第品 loumal of s 陕西理工大学学报（自然科学版） Edition】 a.2017 [文章编号]2096-3998(2017)05-0086-07 超材料在可重构电磁学中的应用与发展 袁鹏亮2，史朝 (1.庆图跟业技术学院能顺工程系，甘肃庆图了45000 2.西北工业大学电子信息学院，陕西西安710129： 3.成都信息工程大学电子工程学院，四川成都610103 摘要]介绍了超材料在微波(0.3-300GH)、太赫兹(0.3-100TH和近红外频段(100 ~790T,)中的可重构电磁学的调控方法和研究现状，并依照功能分类，对在可重构电磁学方 面的应用分别做了综合性归钠描述，最后对其在可重构电磁学方向的未来可能的发展趋势做 了讲一步的展望。 「关键词]超材料： 可重构：发展趋势 [中图分类号] 0441.6 [文献标识码]A 超材料(Metamaterial)是可用于工程的但自然界不存在的一种材料，又叫“异向介质”“超电磁介 质”或“特异电磁介质”，主要由复合材料以一定的方式重复排列形成，尺度上比涉及的波长更小。超材 料的特性不是来自基本材料的特性，而是他们新设计的结构 ,通过外形、尺寸和排列方式等的精确设 能给超材料操纵电磁波的超级特性，通过吸收、增强、或波形弯曲，可以获得传统材料所不具备的益处 怡当设计的超材料可以以一定的方式影响电磁辐射波或声波，这在一般材料中是做不到的。 超材料的出现迄今为止己有几十年，尤其是对于特定的波长有负折射率，这一现象引起工业界和学 术界的广泛兴趣，超材料相关科学研究成果已有3次被《科学》杂志评选为年度十大科技突破。超材 料介质具有从负到正的折射率，其中包括零折射率。并以其低成本 需要，目前己使用在透镜、天线、天线罩和频率选择性表面等设计中两足多 多种的成本、尺寸和性能的 。特别是在引入自然界不存在的 场操控特性的工程材料之后，应用更趋广泛。最韧，具有奇异电磁特性的超材料主要通过有序的亚 波长谐振器实现，这使新型电磁器件的制造成为可能，包括高增益小天线、完美透镜、小型滤波器以及功 率分配器、隐身斗篷、吸收器、波操纵表面和小型极化器， 随着技术的发展以及系统需求的不断提高，对系统的要求越来越高。不仅要求系统具有稳定的传 输性能，而且要求系统能在多频率段工作，有多种工作模式，同时，又能满足体积质量较小、制造成本较 低的目标要求。基于这样的要求，20世纪80年代初提出了可重构系统的概念。可重构系统可以使 个系统工作在多种期望的模式下，能做到随时切换状态，可以看出， 一个可重构的系统黄可以完成以前 多个系统设备才能实现的多模式工作，这就有效地实现了系统的有效分集。国内主要对可重 天线做 了一定的研究，这方面王秉中6幻做了早期的许多研究工作，并取得了一定的成果。当超材料出现之后， 5他日▣.20120504 4多同口图.20170g07 基金项目：国家白然科学基会资助项目(41505031)：甘肃含高等学校科研项目(2016B190) 作者简介：表鹏亮(1980一)，男，甘肃省庆阳市人，庆阳职业技术学院讲师，西北工业大学博士研究生，主要研究方向为 列天线优化与逆向设计，F通信：史朝(1981一)，男，河北省保定巾人，成都信息工程大学刷教授，博土，主要研究方向为 多普雷达信号信息处理。 6. 1994-2018 China Aeademic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
2017 年 10 月 陕西理工大学学报( 自然科学版) Oct． 2017 第 33 卷第 5 期 Journal of Shaanxi University of Technology (Natural Science Edition) Vol． 33 No． 5 ［文章编号］2096 － 3998(2017)05 － 0086 － 07 超材料在可重构电磁学中的应用与发展 袁鹏亮1，2 ， 史 朝3 (1． 庆阳职业技术学院 能源工程系，甘肃 庆阳 745000; 2． 西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710129; 3． 成都信息工程大学 电子工程学院，四川 成都 610103) ［摘 要］ 介绍了超材料在微波( 0． 3 ～ 300 GHz) 、太赫兹( 0． 3 ～ 100 THz) 和近红外频段( 100 ～ 790 THz) 中的可重构电磁学的调控方法和研究现状，并依照功能分类，对在可重构电磁学方 面的应用分别做了综合性归纳描述，最后对其在可重构电磁学方向的未来可能的发展趋势做 了进一步的展望。 ［关 键 词］ 超材料; 可重构; 发展趋势 ［中图分类号］ O441． 6 ［文献标识码］ A 收稿日期: 2017-05-04 修回日期: 2017-08-07 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(41505031);甘肃省高等学校科研项目(2016B-190) 作者简介: 袁鹏亮(1980—)，男，甘肃省庆阳市人，庆阳职业技术学院讲师，西北工业大学博士研究生，主要研究方向为阵 列天线优化与逆向设计、ＲF 通信;史朝(1981—)，男，河北省保定市人，成都信息工程大学副教授，博士，主要研究方向为 多普勒雷达信号信息处理。 