基于人工电磁媒质的电磁波单向传播研究

Controlling the electromagnetic (EM) wave propagation efficiently is one of the key techniques in today's development of electronic information technology. One-way and non-reciprocal EM wave propagation have important applications in EM isolator, circulator, antenna system, radar radome, as well as in EM shielding and EM interference. However, these devices still rely on gyromagnetic effect in ferromagnetic materials under magnetic field biasing. This proposal is aimed at utilizing the new concept of EM metamaterial to explore the fundamental property and potential application of one-way EM wave propagation based on EM metamaterials. By optimally designing the unit-cell structures to construct chiral metamaterials and artificial gyromagnetic metamaterials, EM wave polarization conversion and rotation will be analyzed and realized, asymmetric or one-way propagation of EM waves will be explored to result in novel one-way EM devices and related applications. These one-way devices do not depend on ferromagnetic materials and magnetic field biasing, and could have the advantages of flexible design and material choice, scalability of spectrum response, as well as light-weighted, and capable of integrated with other microwave devices promising obvious potential applications.

对电磁波传播的有效控制是当前电子信息技术发展的关键技术之一，控制电磁波单向或非互易传播在电磁波隔离器、环形器、天线系统、雷达罩、电磁屏蔽和电磁兼容等方面起着重要作用，但目前还主要依赖于铁氧体等磁性材料所具备的旋磁效应，通过外加磁场作用来实现。本项目旨在运用人工电磁媒质这一电子、材料、信息技术研究领域的新概念，开展有效控制电磁波单向传播的基础研究和应用探索。项目围绕如何设计和优化人工电磁媒质结构，构造人工手征介质和人工旋磁介质，实现电磁波传播中的极化转换和极化旋转，达到对极化电磁波的非对称或单向传播的有效控制，实现新型电磁波单向传播原型功能器件，并探索其在电磁波传播控制上的应用。这类电磁波单向传播控制和相关原型器件将不依赖于铁氧体等磁性材料和外加磁场作用，设计上灵活、可控，频谱响应可缩放，还具有体积小、重量轻、便于集成和构成材料选择多样性等优点，有明显的潜在应用价值。

本项目旨在运用人工电磁媒质这一电子、材料、信息技术研究领域的新概念，开展有效控制电磁波单向传播的基础研究和应用探索。项目围绕如何设计和优化人工电磁媒质结构，构造人工手征介质和人工旋磁介质，实现电磁波传播中的极化转换和极化旋转，达到对极化电磁波的非对称或单向传播的有效控制，实现新型电磁波单向传播原型功能器件，并探索其在电磁波传播控制上的应用。.通过本项目四年的研究，我们首先深入分析了人工手征介质的电磁波传播理论，确定了实现电磁波强非对称传播对手征介质手征性、几何结构的特定要求和手征人工介质结构单元的设计方法；其次在理论基础上优化设计了人工手征介质结构，采用平面电路工艺研制了微波段手征介质，对传输性质、极化转换和非对称传播性能进行了实验测量和表征，实现了对线极化电磁波非对称传播的最大化（传输系数正向90%，反向10%）；我们进一步采用复合人工介质的方法设计研制了具有极化选择性的电磁波单向吸收人工电磁媒质，可实现不同线极化电磁波沿正反两个方向单向吸收。这类电磁波单向吸收的性质在电磁波调控、雷达罩、电磁兼容、隐身等方面都有潜在应用价值。我们还开展了电磁波单向传播的动态调控研究，提出了有源手征人工电磁媒质的概念，实现了人工电磁媒质在手征性和非手征性之间的切换，可对电磁波的传播实现连续的极化转换调节。设计了微波频段人工电磁结构，获得了线极化电磁波非对称传播的动态调节，非对称传输率可从0到70%连续调节。这种电磁波单向传播的动态调节性质在电磁波调控、极化调节、可调波片，电磁兼容等方面都有很好的应用价值。我们还开展了人工旋磁介质的传播理论分析，确定了在加载半导体定向元件的作用下形成的行波谐振、单向旋转电磁场与电磁波极化旋转和非互易传播的关系。.项目在Adv. Mater., Opt. Exp., Sci. Rep.等国际重要刊物上发表学术论文25篇，在国际会议上发表论文24篇，申请专利4项。 培养研究生10余名。