袁鵬亮， 史 朝

(1.慶陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源工程系， 甘肅 慶陽 745000； 2.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院， 陜西 西安 710129； 3.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610103)

超材料在可重構(gòu)電磁學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展

袁鵬亮1,2， 史 朝3

(1.慶陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源工程系， 甘肅 慶陽 745000； 2.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院， 陜西 西安 710129； 3.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610103)

介紹了超材料在微波(0.3～300 GHz)、太赫茲(0.3～100 THz)和近紅外頻段(100～790 THz)中的可重構(gòu)電磁學(xué)的調(diào)控方法和研究現(xiàn)狀，并依照功能分類，對在可重構(gòu)電磁學(xué)方面的應(yīng)用分別做了綜合性歸納描述，最后對其在可重構(gòu)電磁學(xué)方向的未來可能的發(fā)展趨勢做了進(jìn)一步的展望。

超材料； 可重構(gòu)； 發(fā)展趨勢

超材料(Metamaterial)是可用于工程的但自然界不存在的一種材料，又叫“異向介質(zhì)”“超電磁介質(zhì)”或“特異電磁介質(zhì)”，主要由復(fù)合材料以一定的方式重復(fù)排列形成，尺度上比涉及的波長更小。超材料的特性不是來自基本材料的特性，而是他們新設(shè)計的結(jié)構(gòu)。通過外形、尺寸和排列方式等的精確設(shè)計能給超材料操縱電磁波的超級特性，通過吸收、增強(qiáng)、或波形彎曲，可以獲得傳統(tǒng)材料所不具備的益處。恰當(dāng)設(shè)計的超材料可以以一定的方式影響電磁輻射波或聲波，這在一般材料中是做不到的。

超材料的出現(xiàn)迄今為止已有幾十年，尤其是對于特定的波長有負(fù)折射率，這一現(xiàn)象引起工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛興趣，超材料相關(guān)科學(xué)研究成果已有3次被《科學(xué)》雜志評選為年度十大科技突破[1]。超材料介質(zhì)具有從負(fù)到正的折射率，其中包括零折射率。并以其低成本、可滿足多種的成本、尺寸和性能的需要，目前已使用在透鏡、天線、天線罩和頻率選擇性表面等設(shè)計中[2-3]。特別是在引入自然界不存在的場操控特性的工程材料之后，應(yīng)用更趨廣泛[4-5]。最初，具有奇異電磁特性的超材料主要通過有序的亞波長諧振器實現(xiàn)，這使新型電磁器件的制造成為可能，包括高增益小天線、完美透鏡、小型濾波器以及功率分配器、隱身斗篷、吸收器、波操縱表面和小型極化器。

隨著技術(shù)的發(fā)展以及系統(tǒng)需求的不斷提高，對系統(tǒng)的要求越來越高。不僅要求系統(tǒng)具有穩(wěn)定的傳輸性能，而且要求系統(tǒng)能在多頻率段工作，有多種工作模式，同時，又能滿足體積質(zhì)量較小、制造成本較低的目標(biāo)要求?；谶@樣的要求，20世紀(jì)80年代初提出了可重構(gòu)系統(tǒng)的概念。可重構(gòu)系統(tǒng)可以使一個系統(tǒng)工作在多種期望的模式下，能做到隨時切換狀態(tài)，可以看出，一個可重構(gòu)的系統(tǒng)就可以完成以前多個系統(tǒng)設(shè)備才能實現(xiàn)的多模式工作，這就有效地實現(xiàn)了系統(tǒng)的有效分集。國內(nèi)主要對可重構(gòu)天線做了一定的研究，這方面王秉中[6-7]做了早期的許多研究工作，并取得了一定的成果。當(dāng)超材料出現(xiàn)之后，其良好的性能表現(xiàn)引起了可重構(gòu)方向研究者的興趣，并已有諸多的成果發(fā)表[8-11]。但國內(nèi)在可重構(gòu)超材料方面的研究非常少，僅有可數(shù)的幾個跟隨性的工作[12-13]。

可調(diào)可重構(gòu)超材料定義為通過自身構(gòu)成部分的物理或幾何性質(zhì)的變化來影響設(shè)備的運行部分，進(jìn)而改變超材料的電磁行為?；诔牧系慕Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)已有好幾種調(diào)控機(jī)制，例如微機(jī)械設(shè)備、非線性材料、液晶、微流體和多種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。目前，已應(yīng)用在不同種類的無線、有線通信上，可工作在微波、太赫茲、中紅外、近紅外和可見光波段。同時，超材料結(jié)構(gòu)是減少靜態(tài)超材料重要缺陷的合適方式。事實上，為實現(xiàn)設(shè)計超材料的電磁可重構(gòu)特性，直接方式是在亞波長尺度引入可調(diào)器件，這就要犧牲靜態(tài)結(jié)構(gòu)制造簡易性。這一構(gòu)想在簡易射頻設(shè)備上最先得到證實，后擴(kuò)展到其他應(yīng)用領(lǐng)域和頻率范圍[14]。

在商業(yè)設(shè)備制造上，可重構(gòu)超材料的研究發(fā)展存在著嚴(yán)峻的理論、技術(shù)挑戰(zhàn)，表現(xiàn)在靈活性、工作頻帶、效率、實現(xiàn)的復(fù)雜性、穩(wěn)健性、調(diào)控速度及價格等問題上。事實上，若要為一個超材料結(jié)構(gòu)提供可重構(gòu)性，就必須引入額外器件或材料，這會影響系統(tǒng)效率、重量和功耗，為此，就需要無線自組網(wǎng)(AD hoc)控制邏輯?？芍貥?gòu)超材料工程目前是一個非常活躍的研究領(lǐng)域，一直在不斷發(fā)展出新的技術(shù)。

