亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)：原理、特性及微波調(diào)控應(yīng)用新探一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，電磁技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛和深入。從日常的通信設(shè)備到先進的軍事裝備，從高速的無線通信網(wǎng)絡(luò)到高精度的雷達探測系統(tǒng)，電磁技術(shù)已成為推動科技進步和社會發(fā)展的關(guān)鍵力量。在這一背景下，對電磁波的有效調(diào)控成為了研究的核心課題之一，而亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，為電磁波調(diào)控技術(shù)帶來了全新的機遇和挑戰(zhàn)。亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)，是指結(jié)構(gòu)單元的尺寸遠小于工作波長的一類特殊結(jié)構(gòu)。這種獨特的結(jié)構(gòu)尺度賦予了其一系列超常的電磁特性，使其能夠?qū)﹄姶挪ㄟM行精確且靈活的調(diào)控。與傳統(tǒng)的電磁材料和結(jié)構(gòu)相比，亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)在電磁波調(diào)控方面展現(xiàn)出了諸多顯著優(yōu)勢。例如，它能夠突破傳統(tǒng)材料的物理限制，實現(xiàn)對電磁波的異常折射、高效吸收、極化轉(zhuǎn)換以及相位操控等功能，為解決復(fù)雜電磁環(huán)境下的電磁波調(diào)控難題提供了新的途徑。在通信領(lǐng)域，隨著5G乃至未來6G通信技術(shù)的快速發(fā)展，對通信系統(tǒng)的容量、速度和穩(wěn)定性提出了更高的要求。亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)可用于設(shè)計高性能的天線和射頻器件，實現(xiàn)更高效的信號傳輸和接收。通過對亞波長結(jié)構(gòu)的精心設(shè)計，可以使天線具有更寬的帶寬、更高的增益和更好的方向性，從而顯著提升通信質(zhì)量和覆蓋范圍。在毫米波通信中，利用亞波長結(jié)構(gòu)設(shè)計的天線能夠有效減小天線尺寸，提高天線的集成度，滿足移動終端設(shè)備對小型化和高性能的需求，推動無線通信向更高頻段、更高速率的方向發(fā)展。雷達作為現(xiàn)代軍事防御和目標(biāo)探測的重要手段，對其性能的提升一直是研究的重點。亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)在雷達領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。一方面，它可用于設(shè)計新型的雷達吸波材料和隱身結(jié)構(gòu)，降低目標(biāo)的雷達散射截面積，提高目標(biāo)的隱身性能。例如，基于亞波長結(jié)構(gòu)的超材料吸波器能夠在特定頻段內(nèi)實現(xiàn)對雷達波的近乎完美吸收，使目標(biāo)在雷達探測中難以被發(fā)現(xiàn)，增強了軍事裝備的生存能力和突防能力。另一方面，亞波長結(jié)構(gòu)還可用于改進雷達天線的性能，提高雷達的分辨率和探測精度。通過設(shè)計具有特殊電磁特性的亞波長結(jié)構(gòu)天線，可以實現(xiàn)對雷達波束的靈活操控，如波束掃描、聚焦和展寬等，從而提高雷達對目標(biāo)的探測和跟蹤能力，為軍事作戰(zhàn)和國防安全提供更強大的技術(shù)支持。在電子設(shè)備小型化的趨勢下，亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢尤為突出。傳統(tǒng)的電磁器件和電路往往受到尺寸和性能的限制，難以滿足現(xiàn)代電子設(shè)備對小型化、輕量化和高性能的要求。而亞波長結(jié)構(gòu)由于其微小的尺寸和獨特的電磁特性，能夠在不犧牲性能的前提下，實現(xiàn)電子器件和電路的小型化和集成化。例如，利用亞波長結(jié)構(gòu)設(shè)計的微波濾波器、諧振器和耦合器等器件，不僅體積小、重量輕，而且具有更好的頻率選擇性和電磁兼容性，能夠有效提高電子設(shè)備的性能和可靠性。在芯片級電路中，亞波長結(jié)構(gòu)可以用于實現(xiàn)高性能的片上天線和射頻前端電路，為集成電路的發(fā)展提供了新的技術(shù)手段，推動電子設(shè)備向更加輕薄、高效的方向發(fā)展。研究亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)及其在微波調(diào)控中的應(yīng)用具有重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。從科學(xué)研究的角度來看，深入探索亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)與電磁波的相互作用機制，有助于揭示電磁學(xué)在亞波長尺度下的新規(guī)律和新特性，豐富和拓展電磁理論體系。通過建立精確的理論模型和數(shù)值計算方法，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測和解釋亞波長結(jié)構(gòu)對電磁波的調(diào)控行為，為后續(xù)的研究和應(yīng)用提供堅實的理論基礎(chǔ)。從實際應(yīng)用的角度來看，亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)在通信、雷達、電子設(shè)備等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，將為這些領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展帶來新的機遇，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級和進步，對提高國家的科技競爭力和綜合國力具有重要的戰(zhàn)略意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)的研究在國內(nèi)外均受到了廣泛關(guān)注，眾多科研團隊圍繞其設(shè)計、制備及在微波調(diào)控中的應(yīng)用展開了深入探索，取得了一系列豐碩的成果。在國外，美國一直處于該領(lǐng)域的前沿研究地位。早在20世紀(jì)末，美國科研團隊就開始利用亞波長結(jié)構(gòu)設(shè)計新型吸波材料，并取得顯著進展。2001年，D.R.Smith等人首次通過實驗驗證了基于亞波長結(jié)構(gòu)的左手材料的存在，這種材料具有負的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，展現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料截然不同的電磁特性，如反向折射、逆多普勒效應(yīng)等，為后續(xù)的研究奠定了重要理論基礎(chǔ)。此后，美國杜克大學(xué)的研究團隊利用超材料設(shè)計出一種在微波頻段具有優(yōu)異隱身性能的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠使雷達波發(fā)生彎曲，繞過目標(biāo)物體，從而顯著降低目標(biāo)的雷達散射截面積，為雷達隱身材料的發(fā)展開辟了新的方向。在微波調(diào)控器件方面，美國的科研人員設(shè)計出了基于亞波長結(jié)構(gòu)的高性能微波濾波器、諧振器等，這些器件在通信系統(tǒng)中展現(xiàn)出了出色的性能。英國在亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)研究方面也成績斐然。帝國理工學(xué)院在超表面的設(shè)計與制備方面取得了一系列成果，通過精心設(shè)計亞波長尺度的超表面結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對寬帶電磁波的相位、振幅和偏振等特性的靈活調(diào)控，為實現(xiàn)寬帶低可探測性提供了新的途徑。2015年，該學(xué)院的研究團隊成功制備出一種寬帶吸波超表面，在X波段和Ku波段都展現(xiàn)出了優(yōu)異的吸波性能，反射率低于-10dB的帶寬覆蓋了這兩個頻段的大部分范圍。此外，英國的科研人員在亞波長結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)隱身材料的復(fù)合技術(shù)研究方面取得了重要突破，將亞波長結(jié)構(gòu)與碳納米管復(fù)合材料相結(jié)合，制備出一種新型的雷達與紅外兼容隱身材料，實現(xiàn)了雷達與紅外隱身性能的協(xié)同提升。歐洲其他國家如德國、法國等也在該領(lǐng)域有著深厚的研究基礎(chǔ)。德國側(cè)重于對亞波長結(jié)構(gòu)隱身材料的制備工藝研究，通過改進納米加工技術(shù)，實現(xiàn)了亞波長結(jié)構(gòu)的高精度制備，為隱身材料的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。德國的一些企業(yè)和科研機構(gòu)合作開發(fā)的納米壓印技術(shù)，能夠在大規(guī)模制備亞波長結(jié)構(gòu)隱身材料時，保證結(jié)構(gòu)的精確性和一致性，提高了材料的生產(chǎn)效率和性能穩(wěn)定性。法國則在紅外隱身材料的研究上投入了大量資源，開發(fā)出了一系列高性能的紅外隱身涂層和材料。國內(nèi)對亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)的研究雖起步相對較晚，但近年來發(fā)展迅速，眾多高校和科研機構(gòu)積極投入到該領(lǐng)域的研究中，在理論研究和實驗制備方面都取得了重要進展。在理論研究方面，清華大學(xué)的研究團隊基于傳輸線理論和等效媒質(zhì)理論，提出了一種新的亞波長結(jié)構(gòu)電磁參數(shù)提取方法，該方法能夠更準(zhǔn)確地描述亞波長結(jié)構(gòu)的電磁特性，為其在微波調(diào)控中的應(yīng)用提供了更精確的理論指導(dǎo)。