高介电常数介质基元超表面电磁波传输特性调控机理研究

Metallic based metasurface is a new type of artificial electromagnetic materials, in which the electromagnetic characteristic can be artificially designed. It brings about novel designing philosophy to modulate electromagnetic wave, which can be used in design of functional devices such as flat lens, high gain antennas, and RCS reduction aircraft, etc. Researches in the recent years show that the effects of dielectric can be used to design new types of metasurfaces, which means the dielectric inclusions can be used to replace metallic to achieve required functions. This project focuses on the regulation mechanism of electromagnetic wave transmission characteristics from the view of electromagnetic field theory and material science, respectively. High dielectric material is proposed to study the metasurface. The combining experiment process of 3D printing and gel casting is employed to fabricate dielectric based metasurface. According to the research, a detailed constitute theory of all-dielectric metasurfaces will proposed. The mechanisms to modify the resonant properties, optimization designing scheme will be occurrence. A general devise method will be build according to our research. The practical dielectric metasurface will be realized by the achievement of high efficiency, low loss, broadband, suitable for high power applications and resistant to extreme environment. The works in this project will provide a novel technique route to polarization converters, frequency selective absorbers, frequency selective transmissions, etc.

金属基元超表面是一种以人工设计方式调制电磁特性的新型电磁表面。它提供的全新电磁波调控手段在平板透镜聚焦，天线辐射性能提升，飞行器RCS减缩等方面具有广阔的应用前景。介质在很多极端环境下可以替代甚至超越金属实现相应功能。介质基元超表面电磁波传输特性调控机理的研究既具有重要的科学意义，又具有极大的应用价值。本项目分别从电磁场理论和材料科学角度进行介质基元超表面电磁波传输特性调控机理研究，提出采用高介电常数介质材料进行超表面研究的学术思想，利用3D打印与凝胶成型相结合的实验工艺，将介质具备的丰富物理效应用于电磁波传输特性的调控研究。通过项目研究，可望提出系统化的介质谐振电磁理论，阐明介质基元超表面电磁波传输特性调控机理，建立一般设计准则和优化设计方法，最终制作出具有高效能、宽带宽、适合高功率应用、耐受极端环境的介质基元超表面，为实现极化转换、频率选择吸波/透波等电磁波传输特性开辟新的技术途径。

本项目按计划对高介电常数介质基元超表面进行了系统深入地研究，达到了预期的研究目标。项目研究了不同介电常数体系介电材料的制备及表征方案，对高介电常数介质谐振电磁理论、介质单元谐振改性及调控机理进行了深入的研究。开发了具有不同介电常数的系列化的介电材料，提出了系统的介质谐振电磁理论，为新型介质基元超表面的研究奠定了材料和理论基础。在此基础上，开展了介质基元超表面的电磁调控机理与设计方法研究，阐明了介质基元超表面电磁波传输特性调控机理，建立了一般设计准则并进行了相关优化设计方法的探索。实验方面，开展了介质基元超表面的制作工艺研究。基于3D打印、模压成型、凝胶成型、机加工等实验工艺制备了具有复杂形状的亚波长陶瓷单元结构。设计并制备了带通型、带阻型、多通带、可重构等具有频率选择特性的介质基元超表面，设计并制备了具有极化旋转特性的介质基元极化旋转超表面，设计并制备了具有外场可调谐电磁波传输特性的功能器件。相关研究为设计介质基元超表面开辟了新的技术途径，具有重要的科学意义和重要的工程应用价值，也得到了国内外同行的关注。