《電磁超構(gòu)表面的設計與應用》是空軍工程大學新材料天線和射頻技術(shù)課題組多年從事超構(gòu)材料和超構(gòu)表面研究工作的凝練和總結(jié)，以超構(gòu)材料研究為基礎，將思想與超構(gòu)材料相結(jié)合，探索了獨具特色的復合左右手傳輸線設計新思路、新方法，并將其應用于改善微波器件和微帶天線性能。以超構(gòu)表面研究為核心，緊跟國際發(fā)展前沿，創(chuàng)新研究思路，搭建實驗平臺，注重實踐應用，探索了其在高增益透鏡天線、極化波束分離器、低RCS器件以及可調(diào)F-P諧振天線等領域的系列應用加速了超構(gòu)材料和超構(gòu)表面在微波工程中的應用步伐。
《電磁超構(gòu)表面的設計與應用》可作為從事超構(gòu)材料研究的科技工作者、研究生及高年級本科生的參考書。
追求真理和知識是人的最高和永恒的目標。
——愛因斯坦
人類總是在不斷地認識世界和改變世界，而認識和改變的過程是循環(huán)往復、交替上升的，進而實現(xiàn)科學的發(fā)展。科學家們對于超構(gòu)材料以及超構(gòu)表面的研究和發(fā)展過程也遵循這一規(guī)律。
超構(gòu)材料是指自然界本身并不存在，人們依據(jù)電磁理論設計出來的具有某種電響應或磁響應的“特異”人造材料。超構(gòu)材料的發(fā)展可以劃分為三個階段。
超構(gòu)材料的興起與第一次研究熱潮：20世紀90年代，J.B.Pendry等人利用周期金屬線和開口諧振環(huán)分別實現(xiàn)了負介電常數(shù)和負磁導率，打開了超構(gòu)材料的設計大門；隨后，D.R.Smith團隊制作出第一塊超構(gòu)材料樣品，并通過棱鏡實驗首次觀察到了負折射現(xiàn)象，從此超構(gòu)材料逐步成為國際電磁學界引入矚目的前沿領域；隨著等效媒質(zhì)理論和變換光學理論的提出，“完美透鏡”和“隱身斗篷”的設計與實驗，使人們對超構(gòu)材料的認識上升到前所未有的高度，并極大地激發(fā)了人們對超構(gòu)材料的研究探索熱情，超構(gòu)材料也迎來了第一次研究熱潮，這一時期對超構(gòu)材料的研究更多地體現(xiàn)在其前沿科學價值。
超構(gòu)材料的平穩(wěn)發(fā)展與推廣應用：隨著超構(gòu)材料基本研究理論的建立與完善，科學家們開始不斷拓展其研究范疇，單負媒質(zhì)、漸變折射率和零折射率媒質(zhì)、手征媒質(zhì)、可調(diào)控超構(gòu)材料、量子超構(gòu)材料、人工表面等離子激元等新領域開始步入超構(gòu)材料的廣闊舞臺，工作頻段也由最初的微波段拓展至直流、聲波段、太赫茲、紅外及可見光波段。同時，超構(gòu)材料開始逐步成熟并走向應用，如基于左右手混合傳輸線的小型化器件在微波集成電路中的應用、漸變折射率媒質(zhì)在新型透鏡中的應用等。然而，這一時期的超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)復雜，損耗較大，極大地限制了其推廣應用步伐，也一度引起了科學家們對超構(gòu)材料發(fā)展前景的擔憂。
