有源电磁超表面对电磁波的动态调控研究及应用

Dynamic control of electromagnetic (EM) waves is one of the key technique in the EM field and microwave technology. Recently there are increasing demands of beam forming, scanning and dynamic manipulating of EM waves in the next generation wireless communication, satellite communication, radar detection and imaging systems. Although the traditional active phased array, reconfigurable reflectarray and transmitarray may somehow achieve dynamic control of EM beams, the technology complexity, high cost, as well as the physical bulk have prevented their applications in low cost compacted EM systems. This proposal is aimed at utilizing the recent EM metasurface concept to study dynamic control of microwave with active metasurfaces and establish theoretical analysis and optimal design methods. Dynamic control of both the amplitude and the phase of the EM wave reflection and transmission will be achieved through precise design of the unit cells of the active metasurfaces. New mechanism of dynamically controlling the EM radiation beams will be developed based on the realization and EM characterization of the active Huygens metasurfaces. Finally applications of the active metasurfaces in low cost compact EM systems will be explored on realizing the EM beam forming, dynamic beam scanning, as well as the dynamic focusing.

对电磁波进行动态、灵活有效地调控是电磁场与微波技术中的关键之一。当前下一代无线通信、卫星通信、雷达探测和成像等技术都对电磁波的传播、辐射波束赋型及动态调节、波束扫描等提出了迫切的需求，虽然采用传统的有源相控阵天线、可重构反射透射阵等技术可以实现对电磁波的动态调节，但由于其技术复杂、成本高、体积大等问题仍不能满足低成本、小型化电磁系统的要求。本项目旨在运用近年来国际上提出的电磁超表面新概念，通过开展微波段有源电磁超表面对电磁波的动态调控研究，建立有源电磁超表面的理论分析方法和优化设计方法；通过有源超表面单元结构设计，实现对电磁波反射、透射幅度和相位的动态调节；通过开展有源惠更斯超表面设计研制和电磁性能表征测量，发展基于电磁超表面的电磁波辐射及波束动态调控新机制，最终探索出有源电磁超表面在低成本、小型化通信和雷达探测成像系统中电磁波波束赋型、波束动态扫描、动态聚焦等控制上的应用途径。

对电磁波进行动态、灵活有效地调控是电磁场与微波技术中的关键之一。当前下一代无线通信、卫星通信、雷达探测和成像等技术都对电磁波的传播、辐射波束赋型及动态调节、波束扫描等提出了迫切的需求，虽然采用传统的有源相控阵天线、可重构反射透射阵等技术可以实现对电磁波的动态调节，但由于其技术复杂、成本高、体积大等问题仍不能满足低成本、小型化电磁系统的要求。本项目运用近年来国际上提出的电磁超表面新概念，通过开展微波段有源电磁超表面对电磁波的动态调控研究，建立了有源电磁超表面的理论分析方法和优化设计方法；通过有源超表面单元结构设计，实现了对电磁波反射、透射幅度和相位的动态调节；通过开展有源超表面设计研制和电磁性能表征测量，发展了基于电磁超表面的电磁波辐射及波束动态调控新机制。例如，建立了有源惠更斯电磁超表面的理论分析方法和自上而下的优化设计方法，通过开展有源惠更斯超表面设计研制和电磁性能表征测量，成功研制了可实现电磁波动态聚焦的有源惠更斯超表面平面透镜。 又如，设计了一种双极化各向异性可编程反射型有源超表面，通过加载现场可编程门阵列（FPGA）硬件系统，该超表面可实时动态、独立地控制两个正交线极化电磁波，实现多波束辐射的波束数目、波束角度的动态切换。本项目最终完成了可实现电磁波波束赋型、波束动态扫描、动态聚焦等多款电磁波原型器件研制，探索了有源电磁超表面在低成本、小型化通信和雷达探测成像系统中的应用途径，为后续在实际无线通信、目标探测及成像等电子系统中的应用奠定了良好的基础。项目累计发表SCI收录期刊论文35篇，EI收录国际会议论文15篇。申请发明专利7项，授权2项，专利技术成果转让2项（70万元）。培养博士研究生15名，硕士研究生7名。