电磁波是信息的载体，探讨对其空间分布及传播方向的精确人工调控，是当代电磁学领域的研究热点，也是探索现代通信及先进雷达系统应用攻克的关键技术之一。本项目自2010年始，在国家自然科学基金、教育部博士点基金等资助下，探讨面向解决电磁波精确人工调控问题的超材料理论，并研究三维超材料及二维超表面在微波波段的应用，取得以下原创性成果： 1、揭示微波波段超表面的相位突变激发机理，并基于二维超薄超表面实现电磁波传播方向及空间能量分布的多种调控。包括：首次提出基于相位突变超表面的微波波段超薄双极化透镜、非共面折射透镜并阐明其作用机制；首次发现了超表面的磁耦合与相位突变能量利用率间的内在联系；提出增强相位突变工作带宽的新方法，促进了平面化小型化通信系统射频器件的工程转化。 2、以光学变换理论作为超材料等效本构参数与电磁波传播特性的纽带，针对电磁波人工调控的特定需求，设计并提出实现特殊功能的新型微波器件。包括：提出简化参数的电磁能量集中器；针对异位波导间电磁能量高效传输，提出无反射传输异位波导连接器，为新型微波器件的构造提供了实例。 3、发现了超材料在微波段的电磁感应透明(EIT)效应，从而利用类EIT效应超材料对电磁波的传播模式和传播方向进行更为有效的控制。包括：提出了极化无关EIT效应超材料；利用EIT效应中暗态模式对亮态模式的修饰作用，构造了多种低损耗磁响应EIT超材料单元，利用这些单元结构实现了如空间滤波器、平面极化器等多种微波新功能器件的设计。 4、发现了超材料单元对局域电磁场的束缚效应，由此设计出宽带极化无关吸波材料：利用对称结构超材料单元构造局部"磁回路陷阱"，进而通过集总器件将束缚电磁能量转化为阻抗耗散热能。这一研究成果可以将多个谐振模式的组合来拓展吸波材料工作带宽，使其覆盖整个K波段及Ku波段的，峰值吸收率高达98.37%。 5、通过有源器件与超材料的有机结合，发明了高效率圆极化电控扫描漏波天线：大幅度提高了漏波天线的波束扫描角度范围，天线增益在波束扫描的过程中保持11dB以上，圆极化稳定度好，是ETC系统中的固定波束天线的理想替代产品，提高数据传输效率。 本项目大部分研究成果为国内外率先报道，补充完善了超材料电磁特性激发的相关理论，为解决电磁波精确人工调控问题奠定了基础；引领了微波波段相位突变超表面、EIT超材料、基于变换光学的微波器件设计等领域的研究方向，提高了我国在该研究领域的学术地位。

哈尔滨工业大学

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