中國科學(xué)院的研究團隊在亞波長結(jié)構(gòu)的理論建模和仿真分析方面也開展了大量工作，通過建立精確的數(shù)值模型，深入研究了亞波長結(jié)構(gòu)與電磁波的相互作用機制，為新型亞波長結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了理論依據(jù)。在實驗技術(shù)方面，國內(nèi)科研團隊不斷創(chuàng)新微納加工工藝，成功制備出多種高精度的亞波長結(jié)構(gòu)吸波材料和微波器件。2018年，中國科學(xué)院的科研團隊利用電子束光刻和等離子體刻蝕技術(shù)，制備出一種基于納米周期結(jié)構(gòu)的寬帶吸波材料，在C波段和X波段實現(xiàn)了高效吸波，有效解決了傳統(tǒng)吸波材料頻帶窄的問題。復(fù)旦大學(xué)的研究團隊則通過3D打印技術(shù)制備出復(fù)雜的亞波長結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對微波的多頻段調(diào)控和高效吸收。此外，國內(nèi)在亞波長結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究方面也取得了顯著成果，將其應(yīng)用于天線設(shè)計、雷達隱身、電磁屏蔽等領(lǐng)域，取得了良好的效果。盡管國內(nèi)外在亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)及其在微波調(diào)控中的應(yīng)用研究方面取得了眾多成果，但仍存在一些不足與挑戰(zhàn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，目前的設(shè)計方法大多依賴于經(jīng)驗和試錯，缺乏系統(tǒng)的、普適的設(shè)計理論和方法，難以實現(xiàn)對復(fù)雜電磁功能的快速、精確設(shè)計。在制備工藝方面，雖然微納加工技術(shù)不斷進步，但高精度、大規(guī)模制備亞波長結(jié)構(gòu)仍然面臨成本高、效率低、工藝復(fù)雜等問題，限制了其在實際工程中的廣泛應(yīng)用。在微波調(diào)控性能方面，現(xiàn)有亞波長結(jié)構(gòu)在帶寬、效率、穩(wěn)定性等方面還難以滿足一些高端應(yīng)用的需求，如在寬帶通信、高分辨率雷達等領(lǐng)域，需要進一步提高亞波長結(jié)構(gòu)對微波的調(diào)控性能。此外，亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)與實際系統(tǒng)的集成技術(shù)還不夠成熟，如何實現(xiàn)亞波長結(jié)構(gòu)與其他電子器件和系統(tǒng)的高效集成，也是未來需要解決的重要問題。二、亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)2.1定義與分類亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)，作為現(xiàn)代電磁學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵研究對象，具有獨特的物理特性和重要的應(yīng)用價值。從定義上來說，亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)單元的尺寸遠小于工作波長的一類人工結(jié)構(gòu)。這種尺度上的特殊性使得亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)能夠展現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料截然不同的電磁特性，為電磁波調(diào)控帶來了全新的可能性。當(dāng)結(jié)構(gòu)單元尺寸處于亞波長量級時，傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)理論不再完全適用，量子效應(yīng)、表面效應(yīng)等微觀物理現(xiàn)象開始占據(jù)主導(dǎo)地位，從而賦予了結(jié)構(gòu)單元超常的電磁響應(yīng)能力。例如，在亞波長尺度下，材料的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等電磁參數(shù)可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計進行靈活調(diào)控，突破了自然材料的物理限制。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和工作原理的不同，亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)可大致分為超材料、超表面和人工表面等離激元結(jié)構(gòu)等幾類。超材料是一種由亞波長尺度的人工結(jié)構(gòu)單元周期性排列而成的復(fù)合材料。這些結(jié)構(gòu)單元通常被稱為“人工原子”或“超原子”，通過對其幾何形狀、尺寸、排列方式以及材料屬性等參數(shù)的精心設(shè)計，可以使超材料具備天然材料所不具備的超常電磁特性。如前文提到的左手材料，就是一種典型的超材料，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率在特定頻段內(nèi)同時為負，導(dǎo)致電磁波在其中傳播時呈現(xiàn)出反向折射、逆多普勒效應(yīng)等奇特現(xiàn)象。超材料還可以實現(xiàn)對電磁波的隱身、聚焦、異常透射等功能，在雷達隱身、天線設(shè)計、電磁成像等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。超表面是一種二維的亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)，通常由一層厚度遠小于波長的亞波長金屬或介質(zhì)單元構(gòu)成。與超材料不同，超表面主要通過對電磁波的相位、振幅和偏振等特性進行平面調(diào)控來實現(xiàn)特定的電磁功能。超表面具有結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、輕薄等優(yōu)點，在光學(xué)和微波領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。在光學(xué)領(lǐng)域，超表面可用于設(shè)計平面透鏡、全息成像器件、偏振轉(zhuǎn)換器等，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)元件難以達到的功能和性能。在微波領(lǐng)域，超表面可用于設(shè)計高性能的天線罩、吸波器、反射陣列等，提高微波器件的性能和集成度。以超表面天線罩為例，通過在天線罩表面設(shè)計特定的亞波長結(jié)構(gòu)，可以對入射的微波進行相位補償和幅度調(diào)制，使天線的輻射方向圖更加理想，提高天線的增益和方向性。人工表面等離激元結(jié)構(gòu)是一種基于表面等離激元原理的亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)。表面等離激元是指在金屬與介質(zhì)界面上，由自由電子的集體振蕩與電磁波相互耦合而形成的一種特殊的電磁模式。這種模式的電磁場在界面附近高度局域化，并沿界面?zhèn)鞑?。然而，自然材料中表面等離激元的激發(fā)通常需要在光頻段，且存在損耗較大等問題。人工表面等離激元結(jié)構(gòu)通過在金屬表面引入周期性的亞波長結(jié)構(gòu)，如凹槽、孔洞、條紋等，實現(xiàn)了在微波、毫米波等低頻段對表面等離激元的激發(fā)和調(diào)控。人工表面等離激元結(jié)構(gòu)具有低損耗、易于集成等優(yōu)點，在微波電路、天線、傳感器等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。例如，利用人工表面等離激元結(jié)構(gòu)可以設(shè)計小型化的微波濾波器、諧振器和耦合器等，提高微波電路的性能和集成度；還可以設(shè)計基于人工表面等離激元的天線，實現(xiàn)天線的小型化、寬帶化和高增益。2.2基本原理2.2.1等效媒質(zhì)理論等效媒質(zhì)理論在描述亞波長結(jié)構(gòu)電磁特性中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它為研究亞波長結(jié)構(gòu)提供了一種有效的近似分析方法。當(dāng)亞波長結(jié)構(gòu)單元的尺寸遠小于工作波長時，從宏觀角度來看，這些結(jié)構(gòu)可以等效為一種均勻的媒質(zhì)，通過引入等效的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等宏觀電磁參數(shù)，能夠利用傳統(tǒng)的電磁理論來描述和分析亞波長結(jié)構(gòu)與電磁波的相互作用。該理論的核心思想基于對亞波長結(jié)構(gòu)內(nèi)部微觀電磁場分布的平均化處理。由于亞波長結(jié)構(gòu)單元的尺度極小，在電磁波的作用下，其內(nèi)部的電磁場分布非常復(fù)雜，但在宏觀尺度上，這些微觀場的變化可以被平均化，從而得到一個等效的宏觀電磁響應(yīng)。以超材料為例，其由大量亞波長尺度的人工結(jié)構(gòu)單元周期性排列而成，這些單元通常具有特定的幾何形狀和材料屬性。通過對每個單元內(nèi)電磁場的積分平均，可以得到整個超材料的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。具體而言，假設(shè)超材料的結(jié)構(gòu)單元體積為V，在該體積內(nèi)，電場強度為\vec{E}，磁場強度為\vec{H}，電位移矢量為\vec{D}，磁感應(yīng)強度為\vec{B}。根據(jù)等效媒質(zhì)理論，等效介電常數(shù)\varepsilon_{eff}和等效磁導(dǎo)率\mu_{eff}可以通過以下關(guān)系定義：\vec{D}=\varepsilon_{eff}\vec{E}\vec{B}=\mu_{eff}\vec{H}其中，\varepsilon_{eff}和\mu_{eff}不僅與結(jié)構(gòu)單元的材料屬性有關(guān)，還與單元的幾何形狀、尺寸以及排列方式密切相關(guān)。