超材料(Metamaterial)是可用于工程的但自然界不存在的一种材料，又叫“异向介质”“超电磁介 质”或“特异电磁介质”，主要由复合材料以一定的方式重复排列形成，尺度上比涉及的波长更小。超材 料的特性不是来自基本材料的特性，而是他们新设计的结构。通过外形、尺寸和排列方式等的精确设计 能给超材料操纵电磁波的超级特性，通过吸收、增强、或波形弯曲，可以获得传统材料所不具备的益处。 恰当设计的超材料可以以一定的方式影响电磁辐射波或声波，这在一般材料中是做不到的。 超材料的出现迄今为止已有几十年，尤其是对于特定的波长有负折射率，这一现象引起工业界和学 术界的广泛兴趣，超材料相关科学研究成果已有 3 次被《科学》杂志评选为年度十大科技突破［1］。超材 料介质具有从负到正的折射率，其中包括零折射率。并以其低成本、可满足多种的成本、尺寸和性能的 需要，目前已使用在透镜、天线、天线罩和频率选择性表面等设计中［2-3］。特别是在引入自然界不存在的 场操控特性的工程材料之后，应用更趋广泛［4-5］。最初，具有奇异电磁特性的超材料主要通过有序的亚 波长谐振器实现，这使新型电磁器件的制造成为可能，包括高增益小天线、完美透镜、小型滤波器以及功 率分配器、隐身斗篷、吸收器、波操纵表面和小型极化器。 随着技术的发展以及系统需求的不断提高，对系统的要求越来越高。不仅要求系统具有稳定的传 输性能，而且要求系统能在多频率段工作，有多种工作模式，同时，又能满足体积质量较小、制造成本较 低的目标要求。基于这样的要求，20 世纪 80 年代初提出了可重构系统的概念。可重构系统可以使一 个系统工作在多种期望的模式下，能做到随时切换状态，可以看出，一个可重构的系统就可以完成以前 多个系统设备才能实现的多模式工作，这就有效地实现了系统的有效分集。国内主要对可重构天线做 了一定的研究，这方面王秉中［6-7］做了早期的许多研究工作，并取得了一定的成果。当超材料出现之后， · 68 ·
第5期 袁期亮，史朝超材料在可重构电磁学中的应用与发展 其良好的性能表现引起了可重构方向研究者的兴趣，并已有诸多的成果发表0。但国内在可重构超 材料方面的研究非常少，仅有可数的几个跟随性的工作2 可调可重构超材料定义为通过自身构成部分的物理或几何性质的变化来影响设备的运行部分，进 而改变超材料的申磁行为。基干超材树的结构实现已有好几种调控机制，例如微机械设各、非线性材 料、液品、微流体和多种半导体结构。目前，己应用在不同种类的无线、有线通信上，可工 在微波、太 兹、中红外、近红外和可见光波段。同时，超材料结构是减少静态超材料重要缺陷的合适方式。事实上 为实现设计超材料的电磁可重构特性，直接方式是在亚波长尺度引入可调器件，这就要牺牲静态结构制 造简易性。这一构想在简易射频设备上最先得到证实，后扩展到其他应用领域和频率范围 在商业设各制造上，可重构超材料的研究发展存在若亚峻的理论、技术排战，表现在灵话性、工作韧 带、效率，实现的复杂性、稳健性、调控速度及价格等问题上。事实上，若要为一个超材料结构提供可雪 构性，就必须引入额外器件或材料，这会影响系统效率、重量和功耗，为此，就需要无线自组网(ADo℃ 控制逻辑。可重构超材料工程目前是一个非常活跃的研究领域，一直在不断发展出新的技术。 在超材料设备的设计中，可重构性选择的物理机制是非常重要的，物理机制影响到最终的性能、成 本、制造复杂程府、尺度大小和结构灵活性。早期，许多可重构招材料是建立在普遍律立的模块基础之 上，例如，开环谐振器(p ,SRR)和互补开环谐振器(c mnlen CSRR)。它们的特性参数适于压控电容或电阻来调整。近年来，在可重构系统的设计过程中己全部利 用ADho心来设计。例如，优化的可调超表面，以及他们的可控子单元。若要取得可重构性，就需要考虑 一些不同的物理因素，比如，可调的模块单元、微机械设备、可控液品（通过热、光和电旁路）、石墨烯和 液态金属等。 1可重构调控方法 可重构的实现方法选择主要取决于目标的工作领率，因此可按频率将可重构调控方法做一区分：微 波(0.3~300GHz)、太赫装兹(0.3~100Tz)和近红外频段(100~790Tz). 1.1微波频段 最早开发的可重构超材料主要在微波频段，这是因为器件的制造和测试比高频段的来得简单，在有 线和无线超材料系统有广泛的适用性。这使得早期的设计者都以静态微波超材料作为制备相应可重构 器件的出发点，而在结构上通过集成成熟技术增强其灵活性。微波烦段的实现方法主要有：可变电容 可变电阻及开关、微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)、机械重构、微流体与液品等。 可变申容方法是通过在结构单元中引入申容值可以调整的可变申容来实现可重构的，因为申容相 的改变可导致须率改变，这样在不同的 率点 实现了可重构。 方法简单、成本低廉且易集成，是实 现 可重构超材料最常用的方法。王东兴网 在阶梯状超材料单元引入可变电容来调节谐振频率，H形单元 组成的可变电容来实现3D超材料可重构，可调工作频率范围9.5~10GHz。