第04卷第04期2017年7月 电子科学技术 Val.04Na.04Jl.2017 超材料在微波频段的研究进展与展望 郭经纬2，武晓琴口，刘妍，喇东升5，徐朝鸱'，王海燕 (1.燕山大学信息科学与工程学院，河北秦皇岛，066004： 2.燕山大学人工纳来实验室，河北秦皇岛，06604： 3.国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北秦皇岛，06004： 4.东北大学计算机科学与工程学院，过宁沈阳，110819： 5.东向大学毫未波国家点实验宝，江苏南京，2100% 6.燕山大学环境与化学工程学院，河北秦皇岛，066004) 摘要：随着研究的不断深入，超材料的研究领城已经扩展到了单负超材料、各向异性超材料 手性超材料等；研究结构也从单一的金属结构扩展到了加载石墨烯、碳纳米管等物质的新结构。 目前，越来越多的科研工作者投入到了超材料的研究当中，本文对超材料结构在微波频段的发 展进行了综述，特别是自2010年以来超材料结构研究的新成果，并对超材料结的发展进行了 展望，为超材料的进一步实际应用提供有效、可靠的理论依据及实脸基础。 关键词：超材料；左手材料；负介电常数；负磁导率；微波 中图分类号：TN99 文献标识码：A 文章编号：2095-8595(2017)04-129-008 电子科学技术URL:http/www.china-est.com.cnD0:10.16453.issn.2095-8595.2017.04.030 Metamaterial Progress and Prospect in Microwave 0eWc2a2e"Qm2bCo60ouc 3.National Engineering Research Center for Equipment and Technology of C.S.R.Qin Huangdao.Hebei.066004.China 4.Sc Abstrast:With the deepening of the metamaterial research.the field of metamaterial research has beer extended to single negative metamaterials.anisotropic metamaterials and chiral metamaterials.ete.In addition,the structures of metamaterials have also been extended to other new structures of materials such as the loading graphene.carbon nanotubes.This review mainly introduces the development of the metamaterials,especially the new achievements of the research on metamaterials since2010. Keyords:Metamaterial;Lef-handed Material,Negative Negative Permeability Microwave 引言 中有者巨大的潜力。超材料不仅是一种新型人工合 成材料，市是一种材料设计理令虽然该理令在品 本文主要从原理、结构及应用三个方面介绍了 初并不被看好，但如今超材料的快速发展已经证明 超材料的发展，超材料作为功能性材料在实际应用 了其正确性和可实现性，超材料已然成为了一个国 129 1994-2018 China Academic Journal Eleetronic Publishing House.All rights reserved.htp://www.enki.net
郭经纬等：超材料在微波频段的研究进展与展望 129 超材料在微波频段的研究进展与展望 郭经纬1,2，武晓琴1,2，刘妍3 ，喇东升4,5，徐朝鹏1 ，王海燕6 （1. 燕山大学信息科学与工程学院，河北秦皇岛，066004； 2. 燕山大学人工纳米实验室，河北秦皇岛，066004； 3. 国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北秦皇岛，066004； 4. 东北大学计算机科学与工程学院，辽宁沈阳，110819； 5. 东南大学毫米波国家重点实验室，江苏南京，210096； 6. 燕山大学环境与化学工程学院，河北秦皇岛，066004） 摘 要：随着研究的不断深入，超材料的研究领域已经扩展到了单负超材料、各向异性超材料、 手性超材料等；研究结构也从单一的金属结构扩展到了加载石墨烯、碳纳米管等物质的新结构。 目前，越来越多的科研工作者投入到了超材料的研究当中，本文对超材料结构在微波频段的发 展进行了综述，特别是自 2010 年以来超材料结构研究的新成果，并对超材料结构的发展进行了 展望，为超材料的进一步实际应用提供有效、可靠的理论依据及实验基础。 关键词：超材料；左手材料；负介电常数；负磁导率；微波 中图分类号：TN99 文献标识码：A 文章编号：2095-8595 (2017) 04-129-008 电子科学技术 URL: http//www.china-est.com.cn DOI: 10.16453/j.issn.2095-8595.2017.04.030 Metamaterial Progress and Prospect in Microwave Jingwei Guo1,2, Xiaoqin Wu1,2, Yan Liu3 , Dongsheng La 4,5, Zhaopeng Xu1 , Haiyan Wang6 (1. School of Information Science and Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao,Hebei,066004,China; 2. Artificial Nano Laboratory, Yanshan University, Qinhuangdao,Hebei, 066004,China; 3. National Engineering Research Center for Equipment and Technology of C.S.R. ,Qin Huangdao,Hebei,066004,China; 4. School of Computer Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang,Liaoning,110819,China; 