微波超天线技术的研究与发展
导言
信息科学与技术（information science and technology , IST）已经深刻地改变了我们的社会和生活。随着计算机科学和超大规模集成电路（very-large scale integration, VLSI)技术的飞速发展，无线技术作为信息科学与技术的物理基础，在过去30年里得以蓬勃发展。由于固有的物理局限性，天线技术作为无线系统的关键技术之一，其创新正面临着严峻的挑战。同时，系统急需性能更强、功能
毫无疑问，作为一种硬件器件，天线的设计主要受制于制造电磁波（EMW）辐射器材料的电特性。而这类材料在辐射器周围时，会严重影响天线的辐射性。自1887年赫兹在电磁波实验中首次使用金属天线以来，主流的辐射结构一直基于少数几种金属材料，而支撑材料主要为低电阻损耗的介电材料。金属和介电材料简单且有限的电特性支撑着天线的基本性能。 在过去的一个世纪里，人们一直致力于研究具有超越传统金属电特性的材料。在20世纪40年代，人们发现电磁波在人造微波结构中的特性与在天然材料中发现的特性截然不同，这是因为其独特的电磁特性，譬如，有效折射率小于单位值。这一发现引起了人们对人造电介质研究和设计的兴
空中鼠标>cag趣。之后的所有研究都是围绕微波频段特定的天线技术而展开。
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1）超构材料。直到20世纪90年代末，人们才对人造材料重新进行了更多的理论研究，以期实现更广泛的技术覆盖。通常，电磁超构材料（metamaterial，MTM）是指人为设计的、能够产生自然界中从未发现的独特电磁特性的结构。总的来说，超构材料仍然以天然材料为基础，但其电磁特性，如介电常数ε、磁导率μ或折射率n均超越现有的天然材料。这一物理概念最早由Kock [2]在20世纪40年代提出，是一种带有金属透镜天线的人造电介质。在20世纪60年代，Veselago 在数学上将这一概念扩展到负折射率（介电常数和磁导率同时为负）。到20世纪90年代末和21世纪初，Pendry等[4]和Shelby等 [5]提出并经过实验验证了负折射率。自此之后，我们有机会领略到过去25年里这一革命性电磁研究的新浪潮。
2）超构表面。根据超构材料的概念，电磁超构表面（MTS）可以看作为一种二维的超构材料结构。通常，超构表面是指具有较小电学厚度和具有二维周期性的散射体阵
列。然而，若将超构表面视为电磁器件，笔者更倾向于将其定义为一种由二维极化单胞阵列构成的电磁结构。事实上，超构表面不一定是周期结构。与用介电常数、磁导率等材料特性来描述的超构材料不同，超构表面是以电磁波的传播特性，如透射、反射等参数来表征。在其电尺寸发生变化时，超构表面中的单胞充当“原子”“散性散射体”或loquet-Bloch结构”。超构表面主要用于操控穿过表面或经表
青岛小港面反射的电磁波的相位、振幅和极化，并控制表面波在材料表面进行传播。为进一步提升单层设计的性能，可将超构表面进行多层化设计。
此外，还可将超构表面视为电磁问题的边界，如图1所示。在该电磁问题中，两个区域中的任意场由一个虚构的闭合曲面S分隔。两组电场和磁场分别位于区域1和区域2中。运用Schelkunoff的等效原理来定义S面上满足边界条件的等效电磁表面电密度Js和磁密度Ms，如图1（a）所示。
图 1 超构材料Schelkunoff表面和超构表面
Figure 1. Metamaterial Schelkunoff's surface and
metasurface
例如，如图1（b）所示，对于透射超构表面，区域1中的总电场和总磁场E1(即Ei+Er)和H1( 即Hi+Hr)被称为源，其中Ei和Hi表示入射波，Er和Hr代表经S面的反射波。同时，可通过物理改变2区中所需透射波E2和H2的表面边界条件来人为地设计虚构Schelkunoff表面的Js和Ms。具有设计边界条件的物理表面可被视为一个超构表面。因此，超构表面可以用控制电磁波器件的电磁透射和反射来表示。
2. 超构表面的特性和功能
在天线工程中，将超构表面建模为二维面的器件比较方便。例如，超构表面早期被认为是“薄膜”。通常，超构表面作为一种二维阵列，是由单胞以固定的周期均匀排列构成。通过改变单胞的尺寸、形状和方向，可在超构表面上实现需要的相移、振幅甚至极化等参数目标。
作为一种周期阵列，超构表面可以通过多种方式来表征和设计。在天线设计中，首先，根据著名的天线理论或光学原理，可将超构表面设计为所需的相移、振幅或极化分布，从而保证目标性能。其次，可将单胞设计成具有上述相移、振幅或极化的单个器件。第三，根据单胞对频率的参数响应来选择或设计单胞，且可通过改变单胞的尺寸或方向来获得该参数响应。第四，利用表征的单胞，以固定的周期生成第一步确定的具备所需参数分布的表面。最后，采用全波电磁
法对该表面的性能进行评估，以确保其实现目标性能。
在超构表面设计中，如何快速、准确地对单胞进行表征至关重要。通常，在透射和反射的振幅和相位方面，会使用散射参数（S11，S21）来表征单胞，并具备特定的极化特性。
对超构表面中的单胞进行参数提取。例如，在矩形单胞阵列形成的超构表面中，单胞的尺寸是两个方向上周期p1乘以周期p2。4条边界是通过周期性边界条件来实现，例如一对理想磁导体（PMC）和一对理想电导体（PEC）可以在某些情况下用来模拟周期性边界条件。如图2（a）所示，设置两个波导端口。因此，类似于两端口网络的设置可模拟平面入射波下无限平面二维周期阵列中的一个单胞。采
私有化五月槐花香主题曲用上述方法，利用任何电磁仿真软件，均可获得任意极化、任意入射角的平面波照射下，所需带宽内超构表面的透射和反射响应。
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