江涛利用可变电容用 来调节固定频率上的传播特性，并通过在每层排列的单元上集成一个可变电容构成控制波束的超材料 文种结物的实验定的率在4.9GH2,共由8层构成，每1层有14×36个单元。 可变电容方法存在一些固有缺点，例如，J.卫.Tup血就 实串联R即电阻可导致功率损耗和并联 阻抗可引起在高频段的性能恶化。而且，单元集成对于直流信号分布网络的设计显得过于复杂网 于有大量的控制节点，尤其在3D结构上，在材料上的每个可变电容应用旁路信号来组建网络具有极大 难度。故此，可变电容方式难以施用于大型系统。 在许多文献中超材料结构主要考虑使用集总器件单元（例如，F开关、可变电阻器）来实现，在研 究方法上，借鉴可变电容的原 理通过电流鸿 整以及功耗政变来达到可重构目的 Choi等人提出 种交叉极化的SRR实现双负特性的方法，每4个开关组成 一个SRR单元，把内置开关的SRR插入到 个微带结构中，最终可以实现在5~l0G频率范围带通响应的数字控制。而J.Soricet圆等人在天线 结构覆盖的集成可变电阻的超材料器件上实现了吸收效率可调节。 IES方式主要是利用高速度的RF开关堂现可重构超材料，N。L.Smi山等人明在EMS中再 1994-2018 China Academie Joumal Eleetronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
其良好的性能表现引起了可重构方向研究者的兴趣，并已有诸多的成果发表［8-11］。但国内在可重构超 材料方面的研究非常少，仅有可数的几个跟随性的工作［12-13］。 可调可重构超材料定义为通过自身构成部分的物理或几何性质的变化来影响设备的运行部分，进 而改变超材料的电磁行为。基于超材料的结构实现已有好几种调控机制，例如微机械设备、非线性材 料、液晶、微流体和多种半导体结构。目前，已应用在不同种类的无线、有线通信上，可工作在微波、太赫 兹、中红外、近红外和可见光波段。同时，超材料结构是减少静态超材料重要缺陷的合适方式。事实上， 为实现设计超材料的电磁可重构特性，直接方式是在亚波长尺度引入可调器件，这就要牺牲静态结构制 造简易性。这一构想在简易射频设备上最先得到证实，后扩展到其他应用领域和频率范围［14］。 在商业设备制造上，可重构超材料的研究发展存在着严峻的理论、技术挑战，表现在灵活性、工作频 带、效率、实现的复杂性、稳健性、调控速度及价格等问题上。事实上，若要为一个超材料结构提供可重 构性，就必须引入额外器件或材料，这会影响系统效率、重量和功耗，为此，就需要无线自组网(AD hoc) 控制逻辑。可重构超材料工程目前是一个非常活跃的研究领域，一直在不断发展出新的技术。 在超材料设备的设计中，可重构性选择的物理机制是非常重要的，物理机制影响到最终的性能、成 本、制造复杂程度、尺度大小和结构灵活性。早期，许多可重构超材料是建立在普遍建立的模块基础之 上，例如，开环谐振器(split ring resonators，SＲＲs)和互补开环谐振器(complementary split-ring resonator， CSＲＲ)。它们的特性参数适于压控电容或电阻来调整。近年来，在可重构系统的设计过程中已全部利 用 AD hoc 来设计。例如，优化的可调超表面，以及他们的可控子单元。若要取得可重构性，就需要考虑 一些不同的物理因素，比如，可调的模块单元、微机械设备、可控液晶(通过热、光和电旁路)、石墨烯和 液态金属等。 1 可重构调控方法 可重构的实现方法选择主要取决于目标的工作频率，因此可按频率将可重构调控方法做一区分:微 波(0． 3 ～ 300 GHz)、太赫兹(0． 3 ～ 100 THz)和近红外频段(100 ～ 790 THz)。 1． 1 微波频段 最早开发的可重构超材料主要在微波频段，这是因为器件的制造和测试比高频段的来得简单，在有 线和无线超材料系统有广泛的适用性。这使得早期的设计者都以静态微波超材料作为制备相应可重构 器件的出发点，而在结构上通过集成成熟技术增强其灵活性。微波频段的实现方法主要有:可变电容、 可变电阻及开关、微机电系统(micro-electro-mechanical systems，MEMS)、机械重构、微流体与液晶等。 可变电容方法是通过在结构单元中引入电容值可以调整的可变电容来实现可重构的，因为电容值 的改变可导致频率改变，这样在不同的频率点就实现了可重构。方法简单、成本低廉且易集成，是实现 可重构超材料最常用的方法。王东兴［15］在阶梯状超材料单元引入可变电容来调节谐振频率，H 形单元 组成的可变电容来实现 3D 超材料可重构，可调工作频率范围 9． 5 ～ 10 GHz。江涛［16］利用可变电容用 来调节固定频率上的传播特性，并通过在每层排列的单元上集成一个可变电容构成控制波束的超材料。 这种结构的实验测定的频率在 4． 9 GHz，共由 8 层构成，每 1 层有 14 × 36 个单元。 可变电容方法存在一些固有缺点，例如，J． P． Turpin［9］就证实串联 ＲF 电阻可导致功率损耗和并联 阻抗可引起在高频段的性能恶化。而且，单元集成对于直流信号分布网络的设计显得过于复杂［16］。