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文丨三胖有话讲

编辑丨三胖有话讲

超材料是人工结构元件的高效均质排列，旨在实现自然材料中没有的有益和奇特的电磁特性。超表面是超材料的二维类比，由单层或多层平面结构堆叠而成。超材料和超表面在广泛的应用领域具有巨大潜力。

例如天线、极化转换器、雷达散射截面减小和吸波器，可以控制反射和传输的EM波的振幅、相位和极化。本期给大家科普一下已知的超材料/超表面类型和应用，随后全面分析了这些表面在天线性能提升、极化转换、RCS减小和波吸收方面的应用。

超材料是人工制造的三维结构，由周期性的亚波长金属/介质单元单元组成，具有精确的尺寸。超材料是具有极强电磁波控制能力的体积型结构，旨在提供人工的磁导率和电容率，从而实现卓越的电磁特性，通常通过单元单元的几何形状管理谐振效应来实现。

超材料已被用于磁共振成像、传感器]和天线系统等应用。然而超材料也存在体积庞大、效率低、制造过程复杂等一些缺点。为了克服这些缺点，二维超材料，也被称为超表面，已经得到了发展。

近年来，超表面因其小尺寸、宽带、高效率、易于制造和较低损耗等特点而受到越来越多的研究和开发关注。超表面旨在操控入射EM波的振幅、相位和极化。传统技术通过利用晶体的光学活性和法拉第效应实现对EM波的极化控制。

这些技术的缺点是带宽狭窄、入射角响应有限，而且所得到的器件体积较大。同样，用于实现对EM波的吸收的传统吸波材料体积庞大、易碎且难以制造。

超表面可以在一层薄膜中控制EM波，具有低成本和高度集成等重要优势。它们可以在完美透镜、完美吸收、隐形、光线弯曲和极化转换等广泛的应用领域中发挥作用。

本章讨论了用于天线系统的各种超材料，以实现高增益、宽带、体积缩小和降低特定吸收率。同时，还讨论了具有独特几何结构排列的超表面，以实现极化转换、雷达散射截面减小和EM波吸收。

详细讨论了基本设计要求、基本原理、工作机制、参数提取和单元单元配置，以详细解释超材料/超表面的核心概念。

超材料在天线设计中的应用 超材料具有独特的物理特性，这些特性在自然界中并不存在，但在许多应用中非常理想，包括但不限于隐形潜艇、微波隐身斗篷、紧凑高效天线和负折射率透镜。

超材料的最重要应用之一是在天线设计中。由于超材料的独特特性，可以设计出在自然材料中不可能实现的新型天线。将超材料整合到天线中，可以作为天线的基底或添加到天线的几何结构中，以改善天线的整体性能。

科学研究表明，在天线设计中引入超材料可以改善多个重要参数，减小天线的体积，同时增加辐射功率，提高增益和指向性。

此外，这些材料可以集成到天线中，减少侧瓣和背瓣辐射，并限制在身体上佩戴时的特定吸收率。根据天线的设计方式，可以使用不同的材料构造和应用。

用于天线的超材料可以是单个单元单元格或者是一组单元单元格的阵列。因此，创建超材料的关键步骤是设计单元单元格。

必须考虑和分析影响电容率、磁导率和共振频率的关键特征，基于这些特征以及在所需频率下的要求，获得各种参数，例如单元单元格的尺寸、形状、ε、μ和共振频率。

为了满足共振频率下的给定要求，优化单元单元格的尺寸和类型。单元单元格的尺寸可能根据超材料的几何形状而变化很大，但通常小于工作波长的十分之一。

方形环谐振器的加法单元单元格布局、二阶希尔伯特分形的加法、方形螺旋、三阶希尔伯特分形的加法、四阶希尔伯特分形插入的加法随着阶数的增加，尺寸减小。

例如在2.4 GHz的工业科学和医疗频段上设计并模拟了几个超材料单元单元格，使用以下列出的步骤。为了满足超材料的均匀性要求，单元单元格的尺寸必须小于导波波长。

三种超材料结构在同相反射分析中的模拟设置和边界条件。线偏振平面波用于激发这些表面。在2.4 GHz的共振频率上，通过三个单元单元格确定了同相反射。在该频率下，该表面表现出像完美磁导体一样的特性。

在较低频率1.4 GHz和较高频率3.4 GHz下，反射相位分别为+180°和-180°51漫画。在这两个频率下，表面表现出像完美电导体一样的特性。

反射相位在点“a”和“b”分别从+90°变为-90°，在中心频率2.4 GHz处穿过0。在给定的反射带宽内，超材料表现出人工磁导体的特性。反射相位带宽，表示为材回收利用项目，可以通过一些方式计算。

超材料在天线工程中的应用在增强天线参数方面的应用。天线在无线通信中起着重要的作用，而材料对天线性能起着至关重要的作用。在天线应用中，广泛使用的微波和射频基底材料包括人工磁导体和高阻抗表面。