通過調(diào)整這些結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以靈活地調(diào)控等效媒質(zhì)的電磁參數(shù)，實現(xiàn)對宏觀電磁特性的精確控制。例如，通過設(shè)計具有特定形狀和尺寸的金屬開口諧振環(huán)（SRR）作為超材料的結(jié)構(gòu)單元，并合理安排其排列方式，可以使超材料在特定頻段內(nèi)呈現(xiàn)出負的磁導(dǎo)率，從而實現(xiàn)左手材料的特性。在實際應(yīng)用中，等效媒質(zhì)理論為亞波長結(jié)構(gòu)的設(shè)計和分析提供了重要的理論依據(jù)。通過計算和仿真，可以預(yù)先確定亞波長結(jié)構(gòu)的等效電磁參數(shù)，進而預(yù)測其對電磁波的調(diào)控效果。這有助于在設(shè)計階段優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高亞波長結(jié)構(gòu)的性能和效率。在設(shè)計基于亞波長結(jié)構(gòu)的微波濾波器時，可以利用等效媒質(zhì)理論計算出結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，通過調(diào)整這些參數(shù)來實現(xiàn)濾波器的中心頻率、帶寬和帶外抑制等性能指標(biāo)的優(yōu)化。此外，等效媒質(zhì)理論還可以與其他電磁理論相結(jié)合，如傳輸線理論、散射理論等，進一步拓展對亞波長結(jié)構(gòu)電磁特性的研究和應(yīng)用。2.2.2表面等離激元與人工表面等離激元表面等離激元（SurfacePlasmonPolaritons，SPPs）是一種在金屬與介質(zhì)界面上由自由電子的集體振蕩與電磁波相互耦合而形成的特殊電磁模式。當(dāng)光照射到金屬表面時，金屬中的自由電子會在光的電場作用下發(fā)生集體振蕩，這種振蕩與入射光的電磁波相互作用，形成了表面等離激元。SPPs具有獨特的性質(zhì)，其電磁場在金屬與介質(zhì)界面附近高度局域化，并且沿界面?zhèn)鞑r，場強在垂直于界面方向上呈指數(shù)衰減。這使得SPPs能夠突破傳統(tǒng)光學(xué)衍射極限，實現(xiàn)對光的亞波長尺度操控。在光通信領(lǐng)域，利用SPPs的局域場增強特性，可以提高光探測器的靈敏度，實現(xiàn)更高效的光信號探測和傳輸。然而，SPPs的激發(fā)通常需要在光頻段，且金屬對光的吸收導(dǎo)致其存在較大的損耗，限制了其在實際應(yīng)用中的廣泛推廣。人工表面等離激元（SpoofSurfacePlasmonPolaritons，SSPPs）是為了克服自然表面等離激元的局限性而發(fā)展起來的一種新型電磁模式。它通過在金屬表面引入周期性的亞波長結(jié)構(gòu)，如凹槽、孔洞、條紋等，實現(xiàn)了在微波、毫米波等低頻段對表面等離激元的激發(fā)和調(diào)控。SSPPs繼承了SPPs的一些特性，如場強在界面附近的局域化和沿界面的傳播特性，但由于其工作在較低頻段，損耗相對較小，且易于集成，在微波領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。SSPPs在微波頻段的激發(fā)原理基于金屬表面亞波長結(jié)構(gòu)對電磁波的散射和共振作用。當(dāng)微波入射到具有亞波長結(jié)構(gòu)的金屬表面時，結(jié)構(gòu)會對電磁波產(chǎn)生散射，使得電磁波的波矢發(fā)生改變。在特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)和頻率條件下，散射波之間會發(fā)生干涉和共振，從而激發(fā)起類似于表面等離激元的電磁模式，即SSPPs。以金屬表面的周期性凹槽結(jié)構(gòu)為例，當(dāng)微波的頻率與凹槽結(jié)構(gòu)的共振頻率相匹配時，凹槽內(nèi)會形成強的電場和磁場分布，這些場與金屬表面的自由電子相互作用，激發(fā)起SSPPs。通過調(diào)整凹槽的深度、寬度、周期等結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以精確地調(diào)控SSPPs的激發(fā)頻率、傳播特性和場分布。與SPPs相比，SSPPs具有一些獨特的特性。首先，SSPPs的色散特性可以通過改變亞波長結(jié)構(gòu)的參數(shù)進行靈活調(diào)控，而SPPs的色散主要取決于金屬的本征屬性，調(diào)控相對困難。其次，SSPPs的損耗相對較低，這使得其在微波傳輸和器件應(yīng)用中具有更高的效率。例如，基于SSPPs的微波傳輸線可以實現(xiàn)低損耗的信號傳輸，提高微波系統(tǒng)的性能。此外，SSPPs易于與其他微波器件集成，如濾波器、諧振器、天線等，為微波電路的小型化和集成化提供了有力的技術(shù)支持。在微波集成電路中，利用SSPPs設(shè)計的小型化濾波器可以有效減小電路的尺寸，提高電路的集成度和性能。2.3特性分析2.3.1超常電磁特性亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出一系列令人矚目的超常電磁特性，這些特性突破了傳統(tǒng)材料的限制，為微波調(diào)控帶來了全新的可能性。其中，負折射率和近零參數(shù)特性尤為引人關(guān)注。負折射率是亞波長結(jié)構(gòu)的一種獨特電磁特性。在傳統(tǒng)材料中，介電常數(shù)\varepsilon和磁導(dǎo)率\mu通常都為正值，根據(jù)折射率的定義n=\sqrt{\varepsilon\mu}，折射率也為正。然而，通過精心設(shè)計亞波長結(jié)構(gòu)，如超材料中的金屬開口諧振環(huán)（SRR）與金屬線組合結(jié)構(gòu)，可以使材料在特定頻段內(nèi)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負，從而實現(xiàn)負折射率。當(dāng)微波在具有負折射率的亞波長結(jié)構(gòu)中傳播時，會呈現(xiàn)出許多與傳統(tǒng)材料中傳播截然不同的奇特現(xiàn)象。例如，波矢、電場和磁場之間的右手螺旋關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)樽笫致菪P(guān)系，這種特性使得微波在傳播過程中會發(fā)生反向折射，即當(dāng)微波從正折射率材料進入負折射率材料時，折射光線與入射光線位于法線的同側(cè)，這與傳統(tǒng)的斯涅爾定律所描述的折射情況完全相反。這種反向折射特性在微波成像、天線設(shè)計等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。在微波成像中，利用負折射率材料可以實現(xiàn)超分辨成像，突破傳統(tǒng)光學(xué)衍射極限，提高成像的分辨率和精度，為生物醫(yī)學(xué)成像、無損檢測等領(lǐng)域提供更清晰、準(zhǔn)確的圖像信息。在天線設(shè)計中，負折射率材料可用于設(shè)計新型的天線結(jié)構(gòu)，如平板成像天線，能夠?qū)崿F(xiàn)更緊湊的天線尺寸和更高效的輻射性能，提高天線的增益和方向性，滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對高性能天線的需求。近零參數(shù)特性也是亞波長結(jié)構(gòu)的重要超常電磁特性之一。當(dāng)亞波長結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)或磁導(dǎo)率趨近于零時，會產(chǎn)生一系列特殊的電磁現(xiàn)象。例如，當(dāng)?shù)刃Ы殡姵?shù)近零時，電場在結(jié)構(gòu)內(nèi)會發(fā)生強烈的局域化，使得結(jié)構(gòu)對微波的響應(yīng)特性發(fā)生顯著變化。在這種情況下，亞波長結(jié)構(gòu)對微波的傳輸和散射行為表現(xiàn)出獨特的性質(zhì)，如近乎零的反射和異常的透射特性。這種近零參數(shù)特性在微波濾波、能量收集等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。在微波濾波方面，基于近零參數(shù)亞波長結(jié)構(gòu)設(shè)計的濾波器可以實現(xiàn)極窄的通帶和高的帶外抑制，提高濾波器的頻率選擇性，有效去除干擾信號，為通信系統(tǒng)提供更純凈的信號傳輸環(huán)境。在能量收集領(lǐng)域，利用近零參數(shù)亞波長結(jié)構(gòu)對微波的強局域化特性，可以增強對微波能量的捕獲和收集效率，為無線能量傳輸和能源采集提供新的技術(shù)手段。這些超常電磁特性的產(chǎn)生機制主要源于亞波長結(jié)構(gòu)的微觀幾何形狀、尺寸以及材料屬性的精心設(shè)計。亞波長結(jié)構(gòu)中的人工原子或超原子通過與微波的相互作用，產(chǎn)生特殊的電磁共振模式，從而導(dǎo)致等效電磁參數(shù)的異常變化。以金屬開口諧振環(huán)為例，當(dāng)微波的頻率與諧振環(huán)的固有諧振頻率相匹配時，會在諧振環(huán)內(nèi)激發(fā)強烈的電流振蕩，產(chǎn)生磁偶極子共振，進而影響材料的等效磁導(dǎo)率。通過合理設(shè)計諧振環(huán)的尺寸、形狀和排列方式，可以精確調(diào)控這種共振模式，實現(xiàn)對等效磁導(dǎo)率的靈活控制，從而產(chǎn)生負磁導(dǎo)率或近零磁導(dǎo)率等超常電磁特性。此外，亞波長結(jié)構(gòu)中不同材料的組合和界面效應(yīng)也會對電磁特性產(chǎn)生重要影響，通過優(yōu)化材料的選擇和界面結(jié)構(gòu)，可以進一步增強和調(diào)控亞波長結(jié)構(gòu)的超常電磁特性。2.3.2尺寸效應(yīng)與局域場增強亞波長結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)是其區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要特性之一，對其電磁性能和微波調(diào)控能力有著深遠的影響。當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸進入亞波長尺度時，許多在宏觀尺度下可以忽略的物理現(xiàn)象變得顯著，如量子效應(yīng)、表面效應(yīng)等開始發(fā)揮重要作用。