由 于有大量的控制节点，尤其在 3D 结构上，在材料上的每个可变电容应用旁路信号来组建网络具有极大 难度。故此，可变电容方式难以施用于大型系统。 在许多文献中超材料结构主要考虑使用集总器件单元(例如，ＲF 开关、可变电阻器)来实现，在研 究方法上，借鉴可变电容的原理通过电流调整以及功耗改变来达到可重构目的。J． Choi［17］等人提出一 种交叉极化的 SＲＲ 实现双负特性的方法，每 4 个开关组成一个 SＲＲ 单元，把内置开关的 SＲＲ 插入到一 个微带结构中，最终可以实现在 5 ～ 10 GHz 频率范围带通响应的数字控制。而 J． Soricet［18］等人在天线 结构覆盖的集成可变电阻的超材料器件上实现了吸收效率可调节。 MEMS 方式主要是利用高速度的 ＲF 开关实现可重构超材料。N． J． Smith 等人［19］在 MEMS 中通 · 78 · 第 5 期 袁鹏亮，史朝 超材料在可重构电磁学中的应用与发展
陕西理工大学学报（自然科学版 第33卷 过电路的通/断来达到超材料单元重构或超材料器件的隔离部份。尽管MEMS以高幅度电容调制器的 方式实际工作在微被频段，但由于电容变化足够大以至于能近似看作理想开关。另一个方面，MEMS的 实现常常盂要很高的旁路申压(70150V),这在标准控制系统里一般难以实现。由于生产过程的原 因，截止状态下不同设备间的EMS响应表现出较大变化可。加之嵌入集总元件设计的制造及集成的 成本问题，使得MEMS技术的推广受到局限。 奇异电磁场控制是超材料本身的几何形状以及与电磁入射波的相互作用的共同结果，因此，改变起 材料结构的形状不失为实现可重构特性的一种直接方式四 东南大学崔铁军研究团队的林先其 出基于移动单元的机械可重构超材料的实现方法，即是通过一个位于电介质单元内部的可调高度的细 金属棒来调节超材料片的有效介质参数，调节范用4.0~5.5GHz。J.Naqui画利用微带线机械形变的 方法来实现可重构，这种方法主要是往超材料谐振器埋入微带线，微带线的机械形变可调的频带处于 2.0-3.0GH2,实验表明，机械调节有较好的控制能力，尽管其仅适用于可重构速度相对低的情况。 以，机械可重构在传感器及探测器应用上仍有一定的吸引力· 微流体的方法是利用在超材料结构中注入微流体来实现对场的操控，代表性例子是T.S.Ks- ig四提出的方法，由弹性材料制成的空心微机械材料SRR,谐振器的打开/关闭通过注入水银来控制。 在这种结构中，打开/关闭谐振器完全利用物理上删除超材料谐振器来实现，这避免了常在其他开关机 理的方法中出现的错误诺振。类似的， 给出 一组流体控制的超表面，超表面是由 3×6方形网格超薄膜阵列构成，附着有聚合物流体去离子水的注入/删除管道，这种方法实现了3,6 3.8GHz频率可国范围。 般的液品常工作在高频情况下，向列相液品却可用于可重构超材料的微波频段。这种类流体花 料由柱状分子组成，它的取向由电磁偏置电压、光激励及热渐变决定。利用这些机制，各向异性液晶的 电介质特性可以在较大须率 调节，实现可重构 在要求用复杂控制网路实现可重构材料的时候， 列相的液晶是最佳选择。赵倩提出由一个润周期性SRR阵列的向列相液品构成一个电类可重构超 材料的方法，其调节性能决定于电场偏置，频率范围在200Hz左右 1.2太林越和中红外频段 由于成本、生产复杂性等因素，微波频段的方法仅有很少的几种才能在较大的频率范围应用。因 此，研究重心开始转移到寻求太赫兹和中红外频段的可行方法，太赫兹和中红外频段可重构超材料的设 计最近已经成为一个非常流行的研究方向，主要应用在安全、图像和通信领域。液品、非线性材料、石墨 烯和弹性材料是拉有代表性的方法。 液品的宽带行为表明在太赫兹和近红外频段液品的调控方法是可行的。J.A.Bsd均采用有 向列相液晶的基板上涂覆一层介电球，得到了负、零、正折射率。由于相对介电常数6，在2~4的范 变化，在3.。 ,.0频段介电球就可以实现从负到正的有效介电常数 .随机分布值 这个结果表 明，性能表现相比与微波频段，液品更适宜用在THz频段。由于速度、制造相对简单以及成本上的考 量，在T领段，液晶的控制方法是很有前景的发展方向。 非线性材料方式是基于某些材料在THz频段具有较强的非线性响应。基本原理是：在超材料的在 线中使用非线性介质，介质的电磁响应由通道信号（激光束、渐变的温度等）间接控制。M.D.Gld am提出VO,是一种可行的技术方案。装有SRR 元的V0,构成的块状超材料在0.8~2.4T 段表现出一种指数的渐变，这归因于VO,滞后特性造成的单过渡电脉冲。 石墨烯是由碳原子杂化在蜂巢晶格上形成的一层单原子厚度的薄膜。近来，在T及近红外频段 的可重构超材料中使用广泛，其具有奇异的机械、化学、电气特性，也可以作为Hz及可见光频段的 维各向异性导体。石墨烯在可重构超材料中的主要作用是充当最小化控制导体，导体可以提供静态赶 材料的可调功能。B. 研究了填充石墨烯的不同形状S引 去调制场的幅度和相位。局部可以 调节的石墨烯也可以用在可重构超材料亚波长的超级透镜上。通过调制石墨烯的电导率使得表面波分 化，这种结构已经用在10-30THz的完美透镜上。Arezoomandan S阅提出并讨论了一种基于石墨 烯的高增益可重构超材料，核心部件是周期性奇异金属环谐振器，带有数字指纹，将其放入环之间提供 1004.2018chi Jou al Electronic Publishing House.All rights www.cnki.nc
