電磁超材料的研究進(jìn)展

張永光

摘要：文章對電磁超材料的具體定義、分類進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步探討了電磁超材料研究工作中比較常用的等效媒質(zhì)理論、典型超材料的具體實(shí)現(xiàn)方式以及電磁超材料的典型應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，并簡單闡述了電磁超材料的未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：電磁超材料;研究進(jìn)展;等效媒質(zhì)理論

前言：電磁超材料通常情況下主要是由人工加工或者合成的一種復(fù)興型材料，其具備準(zhǔn)周期、特異電磁性質(zhì)，這種材料出現(xiàn)于本世紀(jì)初，雖然起步時(shí)間相對較晚，但是發(fā)展非常迅速。在實(shí)際應(yīng)用過程中，具有以下特點(diǎn)：物理性質(zhì)超常、人工結(jié)構(gòu)較為特殊，且電磁的實(shí)際性質(zhì)并不取決于材料的構(gòu)成，而是和人工結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)聯(lián)。

1、超材料概念簡述

1.1、定義

電磁超材料是一種新型的人工合成電磁材料，屬于特異媒質(zhì)，主要是由人工合成或者是加工的方式構(gòu)成，最開始的電磁超材料主要指的是具備負(fù)折射率的左手材料。因電磁波在傳播過程中，電磁以及電場等呈左手關(guān)系，故而得名。

1.2、分類

超材料的種類非常多，因等效媒質(zhì)電磁特性存在很大的不同，可以根據(jù)磁導(dǎo)率大小以及介電常數(shù)對材料進(jìn)行分類，主要分為普通材料、左手材料、零折射率材料、零介電常數(shù)材料、漸變折射率材料等。理想導(dǎo)體與理想導(dǎo)磁體可以看做為介電常數(shù)、磁導(dǎo)率無窮大的材料。根據(jù)具體不同的方式，將超材料分為波導(dǎo)型超材料、傳輸線型超材料、塊狀超材料等。因工作方式存在很大的不同，可分為諧振型和非諧振型超材料。前者電磁參數(shù)變化頻帶較窄，且范圍較大，耗損嚴(yán)重，在諧振區(qū)域周圍。后者頻帶較寬，損耗較小，參數(shù)的實(shí)際變化范圍也比較小，距離諧振區(qū)域較遠(yuǎn)。因此可以根據(jù)工作頻段、參數(shù)以及同異性等進(jìn)行分類。

隨著各項(xiàng)技術(shù)的不斷完善以及深入研究，目前的超材料范圍已經(jīng)超過了負(fù)折射率的實(shí)際范圍，新型電磁材料也受到了廣泛的認(rèn)同，目前已經(jīng)覆蓋了所有的人工周期或非周期單元結(jié)構(gòu)和材料。因此，超材料其實(shí)也包括了電磁帶隙材料、光子晶體材料以及頻率選擇表面等[1]。

2、超材料研究過程中的等效媒質(zhì)理論

電磁超材料研究過程中，等效媒質(zhì)理論是非?；A(chǔ)的理論，不管是在人工電磁材料設(shè)計(jì)方面，或者是電磁參數(shù)提取方面都是重要的理論基礎(chǔ)。

2.1、等效媒質(zhì)的解析公式

人工電磁材料主要是通過人工單元結(jié)構(gòu)對普通材料中的分子或者是原子進(jìn)行模擬，在外界電磁場的影響和作用下，該單元便會(huì)產(chǎn)生等效的電偶極子，類似于材料磁化的情況。當(dāng)背景材料中的實(shí)際波長大于填充物的尺寸，都可以采用等效媒質(zhì)理論進(jìn)行分析。這個(gè)時(shí)候，人工合成材料的特殊性也可以采用等效電磁參數(shù)，即電常數(shù)、磁導(dǎo)率來表示。人工電磁材料分析通常采用的是固體物理研究的方式，先分析單元極化以及磁化的具體特點(diǎn)，之后再推導(dǎo)材料的電磁參數(shù)。

Clausius-Mossotti公式

Clausius-Mossotti公式能夠充分反映原子的電極化度和材料宏觀介電常數(shù)之間存在的關(guān)系，具體如下：

其中，n代表的是單位體積中的原子樹木，α代表的是對應(yīng)的電極化度，在用到光學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中時(shí)，經(jīng)過計(jì)算和代數(shù)推導(dǎo)，公式還能夠表示為：