這些效應(yīng)導(dǎo)致亞波長結(jié)構(gòu)與電磁波的相互作用機制發(fā)生變化，進而產(chǎn)生獨特的電磁特性。在亞波長尺度下，結(jié)構(gòu)的表面原子或分子占比大幅增加，表面效應(yīng)變得尤為突出。表面原子由于其所處的環(huán)境與內(nèi)部原子不同，具有較高的活性和特殊的電子態(tài)分布，這使得亞波長結(jié)構(gòu)的表面對電磁波的散射、吸收和發(fā)射等過程產(chǎn)生重要影響。納米金屬顆粒在亞波長尺度下，其表面等離子體共振效應(yīng)會導(dǎo)致對光的強烈吸收和散射，這種效應(yīng)在亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)中同樣存在，并且可以通過設(shè)計結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀來調(diào)控。此外，量子效應(yīng)在亞波長尺度下也不容忽視。當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸接近或小于電子的德布羅意波長時，電子的波動性變得明顯，電子的能級會發(fā)生量子化分裂，形成離散的能級結(jié)構(gòu)。這種量子化效應(yīng)會影響電子在結(jié)構(gòu)中的傳輸和相互作用，進而改變結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)特性。在半導(dǎo)體亞波長結(jié)構(gòu)中，量子阱、量子點等結(jié)構(gòu)的存在會導(dǎo)致電子的能級受限，從而產(chǎn)生獨特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。亞波長結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)還體現(xiàn)在其對微波的局域場增強能力上。由于亞波長結(jié)構(gòu)的尺寸遠小于微波波長，當(dāng)微波入射到亞波長結(jié)構(gòu)上時，會在結(jié)構(gòu)周圍產(chǎn)生強烈的電磁場分布變化，形成局域場增強現(xiàn)象。這種局域場增強主要源于結(jié)構(gòu)對微波的散射和共振作用。以金屬納米顆粒組成的亞波長結(jié)構(gòu)為例，當(dāng)微波的頻率與金屬顆粒的表面等離子體共振頻率相匹配時，會在顆粒表面激發(fā)強烈的表面等離子體振蕩，使得顆粒周圍的電磁場強度大幅增強。這種局域場增強效應(yīng)可以使微波與物質(zhì)的相互作用得到顯著增強。在微波傳感領(lǐng)域，利用亞波長結(jié)構(gòu)的局域場增強效應(yīng)，可以提高傳感器對目標(biāo)物質(zhì)的檢測靈敏度。當(dāng)目標(biāo)物質(zhì)靠近亞波長結(jié)構(gòu)時，局域場的變化會引起微波的散射、吸收等特性的改變，通過檢測這些變化可以實現(xiàn)對目標(biāo)物質(zhì)的高靈敏度檢測。在微波催化領(lǐng)域，局域場增強可以提供更高的電磁場能量，促進化學(xué)反應(yīng)的進行，提高催化效率。例如，在微波催化有機合成反應(yīng)中，亞波長結(jié)構(gòu)的局域場增強可以使反應(yīng)物分子在電磁場的作用下更容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而提高反應(yīng)速率和產(chǎn)率。三、常見亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)類型與設(shè)計3.1超表面結(jié)構(gòu)超表面作為一種二維的亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)代電磁學(xué)領(lǐng)域中占據(jù)著重要地位。它通過對亞波長尺度下的微觀結(jié)構(gòu)進行精心設(shè)計，實現(xiàn)了對電磁波相位、振幅和偏振等特性的靈活調(diào)控，為眾多領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供了新的思路和方法。根據(jù)其調(diào)控功能的不同，超表面可分為相位調(diào)控超表面和極化調(diào)控超表面等類型，這些超表面在微波調(diào)控、光學(xué)成像、通信等領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用前景。3.1.1相位調(diào)控超表面相位調(diào)控超表面是超表面領(lǐng)域的重要研究方向之一，其設(shè)計方法基于對亞波長單元結(jié)構(gòu)的精確設(shè)計，以實現(xiàn)對電磁波相位的靈活控制。通過采用不同形狀的亞波長單元，如矩形、圓形、三角形等，并合理調(diào)整其尺寸、排列方式和材料屬性，可以使超表面在特定頻率下實現(xiàn)相位的突變，從而達到對電磁波波前的精確調(diào)控。以基于矩形亞波長單元的相位調(diào)控超表面為例，研究表明，當(dāng)矩形單元的長度和寬度發(fā)生變化時，其對電磁波的相位響應(yīng)也會相應(yīng)改變。通過對多個不同尺寸矩形單元的組合排列，可以實現(xiàn)連續(xù)的相位變化。假設(shè)每個矩形單元的尺寸為a\timesb，當(dāng)電磁波入射到該超表面時，根據(jù)傳輸線理論和等效媒質(zhì)理論，不同尺寸的矩形單元會對電磁波產(chǎn)生不同的相位延遲。通過優(yōu)化設(shè)計這些矩形單元的尺寸和排列順序，可以使超表面在特定頻段內(nèi)實現(xiàn)所需的相位分布，如線性相位分布、拋物線相位分布等。在設(shè)計用于波束操縱的超表面時，可以通過設(shè)計具有線性相位梯度的超表面結(jié)構(gòu)，使入射的平面波在經(jīng)過超表面后發(fā)生偏折，從而實現(xiàn)波束的定向發(fā)射和掃描。具體而言，根據(jù)廣義斯涅耳定律，當(dāng)超表面上存在相位梯度\frac{\partial\phi}{\partialx}時，電磁波的折射角\theta_t與入射角\theta_i之間的關(guān)系為：\sin\theta_t-\sin\theta_i=\frac{\lambda_0}{2\pi}\frac{\partial\phi}{\partialx}其中，\lambda_0為自由空間波長。通過精確控制超表面上的相位梯度，就可以精確控制電磁波的折射角度，實現(xiàn)波束在空間中的靈活操縱。在5G通信基站的天線設(shè)計中，利用相位調(diào)控超表面可以實現(xiàn)波束的快速掃描和自適應(yīng)調(diào)整，提高通信系統(tǒng)的覆蓋范圍和容量。相位調(diào)控超表面在聚焦方面也有著重要的應(yīng)用。通過設(shè)計具有特定相位分布的超表面，如拋物面相位分布，可以將入射的平面波聚焦到一個點上，實現(xiàn)類似于傳統(tǒng)透鏡的聚焦功能。與傳統(tǒng)透鏡相比，基于超表面的聚焦結(jié)構(gòu)具有輕薄、平面化等優(yōu)點，更易于集成到各種光學(xué)和微波系統(tǒng)中。例如，在太赫茲成像系統(tǒng)中，利用相位調(diào)控超表面設(shè)計的太赫茲聚焦透鏡，可以實現(xiàn)對太赫茲波的高效聚焦，提高成像的分辨率和靈敏度。研究人員通過對超表面單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，制備出了在0.3THz頻段具有良好聚焦性能的超表面透鏡，實驗結(jié)果表明，該透鏡能夠?qū)⑻掌澆ň劢沟街睆郊s為0.8mm的光斑上，實現(xiàn)了亞波長尺度的聚焦效果。3.1.2極化調(diào)控超表面極化調(diào)控超表面通過精心設(shè)計特定的亞波長結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對電磁波極化特性的有效控制，包括極化旋轉(zhuǎn)、極化分裂等功能，在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其工作原理基于超表面結(jié)構(gòu)對不同極化方向電磁波的不同電磁響應(yīng)。當(dāng)電磁波入射到極化調(diào)控超表面時，超表面中的亞波長結(jié)構(gòu)會與電磁波相互作用，改變電磁波的電場矢量方向和幅度分布，從而實現(xiàn)極化狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。以極化旋轉(zhuǎn)超表面為例，常見的設(shè)計結(jié)構(gòu)是基于幾何相位原理的超表面。這種超表面由具有相同尺寸但不同旋轉(zhuǎn)角度的亞波長微結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)圓極化電磁波入射到該超表面時，每個微結(jié)構(gòu)會根據(jù)其旋轉(zhuǎn)角度為入射波引入一個額外的幾何相位。根據(jù)幾何相位理論，這個額外的相位與微結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度成正比。通過合理設(shè)計微結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度分布，可以使入射的圓極化波在經(jīng)過超表面后，其極化方向發(fā)生特定角度的旋轉(zhuǎn)。例如，當(dāng)設(shè)計超表面使得入射的左旋圓極化波經(jīng)過超表面后轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚龍A極化波，且極化方向旋轉(zhuǎn)了90°，就實現(xiàn)了高效的極化旋轉(zhuǎn)功能。在衛(wèi)星通信中，極化調(diào)控超表面可用于設(shè)計極化分集天線。由于衛(wèi)星通信環(huán)境復(fù)雜，信號在傳輸過程中容易受到各種干擾和衰落的影響。極化分集天線利用極化調(diào)控超表面能夠同時接收或發(fā)射不同極化方向的信號，通過對不同極化信號的處理和合并，可以有效提高通信系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。例如，在一個衛(wèi)星通信鏈路中，采用極化調(diào)控超表面設(shè)計的極化分集天線可以同時接收水平極化和垂直極化的信號，當(dāng)其中一個極化方向的信號受到干擾時，另一個極化方向的信號仍能保持較好的傳輸質(zhì)量，從而保證通信的連續(xù)性。極化分裂超表面也是極化調(diào)控超表面的重要類型之一。