过电路的通/断来达到超材料单元重构或超材料器件的隔离部份。尽管 MEMS 以高幅度电容调制器的 方式实际工作在微波频段，但由于电容变化足够大以至于能近似看作理想开关。另一个方面，MEMS 的 实现常常需要很高的旁路电压(70 ～ 150 V)，这在标准控制系统里一般难以实现。由于生产过程的原 因，截止状态下不同设备间的 MEMS 响应表现出较大变化［9］。加之嵌入集总元件设计的制造及集成的 成本问题，使得 MEMS 技术的推广受到局限。 奇异电磁场控制是超材料本身的几何形状以及与电磁入射波的相互作用的共同结果，因此，改变超 材料结构的形状不失为实现可重构特性的一种直接方式［20］。东南大学崔铁军研究团队的林先其［21］提 出基于移动单元的机械可重构超材料的实现方法，即是通过一个位于电介质单元内部的可调高度的细 金属棒来调节超材料片的有效介质参数，调节范围 4． 0 ～ 5． 5 GHz。J． Naqui［20］利用微带线机械形变的 方法来实现可重构，这种方法主要是往超材料谐振器埋入微带线，微带线的机械形变可调的频带处于 2． 0 ～ 3． 0 GHz，实验表明，机械调节有较好的控制能力，尽管其仅适用于可重构速度相对低的情况。所 以，机械可重构在传感器及探测器应用上仍有一定的吸引力。 微流体的方法是利用在超材料结构中注入微流体来实现对场的操控，代表性例子是 T． S． Kasiriga［22］提出的方法，由弹性材料制成的空心微机械材料 SＲＲ，谐振器的打开/关闭通过注入水银来控制。 在这种结构中，打开/关闭谐振器完全利用物理上删除超材料谐振器来实现，这避免了常在其他开关机 理的方法中出现的错误谐振。类似的，C． L． Holloway［23］给出了一组流体控制的超表面，超表面是由 3 × 6方形网格超薄膜阵列构成，附着有聚合物流体去离子水的注入/删除管道，这种方法实现了 3． 6 ～ 3． 8 GHz频率可调范围。 一般的液晶常工作在高频情况下，向列相液晶却可用于可重构超材料的微波频段。这种类流体材 料由柱状分子组成，它的取向由电磁偏置电压、光激励及热渐变决定。利用这些机制，各向异性液晶的 电介质特性可以在较大频率范围调节，实现可重构。在要求用复杂控制网络实现可重构材料的时候，向 列相的液晶是最佳选择。赵倩［24］提出由一个润周期性 SＲＲ 阵列的向列相液晶构成一个电类可重构超 材料的方法，其调节性能决定于电场偏置，频率范围在 200 MHz 左右。 1． 2 太赫兹和中红外频段 由于成本、生产复杂性等因素，微波频段的方法仅有很少的几种才能在较大的频率范围应用。因 此，研究重心开始转移到寻求太赫兹和中红外频段的可行方法，太赫兹和中红外频段可重构超材料的设 计最近已经成为一个非常流行的研究方向，主要应用在安全、图像和通信领域。液晶、非线性材料、石墨 烯和弹性材料是较有代表性的方法。 液晶的宽带行为表明在太赫兹和近红外频段液晶的调控方法是可行的。J． A． Bossard［25］采用在 向列相液晶的基板上涂覆一层介电球，得到了负、零、正折射率。由于相对介电常数 εr 在 2 ～ 4 的范围 变化，在 3． 4 ～ 4． 0 THz 频段介电球就可以实现从负到正的有效介电常数 εe 随机分布值。这个结果表 明，性能表现相比与微波频段，液晶更适宜用在 THz 频段。由于速度、制造相对简单以及成本上的考 量，在 THz 频段，液晶的控制方法是很有前景的发展方向。 非线性材料方式是基于某些材料在 THz 频段具有较强的非线性响应。基本原理是:在超材料的布 线中使用非线性介质，介质的电磁响应由通道信号(激光束、渐变的温度等)间接控制。M． D． Goldflam［26］提出 VO2 是一种可行的技术方案。装有 SＲＲ 单元的 VO2 构成的块状超材料在 0． 8 ～ 2． 4 THz 频 段表现出一种指数的渐变，这归因于 VO2 滞后特性造成的单过渡电脉冲。 石墨烯是由碳原子杂化在蜂巢晶格上形成的一层单原子厚度的薄膜。近来，在 THz 及近红外频段 的可重构超材料中使用广泛，其具有奇异的机械、化学、电气特性，也可以作为 THz 及可见光频段的二 维各向异性导体。石墨烯在可重构超材料中的主要作用是充当最小化控制导体，导体可以提供静态超 材料的可调功能。B． Vasic［27］研究了填充石墨烯的不同形状 SＲＲ 去调制场的幅度和相位。局部可以 调节的石墨烯也可以用在可重构超材料亚波长的超级透镜上。通过调制石墨烯的电导率使得表面波分 化，这种结构已经用在 10 ～ 30 THz 的完美透镜上［28］。Arezoomandan S ［29］提出并讨论了一种基于石墨 烯的高增益可重构超材料，核心部件是周期性奇异金属环谐振器，带有数字指纹，将其放入环之间提供 · 88 · 陕西理工大学学报(自然科学版) 第 33 卷