5. State Key Laboratory of Millimeter Wave, Southeast University, Nanjing,Jiangsu,210096,China; 6. School of Environment and Chemical Engineering, Yanshan University, Qin Huangdao,Hebei,066004,China) Abstract: With the deepening of the metamaterial research, the field of metamaterial research has been extended to single negative metamaterials, anisotropic metamaterials and chiral metamaterials, etc. In addition, the structures of metamaterials have also been extended to other new structures of materials such as the loading graphene, carbon nanotubes. This review mainly introduces the development of the metamaterials, especially the new achievements of the research on metamaterials since 2010. Key words: Metamaterial; Left-handed Material; Negative Permittivity; Negative Permeability; Microwave 电子科学技术 Electronic Science & Technogy 引言 本文主要从原理、结构及应用三个方面介绍了 超材料的发展，超材料作为功能性材料在实际应用 中有着巨大的潜力。超材料不仅是一种新型人工合 成材料，更是一种材料设计理念，虽然该理念在最 初并不被看好，但如今超材料的快速发展已经证明 了其正确性和可实现性，超材料已然成为了一个国 第 04 卷 第 04 期 2017 年 7 月 Vol.04 No.04 Jul.2017
电子科学技术Electronie Science&Technogy 2017年第04期 际热点研究领域。 更广泛的应用前景。各向异性超材料是具有抛物线 型、双曲线型等各向异性介电常数或磁导奉的超材 1微波频段超材料工作的基本原理 料，不同于各向同性的左手材料和常规材料，在各 向异性超材料中电磁波的相速度和群速度不在一条 超材料属于亚波长结构，结构单元尺寸远小于工 直线上。手性材料是基于亚波长手性结构单元的手 作波长，结构特性可等效为匀质材料，因而超材料的 性参数实现的超材料，可实现介电常数和磁导率同 物理性质和材料参数可以使用等效介质理论描述。 时为负，也可在介电常数和磁导率同时为正的情况 超材料一般由基本谐振单元组成，即磁谐振器 下通过手性参数实现负折射率，手性超材料设计灵 和电谐振器。通过设计谐振单元，可实现特定频段 活、结构简单、易于加工，是超材料研究的又一热 内对超材料等效电磁参数的有效控制，使其等效介 占且且右强旋光性和一向色性、在光学冤域右 电带数和等效碰导率接近于零或为负。Schurig设计 阔的应用前景。 出的开口谐振环(SRR)是最典型的磁谐振器Ⅲ，如 近十几年来，越来越多的科研工作者投入到超材 图1所示。磁谐振器同时拥有电容性部分和电感性部 料的研究中，取得了许多重大的成果，各种各样的超 分，当电磁波入射到磁谐振器上，磁谐振器产生感 材料结构层出不穷，Q型、S型，螺旋型、工 应电流，形成LC谐振回路，产生磁谱振，磁谱指君 字型间，川字型拍型、电容环型 十字勋章 在负磁谐振区域实现负磁导率；电谐振器同时拥有 型、串型等超材料结构相继被提出。 电容性部分和电感性部分，当电碰波入射到电谐振 器上其等效电路为LC谐振回路，产生电谐振，电谐 3超材料在微波频段的研究进展 振器在负电谐振区域实现负介电常数。 3.1闭合结构超材料研究进展 2010年东南大学崔铁军里组根出的互补闭 分布，可以看出在CDRR结构单元顶部和底部闭合环 之间的间隙中存在着反向平行电流，从而产生负 谐振，得到负的等效磁导率。如图3所示，CDRR上 图四开口谐振环 的电场基本都垂直于底面，产生负电谐振，等效介 电常数为负值，从而该CDRR结构同时实现等效介 2超材料在微波频段的研究进展 电常数和等效磁导率均为负。对比互补开口谐振环 (CSRR),CDRR具有各向同性。CSRR有电容间 超材料结构单元尺寸远小于工作被长时，具有 隙，破坏了谐振环的对称性，因此CSRR只能在 等效介电常数和等效磁导率。超材料所具有的负折 方向上产生双负谐振。而CDRR是对称的，在不引 射率、负磁导率、负介电常数等超越常规材料的寄 任何电容间隙的情况下就能产生双负谐振，将CDRR 异物理性质主要取决于构成超材料的结构单元个。 旋转90也可产生垂直方向的双负谐振，具有各向 左手材料是最典型的超材料 也是研究最广泛的超 问性。CDRR结构简单、制作方便，为实现设备和电 材料，一般通过组合实现负等效介电常数的电谐振 路的高度小型化提供了新途径。 器和实现负等效磁导率的破谐振器形成周。随着 同年，大连理工大学刘书田课题组基于拓扑优 究的不断深入，超材料的研究领域已经扩展到 化技术设计了两种超材料结构，一种加载铜线， 负超材料0、各向异性超材料切、手性超材料2刘 另一种未加载铜线，分别如图4(a)、(b)所示 等。单负超材料是只有等效介电常数为负或只有等 通过HFSS软件仿真和S参数反演法提取参数，加载铜 效磁导率为负的超材料，研究发现单负超材料具有 线的超材科结构在7.9GHz到11GHz频段内表现为左 .130 21994-2018 China Academie Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnkine
130 电子科学技术 Electronic Science & Technogy 2017 年第 04 期 图2交叉口信号配时图 图1 [1] 开口谐振环 际热点研究领域。 1 微波频段超材料工作的基本原理 超材料属于亚波长结构，结构单元尺寸远小于工 作波长，结构特性可等效为匀质材料，因而超材料的 物理性质和材料参数可以使用等效介质理论描述。 超材料一般由基本谐振单元组成，即磁谐振器 和电谐振器。通过设计谐振单元，可实现特定频段 内对超材料等效电磁参数的有效控制，使其等效介 电常数和等效磁导率接近于零或为负。Schurig设计 出的开口谐振环（SRR）是最典型的磁谐振器[1]，如 图1所示。磁谐振器同时拥有电容性部分和电感性部 分，当电磁波入射到磁谐振器上，磁谐振器产生感 应电流，形成LC谐振回路，产生磁谐振，磁谐振器 在负磁谐振区域实现负磁导率；电谐振器同时拥有 电容性部分和电感性部分，当电磁波入射到电谐振 器上其等效电路为LC谐振回路，产生电谐振，电谐 振器在负电谐振区域实现负介电常数。 更广泛的应用前景。各向异性超材料是具有抛物线 型、双曲线型等各向异性介电常数或磁导率的超材 料，不同于各向同性的左手材料和常规材料，在各 向异性超材料中电磁波的相速度和群速度不在一条 直线上。手性材料是基于亚波长手性结构单元的手 性参数实现的超材料，可实现介电常数和磁导率同 时为负，也可在介电常数和磁导率同时为正的情况 下通过手性参数实现负折射率，手性超材料设计灵 活、结构简单、易于加工，是超材料研究的又一热 点，且具有强旋光性和二向色性，在光学领域有广 阔的应用前景。 近十几年来，越来越多的科研工作者投入到超材 料的研究中，取得了许多重大的成果，各种各样的超 材料结构层出不穷，Ω型[22]、S型[23]、螺旋型[24]、工 字型[25]、川字型[26]、拍型[27]、电容环型[28]、十字勋章 型[29]、串型[30]等超材料结构相继被提出。 3 超材料在微波频段的研究进展 3.1闭合结构超材料研究进展 2010年，东南大学崔铁军课题组提出的互补闭 合谐振环（CDRR）型超材料结构[31]，如图2（a）所 示。图2（b）显示了CDRR结构单元的表面感应电流 分布，可以看出在CDRR结构单元顶部和底部闭合环 之间的间隙中存在着反向平行电流，从而产生负磁 谐振，得到负的等效磁导率。如图3所示，CDRR上 的电场基本都垂直于底面，产生负电谐振，等效介 电常数为负值，从而该CDRR结构同时实现等效介 电常数和等效磁导率均为负。对比互补开口谐振环 （CSRR），CDRR具有各向同性。CSRR有电容间 隙，破坏了谐振环的对称性，因此CSRR只能在一个 方向上产生双负谐振。而CDRR是对称的，在不引入 任何电容间隙的情况下就能产生双负谐振，将CDRR 旋转90°也可产生垂直方向的双负谐振，具有各向 同性。CDRR结构简单、制作方便，为实现设备和电 路的高度小型化提供了新途径。 同年，大连理工大学刘书田课题组基于拓扑优 化技术设计了两种超材料结构[32]，一种加载铜线， 另一种未加载铜线，分别如图4（a）、（b）所示。 通过HFSS软件仿真和S参数反演法提取参数，加载铜 线的超材料结构在7.9GHz到11GHz频段内表现为左 2 超材料在微波频段的研究进展 超材料结构单元尺寸远小于工作波长时，具有 等效介电常数和等效磁导率。超材料所具有的负折 射率、负磁导率、负介电常数等超越常规材料的奇 异物理性质主要取决于构成超材料的结构单元[2-6]。 左手材料是最典型的超材料，也是研究最广泛的超 材料，一般通过组合实现负等效介电常数的电谐振 器和实现负等效磁导率的磁谐振器形成[7,8]。随着研 究的不断深入，超材料的研究领域已经扩展到了单 负超材料[9,10]、各向异性超材料[11-17]、手性超材料[18-21] 等。单负超材料是只有等效介电常数为负或只有等 效磁导率为负的超材料，研究发现单负超材料具有
郭经纬等：超材料在微波频段的研究进展与展望 a 图2四(a)CDRR结构单元()CDRR表面感应电流分布 短金居 6单面金属结构的超材 化也会影响其左手频段的节围，这些特性都拓展 该超材料结构的应用范围，通过调整这些参数可获 得所需频段的超材料。该超材料结构简单、易于制 备，有利于进一步应用于电磁器件。 2011年，空军工程大学屈绍波课题组设计出了 图3四CDRR上的电场 种基于单面金属结构的二维左手材料判。首先 四 设计了如图6(a)所示的结构仿直发现该结构介质 (a) 基板两侧的磁谐振器和金属导线之间存在合，耦 合的存在不利于实现负折射率。为了减少耦合设计 出如图6(b)所示的结构，该结构的磁谐振器和金 属导线位于介质基板的同侧 经过仿真该结构依 存在耦合。进一步改进，设计出如图6（©）所示的结 )加载铜线的结构 (b)未加载时线的结构 构，该结构由位于介质基板同侧的磁谐振器和短金 图4四超材料结构单元 属导线组成，仿真得到该结构在7.0GHz到10.1GHz频 段内折射率为负，其相对带宽为36%，该结构有效地 抑制了双各向异性其谐振颊率和带宽基本不受短 金属导线宽度变化的影响，具有很好的容错能力 这大大降低了对制作工艺的要求，更有利于实际加 工，并且该结构对于红外及太赫兹等高频域左手材 料的设计具有重要的参考价值。 3.2非闭合结构超材料研究进展 图5四型超材料结构 法国巴黎高等工业物理化学学院OurA果题组 手特性，带宽为3.1GHz,未加载铜线的超材料结构 也紧跟研究进度，于2011年提出了双T型超材料结 在18.2GH2到20.4GHz频段内表现为左手特性，带宽 构，如图7(a)所示。通过研究发现，调整双T西 为2.2GHz。研究表明拓扑优化技术是一种方便有效 结构的间距可控制其谐振频率，且该平面结构各向 的超材料设计方法，可广泛应用于所需特性超材料 同性。该双T型结物的负折射率接近。】，具有超低损 的设计。 耗，此外，利用薄膜沉积技术可容易地实现该结构 与此同时。内蒙古科技大学郭胜云提出的！型超 纳米级的制造。西安电子科技大学梁昌洪课题组提 材料结构如图5所示川该结构由两个紧党的金园 出了三角型超材料结构驹，将三角型铜结构蚀刻在 线组成。研究发现金属线结构参数的变化会使其 FR4介质基板上，如图7(b)所示。对该三角型结构 手频段发生平移，单元结构的厚度和横向间距的变 进行仿真和测试，其仿真带宽为9.5GHz到12.2GHz, .131 1994-2018 China Academie Joural Electronic Publishin