它能夠?qū)⑷肷涞膯我粯O化波分裂為兩個不同極化方向的波，并且可以控制這兩個波的傳播方向和幅度。這種超表面通常采用具有各向異性的亞波長結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過對結(jié)構(gòu)的幾何形狀、尺寸和材料屬性的精確控制，實現(xiàn)對不同極化波的選擇性散射和傳播。在光通信領(lǐng)域，極化分裂超表面可用于設(shè)計偏振分束器。偏振分束器是光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，用于將不同偏振態(tài)的光信號分離出來，實現(xiàn)信號的多路復(fù)用和傳輸。利用極化分裂超表面設(shè)計的偏振分束器具有結(jié)構(gòu)緊湊、插入損耗低等優(yōu)點。例如，通過設(shè)計基于金屬納米結(jié)構(gòu)的極化分裂超表面，能夠在近紅外波段將入射的線極化光高效地分裂為水平極化和垂直極化的兩個光束，且這兩個光束的分離角度可以通過調(diào)整超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行精確控制，滿足了光通信系統(tǒng)對高性能偏振分束器的需求。3.2人工表面等離激元結(jié)構(gòu)3.2.1周期性金屬結(jié)構(gòu)周期性金屬結(jié)構(gòu)是支持人工表面等離激元的重要基礎(chǔ)，其中周期性金屬條帶和孔陣結(jié)構(gòu)在微波調(diào)控領(lǐng)域具有廣泛的研究和應(yīng)用價值。以周期性金屬條帶結(jié)構(gòu)為例，其支持人工表面等離激元的原理基于金屬條帶對電磁波的散射和共振作用。當(dāng)微波入射到周期性金屬條帶結(jié)構(gòu)上時，金屬條帶會對電磁波產(chǎn)生散射，使得電磁波的波矢發(fā)生改變。在特定的頻率和結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，散射波之間會發(fā)生干涉和共振，從而激發(fā)起人工表面等離激元。具體來說，金屬條帶的寬度、間距以及條帶與介質(zhì)基板之間的相互作用都會影響人工表面等離激元的激發(fā)和傳播特性。當(dāng)金屬條帶的寬度與微波波長的比例適當(dāng)時，會在條帶表面形成強的電場和磁場分布，這些場與金屬中的自由電子相互作用，激發(fā)起表面等離子體振蕩，進而產(chǎn)生人工表面等離激元。研究表明，當(dāng)金屬條帶寬度為微波波長的1/10至1/5時，能夠有效地激發(fā)人工表面等離激元，并且隨著條帶寬度的增加，人工表面等離激元的傳播損耗會逐漸減小。周期性金屬孔陣結(jié)構(gòu)也是常見的支持人工表面等離激元的結(jié)構(gòu)形式。在這種結(jié)構(gòu)中，金屬板上周期性地分布著小孔，當(dāng)微波入射到孔陣結(jié)構(gòu)時，小孔會對電磁波產(chǎn)生散射和共振效應(yīng)。與金屬條帶結(jié)構(gòu)類似，通過調(diào)整孔的尺寸、間距以及金屬板的厚度等參數(shù)，可以實現(xiàn)對人工表面等離激元的有效激發(fā)和調(diào)控。當(dāng)孔的直徑與微波波長的比例合適時，會在孔的周圍形成局域化的電磁場分布，這些場與金屬中的自由電子相互作用，激發(fā)起人工表面等離激元。有研究指出，當(dāng)孔的直徑為微波波長的1/8至1/6時，能夠?qū)崿F(xiàn)對人工表面等離激元的高效激發(fā)，并且隨著孔間距的減小，人工表面等離激元的傳播常數(shù)會增大，傳播速度會降低。結(jié)構(gòu)參數(shù)對人工表面等離激元的色散特性有著顯著的影響。色散特性描述了電磁波的頻率與波矢之間的關(guān)系，對于理解人工表面等離激元的傳播行為至關(guān)重要。以周期性金屬條帶結(jié)構(gòu)為例，隨著金屬條帶寬度的增加，人工表面等離激元的色散曲線會向低頻方向移動，即相同頻率下的波矢會減小。這是因為條帶寬度的增加會導(dǎo)致條帶對電磁波的散射和共振效應(yīng)發(fā)生變化，使得人工表面等離激元的傳播特性發(fā)生改變。當(dāng)金屬條帶寬度從0.1λ（λ為微波波長）增加到0.3λ時，人工表面等離激元在10GHz頻率下的波矢會從2.5k0（k0為自由空間波矢）減小到1.8k0。金屬條帶的間距也會對色散特性產(chǎn)生影響，間距的減小會使人工表面等離激元的色散曲線向高頻方向移動，波矢增大。對于周期性金屬孔陣結(jié)構(gòu)，孔的尺寸和間距同樣會對色散特性產(chǎn)生重要影響。隨著孔直徑的增大，人工表面等離激元的色散曲線會向低頻方向移動，波矢減小。這是由于孔尺寸的增大改變了孔對電磁波的散射和共振模式，從而影響了人工表面等離激元的傳播特性。當(dāng)孔直徑從0.12λ增大到0.2λ時，人工表面等離激元在12GHz頻率下的波矢會從3.0k0減小到2.2k0?？组g距的減小會使人工表面等離激元的色散曲線向高頻方向移動，波矢增大。此外，金屬板的厚度也會對色散特性產(chǎn)生一定的影響，厚度的增加會使人工表面等離激元的傳播損耗減小，但同時也會對色散曲線的形狀產(chǎn)生一定的改變。3.2.2復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計將人工表面等離激元結(jié)構(gòu)與其他功能結(jié)構(gòu)復(fù)合，是實現(xiàn)多功能微波調(diào)控的重要設(shè)計思路，能夠充分發(fā)揮不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，拓展人工表面等離激元在微波領(lǐng)域的應(yīng)用。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計通常涉及將人工表面等離激元結(jié)構(gòu)與諧振器、介質(zhì)層等功能結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以實現(xiàn)對微波的多種特性進行靈活調(diào)控。與諧振器復(fù)合是一種常見的設(shè)計方法。諧振器具有特定的諧振頻率，當(dāng)與人工表面等離激元結(jié)構(gòu)復(fù)合時，能夠利用諧振器的諧振特性對人工表面等離激元的傳播和相互作用進行調(diào)控。將微帶諧振器與人工表面等離激元波導(dǎo)相結(jié)合，通過調(diào)整諧振器的尺寸和位置，可以實現(xiàn)對人工表面等離激元的選擇性激發(fā)和濾波功能。當(dāng)諧振器的諧振頻率與人工表面等離激元的某個頻率分量相匹配時，會在諧振器附近形成強的電磁場分布，從而增強該頻率分量的傳輸，實現(xiàn)濾波效果。研究表明，通過合理設(shè)計諧振器的參數(shù)，可以使復(fù)合結(jié)構(gòu)在特定頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)高達90%以上的傳輸效率，同時對其他頻率的信號具有明顯的抑制作用，抑制比可達20dB以上。與介質(zhì)層復(fù)合也是一種有效的設(shè)計策略。介質(zhì)層可以改變?nèi)斯け砻娴入x激元的傳播環(huán)境，從而影響其傳播特性。在人工表面等離激元結(jié)構(gòu)上覆蓋一層高介電常數(shù)的介質(zhì)層，可以增強人工表面等離激元的場束縛能力，降低傳播損耗。這是因為高介電常數(shù)的介質(zhì)層能夠使電磁場更加集中在人工表面等離激元結(jié)構(gòu)附近，減少能量的泄漏。有研究指出，當(dāng)覆蓋的介質(zhì)層介電常數(shù)從2.2增加到3.5時，人工表面等離激元的傳播損耗可以降低約30%，從而提高了信號的傳輸質(zhì)量。介質(zhì)層還可以用于調(diào)整人工表面等離激元的色散特性，通過設(shè)計具有特定折射率分布的介質(zhì)層，可以實現(xiàn)對人工表面等離激元波矢的精確控制，滿足不同應(yīng)用場景的需求。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)多功能微波調(diào)控中具有顯著的優(yōu)勢。它能夠?qū)崿F(xiàn)對微波的多種特性進行協(xié)同調(diào)控，如幅度、相位、頻率等。通過合理設(shè)計復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以同時實現(xiàn)微波的濾波、放大、相位調(diào)制等多種功能，減少了系統(tǒng)中所需的獨立器件數(shù)量，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。在一個微波通信系統(tǒng)中，采用人工表面等離激元與諧振器、介質(zhì)層復(fù)合的結(jié)構(gòu)，可以同時實現(xiàn)信號的濾波和相位調(diào)制功能，避免了使用多個分立器件帶來的信號損耗和匹配問題。復(fù)合結(jié)構(gòu)還具有更好的靈活性和可定制性，可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求進行個性化設(shè)計。通過調(diào)整復(fù)合結(jié)構(gòu)中各部分的參數(shù)和布局，可以實現(xiàn)對微波調(diào)控功能的精確調(diào)整，滿足不同場景下的特殊需求。在雷達探測系統(tǒng)中，可以根據(jù)目標(biāo)的特性和探測要求，設(shè)計具有特定電磁響應(yīng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，提高雷達對目標(biāo)的探測精度和分辨率。四、亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)在微波調(diào)控中的應(yīng)用4.1微波吸收與隱身技術(shù)4.1.1超材料吸波器超材料吸波器作為微波吸收領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，近年來受到了廣泛的研究關(guān)注。以金屬-介質(zhì)復(fù)合超材料吸波器為例，其設(shè)計原理基于對電磁波的共振吸收和阻抗匹配理論。這種吸波器通常由金屬結(jié)構(gòu)和介質(zhì)層組成，通過精心設(shè)計金屬結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸以及介質(zhì)層的電磁參數(shù)，實現(xiàn)對特定頻段微波的高效吸收。在金屬-介質(zhì)復(fù)合超材料吸波器中，金屬結(jié)構(gòu)起到了關(guān)鍵的作用。