第5期 袁期亮，史朝超材料在可重构电磁学中的应用与发展 了一个大高Q值，可以极为容易的通过一组参数的变化调整超材料的频率响应，这些调整参数可以是 环的维数以及指纹数目等，也可以是石墨烯的电导率。 最析，LE.Khodasevyc山回和lingi Wang0利用弹性材料付新利超材料提仕可面构性，弹性材料 的灵活性给予招材料可重构特性的设计极大的白由，通讨弹性材料的变形或微流体注入来实现可重检 h设计了一个工作在1.5-2.5T的渔网超材料，通过应用微流体来实现司 重构性，并做了实验验证 1.3近红外和可见光烦段 在近红外和可见光频段，申电磁波与物质间的相互作用跟微波频段是完全不同的，在低频段的右效月 法在近红外、可见光疑段就不一定活用。但前面提到的液品、非线性材料、可控的流体材料仍然可以沼 用。 众所周知，液晶的介电常数是可调控的。D.H。Wemner研究了近红外超材料的液晶材料的折射 率从负到正的变化。向列相液品基放入静态负指数材料以调控折射率在[-1,1.8]范围的变化，验证 了运行在50~75T业和170~250THz频段的两个不同排布的情况。应用同样的技术，己经实现了有 负磁导率的热可调光超材料。金属纳米微带线覆盖在向列相液品以获得一个工作在可见光范用的频率 可调的磁谐振器。最近，A.B.Golovin四提出一种新技术，用作可重构的非线性材料一般是纳米棒的 胶体分散体，方式是在电极上加上偏置电压从而使纳米棒的胶体分散体实现谐振器的功能。导电棒 校淮过的，因此可以用来控制谐振器的空间分布和方位，进而取得超材料所具有的折射率、吸收率以及 光各向异性的变化。在文献中证实的频段范围是460~700T。 在可见光区域，可控流体材料的方式主要是用不同折射率的流体去控生制招材料周期纳米阵散射光 目前的实验结果证实利用流体折射率的调节波束操控有 2应用 可重构超材料可以用来操控电磁场，这使得其在远程感知等领域极具吸引力。根据功能，可将其应 用大致分为4类。 2.1 调控2D/3D块材料 利用调控效应的超材料代替传统电介质以及静态超材料，主要用在反射/传输屏幕、天线罩、透镜、 颜率选择表面、斗篷和吸收器。可重构超材料一个最广泛的应用是超屏幕，超材料是二维/三维结构，其 传输线/反射特性话合于调节。广泛应用的原因是其独特的散射特性。事实上，传输线/反射/吸收结性 给设计者设计动态控制器件提供了极大的自由度， 维和三维可重构超材料可以直接应用在天线罩利 透镜的设计上，为的是可以灵活控制天线罩/透镜的焦点和波束方向的能力，这在一般材料是难以实现 的。在过去几十年，频率选择性表明已经广泛存在于可调节的滤波器、极化器和发射阵列。隐身斗篷是 个超材料最广为人知的应用。利用负折射率铝材料的相位补偿特性，可以实现任意介电常数的完美 隐身斗篷。当然，可重构超材料的使用扩展了隐身斗篷的概念，也开辟了雷达交界面的新研究领域。可 重构超材料也广泛应用到可调节吸收 器，吸收器主要作用是接受和分散入射场而非 周围波的 传播 2.2天线和阵列 在单个辐射系统，通过调节超材料实现天线和阵列的多功能，例如谐振频率可变、波束指向以及力 向图形状的可重构等，将此作为自话应天线的基本罗报模块。对于频率可变、波束指向和方向图形状可 重构已经提出了不同结果的解 方法 频率的可变可以通过改变窄带辐射器的输入阻抗来实现，这科 方法的成功之处在于可以将天线尺寸小型化，并且支持不同的无线设备。特别是在移动通信设备当中 天线必须要满足尺寸的限制约束。方向图的可重构主要是通过开关来得到不同方向图。在电磁可调设 备当中，利用可重构超材料来进行快速有效的开关和调制器的设计也是一个重要的问题，特别是在TH 和可见光频率上。由千入射波可以通过一些特别方式来挫控，因此入射信县的幅府可以桶讨可重构招 1994-2018 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
了一个大高 Q 值，可以极为容易的通过一组参数的变化调整超材料的频率响应，这些调整参数可以是 环的维数以及指纹数目等，也可以是石墨烯的电导率。 最近，I． E． Khodasevych［30］和 Jinqi Wang［31］利用弹性材料对新型超材料提供可重构性。弹性材料 的灵活性给予超材料可重构特性的设计极大的自由，通过弹性材料的变形或微流体注入来实现可重构 性调节。I． E． Khodasevych 设计了一个工作在 1． 5 ～ 2． 5 THz 的渔网超材料，通过应用微流体来实现可 重构性，并做了实验验证。 1． 3 近红外和可见光频段 在近红外和可见光频段，电磁波与物质间的相互作用跟微波频段是完全不同的，在低频段的有效方 法在近红外、可见光频段就不一定适用。但前面提到的液晶、非线性材料、可控的流体材料仍然可以沿 用。 众所周知，液晶的介电常数是可调控的。D． H． Werner［32］研究了近红外超材料的液晶材料的折射 率从负到正的变化。向列相液晶基放入静态负指数材料以调控折射率在［－ 1，1． 8］范围的变化，验证 了运行在 50 ～ 75 THz 和 170 ～ 250 THz 频段的两个不同排布的情况。应用同样的技术，已经实现了有 负磁导率的热可调光超材料。金属纳米微带线覆盖在向列相液晶以获得一个工作在可见光范围的频率 可调的磁谐振器。最近，A． B． Golovin［33］提出一种新技术，用作可重构的非线性材料一般是纳米棒的 胶体分散体，方式是在电极上加上偏置电压从而使纳米棒的胶体分散体实现谐振器的功能。