集成有源及微纳集总参数元件的Metamaterial研究

本项目通过改进传统的无源Metamaterial结构单元并引入PN结、负阻及增益器件等有源元件，以及采用基于硅工艺的微纳结构集总参数元件，实现结构单元具有微纳米尺度、但工作于射频与微波波段的新型Metamaterial。有源元件的引入使得Metamaterial可以具有无损耗（甚至有增益）、强非线性、非互易性、电调折射率等全新的自然介质所不具有的特性，用于实现超衍射极限成像、非互易电旋器件、新体制电扫描天线等新奇应用。引入微纳尺度的集总参数元件则可以有效减小谐振单元尺寸，使得人工介质的单元结构周期远远小于工作波长，有效地改善其均匀性，推进Metamaterial的实际应用。本项目将对上述新结构和新应用开展深入的理论和实验研究。

人工电磁媒质是近年来国际物理和电磁学领域的研究热点。通过利用深度亚波长人工单元替代构成自然媒质的原子结构，人工媒质得以在射频、微波和光波频段获得自然媒质通常在极高频段才能呈现的电磁特性，但也因此具有色散、损耗和均匀性方面的本质缺陷，在应用领域面临巨大挑战。本项目试图通过在人工媒质中引入有源和集总参数因素，改善传统人工媒质的色散和损耗；通过引入微细加工工艺和构造新型人工单元，改进传统人工媒质的均匀性。在得到新型人工媒质的同时，带来更多的新特性和新应用。项目期内，项目组在基于有源和集总参数元件的人工微波媒质方面开展了多方面的研究。主要研究内容包括有源微波媒质的构造、旋电微波媒质、各类完美匹配层的人工实现、可重构人工媒质、电磁感应透明、超均匀人工媒质，以及上述媒质在天线、器件等方面的应用。所取得的一些代表性研究成果发表在了自然通信、物理评论快报、美国科学院院刊及IEEE汇刊等有影响力的杂志上。以上成果为人工媒质的科学研究和工程应用提供了潜在的新思路和解决方案。