郭经纬等：超材料在微波频段的研究进展与展望 131 图2 [31] （a）CDRR结构单元 （b）CDRR表面感应电流分布 图3 [31] CDRR上的电场 图6 [34] 单面金属结构的超材料 （a）磁谐振器与 金属导线位于介质 基板两侧 （b）磁谐振器与 金属导线位于介 质基板同侧 （c）磁谐振器 与共面的短金属 导线相结合 图4 [32] 超材料结构单元 图5 [33] I型超材料结构 手特性，带宽为3.1GHz，未加载铜线的超材料结构 在18.2GHz到20.4GHz频段内表现为左手特性，带宽 为2.2GHz。研究表明拓扑优化技术是一种方便有效 的超材料设计方法，可广泛应用于所需特性超材料 的设计。 与此同时，内蒙古科技大学郭胜云提出的I型超 材料结构如图5所示[33]，该结构由两个紧靠的金属 线组成。研究发现金属线结构参数的变化会使其左 手频段发生平移，单元结构的厚度和横向间距的变 化也会影响其左手频段的范围，这些特性都可拓展 该超材料结构的应用范围，通过调整这些参数可获 得所需频段的超材料。该超材料结构简单、易于制 备，有利于进一步应用于电磁器件。 2011年，空军工程大学屈绍波课题组设计出了 一种基于单面金属结构的二维左手材料[34]。首先， 设计了如图6（a）所示的结构，仿真发现该结构介质 基板两侧的磁谐振器和金属导线之间存在耦合，耦 合的存在不利于实现负折射率。为了减少耦合设计 出如图6（b）所示的结构，该结构的磁谐振器和金 属导线位于介质基板的同侧，经过仿真该结构依旧 存在耦合。进一步改进，设计出如图6（c）所示的结 构，该结构由位于介质基板同侧的磁谐振器和短金 属导线组成，仿真得到该结构在7.0GHz到10.1GHz频 段内折射率为负，其相对带宽为36%，该结构有效地 抑制了双各向异性，其谐振频率和带宽基本不受短 金属导线宽度变化的影响，具有很好的容错能力， 这大大降低了对制作工艺的要求，更有利于实际加 工，并且该结构对于红外及太赫兹等高频域左手材 料的设计具有重要的参考价值。 3.2 非闭合结构超材料研究进展 法国巴黎高等工业物理化学学院Ourir A课题组 也紧跟研究进度，于2011年提出了双T型超材料结 构[35]，如图7（a）所示。通过研究发现，调整双T型 结构的间距可控制其谐振频率，且该平面结构各向 同性。该双T型结构的负折射率接近-1，具有超低损 耗，此外，利用薄膜沉积技术可容易地实现该结构 纳米级的制造。西安电子科技大学梁昌洪课题组提 出了三角型超材料结构[36]，将三角型铜结构蚀刻在 FR4介质基板上，如图7（b）所示。对该三角型结构 进行仿真和测试，其仿真带宽为9.5GHz到12.2GHz， （a）加载铜线的结构 （b）未加载铜线的结构
电子科学技术Electronie Science&Technogy 2017年第04期 b ”▣ 图7()双T型起材料结构四（句） 三角型超材料钻树 (a)一折交又谐振 ()三折交叉浩振环 图9网交叉振环 测试带宽为94GH2到11SGH2,制造工艺的限制和介 质基板的损耗使仿真结果和测试结果稍有差别，与 以00'为轴旋转至相邻折之间为45°。仿真得到这 四种交叉谐报环结物的诱射谱结果如图10所示 传统开口谐振环(SRR)相比，该三角型结构负折射 频带较宽目报耗低。 由图可知，四折交叉谐振环的品质因数最高，达到 2012年，北京邮电大学张洪欣课题组提出了如 57.6。交叉谐振环的研究在遥感、电磁效应、极化可 图8所示的二维十字环型超材料结构。首先，利用 控等方面有巨大的潜在用途。 113.0 图10四四种交叉谐振环的透射谱 图8网十字环型超材料结构 2013年，同济大学陈鸿课题组提出了一种基于 等效电偶极子和等效磁偶极子的理论分析该十字环型 非对称开口谐振环(ASRR)的低损耗、高Q值的超 超材料结构的左手特性产生机理。然后，运用CST电 材料结构，如图11所示。该平面结构只在微波频 磁仿真软件建立该结构的模型，并进行仿真，利用 段内进行了仿真和实验，但可以推广到太赫兹、红 NRW参数提取法提取出该结构的折射率、介电常数 外和可见光频段。该平面结构因其高O值和低损耗 和磁导率，其左手通带为6.8GHz到6.9GHz。最后， 将在增强光和物质相互作用的方面有巨大的应用 利用棱镜实验对该结构的左手特性进行了实验验证。 力，如低阈值激射、低能量非线性处理、灵敏生物 该十字环型超材料结构具有完全的空间对称性，能够 传感等。 在二维平面上实现双向同性的电磁响应，而且该结构 位于介质基板一侧，只要在介质基板单面进行蚀刻即 可，具有工艺简单、便于制备、成本较低等优点，有 利于实际应用。 美国加州大学伯克利分校张翔课题组也于2012 年设计了4种多折交叉谐振环超材料结构 一折 叉谐振环，即单平面谐振环，其内外环均为金属铜 环，如图9(a)所示；二折交叉谐振环，即两个重 叠的平面谐振环以00' 为轴旋转至相邻折之问为 90°；三折交叉谐振环，即三个重叠的平面谐振环 图11P网基于ASRR平面超材料结构单元 以00'为轴旋转至相邻折之间为60°，如图9(b) 西北工业大学赵晓鹏课题组于2011年提出 所示；四折交叉谐振环，即四个重叠的平面谐振环 种金属-电介质·金属结构的树枝型超材料，如图 132 1994-2018 China academic lournal electronic Publishing House all rights reserved bttp//www enkinet
132 电子科学技术 Electronic Science & Technogy 2017 年第 04 期 测试带宽为9.4GHz到11.5GHz，制造工艺的限制和介 质基板的损耗使仿真结果和测试结果稍有差别，与 传统开口谐振环（SRR）相比，该三角型结构负折射 频带较宽且损耗低。 2012年，北京邮电大学张洪欣课题组提出了如 图8所示的二维十字环型超材料结构[37]。首先，利用 以OO’ 为轴旋转至相邻折之间为45°。仿真得到这 四种交叉谐振环结构的透射谱，结果如图10所示， 由图可知，四折交叉谐振环的品质因数最高，达到 57.6。交叉谐振环的研究在遥感、电磁效应、极化可 控等方面有巨大的潜在用途。 图7（a）双T型超材料结构[35] （b）三角型超材料结构[36] 图8 [37] 十字环型超材料结构 图11[39] 基于ASRR平面超材料结构单元 图10[38] 四种交叉谐振环的透射谱 等效电偶极子和等效磁偶极子的理论分析该十字环型 超材料结构的左手特性产生机理。然后，运用CST电 磁仿真软件建立该结构的模型，并进行仿真，利用 NRW参数提取法提取出该结构的折射率、介电常数 和磁导率，其左手通带为6.8GHz到6.9GHz。最后， 利用棱镜实验对该结构的左手特性进行了实验验证。 该十字环型超材料结构具有完全的空间对称性，能够 在二维平面上实现双向同性的电磁响应，而且该结构 位于介质基板一侧，只要在介质基板单面进行蚀刻即 可，具有工艺简单、便于制备、成本较低等优点，有 利于实际应用。 美国加州大学伯克利分校张翔课题组也于2012 年设计了4种多折交叉谐振环超材料结构[38]：一折交 叉谐振环，即单平面谐振环，其内外环均为金属铜 环，如图9（a）所示；二折交叉谐振环，即两个重 叠的平面谐振环以OO’ 为轴旋转至相邻折之间为 90°；三折交叉谐振环，即三个重叠的平面谐振环 以OO’ 为轴旋转至相邻折之间为60°，如图9（b） 所示；四折交叉谐振环，即四个重叠的平面谐振环 （a）一折交叉谐振环 （b）三折交叉谐振环 图9 [38] 交叉谐振环 2013年，同济大学陈鸿课题组提出了一种基于 非对称开口谐振环（ASRR）的低损耗、高Q值的超 材料结构[39]，如图11所示。该平面结构只在微波频 段内进行了仿真和实验，但可以推广到太赫兹、红 外和可见光频段。该平面结构因其高Q值和低损耗， 将在增强光和物质相互作用的方面有巨大的应用潜 力，如低阈值激射、低能量非线性处理、灵敏生物 传感等。 西北工业大学赵晓鹏课题组于2011年提出了一 种金属-电介质-金属结构的树枝型超材料[40]，如图