导电棒是 校准过的，因此可以用来控制谐振器的空间分布和方位，进而取得超材料所具有的折射率、吸收率以及 光各向异性的变化。在文献中证实的频段范围是 460 ～ 700 THz。 在可见光区域，可控流体材料的方式主要是用不同折射率的流体去控制超材料周期纳米阵散射光 的相对相位，实现可见光区域的波束操控。目前的实验结果证实利用流体折射率的调节波束操控在 25 度角范围［34］。 2 应 用 可重构超材料可以用来操控电磁场，这使得其在远程感知等领域极具吸引力。根据功能，可将其应 用大致分为 4 类。 2． 1 调控 2D /3D 块材料 利用调控效应的超材料代替传统电介质以及静态超材料，主要用在反射/传输屏幕、天线罩、透镜、 频率选择表面、斗篷和吸收器。可重构超材料一个最广泛的应用是超屏幕，超材料是二维/三维结构，其 传输线/反射特性适合于调节。广泛应用的原因是其独特的散射特性。事实上，传输线/反射/吸收特性 给设计者设计动态控制器件提供了极大的自由度。二维和三维可重构超材料可以直接应用在天线罩和 透镜的设计上，为的是可以灵活控制天线罩/透镜的焦点和波束方向的能力，这在一般材料是难以实现 的。在过去几十年，频率选择性表明已经广泛存在于可调节的滤波器、极化器和发射阵列。隐身斗篷是 一个超材料最广为人知的应用。利用负折射率超材料的相位补偿特性，可以实现任意介电常数的完美 隐身斗篷。当然，可重构超材料的使用扩展了隐身斗篷的概念，也开辟了雷达交界面的新研究领域。可 重构超材料也广泛应用到可调节吸收器，吸收器主要作用是接受和分散入射场而非操纵物体周围波的 传播。 2． 2 天线和阵列 在单个辐射系统，通过调节超材料实现天线和阵列的多功能，例如谐振频率可变、波束指向以及方 向图形状的可重构等，将此作为自适应天线的基本逻辑模块。对于频率可变、波束指向和方向图形状可 重构已经提出了不同结果的解决方法。频率的可变可以通过改变窄带辐射器的输入阻抗来实现，这种 方法的成功之处在于可以将天线尺寸小型化，并且支持不同的无线设备。特别是在移动通信设备当中， 天线必须要满足尺寸的限制约束。方向图的可重构主要是通过开关来得到不同方向图。在电磁可调设 备当中，利用可重构超材料来进行快速有效的开关和调制器的设计也是一个重要的问题，特别是在 THz 和可见光频率上。由于入射波可以通过一些特别方式来操控，因此入射信号的幅度可以通过可重构超 · 98 · 第 5 期 袁鹏亮，史朝 超材料在可重构电磁学中的应用与发展
陕西理工大学学报（自然科学版） 第33卷 材料来调节或开关。最近，Samanch.H四提出了一种可重构超材料的超宽带单极子天线，可以实现双 频工作，覆盖的频率范围是3.1~10.6GHz,可重构的窄带L频段1,27GHz。其利用SRR缝隙单元得 到左手电容，4个相连的T形带状层用作左手电导，实现的效率大于70%。基于电磁带隙的可重构超材 料，制作天线，两个一致单元实现多频带重构，这种天线在蓝牙、LTE和认知无线电应用当中都极具潜 力陶。 值得一提的是，利用可重构超材料到可穿天线上也是一个很有潜力的应用方向。SY如四 提出了基于超材料结构的方向图可重构可穿戴的天线，通过可重构传输线的分布曲线，贴片天线能在0 阶或1阶模式谐振，各自对应宽边或全向性方向图」 2.3导波设备 许多文献报道了应用可重构超材料做导波设备，例如，在滤波器、相移器、可调功率分配器、开关和 调制器中。可重构超材料设计可重构效应的滤波器，不论是在微波通信系统中，还是在光传感器和探测 器中，证明都是低成本、小型化的最佳选择。而且，左右手传输线理论的引入给设计者提供了分析、设计 和验证新型超材料导波设备的一个简单且强有力工具。 超材料的滤波器主要是实现频率可重构。相移 器是许多微波射中的核心可重构器件，例如，相控阵天线和自适应反馈网络，超材料的应用可以将相移 累小型化。 2.4传感署和探利翠 可重构超材料应用到感知探测设备是最近出现的一个新领域迄今为止，仅有少数几个传感器得 到实验证实，但在基本规律的研究方面己得到许多有用的结果。值得注意的是，可重构超材料通常并不 是控制设备的行为，而是用其作为从一些物理量的变化中诱导出的超材料特性效应。 3发展趋势 可重构超材料在应用方面的潜力已经引起了学术界、工业界的注意，在电磁领域的应用研究也是最 活跃的领域之一。尽管可重构性没有特别的方法，但业己存在一些已经巩因的方法。另外，随着材料科 学的发展也可以进一步改善目前方法的性能。 尽管出版的论文数量较少，机械/热/化学等的可重构性在感知探测超材料的应用上仍然在某种稻 度上有极大潜力。调控机制的研究更可能通过跨学科方法来研究。从应用的观点来看，利用可重构超 材料设计频率系统是一个值得深入研究的方向。 关于实现可重构特性的成熟方法，主要可以分为产品层面、实验室层面以及概念层面技术三大类。 产品层面的许多技术己经可以在文献看到，例如可变电容、开关、可变电阻、MEMS以及液晶。 这里边的 许多方法已经在 一些工业设备上得到实际应用，技术亦相当成熟。实验室层面的技术是己经被实验室 证实，但在商业上并未广泛应用的技术方法，因而，这些方法的研究和应用更具挑战性。