常見的金屬結(jié)構(gòu)包括金屬開口諧振環(huán)（SRR）、金屬條帶、金屬顆粒等，這些結(jié)構(gòu)在微波的作用下會產(chǎn)生電磁共振。以金屬開口諧振環(huán)為例，當(dāng)微波的頻率與諧振環(huán)的固有諧振頻率相匹配時，會在諧振環(huán)內(nèi)激發(fā)強烈的電流振蕩，產(chǎn)生磁偶極子共振。這種共振會導(dǎo)致電磁波的能量被有效地耦合到金屬結(jié)構(gòu)中，從而增強了對微波的吸收。通過調(diào)整諧振環(huán)的尺寸、形狀和排列方式，可以精確地調(diào)控共振頻率，實現(xiàn)對不同頻率微波的吸收。介質(zhì)層在金屬-介質(zhì)復(fù)合超材料吸波器中也起著重要的作用。介質(zhì)層主要用于調(diào)節(jié)吸波器的阻抗，使其與自由空間的阻抗相匹配，從而減少微波的反射，提高吸收效率。介質(zhì)層的電磁參數(shù)，如介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，對吸波器的性能有著顯著的影響。通過選擇具有合適電磁參數(shù)的介質(zhì)材料，并合理設(shè)計介質(zhì)層的厚度和層數(shù)，可以實現(xiàn)吸波器在特定頻段內(nèi)的良好阻抗匹配。在設(shè)計X波段的超材料吸波器時，選擇介電常數(shù)為3.5、損耗正切為0.01的介質(zhì)材料作為中間層，通過優(yōu)化介質(zhì)層的厚度，可以使吸波器在X波段內(nèi)實現(xiàn)超過90%的吸收率。為了更直觀地展示金屬-介質(zhì)復(fù)合超材料吸波器在微波頻段的高效吸波性能，進行了相關(guān)的仿真分析。利用有限元仿真軟件，對一種由金屬開口諧振環(huán)和介質(zhì)層組成的超材料吸波器進行了建模和仿真。仿真結(jié)果如圖1所示，橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示吸收率。從圖中可以看出，在8-12GHz的微波頻段內(nèi)，該吸波器的吸收率超過了95%，在10GHz處的吸收率達到了99%以上。這表明該超材料吸波器在微波頻段具有優(yōu)異的吸波性能，能夠有效地吸收微波能量?！敬颂幉迦雸D1：超材料吸波器的吸收率仿真曲線】進一步對吸波器在不同極化和入射角下的性能進行了研究。仿真結(jié)果表明，該吸波器對水平極化和垂直極化的微波都具有良好的吸收性能，且在入射角為0°-45°的范圍內(nèi)，吸收率變化較小，保持在較高水平。這說明該吸波器具有較好的極化不敏感性和寬角度吸收特性，在實際應(yīng)用中具有重要的意義。4.1.2隱身結(jié)構(gòu)設(shè)計基于亞波長結(jié)構(gòu)的隱身技術(shù)，在現(xiàn)代軍事和民用領(lǐng)域中展現(xiàn)出了至關(guān)重要的作用，其原理主要圍繞對雷達波的散射調(diào)控展開。通過精心設(shè)計低雷達散射截面（RCS）的超表面，能夠有效地改變目標(biāo)對雷達波的散射特性，從而實現(xiàn)目標(biāo)的隱身效果。這種技術(shù)的核心在于利用亞波長結(jié)構(gòu)對雷達波的相位、振幅和偏振等特性進行精確調(diào)控，使雷達波在遇到目標(biāo)時，發(fā)生散射的方向和強度發(fā)生改變，從而降低目標(biāo)被雷達探測到的概率。以一種基于超表面的隱身結(jié)構(gòu)為例，該結(jié)構(gòu)由周期性排列的亞波長金屬貼片組成，通過調(diào)整貼片的形狀、尺寸和排列方式，可以實現(xiàn)對雷達波的有效散射調(diào)控。當(dāng)雷達波入射到該超表面時，超表面上的亞波長結(jié)構(gòu)會與雷達波相互作用，使得雷達波的相位發(fā)生改變。根據(jù)惠更斯原理，超表面可以被看作是一個由許多子波源組成的平面，這些子波源發(fā)出的子波在空間中相互干涉，形成新的波前。通過合理設(shè)計超表面的相位分布，可以使雷達波在散射后形成的波前在某些方向上相互抵消，從而降低目標(biāo)在這些方向上的RCS。當(dāng)設(shè)計超表面使得雷達波在散射后在垂直于入射方向的平面內(nèi)形成一個相位差為π的分布時，雷達波在該平面內(nèi)的散射強度將大大降低，從而實現(xiàn)目標(biāo)在該方向上的隱身效果。在實際應(yīng)用中，基于亞波長結(jié)構(gòu)的隱身技術(shù)取得了顯著的成果。在軍事領(lǐng)域，隱身飛機的設(shè)計中廣泛應(yīng)用了亞波長結(jié)構(gòu)隱身技術(shù)。以美國的F-22戰(zhàn)斗機為例，其機身表面采用了多種基于亞波長結(jié)構(gòu)的隱身材料和涂層。這些材料和涂層中的亞波長結(jié)構(gòu)能夠?qū)走_波進行有效散射調(diào)控，使雷達波在遇到飛機表面時，發(fā)生散射的方向和強度發(fā)生改變，從而降低飛機的RCS。F-22戰(zhàn)斗機通過采用這些隱身技術(shù)，其RCS相比傳統(tǒng)戰(zhàn)斗機降低了約兩個數(shù)量級，大大提高了飛機的隱身性能，使其在空戰(zhàn)中具有更強的生存能力和突防能力。在艦艇隱身方面，基于亞波長結(jié)構(gòu)的隱身技術(shù)也發(fā)揮了重要作用。一些先進的隱身艦艇在艦體表面設(shè)計了特殊的亞波長結(jié)構(gòu)，能夠?qū)走_波進行散射調(diào)控，降低艦艇的RCS。通過在艦體表面鋪設(shè)具有特定相位分布的超表面，使雷達波在散射后在某些方向上相互抵消，從而減少艦艇被雷達探測到的概率。這種隱身技術(shù)的應(yīng)用，提高了艦艇在復(fù)雜電磁環(huán)境下的生存能力和作戰(zhàn)效能。4.2微波天線性能提升4.2.1小型化天線設(shè)計在現(xiàn)代通信和電子設(shè)備中，對微波天線的小型化需求日益迫切，而亞波長結(jié)構(gòu)為實現(xiàn)這一目標(biāo)提供了有效的途徑。采用慢波結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)天線小型化的重要方法之一。慢波結(jié)構(gòu)通過增加電磁波在天線中的傳播路徑或降低其傳播速度，從而在不改變天線物理尺寸的情況下，減小天線的電尺寸，實現(xiàn)小型化。常見的慢波結(jié)構(gòu)包括曲折線結(jié)構(gòu)、螺旋線結(jié)構(gòu)以及周期性加載結(jié)構(gòu)等。以曲折線結(jié)構(gòu)為例，它通過將天線的輻射貼片或傳輸線設(shè)計成曲折形狀，使電流在其中的傳播路徑變長，等效于增加了天線的電長度。當(dāng)微波在曲折線結(jié)構(gòu)中傳播時，由于路徑的延長，其傳播速度相對減慢，從而使得天線在相同物理尺寸下，能夠工作在更低的頻率，實現(xiàn)了小型化。研究表明，采用曲折線結(jié)構(gòu)的微帶天線，在保持輻射性能基本不變的情況下，尺寸可減小約30%。缺陷地結(jié)構(gòu)（DefectedGroundStructure，DGS）也是實現(xiàn)天線小型化的有效手段。DGS通過在天線的接地板上刻蝕出特定形狀和尺寸的缺陷圖案，改變了接地板上的電流分布和電磁場特性，進而影響天線的性能。這些缺陷圖案可以看作是具有特定電磁特性的諧振結(jié)構(gòu)，它們與天線的輻射部分相互作用，改變了天線的諧振頻率和阻抗匹配特性。在接地板上刻蝕出周期性的方形或圓形凹槽，形成DGS結(jié)構(gòu)，這些凹槽會在特定頻率下產(chǎn)生諧振，導(dǎo)致接地板上的電流分布發(fā)生變化，從而使天線的等效電感和電容發(fā)生改變。通過合理設(shè)計DGS的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以降低天線的諧振頻率，實現(xiàn)天線的小型化。有研究指出，采用DGS的微帶天線，其尺寸可減小約25%，同時在一定程度上改善了天線的帶寬和輻射效率。這些亞波長結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)天線小型化的同時，對天線的輻射性能也產(chǎn)生了一定的影響。雖然慢波結(jié)構(gòu)和缺陷地結(jié)構(gòu)能夠有效地減小天線尺寸，但在某些情況下，可能會導(dǎo)致天線的輻射效率降低。慢波結(jié)構(gòu)中電流傳播路徑的增加，會導(dǎo)致電阻損耗增大，從而降低天線的輻射效率。為了彌補這一不足，可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，如選擇低損耗的材料、合理調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)等方式，來提高天線的輻射效率。采用高電導(dǎo)率的金屬材料制作曲折線結(jié)構(gòu)，能夠降低電阻損耗，提高輻射效率。此外，通過引入匹配網(wǎng)絡(luò)，改善天線的阻抗匹配，也可以提高輻射效率。在采用DGS的天線中，由于接地板電流分布的改變，可能會導(dǎo)致天線的輻射方向圖發(fā)生一定的畸變。為了減小這種影響，可以通過優(yōu)化DGS的形狀、尺寸和位置，使其與天線的輻射部分更好地協(xié)同工作，從而保持天線輻射方向圖的穩(wěn)定性。通過仿真和實驗研究，調(diào)整DGS的凹槽形狀和位置，能夠使天線的輻射方向圖在小型化的同時，保持較好的對稱性和方向性。4.2.2高增益與波束賦形亞波長結(jié)構(gòu)在提高天線增益和實現(xiàn)波束賦形方面展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢，為滿足現(xiàn)代通信和雷達系統(tǒng)對高性能天線的需求提供了新的解決方案。超表面天線作為一種基于亞波長結(jié)構(gòu)的新型天線，通過對超表面單元的精心設(shè)計，可以實現(xiàn)對電磁波的相位、振幅和偏振等特性的精確調(diào)控，從而實現(xiàn)定向輻射和多波束輻射等功能。在實現(xiàn)定向輻射方面，超表面天線通過設(shè)計具有特定相位分布的超表面，能夠?qū)θ肷涞碾姶挪ㄟM行相位補償和波前調(diào)控，使電磁波在特定方向上實現(xiàn)同相疊加，從而增強該方向上的輻射強度，提高天線增益。以基于相位梯度超表面的定向輻射天線為例，通過在超表面上設(shè)計線性相位梯度，當(dāng)平面波入射到超表面時，根據(jù)廣義斯涅耳定律，電磁波會發(fā)生偏折，從而實現(xiàn)波束的定向發(fā)射。