根據(jù)公式可得出，只要在獲取電極化度的情況下，通過上述公式便能夠得出材料的介電常數(shù)，人工電磁材料設(shè)計(jì)過程中，規(guī)則的單元結(jié)構(gòu)通?？梢酝ㄟ^解析的方式進(jìn)行分析，并得到該單元的電極化度，并獲得等效媒質(zhì)電參數(shù)。

2.2、參數(shù)提取方法

通常情況下通過解析方法是很難精準(zhǔn)獲取電磁材料的實(shí)際電磁參數(shù)表達(dá)式的，所以，通過實(shí)驗(yàn)室測量以及數(shù)值仿真能夠獲取等效參數(shù)的方式是比較常用的，也是提出人工電磁參數(shù)的主要途徑。在單元結(jié)構(gòu)周圍分別設(shè)置電壁、磁壁以及沿波的實(shí)際傳播方向設(shè)置波端口，只需要對一個(gè)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮。試驗(yàn)測量過程中，通過天線，測量天線之間人工電磁材料平板對電磁波的透射及反射系數(shù)[2]。

3、典型超材料的加工和實(shí)現(xiàn)

3.1、PCB工藝的電磁超材料

PCB工藝的電磁超材料主要是通過打印或者是電鍍的方式，在普通介質(zhì)上覆蓋一定的金屬結(jié)構(gòu)，從而形成符合結(jié)構(gòu)，并在特定電磁環(huán)境下所表現(xiàn)出的電磁性能。比較典型的便是金屬線結(jié)構(gòu)以及開口諧振環(huán)。在一定工作頻率下，該結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)與磁導(dǎo)率會(huì)呈現(xiàn)負(fù)值的情況，因其自身的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，基于SRR超材料設(shè)計(jì)也層出不窮。

3.2、直流電型電磁超材料

超材料的種類是非常多的，且呈現(xiàn)方式也各不相同，比較常見的便是單元諧振與材料摻雜，直流情況下，材料的電導(dǎo)率有著關(guān)鍵性的作用，導(dǎo)電材料與電阻網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)等效互換的，所以，該原理基礎(chǔ)上的等效電阻率材料是非常實(shí)用和靈活的方法。在薄板導(dǎo)電材料當(dāng)中，將各異性導(dǎo)電材料分割為不同的結(jié)構(gòu)單元，對于每一個(gè)不同的結(jié)構(gòu)單元，可采用電阻的方式等效實(shí)現(xiàn)，因此，各向異性導(dǎo)電材料問題可逐漸轉(zhuǎn)化為求解徑向電阻與切向電阻等相關(guān)問題。

3.3、通過全介質(zhì)諧振實(shí)現(xiàn)人工電磁材料

通過PCB加工技術(shù)，采用亞波長金屬單元能夠獲得人工電磁材料，近年來，也得到了廣泛的應(yīng)用，但是該方法存在一定的局限性。如金屬耗損嚴(yán)重，加工比較難，工作頻段比較狹窄以及電磁各向異性等。這些方面因素尤其是在光波段更加的突出，所以，才有了后來的全介質(zhì)人工電磁材料的設(shè)想。其主要是在背景材料中嵌入亞波長介質(zhì)微粒，介電常數(shù)通常大于周圍的介電常數(shù)，電磁波攝入微粒中時(shí)，便會(huì)激發(fā)電磁模式，并向外輻射，磁偶極子與電偶極子處于主導(dǎo)地位，可忽略其他高級偶極模式。因全介質(zhì)人工電磁材料具備耗損小、頻帶寬，且容易加工等優(yōu)勢，具備向廣波擴(kuò)展的特點(diǎn)，也是當(dāng)前的重點(diǎn)研究方向，在背景材料中摻入金屬顆粒的方法依然是適用的[3]。

4、結(jié)束語

電磁超材料是一種具備特殊物理性質(zhì)、且制造靈活的新型材料，打破了傳統(tǒng)電磁波領(lǐng)域中受到頻段以及材料等方面的限制，但當(dāng)前仍處于發(fā)展階段，并未形成成熟的產(chǎn)業(yè)化系統(tǒng)，還需要走很長的一段路。無論如何，超材料已經(jīng)成為了未來的主要發(fā)展方向，也將會(huì)影響著各行各業(yè)的發(fā)展與變革。

參考文獻(xiàn)：

[1]童楊， 郝新新. 電磁超材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 中國基礎(chǔ)科學(xué)， 2019，22（3）.13

[2]牛凱坤， 徐輝， 朱東， 電磁超材料與增益材料研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]. 安徽大學(xué)學(xué)報(bào)（自科版）， 2017， 41（4）：24-33.

[3]郭智. 基于電磁超材料的微波天線的研究[D]. 電子科技大學(xué).2019，11（3）12