通过将HIS或AMC放置在靠近天线辐射元件附近或全部环绕其周围，可以构建小型、低轮廓的天线系统。超材料也可以用于构建天线或作为天线系统的馈电机制的一部分。

讨论的内容包括增益和指向性的提升、带宽的增加、抑制表面波以及在靠近人体时降低特定吸收率的天线，以及通过将材料作为补片载入、作为超衬片安装在主辐射器上方、放置在地面平面上或嵌入基底中来实现微带天线的微型化。

这些表面被用于天线中来解决各种问题，从而规避了采用传统方法设计的天线的限制。例如，将材料放置在反射器上方可以帮助增强天线的辐射特性，减少向后的辐射并将辐射重新定向到前方。

电磁带隙结构最早由Sievenpiper于1999年提出，是一种带有方形补片网格的地面平面，通过金属通孔连接到地面平面上。

将超材料结构引入到天线的设计中，可以减小天线的尺寸，增加其增益和方向性，扩展带宽，并减少侧辐射和背辐射。超材料结构也可用于创建多波段应用。

小型平面天线在增益、指向性和效率方面存在基本的性能下降问题。在多频段应用中，特别是在较低频段中，这个问题变得更加严重。

为了满足收发系统的总链路预算要求，天线必须克服低增益和低效率的问题。除了使用阵列天线外，最近引入了超表面天线作为一种替代选择，用于各种通信频段，通过将超材料结构融入天线设计中，以改善天线的整体性能。

超材料可以通过以下两种方式集成到天线中：一种是将超材料的单元单元格布置在天线辐射元件周围，另一种是将其用作天线的地面平面加载或蚀刻，其中AMC在天线工作频率下起到零度反射的作用。

有不同的方式可以利用超材料结构来增强天线的增益，然而无论使用何种方法，单元单元格的类型、超衬片的数量以及主辐射元件与超衬片之间的距离都对增益的改善起着重要作用。

单元单元格可以以不同的方式布置，例如围绕天线的辐射元件或加载在基底的一侧或两侧。为了使超材料具有适合天线共振频率的独特物理特性，单元单元格的尺寸需要经过合理设计。

由于其负磁导率特性，单元单元格可以与辐射组件简单集成，并用作反射表面波的绝缘体51漫画。通过在天线周围添加超材料单元单元格，可以改善传统天线的增益。

影响增益的两个关键因素是所需天线的共振频率和使用的单元单元格数量。在超材料超衬片的情况下，带有不同相对介电常数的单元单元格被加载到远离主辐射元件的位置。

这些单元单元格可以加载在超衬片的任一侧，超衬片的数量、单元单元格的数量以及辐射元件与超衬片之间的距离都对传统天线的增益性能和指向性起着关键作用。将超材料集成到天线设计中可以显著提高传统天线的指向性和增益。然而天线的整体尺寸和厚度也会增加。

应用超材料来改善天线增益，包括：被单元单元格环绕的辐射元件，天线加载超材料，以及超材料作为超衬片。

除了改善传统天线的增益和指向性外，超材料还可以用于增加天线的阻抗带宽。为了增加带宽，可以将超表面作为天线的一部分使用，也可以将其作为超衬片放置在主辐射元件上方，就像我们在讨论增加天线增益时所提到的一样。

超衬片可以放置在超材料单元单元格的上方或下方。使用的单元单元格数量和辐射元件与超衬片之间的距离对天线的阻抗带宽有很大影响。展示了带超衬片材料的天线配置以及有无超材料的反射系数模拟。

通过与超材料集成的天线，高频段的带宽显著增加，从仅为9.35%增加到了28%。此外第三个频段的带宽增加到了27.81%，并略微向更高的频率移动。集成超材料单元单元格还使得较低频段得到匹配。

无线身体区域网络广泛应用于许多不同的应用领域，包括移动通信、军事应用、医学诊断和救援服务。在这些应用中，天线必须与人体密切接触。由于天线与人体的近距离接触，向后辐射被人体组织吸收，并可能严重损害这些组织。

人体组织对能量的吸收由特定吸收率定义。SAR被定义为单位质量的人体组织吸收的电磁能量的速率。

移动电话和类似电子设备的SAR安全限值已由国际标准定义。美国标准将SAR的安全限制定义为每克组织的平均1.6瓦特/千克，而欧盟将其定义为每10克组织的平均2.0瓦特/千克。

为了保护人体免受有害辐射，SAR必须符合国际机构制定的安全限值，为了降低SAR，采用了多种技术，包括使用反射器、使用铁氧体和导电材料进行射频屏蔽[45]以及使用高指向性天线。

近年来，研究人员探索了超材料如AMC、SRR和EBG来阻挡向人体的电磁波并降低SAR。展示了具有极化相关超材料和高有效介质比的建议天线的设计和模拟设置。计算和分析了没有超材料结构的移动电话在L、S和C频段下的SAR，考虑了1克和10克组织。

在这种情况下，超材料结构起到屏蔽材料的作用，保护人体免受有害辐射。显然，独特的超材料结构将移动电话发出的SAR值降低了98%。类似地，在ISM频段中，展示了一种基于超材料的织物天线，其中超材料结构充当EBG/AMC 。对比分析了带和不带超材料结构的天线的SAR。