郭经纬等：超材料在微波频段的研究进展与展望 12(a)所示树枝型结构采用金属铜。介质基板采 a 用环氧玻璃。仿真和实验都证实这种树枝型结构具 有左手特性，平面透镜聚焦实验进一步证实了其左 手特性。采用申化学沉积法制条纳米级的树技刑结 构，如图12(b)所示，该树枝型结构在光学频段表 现为左手特性。电化学沉积法制备的树枝型结构可 图14四“T型超材料结构 作为设计光学韬材料的模型，但树枝型结构的大小 其带宽远大于传统超材料结构，且每个结构单元最 很难均匀统 。该研究结果解释了纳米级自组装方 大损耗低于0.27dB,极大地实现了低损耗 法制备的左手超材料的谐振机理，大大促进了光学 2016年PE.Koziol等人提出了一种人工合成超 韬材料的发展。2014年.该课颗组讲一北对树枝型 材料的新方法“)，即激光辐射法。该方法在氯化铝 陶瓷体六个表面通过高能量激光束的相互作用直接 实现金属化，获得了铝的薄层，从而合成了三维超 材料，其仿真结构如图15(a)所示。三维氮化铝陶 瓷体超材料结构的样品如图15(b)所示。将该三维 超材料制成一个楔形棱镜，实验结果表明在7GHz到 Side branch 9Gz具有负磁导率，在7.67GH2到8.67GHz具有负折 图12网(@)树枝型结构(b)电化学沉积法制备的银树枝结构 射率。以陶瓷为基底的超材料结构可用于微波超级 透镜，因其具有高介质常数和高热导系数也可用于 雷达。相比平面印刷术，激光辐射法不用附加金属 罩可直接将材料金属化，且可以自由地设计结构 缩短了制造时问，但是激光点的大小直接影响了激 光辐射法的分辨率。 图13中明银树枝SEM慰片 结构进行研究，利用自下而上的电化学沉积法成 功制备出Ag/TiO./Ag双层纳米银树枝状复合结构，如 图13所示，经测试该每合结物在绿光缅段出现了透 射峰，并对其进行平板聚焦实验，实验表明当入射 波长等于透射峰波长时该复合结构出现显著的平板 聚住效应。申化学沉积洪的沉积条件会影响银树村 哈尔淀工业大学干晓魂果组也干2016年提出 结构的形状及尺寸，根据这一特性，通过改变沉无 了 种手性镂空开口谐振环纳米结构，该手性结 电压和沉积时间分别得到了黄光频段和红光颗段的 构分为三层（金/聚酰亚胺/金），如图16所示。手性 银树枝状有合结构。这种银纳米复合结构制备方法 材料在电磁场中自极化、交叉极化，不论介电常数 操作简单、成本低廉 对可见光波段光学器件的 和磁导率是否为负，都可以实现负折射率。对于所 究及应用具有重要章义。 提出的手性结构，其金属层之间存在强耦合，金属 2015年.杭州申子科技大学耿友林等人设计了 长面形成申流。从而在申场和碳场之间形成了强锂 种新型低损耗、宽频带、小尺寸的“Ⅱ”型左手 合以及 个大手性参数，实现了负折射。传统SRR 材料回，如图14所示。该“Ⅱ”型超材料结构设计简 的电场分布集中在开口处，其它地方的电场几乎为 单、易于制造。利用HFSS软件对其进行仿真，介电 零而该镂空SRR的申场分布在谐振环的间隙其申 常数和磁导率在8.785GHz到15.574GHz频段内均为负 畅强度明显高于传统结构。该手性纳米结构在红外 值，绝对带宽为6.789GHz,相对带宽约为55.74%， 和可见光区域形成多个电偶极子和磁偶极子，这些 .133 1904-2018 China Academic fournal electronic publishin All rights
郭经纬等：超材料在微波频段的研究进展与展望 133 12（a）所示，树枝型结构采用金属铜，介质基板采 用环氧玻璃。仿真和实验都证实这种树枝型结构具 有左手特性，平面透镜聚焦实验进一步证实了其左 手特性。采用电化学沉积法制备纳米级的树枝型结 构，如图12（b）所示，该树枝型结构在光学频段表 现为左手特性。电化学沉积法制备的树枝型结构可 作为设计光学超材料的模型，但树枝型结构的大小 很难均匀统一。该研究结果解释了纳米级自组装方 法制备的左手超材料的谐振机理，大大促进了光学 超材料的发展。2014年，该课题组进一步对树枝型 其带宽远大于传统超材料结构，且每个结构单元最 大损耗低于0.27dB，极大地实现了低损耗。 2016年P. E. Koziol等人提出了一种人工合成超 材料的新方法[43]，即激光辐射法。该方法在氮化铝 陶瓷体六个表面通过高能量激光束的相互作用直接 实现金属化，获得了铝的薄层，从而合成了三维超 材料，其仿真结构如图15（a）所示。三维氮化铝陶 瓷体超材料结构的样品如图15（b）所示。将该三维 超材料制成一个楔形棱镜，实验结果表明在7GHz到 9GHz具有负磁导率，在7.67GHz到8.67GHz具有负折 射率。以陶瓷为基底的超材料结构可用于微波超级 透镜，因其具有高介质常数和高热导系数也可用于 雷达。相比平面印刷术，激光辐射法不用附加金属 罩可直接将材料金属化，且可以自由地设计结构， 缩短了制造时间，但是激光点的大小直接影响了激 光辐射法的分辨率。 图12 [40] （a）树枝型结构 （b）电化学沉积法制备的银树枝结构 图13[41] 银树枝SEM照片 图14 [42] “II”型超材料结构 结构进行研究[41]，利用自下而上的电化学沉积法成 功制备出Ag/TiO2/Ag双层纳米银树枝状复合结构，如 图13所示，经测试该复合结构在绿光频段出现了透 射峰，并对其进行平板聚焦实验，实验表明当入射 波长等于透射峰波长时该复合结构出现显著的平板 聚焦效应。电化学沉积法的沉积条件会影响银树枝 结构的形状及尺寸，根据这一特性，通过改变沉积 电压和沉积时间分别得到了黄光频段和红光频段的 银树枝状复合结构。这种银纳米复合结构制备方法 操作简单、成本低廉，对可见光波段光学器件的研 究及应用具有重要意义。 2015年，杭州电子科技大学耿友林等人设计了 一种新型低损耗、宽频带、小尺寸的“II”型左手 材料[42]，如图14所示。该“II”型超材料结构设计简 单、易于制造。利用HFSS软件对其进行仿真，介电 常数和磁导率在8.785GHz到15.574GHz频段内均为负 值，绝对带宽为6.789GHz，相对带宽约为55.74%， 图15[43] 三维氮化铝陶瓷体超材料 （a）仿真结构 （b）样品实物 哈尔滨工业大学王晓鸥课题组也于2016年提出 了一种手性镂空开口谐振环纳米结构[44]，该手性结 构分为三层（金/聚酰亚胺/金），如图16所示。手性 材料在电磁场中自极化、交叉极化，不论介电常数 和磁导率是否为负，都可以实现负折射率。对于所 提出的手性结构，其金属层之间存在强耦合，金属 表面形成电流，从而在电场和磁场之间形成了强耦 合以及一个大手性参数，实现了负折射。传统SRR 的电场分布集中在开口处，其它地方的电场几乎为 零，而该镂空SRR的电场分布在谐振环的间隙，其电 场强度明显高于传统结构。该手性纳米结构在红外 和可见光区域形成多个电偶极子和磁偶极子，这些
