全介质超材料频率选择表面的电磁滤波特性及其应用设计

On the basis of analyzing properties of all-dielectric metamaterials, all-dielectric metamaterials are introduced as the core component into the design of frequency selective surfaces, so as to meet the urgent need for isotropic, low-loss frequency selective surfaces that are suitable for high-frequency/high-power applications and can be tolerant of extreme environments. Firstly, based on optimal design of all-dielectric metamaterials, the filtering mechanism and performance improment will be carried out for all-dielectric metamaterial frequency selective surfaces. General design principles for all-dielectric metamaterial frequency selective surfaces will be established. Then, metamaterial effective medium theory will be introduced to guide the design of all-dielectric frequency selective surfaces. On this basis, in-depth investigations into application design of all-dielectric frequency selective surfaces will be carried out. Finally, the fabrication and performane optimizaton of all-dielectric metamaterial frequency selective surfaces will be investigated. Through the work of this project, the electromagntic filtering mechanism of all-dielectric metamaterial frequency selective surfaces will be elaborated. General design theory and application design methods of all-dielectric metamaterial frequency selective surfaces will be established. The project will pave a brand-new technical route to novel all-dielectric frequency selective surfaces. This not only is of great scientific meanings, but also possesses siginificant engineering applcation values.

本项目在分析全介质超材料特性的基础上，结合频率选择表面对各向同性、低损耗、适合于高频∕高功率领域应用、耐受极端环境等方面的迫切需求，提出了把全介质超材料作为核心组元引入到频率选择表面设计中的研究思路。首先在研究全介质超材料的优化设计基础上，开展全介质超材料频率选择表面的电磁滤波机理与性能调控研究，建立全介质超材料频率选择表面设计的一般准则；提出把等效介质理论应用于全介质超材料频率选择表面设计的思想，据此开展应用设计研究；最后，进行全介质超材料频率选择表面的制作与性能优化研究。本项目可望阐明全介质超材料频率选择表面电磁滤波机制，建立全介质超材料频率选择表面的一般设计理论和应用设计方法，为发展出新型全介质频率选择表面开辟一条技术途径，这不仅具有重要的科学意义，也具有巨大的工程应用价值。

本项目按计划对全介质超材料频率选择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微波陶瓷的制备及表征方案，基于Mie散射理论和介质谐振理论开展了全电介质超材料优化设计与制备研究，为新型全介质频率选择表面的研究奠定材料基础。在此基础上，开展全电介质频率选择表面的电磁滤波机理与设计方法研究。研究了微波频段全介质频率选择表面的电磁滤波机理与性能调控方法，阐明了全介质频率选择表面电磁滤波机制，建立了基于等效介质理论的超材料频率选择表面的一般设计理论和应用设计方法。基于设计理论和相关设计方法开展了全电介质频率选择表面的优化设计与不同电磁特性的功能实现研究。在微波频段，设计了多种带通、带阻、可重构型全介质超材料频率选择表面。最后，开展了全电介质频率选择表面的制作工艺研究。采用固相烧结、流延法等方法制作了陶瓷块体、薄片与柱体等不同形式的介质材料，通过精密切割、3D打印、激光快速成型等技术手段，制备了不同形式的全介质频率选择表面，并利用波导环境、微波暗室进行了相关性能的测试。相关研究为设计介质结构的频率选择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，得到了国内外同行的关注。