超構(gòu)表面推動了第二次研究熱潮的來臨：2011年后，隨著哈佛大學于南方（Nanfang Yu）等人提出廣義折射／反射定律，超構(gòu)表面開始進入科學家的視野，其在電磁調(diào)控領域的獨特優(yōu)勢和自由度，極大地提高了人們的設計熱情，也推動了超構(gòu)媒質(zhì)的第二次研究熱潮。目前，超構(gòu)表面已發(fā)展成為固體物理學、材料學、力學、應用電磁學和光子學等多個交叉學科的研究熱點和前沿。與三維超構(gòu)材料相比，超構(gòu)表面除了對單元結(jié)構(gòu)的設計外，更重要的是引入了“宏觀序”概念，這從根本上增加了設計的自由度。同時，超構(gòu)表面的損耗更小，設計更加簡單，因此新型物理機制和現(xiàn)象被不斷挖掘，如廣義Snell定律、傳輸波向表面波的轉(zhuǎn)化、全息表面、聚焦透鏡、光子自旋霍爾效應等。目前，這一領域正在蓬勃向前發(fā)展，并不斷迸發(fā)出新的活力。
空軍工程大學新材料天線和射頻技術(shù)課題組是國內(nèi)最早研究超構(gòu)材料和超構(gòu)表面的單位之一。在超構(gòu)材料研究方面，課題組在復合左右手傳輸線研究領域積累了豐富經(jīng)驗，形成了獨具特色的設計新思路、新方法，作者在本書的第2和第3章總結(jié)了復合左右手傳輸線在改善微波器件性能以及高性能微帶天線方面的應用，這部分工作是超構(gòu)表面研究的基礎。對于超構(gòu)表面研究，該課題組緊跟國際前沿，創(chuàng)新研究思路，搭建實驗平臺，注重實踐應用，在基于超構(gòu)表面的高增益透鏡天線、極化波束分離器、低RCS器件以及可調(diào)F-P諧振天線等領域取得了一系列研究成果，這在本書的第4-7章做了重點闡述，該部分內(nèi)容是本書的核心部分。
本書內(nèi)容翔實，層次清晰，緊跟超構(gòu)表面研究發(fā)展前沿，希望能為廣大從事超構(gòu)表面研究的科技工作者蓄能助力，也可幫助物理學、光學和電磁學專業(yè)的研究生及本科生快速了解超構(gòu)表面，拓寬視野。特此作序推薦。
第1章 緒論
1．1 基本概念
1．2 超構(gòu)材料研究進展
1．2．1 超構(gòu)材料研究的興起
1．2．2 超構(gòu)材料的平穩(wěn)發(fā)展期
1．2．3 超構(gòu)表面的興起與發(fā)展
1．3 本書主要工作
第2章 緊湊型CRLHTL及其在微波器件中的應用
2．1 一維緊湊型CRLHTL的精確設計方法
2．1．1 集總CRLHTL設計方法
2．1．2 分布CRLHTL設計方法
2．2 集總CRLHTL雙頻理論與環(huán)形電橋應用
2．2．1 雙頻理論與電橋設計
2．2．2 電橋?qū)嶒?br>2．3 集總CRLHTL寬頻理論與應用
2．3．1 單CRLHTL寬頻理論與移相器應用
2．3．2 雙CRLHTL寬頻理論與巴倫應用
2．4 基于CSRRP的新型分布CRLH單元分析、設計與零相移
驗證
2．4．1 CRLH單元、等效電路與分析
2．4．2 電小平衡CRLH單元設計與零相移特性
2．4．3 零相移特性驗證
2．5 基于GC-SSI的分布CRLH單元設計與高隔離雙工器
2．5．1 CRLH單元等效電路與色散曲線
2．5．2 高隔離雙工器
第3章 基于CRLHTL的高性能微帶天線設計
3．1 基于平衡CRLHTL單元的新型漏波天線
3．1．1 平衡點漏波分析
3．1．2 CRLH單元與平衡設計
3．1．3 天線性能分析
3．2 基于新型CRLHTL的超構(gòu)圓極化漏波天線
3．2．1 超構(gòu)圓極化漏波天線的設計
3．2．2 超構(gòu)圓極化漏波天線的性能分析
3．3 基于單一CRLHTL寬帶圓極化天線陣
3．3．1 順序旋轉(zhuǎn)陣列理論