电子科学技术Electronie Science&Technor 2017年第04期 偶极子的相百作用引杞了明显的光学活性和多波段 羊隐身。现口实现圆样、球、橄圆柱、多棱柱第微规 负折射率，比现有的手性超材料具有更高、更宽的 形状的超材料隐身套，任意形状隐身套有待进一步研 频率范围，且旋转角高达180°。该手性结构超材料 究。目前的研究基本上都是针对封闭套，但对于运动 可用于红外和可见光频段的电磁应用，如成像、隐 的物体至少需要一个窗口与外界进行物质、能量和信 形斗篷、完美透镜等。 息的交换，这就需要开口隐身套，开口隐身套已成为 超材料隐身技术中亟待解决的热点问题。 6 5总结与展望 目前、超材料的研穷究已经证伸到太林兹、所红 (c) 外、可见光及紫外等频段。除了对超材料性能、带 宽、特性频段等方面的研究，科研工作者们还将超 手性纳米结构单元(a)正面图()侧视图(@)背面图 材料和材料学、光学、量子力学、等离子体物理学 等学科交叉融合，扩展了其研究与应用领域。但超 4超材料在微波频段的应用 材料一般带宽窄、可调性差、损耗较高、难以扩展 到三维，这些缺点都极大地制约着超材料的应用， 超材料因其奇异的特性被广泛运用于电磁器件 且超材料对结构参数敏感，这就要求很高的加工精 性能的改进，并且已经取得较大的进展，有些已应 度，使得超材料难以实现大规模生产。今后，科研 用于实际。下面重点介绍超材料在吸波体、频率 工作者们需进一步对超材料进行深入研究，以克服 选择表面测和隐身技术1网方面的应用。 这些缺点，实现超材料的大规模生产及应用。 般情况下，超材料损耗较大，将超材料的损 耗用于吸波体，可大大提高其吸收率，吸收率最高 参考文献 可接近100%。与传统吸波材料相比，超材料吸波体 [D.Schurig.J.J.Mock,B.J.Justice,S.A.Cummer,J.B.Pendry 厚度薄、质量轻、频带可调、吸收强，其中超高的 A.F.Starr.D.R.Smith.Metamaterial Electromagnetie Cloak a 吸收率尤其明显。但是超材料吸波体也存在者极化 敏感、入射角过窄、单面吸波、单频带吸波、吸收 [2]Parazzoli C G.Greegor R B.Li K.ct al Experimental verification 频带过窄等缺点，在今后的研究工作中需 一步克 and simulation of neeative index of refraction using Snell's lawl 服这些缺点，向极化不敏感吸波、宽入射角吸波、 多带吸波、窗频带吸洁第方向发展珠而更好地 [3]Chen H.Ran L HuangfuJ.ct al.F-junction waveguide expcriment 实现超材料吸波体的完美吸波。 prope 具有周期结构的超材料的物理性质与频率选择 4 e向sics,203,9463712.371 表面(FSS)有许多相似之处，大量研究表明将超材 Seddon N.Bearpark T.Observation of the imverse Doppler effectIJ] 料设计的理论研究成果应用于FSS的设计是可行的， Science,2003.302(5650r1537-1540. 即把频率选择表面与超材料的设计理念相结合，提 [5]Houck AA.Brock JB.Chung IL.Experim ental observations o 出了一种基于超材料的频率选择表面设计方法， 可 a left-handed material that obeys Snell's lawJl.Physical Review 实现良好的频率选择特性，对结构简单、相对尺寸 Letters 2003 90(13r 137401 较小、频带可调、多通带的FSS都具有借鉴意义。 Luo H,Wen S,Shu W.et al Re 隐身技术的目的是降低目标的信号特征，使共难 materials[J].Phrysical Review A.2008.78(3):033805. 以被发现、识别、跟踪。超材料隐身技术根据实现机 [71 Ran L Huanefu Chen H ctal Micro uave solid-stnte loft.hando 理可分为吸波隐身技术和透波隐身技术，当电磁波入 射到超材料上时，超材料本身的结构特性改变了电础 Review B.2004.707h073102 波的传播特性，使得探测波检测不回波，从而实现完 134 21994-2018 China academic lournal electronic Publishing House all rights reserved http://www enkine
