年以来,已报道的电磁超材料合成方法主要基于谐振金属环、加载传输线等周期结构实现。

然而,传统电磁超材料合成技术研究并未考虑其谐振单元内部以及相邻单元之间的相互作用,其呈现的超常电磁学／光学特性只是多个谐振单元等效平均效应,电磁超材料单元内部及单元之间存在的各种耦合互作用机制及效应未被研究和开发利用。因此,在电磁超材料的合成方法、设计实现和应用研究等方面,还需广泛深入地研究电磁超材料单元内部以及单元之间的耦合互作用机理,探索控制其耦合效应及特性的有效方法和途径,充分挖掘和发挥超材料的独特电磁特性,实现其更广泛应用。

本论文在深入研究电磁超材料中单元谐振结构内部、各单元之间的耦合互作用机理及其特性控制方法之基础上,获得电磁超材料谐振频率、谐振幅度等特性调谐可控的技术途径。采用机械调节单元谐振金属环内部结构和单元位置改变耦合互作用效应的方法,设计实现了X频段谐振频率及幅度可调可控型电磁超材料、及基于这种超材料的单频和双频可调谐带阻滤波器；组合应用延长单元结构的等效电长度、减小超材料结构的周期长度等方法,设计出了S频段电小尺寸吸波超材料；通过改变电磁超材料中雪花状金属谐振单元的各分支等效电长度,设计出了X频段单频、双频及多频吸波超材料；采用铁氧体介质-常规双频电磁超材料相互层叠方式,设计出了在C-X频段内可调谐的多频电磁超材料。本论文的主要研究工作及创新贡献如下：

1.采用等效电路分析法及镜像原理,深入研究了矩形波导内电磁超材料中金属开口谐振环单元内部、各单元之间、单元与其镜像结构之间的耦合互作用机理及效应；通过数值仿真与实验研究,分析了单个、两个、多个金属开口谐振环单元在矩形波导内的谐振频率、谐振幅度等特性及其可控调节方法,设计研制出X频段谐振频率及幅度可调可控型电磁超材料。采用机械调节矩形波导内金属开口谐振环的开口方位、金属开口谐振环-矩形波导壁的距离等方法控制电磁超材料中金属开口谐振环单元内部、各单元之间的耦合互作用强度,进而调控电磁超材料的谐振频率、谐振幅度等特性,研究设计出X频段单频和双频可调谐带阻滤波器。实验研究结果表明调节矩形波导内金属开口谐振环单元数量、谐振环的开口方位、金属开口谐振环-矩形波导壁的距离,获得了谐振频率可调谐带宽达到中心频率的7.5%。这种机械调节金属开口谐振环加载矩形波导式带阻滤波器工作频率的方法具有结构简单、功耗低等特点,可广泛用于微波毫米波通信系统。

2.采用等效电路法研究了电谐振金属环单元内部、各单元之间的耦合互作用效应,分析了在电谐振金属环单元外观尺寸不变条件下降低电磁超材料谐振频率的机制,采用在电谐振金属环环内延长环长度、减小超材料中电谐振金属环构成的二维阵列的周期长度、在电谐振金属环周期阵列上加载介质覆盖层等方法,有效地降低了电磁超材料的谐振频率;基于FR4介质设计出S频段电小尺寸吸波超材料,吸波超材料中电谐振金属环单元外观尺寸仅为工作波长的1/37,其对宽入射角入射的电磁波达到了超过93%的吸波效率,这类吸波超材料可广泛用于降低阵列天线、微波电路与系统等内部耦合串扰的效应。

3.采用电磁特性数值仿真方法研究了雪花状电谐振金属环内各分支之间的耦合互作用机理、各分支的等效电长度对谐振频率的影响,分析了雪花状电谐振金属环单元构成的电磁超材料产生单频、双频、多频谐振的结构参数条件,设计出基于雪花状电谐振金属环的单频、双频及多频X频段吸波超材料,实验测试了该X频段吸波超材料的电磁特性,测试结果表明改变雪花状电谐振金属环单元内主轴、副轴的等效电长度能有效调节吸波超材料的工作频率和转换工作模式。

4.基于等效媒质理论,研究分析了铁氧体介质-常规双频电磁超材料相互层叠结构中铁氧体、双频电磁超材料中单元结构之间的互作用机理及效应,设计出铁氧体介质-常规双频电磁超材料相互层叠构成的C-X频段可控调谐型多频电磁超材料,理论分析与数值仿真结果表明这种电磁超材料具有三个可调谐的负磁导率工作频段,其可用于设计实现可控调谐型多频吸波超材料、隐身斗篷、天线等新型光电器件与系统。本论文通过对电磁超材料中结构单元内部、各单元之间的耦合互作用机理及效应的深入研究,获得了调控电磁超材料的谐振频率和谐振幅度的技术方法及应用途径,设计研制出基于超材料的机械调谐式微波带阻滤波器、电小尺寸S频段吸波超材料、工作频率及模式可控的X频段吸波超材料等新型可控多频电磁超材料及微波器件,其在军事和民用领域具有广泛的应用前景。