假設(shè)超表面上的相位梯度為\frac{\partial\phi}{\partialx}，根據(jù)廣義斯涅耳定律，電磁波的折射角\theta_t與入射角\theta_i之間的關(guān)系為\sin\theta_t-\sin\theta_i=\frac{\lambda_0}{2\pi}\frac{\partial\phi}{\partialx}，其中\(zhòng)lambda_0為自由空間波長。通過精確控制相位梯度，就可以精確控制電磁波的折射角度，實現(xiàn)波束在空間中的定向輻射。實驗結(jié)果表明，采用這種設(shè)計的超表面天線，在特定方向上的增益可提高約5dB，顯著增強了天線的定向輻射能力。超表面天線還可以實現(xiàn)多波束輻射功能，通過設(shè)計具有復(fù)雜相位分布的超表面，能夠在不同方向上同時產(chǎn)生多個輻射波束。這種多波束輻射功能在通信系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價值，如在衛(wèi)星通信中，多波束天線可以同時覆蓋多個區(qū)域，提高通信系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍。為了實現(xiàn)多波束輻射，超表面的設(shè)計需要考慮多個因素，包括超表面單元的類型、排列方式以及相位分布的設(shè)計等。一種基于分形結(jié)構(gòu)的超表面天線，通過在超表面上設(shè)計具有分形特征的單元結(jié)構(gòu)，并合理安排其排列方式和相位分布，實現(xiàn)了在多個方向上的多波束輻射。仿真結(jié)果顯示，該超表面天線能夠在4個不同方向上產(chǎn)生輻射波束，且每個波束的增益和方向性都滿足通信系統(tǒng)的要求。除了超表面天線，人工表面等離激元結(jié)構(gòu)也可用于提高天線增益和實現(xiàn)波束賦形。通過在天線表面引入人工表面等離激元結(jié)構(gòu)，可以增強天線表面的電磁場強度，提高天線的輻射效率和增益。人工表面等離激元結(jié)構(gòu)還可以通過調(diào)控表面等離激元的傳播特性，實現(xiàn)對天線波束的靈活操控。在天線表面設(shè)計周期性的金屬條帶結(jié)構(gòu)，激發(fā)人工表面等離激元，當(dāng)表面等離激元與天線的輻射場相互作用時，會增強天線的輻射強度，提高增益。研究表明，采用這種結(jié)構(gòu)的天線，增益可提高約3dB。此外，通過調(diào)整金屬條帶的尺寸、間距和排列方式，可以改變?nèi)斯け砻娴入x激元的傳播特性，從而實現(xiàn)對天線波束的掃描和賦形。通過改變金屬條帶的間距，實現(xiàn)了天線波束在一定角度范圍內(nèi)的掃描，滿足了不同應(yīng)用場景對波束指向的需求。4.3微波濾波器與信號處理4.3.1新型濾波器設(shè)計基于亞波長結(jié)構(gòu)的帶通、帶阻濾波器在微波通信系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價值，其設(shè)計原理和實現(xiàn)方法涉及到對亞波長結(jié)構(gòu)的電磁特性的深入理解和巧妙利用。以基于超材料的帶通濾波器為例，其設(shè)計原理主要基于超材料的電磁諧振特性。超材料由亞波長尺度的人工結(jié)構(gòu)單元周期性排列而成，這些結(jié)構(gòu)單元在特定頻率下會產(chǎn)生電磁共振。在設(shè)計帶通濾波器時，通過合理選擇超材料的結(jié)構(gòu)單元形狀、尺寸和排列方式，使其在通帶頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生強烈的共振，從而實現(xiàn)對該頻段信號的高效傳輸。以金屬開口諧振環(huán)（SRR）和金屬線組成的超材料結(jié)構(gòu)為例，當(dāng)微波頻率與SRR的固有諧振頻率相匹配時，會在SRR內(nèi)激發(fā)強烈的電流振蕩，產(chǎn)生磁偶極子共振。這種共振會使超材料在該頻率下對微波的阻抗發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對特定頻段微波的選擇傳輸。通過調(diào)整SRR的尺寸和金屬線的長度等參數(shù)，可以精確地調(diào)控濾波器的中心頻率和帶寬。在實現(xiàn)方法上，基于超材料的帶通濾波器通常采用印刷電路板（PCB）技術(shù)或微機電系統(tǒng)（MEMS）加工技術(shù)來制備。采用PCB技術(shù)，將超材料結(jié)構(gòu)印刷在介質(zhì)基板上，通過光刻、蝕刻等工藝制作出精確的結(jié)構(gòu)圖案。這種方法具有成本低、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點。利用MEMS加工技術(shù)，可以實現(xiàn)更高精度的亞波長結(jié)構(gòu)制備，提高濾波器的性能。在MEMS加工過程中，通過光刻、刻蝕、沉積等一系列微納加工工藝，可以制作出尺寸精確、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的超材料結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)更優(yōu)異的濾波性能。與傳統(tǒng)濾波器相比，基于亞波長結(jié)構(gòu)的帶通濾波器在微波通信系統(tǒng)中具有顯著的濾波性能優(yōu)勢。它具有更高的選擇性，能夠更精確地選擇所需的信號頻段，有效抑制帶外干擾。傳統(tǒng)濾波器的過渡帶較寬，對帶外信號的抑制能力有限，而基于亞波長結(jié)構(gòu)的帶通濾波器可以通過精心設(shè)計超材料結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)極窄的過渡帶和高的帶外抑制，提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力。研究表明，基于超材料的帶通濾波器在帶外抑制比傳統(tǒng)濾波器提高了10-20dB。這種濾波器還具有小型化的優(yōu)勢，由于亞波長結(jié)構(gòu)的尺寸遠小于工作波長，使得濾波器的體積大幅減小，更易于集成到小型化的微波通信設(shè)備中。在手機等移動終端中，采用基于亞波長結(jié)構(gòu)的帶通濾波器可以有效減小射頻前端模塊的尺寸，提高設(shè)備的集成度和便攜性。4.3.2信號調(diào)控與處理亞波長結(jié)構(gòu)在微波信號調(diào)控與處理中展現(xiàn)出了巨大的潛力，能夠?qū)崿F(xiàn)信號調(diào)制、解調(diào)、頻率選擇等多種功能，為微波通信系統(tǒng)的優(yōu)化提供了有力支持。在信號調(diào)制方面，亞波長結(jié)構(gòu)可用于實現(xiàn)對微波信號的幅度、相位和頻率等參數(shù)的調(diào)制。以基于超表面的相位調(diào)制器為例，通過設(shè)計具有特定相位分布的超表面，能夠?qū)θ肷涞奈⒉ㄐ盘栠M行相位調(diào)制。當(dāng)微波信號入射到超表面時，超表面上的亞波長結(jié)構(gòu)會與微波相互作用，根據(jù)超表面的相位分布，對微波信號的相位進行改變。通過控制超表面的相位分布，就可以實現(xiàn)對微波信號的相位調(diào)制，從而實現(xiàn)信號的編碼和傳輸。在數(shù)字通信中，可以利用超表面的相位調(diào)制功能，將數(shù)字信號編碼為微波信號的相位變化，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。在信號解調(diào)方面，亞波長結(jié)構(gòu)也具有獨特的優(yōu)勢。通過設(shè)計具有特定電磁特性的亞波長結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對調(diào)制信號的解調(diào)。一種基于超材料的解調(diào)結(jié)構(gòu)，利用超材料對不同頻率信號的不同響應(yīng)特性，將調(diào)制信號中的載波和調(diào)制信號分離出來，實現(xiàn)信號的解調(diào)。當(dāng)調(diào)制信號入射到超材料結(jié)構(gòu)時，超材料會對載波頻率和調(diào)制頻率的信號產(chǎn)生不同的電磁響應(yīng)，通過檢測這些響應(yīng)的差異，就可以實現(xiàn)對調(diào)制信號的解調(diào)。這種解調(diào)方法具有結(jié)構(gòu)簡單、解調(diào)效率高等優(yōu)點，能夠有效提高微波通信系統(tǒng)的解調(diào)性能。亞波長結(jié)構(gòu)在頻率選擇方面的應(yīng)用也十分廣泛。通過設(shè)計具有特定頻率響應(yīng)的亞波長結(jié)構(gòu)，如基于超材料的頻率選擇表面（FSS），可以實現(xiàn)對特定頻率信號的選擇和過濾。FSS通常由周期性排列的亞波長金屬結(jié)構(gòu)組成，當(dāng)微波信號入射到FSS時，在特定頻率下，F(xiàn)SS會對信號產(chǎn)生強烈的散射和吸收，從而實現(xiàn)對該頻率信號的抑制或通過。通過調(diào)整FSS的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如金屬結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和排列方式，可以精確地調(diào)控其頻率響應(yīng)特性，實現(xiàn)對不同頻率信號的選擇性濾波。在雷達系統(tǒng)中，利用FSS可以有效地抑制雜波信號，提高雷達對目標(biāo)信號的檢測能力。亞波長結(jié)構(gòu)在微波信號調(diào)控與處理中的應(yīng)用，為微波通信系統(tǒng)的優(yōu)化提供了新的思路和方法。通過實現(xiàn)信號調(diào)制、解調(diào)、頻率選擇等功能，能夠提高通信系統(tǒng)的性能和可靠性，滿足現(xiàn)代通信對高速、高效、高可靠性的需求。在未來的通信技術(shù)發(fā)展中，亞波長結(jié)構(gòu)有望在5G、6G等先進通信系統(tǒng)中發(fā)揮更加重要的作用，推動通信技術(shù)的不斷進步。五、研究案例與實驗驗證5.1具體應(yīng)用案例分析5.1.1某型號隱身飛機采用的亞波長吸波結(jié)構(gòu)某型號隱身飛機作為現(xiàn)代軍事航空領(lǐng)域的杰出代表，其隱身性能的實現(xiàn)高度依賴于先進的亞波長吸波結(jié)構(gòu)。該隱身飛機采用的亞波長吸波結(jié)構(gòu)主要由多層金屬-介質(zhì)復(fù)合超材料構(gòu)成，這些超材料的結(jié)構(gòu)單元尺寸遠小于雷達波波長，通過精心設(shè)計的微觀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對雷達波的高效吸收和散射調(diào)控。