石墨烯、热敏感 以及非线性材料等新型可调节材料，目前主要依然处在验证阶段，要应用到实际则需要更待进一步深入 研究。 未来的发展方向和挑战，主要的焦点集中在三个方面：三维调控、超材料带宽及感知材料。 全面调控特性的获得必然涉及对超材料的每个器件单元要达到直接控制，目前在许多设备是一个 不可忽略的间题，例如隐身斗篷、诱镜和天线盟，都需要对他1各白的申磁特性实现3D全方位控制进 而取得令人满意的性能。因此，在未来希望有一种技术能实现不同区域独立可调单元不仅能控制有 的少数几个模块而且能取得更多数量的区域模块控制。 现在的可重构超材料利用的大多是频带较窄的可调谐振器，然而，目前的通信，遥感和安全领域对 宽带的需求愈加迫切。在提高带宽方面已经提出了一些方法，已证实是非常有效的。不过，具体的原理 细节还需要更进一步的深入研究 目前的研究主要针对可重构超材料器件的设计，而非它们的控制和实时应用。由于系统的固有灵 活特性以及在亚波长尺度的可重构性，在部分超材料设计方面寄希望寻求控制程序的联合方法。因此， 智能或成知知材料的研究是今后发展的一个长期方向。 1994-2018 China Academie Jou al Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
材料来调节或开关。最近，Samaneh． H［35］提出了一种可重构超材料的超宽带单极子天线，可以实现双 频工作，覆盖的频率范围是 3． 1 ～ 10． 6 GHz，可重构的窄带 L 频段 1． 27 GHz。其利用 SＲＲ 缝隙单元得 到左手电容，4 个相连的 T 形带状层用作左手电导，实现的效率大于 70% 。基于电磁带隙的可重构超材 料，制作天线，两个一致单元实现多频带重构，这种天线在蓝牙、LTE 和认知无线电应用当中都极具潜 力［36］。值得一提的是，利用可重构超材料到可穿戴天线上也是一个很有潜力的应用方向。Sen Yan［37］ 提出了基于超材料结构的方向图可重构可穿戴的天线，通过可重构传输线的分布曲线，贴片天线能在 0 阶或 1 阶模式谐振，各自对应宽边或全向性方向图。 2． 3 导波设备 许多文献报道了应用可重构超材料做导波设备，例如，在滤波器、相移器、可调功率分配器、开关和 调制器中。可重构超材料设计可重构效应的滤波器，不论是在微波通信系统中，还是在光传感器和探测 器中，证明都是低成本、小型化的最佳选择。而且，左右手传输线理论的引入给设计者提供了分析、设计 和验证新型超材料导波设备的一个简单且强有力工具。超材料的滤波器主要是实现频率可重构。相移 器是许多微波射中的核心可重构器件，例如，相控阵天线和自适应反馈网络，超材料的应用可以将相移 器小型化。 2． 4 传感器和探测器 可重构超材料应用到感知探测设备是最近出现的一个新领域。迄今为止，仅有少数几个传感器得 到实验证实，但在基本规律的研究方面已得到许多有用的结果。值得注意的是，可重构超材料通常并不 是控制设备的行为，而是用其作为从一些物理量的变化中诱导出的超材料特性效应。 3 发展趋势 可重构超材料在应用方面的潜力已经引起了学术界、工业界的注意，在电磁领域的应用研究也是最 活跃的领域之一。尽管可重构性没有特别的方法，但业已存在一些已经巩固的方法。另外，随着材料科 学的发展也可以进一步改善目前方法的性能。 尽管出版的论文数量较少，机械/热/化学等的可重构性在感知探测超材料的应用上仍然在某种程 度上有极大潜力。调控机制的研究更可能通过跨学科方法来研究。从应用的观点来看，利用可重构超 材料设计频率系统是一个值得深入研究的方向。 关于实现可重构特性的成熟方法，主要可以分为产品层面、实验室层面以及概念层面技术三大类。 产品层面的许多技术已经可以在文献看到，例如可变电容、开关、可变电阻、MEMS 以及液晶。这里边的 许多方法已经在一些工业设备上得到实际应用，技术亦相当成熟。实验室层面的技术是已经被实验室 证实，但在商业上并未广泛应用的技术方法，因而，这些方法的研究和应用更具挑战性。石墨烯、热敏感 以及非线性材料等新型可调节材料，目前主要依然处在验证阶段，要应用到实际则需要更待进一步深入 研究。 未来的发展方向和挑战，主要的焦点集中在三个方面:三维调控、超材料带宽及感知材料。 全面调控特性的获得必然涉及对超材料的每个器件单元要达到直接控制，目前在许多设备是一个 不可忽略的问题，例如隐身斗篷、透镜和天线罩，都需要对他们各自的电磁特性实现 3D 全方位控制进 而取得令人满意的性能。因此，在未来希望有一种技术能实现不同区域独立可调单元不仅能控制有限 的少数几个模块而且能取得更多数量的区域模块控制。 现在的可重构超材料利用的大多是频带较窄的可调谐振器，然而，目前的通信、遥感和安全领域对 宽带的需求愈加迫切。在提高带宽方面已经提出了一些方法，已证实是非常有效的。不过，具体的原理 细节还需要更进一步的深入研究。 目前的研究主要针对可重构超材料器件的设计，而非它们的控制和实时应用。由于系统的固有灵 活特性以及在亚波长尺度的可重构性，在部分超材料设计方面寄希望寻求控制程序的联合方法。因此， 智能或感知超材料的研究是今后发展的一个长期方向。 · 09 · 陕西理工大学学报(自然科学版) 第 33 卷