134 电子科学技术 Electronic Science & Technogy 2017 年第 04 期 4 超材料在微波频段的应用 超材料因其奇异的特性被广泛运用于电磁器件 性能的改进，并且已经取得较大的进展，有些已应 用于实际。下面重点介绍超材料在吸波体[45-48]、频率 选择表面[49,50]和隐身技术[51-59]方面的应用。 一般情况下，超材料损耗较大，将超材料的损 耗用于吸波体，可大大提高其吸收率，吸收率最高 可接近100%。与传统吸波材料相比，超材料吸波体 厚度薄、质量轻、频带可调、吸收强，其中超高的 吸收率尤其明显。但是超材料吸波体也存在着极化 敏感、入射角过窄、单面吸波、单频带吸波、吸收 频带过窄等缺点，在今后的研究工作中需进一步克 服这些缺点，向极化不敏感吸波、宽入射角吸波、 多频带吸波、宽频带吸波等方向发展，进而更好地 实现超材料吸波体的完美吸波。 具有周期结构的超材料的物理性质与频率选择 表面（FSS）有许多相似之处，大量研究表明将超材 料设计的理论研究成果应用于FSS的设计是可行的， 即把频率选择表面与超材料的设计理念相结合，提 出了一种基于超材料的频率选择表面设计方法，可 实现良好的频率选择特性，对结构简单、相对尺寸 较小、频带可调、多通带的FSS都具有借鉴意义。 隐身技术的目的是降低目标的信号特征，使其难 以被发现、识别、跟踪。超材料隐身技术根据实现机 理可分为吸波隐身技术和透波隐身技术，当电磁波入 射到超材料上时，超材料本身的结构特性改变了电磁 波的传播特性，使得探测波检测不回波，从而实现完 美隐身。现已实现圆柱、球、椭圆柱、多棱柱等常规 形状的超材料隐身套，任意形状隐身套有待进一步研 究。目前的研究基本上都是针对封闭套，但对于运动 的物体至少需要一个窗口与外界进行物质、能量和信 息的交换，这就需要开口隐身套，开口隐身套已成为 超材料隐身技术中亟待解决的热点问题。 5 总结与展望 目前，超材料的研究已经延伸到太赫兹、近红 外、可见光及紫外等频段。除了对超材料性能、带 宽、特性频段等方面的研究，科研工作者们还将超 材料和材料学、光学、量子力学、等离子体物理学 等学科交叉融合，扩展了其研究与应用领域。但超 材料一般带宽窄、可调性差、损耗较高、难以扩展 到三维，这些缺点都极大地制约着超材料的应用， 且超材料对结构参数敏感，这就要求很高的加工精 度，使得超材料难以实现大规模生产。今后，科研 工作者们需进一步对超材料进行深入研究，以克服 这些缺点，实现超材料的大规模生产及应用。 参考文献 [1] D. Schurig, J. J. Mock, B. J. Justice, S. A. Cummer, J. B. Pendry, A. F. Starr, D. R. Smith. Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies [J]. Science, 2006, 314: 977-980 [2] Parazzoli C G, Greegor R B, Li K, et al. Experimental verification and simulation of negative index of refraction using Snell’s law[J]. Physical Review Letters, 2003, 90(10): 107401. [3] Chen H, Ran L, Huangfu J, et al. T-junction waveguide experiment to characterize left-handed properties of metamaterials[J]. Journal of applied physics, 2003, 94(6): 3712-3716. [4] Seddon N, Bearpark T. Observation of the inverse Doppler effect[J]. Science, 2003, 302(5650): 1537-1540. [5] Houck A A, Brock J B, Chuang I L. Experimental observations of a left-handed material that obeys Snell’s law[J]. Physical Review Letters, 2003, 90(13): 137401. [6] Luo H, Wen S, Shu W, et al. Rotational Doppler effect in left-handed materials[J]. Physical Review A, 2008, 78(3): 033805. [7] Ran L, Huangfu J, Chen H, et al. Microwave solid-state left-handed material with a broad bandwidth and an ultralow loss[J]. Physical Review B, 2004, 70(7): 073102. 图16 [45] 手性纳米结构单元（a）正面图（b）侧视图（d）背面图 偶极子的相互作用引起了明显的光学活性和多波段 负折射率，比现有的手性超材料具有更高、更宽的 频率范围，且旋转角高达180°。该手性结构超材料 可用于红外和可见光频段的电磁应用，如成像、隐 形斗篷、完美透镜等
郭经纬等：超材料在微波频段的研究进展与展望 [8]Chen H.Ran L HuanefuJ.ctal Left-handed materials composed of only S-shaped resonators[L Physical Review E.2004.70(5) or.Physical Review(5) 05760 057605 [24]Baena J D.Marques R.Medina F,et al.Artificial magnetic ]Zhou J.Zhang L Tuttle G.ct al.Negative index materials using B,204,69L01402 [10]Kafesaki M,Tsiapa I,Katsarakis N,et al.Left-handed metamaterials [25]Zhou J,Koschny T,Zhang L,et al.Experimental demonstration The fishnet structure and its variations[Jl.Physical Review B.2007 of negative index of refractionll.Applied Physics Letters.2006 73523y235114 8822110 [11]Ahmadi A,Mosallaei H.Physical configuration and performance [26]Zhou J.Zhang L.Tuttle G,et al.Negative index materials using modeling of all-dielectric metamaterialsJ].Physical Review B. simple short wire pairs[J].Physical Revicw B.2006.73(4k:041101. 