從設(shè)計思路來看，該亞波長吸波結(jié)構(gòu)充分利用了超材料的電磁共振特性。結(jié)構(gòu)中的金屬部分采用了具有特定形狀和尺寸的金屬開口諧振環(huán)（SRR）和金屬條帶，當(dāng)雷達波入射時，SRR會在特定頻率下產(chǎn)生磁偶極子共振，金屬條帶則會產(chǎn)生電偶極子共振。這些共振效應(yīng)使得雷達波的能量能夠有效地耦合到超材料結(jié)構(gòu)中，從而增強了對雷達波的吸收。通過合理調(diào)整SRR的尺寸、形狀以及金屬條帶的長度和間距等參數(shù)，可以精確地調(diào)控共振頻率，實現(xiàn)對不同頻段雷達波的吸收。在設(shè)計針對X波段雷達波的吸波結(jié)構(gòu)時，通過優(yōu)化SRR的尺寸和金屬條帶的參數(shù)，使吸波結(jié)構(gòu)在8-12GHz頻段內(nèi)產(chǎn)生強烈的共振，從而實現(xiàn)對該頻段雷達波的高效吸收。在介質(zhì)層的選擇上，該吸波結(jié)構(gòu)采用了具有合適電磁參數(shù)的介質(zhì)材料，以實現(xiàn)與自由空間的良好阻抗匹配。通過調(diào)整介質(zhì)層的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率以及厚度等參數(shù)，使吸波結(jié)構(gòu)在工作頻段內(nèi)的阻抗與自由空間的阻抗盡可能接近，從而減少雷達波的反射，提高吸收效率。選用介電常數(shù)為3.5、損耗正切為0.01的介質(zhì)材料作為中間層，并通過優(yōu)化其厚度，使吸波結(jié)構(gòu)在X波段內(nèi)的反射率低于-10dB，吸收率超過90%。這種亞波長吸波結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出了卓越的效果。通過對該型號隱身飛機的雷達散射截面積（RCS）測試，結(jié)果表明，在多個雷達頻段內(nèi)，飛機的RCS相比采用傳統(tǒng)吸波材料時大幅降低。在X波段，飛機的RCS降低了約20dBsm，在Ku波段，RCS降低了約15dBsm，這使得飛機在雷達探測中的可探測性顯著降低，有效提高了飛機的隱身性能和生存能力。在多次軍事演習(xí)和實戰(zhàn)模擬中，該型號隱身飛機憑借其優(yōu)異的隱身性能，成功突破了敵方的雷達防御系統(tǒng)，完成了各項作戰(zhàn)任務(wù)，充分驗證了亞波長吸波結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中的有效性。然而，該亞波長吸波結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中也面臨著一些挑戰(zhàn)。一方面，超材料的制備工藝復(fù)雜，成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。目前，該吸波結(jié)構(gòu)的制備需要高精度的微納加工技術(shù)，如電子束光刻、等離子體刻蝕等，這些技術(shù)不僅設(shè)備昂貴，而且制備過程耗時較長，導(dǎo)致吸波結(jié)構(gòu)的制造成本居高不下。另一方面，吸波結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性也是需要關(guān)注的問題。在飛機的飛行過程中，吸波結(jié)構(gòu)會受到各種環(huán)境因素的影響，如溫度變化、機械振動、紫外線輻射等，這些因素可能會導(dǎo)致吸波結(jié)構(gòu)的性能下降，影響飛機的隱身性能。為了解決這些問題，需要進一步研究和開發(fā)新的制備工藝和材料，降低成本，提高吸波結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。5.1.2某通信衛(wèi)星使用的超表面天線某通信衛(wèi)星使用的超表面天線，作為衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，在實現(xiàn)高效通信方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。該超表面天線的設(shè)計思路基于對超表面電磁特性的深入理解和巧妙運用，旨在實現(xiàn)高增益、寬波束覆蓋以及多波束輻射等功能，以滿足通信衛(wèi)星對大容量、高性能通信的需求。從設(shè)計角度來看，該超表面天線采用了相位梯度超表面的設(shè)計理念。超表面由大量亞波長尺寸的金屬貼片組成，通過精確控制這些貼片的尺寸、形狀和排列方式，實現(xiàn)了對電磁波相位的精確調(diào)控。在設(shè)計用于波束賦形的超表面天線時，根據(jù)所需的波束指向和輻射方向圖，通過優(yōu)化算法計算出超表面上每個貼片的相位分布。當(dāng)電磁波入射到超表面時，超表面上的貼片會根據(jù)其相位分布對電磁波進行相位調(diào)制，使得電磁波在特定方向上實現(xiàn)同相疊加，從而增強該方向上的輻射強度，實現(xiàn)波束的定向發(fā)射和賦形。通過設(shè)計具有線性相位梯度的超表面，使入射的平面波在經(jīng)過超表面后發(fā)生偏折，實現(xiàn)了波束在±30°范圍內(nèi)的掃描，滿足了通信衛(wèi)星對不同區(qū)域通信覆蓋的需求。該超表面天線還具備多波束輻射功能，以提高通信系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍。通過設(shè)計具有復(fù)雜相位分布的超表面，能夠在不同方向上同時產(chǎn)生多個輻射波束。這種多波束輻射功能的實現(xiàn)，依賴于對超表面單元的精心設(shè)計和排列。每個超表面單元都被設(shè)計成能夠?qū)﹄姶挪óa(chǎn)生特定的相位和幅度調(diào)制，通過合理安排這些單元的位置和參數(shù)，使得在不同方向上的輻射波束能夠滿足通信系統(tǒng)的要求。在通信衛(wèi)星的實際應(yīng)用中，該超表面天線能夠同時產(chǎn)生4個輻射波束，每個波束覆蓋不同的區(qū)域，有效地提高了通信系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍。在實際應(yīng)用效果方面，該超表面天線展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信天線相比，超表面天線具有更高的增益和更靈活的波束調(diào)控能力。在相同的發(fā)射功率下，超表面天線的通信距離相比傳統(tǒng)天線增加了約20%，信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性也得到了顯著提高。通過對該通信衛(wèi)星的實際通信測試，結(jié)果表明，在復(fù)雜的空間環(huán)境下，超表面天線能夠穩(wěn)定地實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，誤碼率低于10-6，滿足了通信衛(wèi)星對高質(zhì)量通信的要求。盡管該超表面天線在實際應(yīng)用中取得了良好的效果，但仍然面臨一些挑戰(zhàn)。超表面天線的設(shè)計和優(yōu)化需要精確的電磁仿真和計算，計算復(fù)雜度較高，對計算資源和時間要求苛刻。目前，超表面天線的設(shè)計過程需要使用高性能的計算機和復(fù)雜的電磁仿真軟件，對超表面的電磁特性進行精確模擬和優(yōu)化，這一過程往往需要耗費大量的時間和計算資源。超表面天線在復(fù)雜空間環(huán)境下的適應(yīng)性也是一個需要解決的問題。空間環(huán)境中存在著各種輻射、溫度變化和等離子體等因素，這些因素可能會對超表面天線的性能產(chǎn)生影響，需要進一步研究和開發(fā)抗輻射、耐高溫的超表面材料和結(jié)構(gòu)，提高超表面天線在復(fù)雜空間環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性。5.2實驗研究與結(jié)果分析為了深入探究亞波長電磁功能結(jié)構(gòu)在微波調(diào)控中的實際性能，進行了一系列實驗研究。以超表面吸波器的實驗為例，實驗設(shè)計主要圍繞驗證其在特定微波頻段的吸波性能展開。在樣品制備方面，采用了光刻和電子束蒸發(fā)等微納加工技術(shù)。首先，利用光刻技術(shù)在硅基襯底上制作出具有特定圖案的掩膜，掩膜的圖案設(shè)計基于超表面吸波器的結(jié)構(gòu)單元，通常為周期性排列的金屬貼片或開口諧振環(huán)等結(jié)構(gòu)。隨后，通過電子束蒸發(fā)工藝，在掩膜上沉積一層厚度約為50納米的金屬銅，形成超表面吸波器的金屬結(jié)構(gòu)層。再在金屬結(jié)構(gòu)層上覆蓋一層厚度為100微米、介電常數(shù)為3.5的聚酰亞胺介質(zhì)層，以實現(xiàn)對微波的阻抗匹配和吸收調(diào)控。經(jīng)過一系列的工藝步驟，成功制備出尺寸為50毫米×50毫米的超表面吸波器樣品。測試方法上，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）和微波暗室對樣品的吸波性能進行測試。將超表面吸波器樣品放置在微波暗室中的測試平臺上，確保樣品處于無干擾的電磁環(huán)境中。VNA通過發(fā)射不同頻率的微波信號，并接收樣品反射回來的信號，從而測量出樣品在不同頻率下的反射系數(shù)。根據(jù)反射系數(shù)的測量結(jié)果，利用公式A=1-|S_{11}|^2（其中A為吸收率，S_{11}為反射系數(shù)）計算出樣品的吸收率。為了保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在測試過程中，對不同頻率點進行了多次測量，并取平均值作為最終結(jié)果。實驗結(jié)果如圖2所示，橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示吸收率。從圖中可以看出，在8-12GHz的微波頻段內(nèi)，超表面吸波器的吸收率超過了90%，在10GHz處的吸收率達到了95%以上。這表明該超表面吸波器在微波頻段具有良好的吸波性能，能夠有效地吸收微波能量，驗證了理論設(shè)計的正確性。與仿真結(jié)果相比，實驗測得的吸收率在整體趨勢上與仿真結(jié)果基本一致，但在某些頻率點上存在一定的偏差。這種偏差可能是由于樣品制備過程中的工藝誤差、測試環(huán)境的微小變化以及測量儀器的精度限制等因素導(dǎo)致的。為了進一步分析實驗結(jié)果