超材料微波传感器的理论及实验研究

超材料(Metamaterials)是一种人工复合的新型介质，特性主要由其微观结构而不是成分决定。超材料具有许多不同于传统材料的奇异物理效应，如完美透镜、电磁斗篷和消逝波放大效应等，将超材料与微波传感器结合，可利用超材料放大消逝波，提高微波传感器的灵敏度和分辨率。课题将以超材料微波传感器为研究对象，利用模式展开理论和电路理论，结合时域有限差分法和COMSOL软件进行仿真、优化设计和实验研究，拟揭示超材料放大消逝波、提高微波传感器灵敏度和分辨率的机理，同时进行应用探讨。具体是：(1)研究超材料放大消逝波、提高传感器灵敏度和分辨率的机理及规律，并探讨消逝波与传输波的相互转换，为新型传感器设计奠定理论基础；(2)结合典型应用问题，研究超材料微波传感器的理论、仿真和信号处理方法，并在仿真和实验的基础上进行优化设计；(3)针对云南省烟草和冶金行业的特殊检测需求，解决1-2个问题，以期应用上取得突破。

超材料(Metamaterials)是一种材料等效物理参数可取正、零、负、无穷小或者无穷大的人工复合材料，它具有许多奇异的物理特性。例如，电磁超材料的等效介电常数和/或磁导率可取任意值，与电磁波相互作用时会发生负折射、负相速、完美成像、电磁斗篷和电磁聚焦等现象。与目前文献主要关注负折射和电磁斗篷等奇异现象不同，本项目主要关注超材料的传感应用。项目研究了超材料放大消逝波，提高传感器灵敏度和分辨率的机理，设计了传感器原型，并进行实验验证。主要结果如下：(1)证实了在普通介质表面覆盖超材料层后产生的消逝波放大现象；发现将介质层闭合形成环形结构，表面波将沿着环传播，并形成表面回音壁模，与普通环形介质谐振器产生的回音壁模不同，表面回音壁模式的场分布和能量分布主要集中在超材料层表面，能够与被测物质强烈相互作用，因此提高了传感器的灵敏度；基于LC网络设计了传输线超材料，证实消逝波放大现象。(2)研究了褶皱金属结构的色散关系，并与负介电常数材料进行了比较，证实了它们的等效性；通过调节平板褶皱金属波导的褶皱深度，实现了传输波与消逝波的相互转换；将褶皱金属周期结构弯曲形成闭环，获得了类表面回音壁模。(3)设计了互补型立体超材料粒子，由于该结构可以独立于基底介质层制备，有效避免了介质衬底损耗的影响，提高了传感器的灵敏度。(4)由于在红外和太赫兹频段石墨烯的介电常数为负，能够放大消逝场，因此研究了石墨烯的传感特性，发现了传输模式与分子振动指纹的关联。(5)设计了基于褶皱金属结构波导的传感器原型、基于石墨烯带的传感器原型。制备了基于类表面回音壁模式的传感器原型，并进行了实验和测试。此外，我们扩展了研究内容，在基于超材料的电磁波调控、天线设计等方面取得了进展。.超材料传感器分辨率与其损耗有关，超材料损耗越小，传感器分辨率越高。超材料损耗大，消逝波难以处理和放大已成为进一步提高超材料传感器性能的瓶颈。本项目证实：消逝波与传输波可以相互转换，通过放大传输波补偿超材料损耗，从而达到放大和处理消逝波的目的，具有重要科学意义；通过褶皱金属结构在微波频段实现类表面回音壁模传感，以及用石墨烯带在太赫频段获取分子振动指纹具有重要的技术价值。