208,774045104 7]CaiX,HuG.Pat-shapek f-handed [12]Popa B I,Cummer S A.Compact dielectrie particles as a building of analogous metamaterials[CV/Biophotonics,Nanophotonics and block for low-loss magnetic metamaterialsIJI.Physical review Metamaterials,2006.Metamaterials 2006.Intemational Symposiun 1eten208,1020r20740 onlE旺206502.50s. [13]Peng L,Ran L,Chen H,et al.Experimental observation of left [28]Liu R,Degiron A,Mock JJ,et al.Negative index materia handed behavior in an array of standard dielectric resonators[]. composed of electric and magnetic resonators[Jl.Applied Physic 2007.98(1515740 2007.902626350 [14]Yao J,Liu Z,Liu Y,et al.Optical negative refraction in bull 29杜波，周济，郝立峰，等，基于多层陶瓷结构的超材料的制备与 metamaterials of nanowiresJl Science.2008.321(5891):930-930. 性能们.四川大学学报：白然科学版2008(S1) [15]Fang A.Koschny T.Soukoulis CM.Optical anisotrop 0]Lv Yan B.Liu M et al Numerical studies of a low-los s an metamaterials:Negative refraction and focusing[.Physical Review broad-pass-band single-sided-structure left-handed metamaterial B.2009.7924245127 Physical Revicw E 2009 7901017601 wire I Lu WB.ZF,DongZG.ctal Left handed mesh[J].Physical Review B,2009,79(15:153109 of planar metamaterials based on complementary double-ring [17]Mackay T G.Lakhtakia A.Negative refraction,negative phase resonators[J].Joumal of Applied Physics,2010.108(3)033717. Nclocity,andcounterpos 2] Dong Y.Desig Ilet-handdmatcnalbasedomtopolog metamaterials[].Physical Review B,2009,79(23 235121 optimization[].Joumal of Wuhan University of Technology-Mate [18]Zhao Q.Kang L.Du B.et al.Experimental demonstration of Sci.Ed2010252Y282.286 onmldiclectnc B)郭云胜，张雪蜂一种结构简单的二维左手材料设计及仿真研 omposite[J].Physical review letters,2008,101(2027402 究.物理学报，2010(128584-8590 [19]Zhang S.Park Y S.Li J.et al.Negative refractive index in chiral 34】陈春群，屈绍波，徐卓，等，基于单而金属结构的二维宽带左于 matcrnalslPhscademiwktas.20.1o22y02380l 材料物理学报201,60224101-024101 [20]Zhou J,Dong J,Wang B,et al.Negative refractive index due to [35]Ourir A,Abdeddaim R,de Rosny J.Double-T metamaterial for chirality[l.Phrysical Review B.2009.79(12):121104 parallel and normal transverse electric incident waves[.Optic leters,201l,369y1527-1529 metamaterials:Theoretical study[J].Physical Review A.2007. [36]Zhu C.Liang C H.Li L.Broodband negative index metamaterials 762上023811 with low-loss[J].AEU-International Journal of Electronics and 22]Simovsk由CR.He S.Fr xplicit expres s201.69724727 negative permittivity and permeability for an isotropic mediun 「3刀杨晨，张洪欣，王海侠，等.十字环型左手材料单元结构设计与 formed by a lattice of perfectly conducting particles[.Physics 仿直月.物理学报2012,61(16164101-164101 lettersA,.2003.31225426 8]DongZG.NiP.Toroidal dipole r [23]Chen H,Ran L,Huangfu J,et al.Left-handed materials composed double-ring metamaterial[J].Optics express,2012,20(12):13065 .135 1904-2018 China Academi
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