極化特性調(diào)控超材料與雷達波陷阱設(shè)計中文摘要

超材料是可構(gòu)建電磁波強電-磁響應(yīng)的新型人工材料。超材料組成-單元微結(jié)構(gòu)設(shè)計多樣性，為超材料與電磁波傳輸、極化轉(zhuǎn)換研究留下巨大可塑空間。超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性、性能調(diào)控的有效性，特別是它的電磁波極化特性高效調(diào)控性為雷達波操控設(shè)計提供了新思路。本項目打破電磁波傳輸-能量耗散的傳統(tǒng)研究模式，從操控電磁波極化特性的角度獲得類似黑體的極化陷阱結(jié)構(gòu)，進而實現(xiàn)電磁波的不可探測性。形成極化特性完全相異的“透射-反射”雙層雷達波陷阱結(jié)構(gòu)，雷達波“禁錮”在極化特性不匹配的上層、下層之間。本申請擬開展雷達波極化調(diào)控超材料研究，重點突破電磁波透射、反射極化特性調(diào)控超材料設(shè)計，建立超材料的電磁波極化特性模型與數(shù)學(xué)表達；進行雷達波“陷阱”結(jié)構(gòu)超材料設(shè)計、實驗反饋、修正與設(shè)計優(yōu)化，獲得雷達波極化特性調(diào)控超材料設(shè)計方法。有望促進超材料在極化天線、能量捕獲、新型光電器件、雷達波操控領(lǐng)域等應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

超材料作為一種具備反常電磁特性的亞波長人工復(fù)合材料，其靈活多樣的“組成-微結(jié)構(gòu)-性能”設(shè)計為電磁波傳輸調(diào)控提供了新的研究思路，特別是對電磁波極化特性的高效調(diào)控、操控電磁波的傳輸特性提供了新的研究方法。 本項目突破電磁波傳輸-能量耗散的傳統(tǒng)研究模式，從調(diào)控電磁波極化特性角度構(gòu)建類似黑體的極化陷阱結(jié)構(gòu)；形成極化特性完全相異的“透射-反射”雙層雷達波陷阱。在極化特性相異的上層、下層之間“禁錮”雷達波，實現(xiàn)電磁波的不可探測性。主要研究內(nèi)容有：1. 超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與電磁波極化特性調(diào)控機理研究，通過超材料數(shù)值模擬與理論分析，認知了極化特性調(diào)控超材料結(jié)構(gòu)模型設(shè)計原則；2. 電磁波極化特性調(diào)控超材料“設(shè)計-制備-測試-反饋-修正”研究，通過探索超材料與電磁波相互作用機制，獲得了超材料調(diào)控電磁波極化特性的設(shè)計方法；3. 通過對垂直入射電磁波耦合表面波設(shè)計、手征性超材料電磁波極化調(diào)控研究，構(gòu)建了類表面等離子激元相位梯度超材料表面與矩陣型編碼調(diào)控超材料表面設(shè)計方法。 優(yōu)化了基于極化特性調(diào)控超材料的設(shè)計，研究了雷達波極化陷阱材料的制備方法，雷達波極化陷阱材料（材料面密度：≤ 3.0 kg/m2；適用頻帶：L、S、C、X、Ku）實現(xiàn)了各頻帶80 %波段范圍內(nèi)90 %垂直極化轉(zhuǎn)換水平極化或90 %水平極化轉(zhuǎn)換垂直極化等優(yōu)良性能。該研究實現(xiàn)了完善的雷達波極化特性調(diào)控材料設(shè)計制備方法及寬頻帶雷達波陷阱，在超材料的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究中具有重要的理論價值和廣泛的應(yīng)用前景。

線極化波又有水平極化波和垂直極化波之分。電場的兩個分量沒有相位差（同相）或相位差為180度（反相）時，合成電場矢量是直線極化。當(dāng)電場強度方向垂直于地面時，此電波就稱為垂直極化波；當(dāng)電場強度方向平行于地面時，此電波就稱為水平極化波。

若電場矢量在空間描出的軌跡為一個圓，即電場矢量是圍繞傳播方向的軸線不斷地旋轉(zhuǎn)，則稱為圓極化波。

電磁波極化E極化波

平面電磁波入射波的E波沿Y方向極化，稱E極化波。也稱TE波 。

電磁波極化H極化波

平面電磁波入射波的H波沿X方向極化，稱H極化波。也稱TM波。

電磁波極化右旋極化波

一個橢圓的或圓的極化波，它的電場向量在任一正交于傳播方向的固定平面內(nèi)，沿著傳播方向觀察時，隨著時間沿右手或順時針方向旋轉(zhuǎn)。

電磁波極化左旋極化波

一個橢圓的或圓的極化波，它的電場向量在任一正交于傳播方向的固定平面內(nèi)，沿著傳播方向觀察時，隨著時間沿左手或逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

電磁波極化圓極化波

圓極化波可由兩正交且具有90度相位差的分量合成產(chǎn)生，根據(jù)矢量端點旋轉(zhuǎn)方向的不同，圓極化可以是右旋的，也可以是左旋的。

具體判斷可按如下方式進行：將右手大拇指指向電磁波的傳播方向，其余四指指向電場強度E的矢端并旋轉(zhuǎn)，若與E的旋轉(zhuǎn)一致，則為右旋圓極化波；若與E的旋轉(zhuǎn)相反，則為左旋圓極化波。

（1）利用極化實現(xiàn)最佳發(fā)射和接收

無線電技術(shù)中，利用不同極化的電磁波具有不同的傳播特性，結(jié)合收發(fā)天線的極化特性，可實現(xiàn)無線電信號的最佳發(fā)射和接收。例如，中波廣播采用垂直極化波。

（2）利用極化技術(shù)提高通信容量

在通信中，為了在有限頻帶范圍內(nèi)盡量提高可用信道數(shù)，增加信道容量，提高頻率利用率，減少波道間干擾，目前廣泛采用的頻率復(fù)用技術(shù)之一是在同一傳輸鏈路上，利用電波的正交極化隔離，把互相正交極化的相鄰兩條信道安排在同一頻段上，這樣使頻率利用率提高了一倍。

（3）極化在雷達目標(biāo)識別、檢測和成像中的應(yīng)用

雷達回波信號中除了幅度、相位信息外，還有一個重要的信息資源———極化信息，電磁波照射目標(biāo)后，其極化狀態(tài)將發(fā)生改變，它與目標(biāo)的形狀、結(jié)構(gòu)、材料以及姿態(tài)等因素有關(guān)，還與照射到目標(biāo)的極化狀態(tài)有關(guān)，因此，可以利用目標(biāo)回波中的極化特征來識別目標(biāo)。

（4）極化在抗干擾中的應(yīng)用

通信、雷達、導(dǎo)航等信息電子設(shè)備常會遇到來自其他設(shè)備的干擾． 對于單一極化的干擾，一般來說，只要將接收天線的極化改變成與干擾電波極化相正交，即可在很大程度上抑制干擾。