3．3．2 超寬帶移相器設計
3．3．3 順序旋轉(zhuǎn)網(wǎng)絡設計
3．3．4 圓極化天線陣設計與實驗
3．4 基于CSR的蘑菇二維CRLH雙頻雙模天線
3．4．1 單元、等效電路與工作機理
3．4．2 雙頻雙模天線設計與實驗
第4章 超構(gòu)表面在高增益天線與多功能器件中的應用
4．1 基于反射超表面的寬帶高增益天線
4．1．1 超薄RMS單元設計
4．1．2 基于聚焦RMS的高增益天線設計
4．2 基于多層透射超構(gòu)表面的透鏡天線設計
4．2．1 多層TMS單元設計
4．2．2 基于聚焦TMS的高增益天線設計
4．3 反射型線一圓極化高增益天線設計
4．3．1 線極化到圓極化轉(zhuǎn)換超構(gòu)表面理論分析
4．3．2 反射型單元設計
4．3．3 反射型多功能天線設計
4．4 透射型線一圓極化和聚焦超構(gòu)表面
4．4．1 線極化到圓極化轉(zhuǎn)換超構(gòu)表面理論分析
4．4．2 透射型單元設計
4．4．3 透射型多功能天線設計
4．5 基于組合單元的單層TMS設計
4．5．1 單層TMS單元設計
4．5．2 基于單層TMS的高增益透鏡天線設計
4．6 基于PB原理的圓極化單層TMS設計
4．6．1 PB相位原理
4．6．2 透射旋轉(zhuǎn)單元設計
4．6．3 單層透射高增益透鏡天線設計
4．7 基于高效透射超構(gòu)表面的C/X雙頻透鏡天線設計
4．7．1 高效透射單元設計
4．7．2 高效雙頻透鏡天線設計
第5章 極化分離超構(gòu)表面的設計與應用
5．1 反射型極化分離超構(gòu)表面設計
5．1．1 單元設計
5．1．2 平面波照射下的極化分離
5．1．3 球面波照射下的極化分離
5．2 透射型極化分離超構(gòu)表面設計
5．2．1 單元設計
5．2．2 平面波照射下的極化分離
5．2．3 球面波照射下的極化分離
5．3 透-反射型極化分離超構(gòu)表面設計
5．3．1 單元設計
5．3．2 超構(gòu)表面設計
第6章 電磁超構(gòu)表面在RCS減縮中的應用
6．1 基于新型棋盤格超構(gòu)表面的RCS減縮
6．1．1 理論分析
6．1．2 超構(gòu)表面設計
6．1．3 仿真和實驗驗證
6．2 基于隨機梯度超構(gòu)表面的RCS減縮
6．2．1 理論驗證
6．2．2 隨機梯度超構(gòu)表面設計
6．2．3 仿真和實驗驗證
6．3 基于吸波和漫反射復合機理的雙頻低RCS超構(gòu)表面
6．3．1 雙頻超構(gòu)表面設計
6．3．2 仿真和實驗驗證
6．4 基于各向異性超構(gòu)表面的方向可控RCS減縮
6．4．1 理論驗證
6．4．2 可控隨機超構(gòu)表面設計及仿真驗證
第7章 基于可調(diào)超構(gòu)表面的F-P諧振腔天線研究
7．1 F-P諧振腔天線的基本理論
7．2 頻率可重構(gòu)F-P諧振腔天線設計
7．2．1 可重構(gòu)PRS設計
7．2．2 天線設計
7．2．3 天線的加工與測試
7．3 方向圖可重構(gòu)F-P諧振腔天線
7．3．1 可重構(gòu)PRS設計
7．3．2 天線設計
7．3．3 天線的加工和測量
7．4 極化和方向圖可重構(gòu)F-P諧振腔天線
7．4．1 可重構(gòu)PRS設計
7．4．2 極化可重構(gòu)饋源設計
7．4．3 天線設計
7．4．4 天線的加工和測量
參考文獻
書單推薦