在超材料設(shè)備的設(shè)計中，可重構(gòu)性選擇的物理機(jī)制是非常重要的，物理機(jī)制影響到最終的性能、成本、制造復(fù)雜程度、尺度大小和結(jié)構(gòu)靈活性。早期，許多可重構(gòu)超材料是建立在普遍建立的模塊基礎(chǔ)之上，例如，開環(huán)諧振器(split ring resonators, SRRs)和互補開環(huán)諧振器(complementary split-ring resonator, CSRR)。它們的特性參數(shù)適于壓控電容或電阻來調(diào)整。近年來，在可重構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計過程中已全部利用AD hoc來設(shè)計。例如，優(yōu)化的可調(diào)超表面，以及他們的可控子單元。若要取得可重構(gòu)性，就需要考慮一些不同的物理因素，比如，可調(diào)的模塊單元、微機(jī)械設(shè)備、可控液晶(通過熱、光和電旁路)、石墨烯和液態(tài)金屬等。

1 可重構(gòu)調(diào)控方法

可重構(gòu)的實現(xiàn)方法選擇主要取決于目標(biāo)的工作頻率，因此可按頻率將可重構(gòu)調(diào)控方法做一區(qū)分：微波(0.3～300 GHz)、太赫茲(0.3～100 THz)和近紅外頻段(100～790 THz)。

1.1 微波頻段

最早開發(fā)的可重構(gòu)超材料主要在微波頻段，這是因為器件的制造和測試比高頻段的來得簡單，在有線和無線超材料系統(tǒng)有廣泛的適用性。這使得早期的設(shè)計者都以靜態(tài)微波超材料作為制備相應(yīng)可重構(gòu)器件的出發(fā)點，而在結(jié)構(gòu)上通過集成成熟技術(shù)增強(qiáng)其靈活性。微波頻段的實現(xiàn)方法主要有：可變電容、可變電阻及開關(guān)、微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical systems, MEMS)、機(jī)械重構(gòu)、微流體與液晶等。

可變電容方法是通過在結(jié)構(gòu)單元中引入電容值可以調(diào)整的可變電容來實現(xiàn)可重構(gòu)的，因為電容值的改變可導(dǎo)致頻率改變，這樣在不同的頻率點就實現(xiàn)了可重構(gòu)。方法簡單、成本低廉且易集成，是實現(xiàn)可重構(gòu)超材料最常用的方法。王東興[15]在階梯狀超材料單元引入可變電容來調(diào)節(jié)諧振頻率，H形單元組成的可變電容來實現(xiàn)3D超材料可重構(gòu)，可調(diào)工作頻率范圍9.5～10 GHz。江濤[16]利用可變電容用來調(diào)節(jié)固定頻率上的傳播特性，并通過在每層排列的單元上集成一個可變電容構(gòu)成控制波束的超材料。這種結(jié)構(gòu)的實驗測定的頻率在4.9 GHz，共由8層構(gòu)成，每1層有14×36個單元。

可變電容方法存在一些固有缺點，例如，J. P. Turpin[9]就證實串聯(lián)RF電阻可導(dǎo)致功率損耗和并聯(lián)阻抗可引起在高頻段的性能惡化。而且，單元集成對于直流信號分布網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計顯得過于復(fù)雜[16]。由于有大量的控制節(jié)點，尤其在3D結(jié)構(gòu)上，在材料上的每個可變電容應(yīng)用旁路信號來組建網(wǎng)絡(luò)具有極大難度。故此，可變電容方式難以施用于大型系統(tǒng)。

在許多文獻(xiàn)中超材料結(jié)構(gòu)主要考慮使用集總器件單元(例如，RF開關(guān)、可變電阻器)來實現(xiàn)，在研究方法上，借鑒可變電容的原理通過電流調(diào)整以及功耗改變來達(dá)到可重構(gòu)目的。J. Choi[17]等人提出一種交叉極化的SRR實現(xiàn)雙負(fù)特性的方法，每4個開關(guān)組成一個SRR單元，把內(nèi)置開關(guān)的SRR插入到一個微帶結(jié)構(gòu)中，最終可以實現(xiàn)在5～10 GHz頻率范圍帶通響應(yīng)的數(shù)字控制。而J. Soricet[18]等人在天線結(jié)構(gòu)覆蓋的集成可變電阻的超材料器件上實現(xiàn)了吸收效率可調(diào)節(jié)。

MEMS方式主要是利用高速度的RF開關(guān)實現(xiàn)可重構(gòu)超材料。N. J. Smith等人[19]在MEMS中通過電路的通/斷來達(dá)到超材料單元重構(gòu)或超材料器件的隔離部份。盡管MEMS以高幅度電容調(diào)制器的方式實際工作在微波頻段，但由于電容變化足夠大以至于能近似看作理想開關(guān)。另一個方面，MEMS的實現(xiàn)常常需要很高的旁路電壓(70～150 V)，這在標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)里一般難以實現(xiàn)。由于生產(chǎn)過程的原因，截止?fàn)顟B(tài)下不同設(shè)備間的MEMS響應(yīng)表現(xiàn)出較大變化[9]。加之嵌入集總元件設(shè)計的制造及集成的成本問題，使得MEMS技術(shù)的推廣受到局限。

奇異電磁場控制是超材料本身的幾何形狀以及與電磁入射波的相互作用的共同結(jié)果，因此，改變超材料結(jié)構(gòu)的形狀不失為實現(xiàn)可重構(gòu)特性的一種直接方式[20]。東南大學(xué)崔鐵軍研究團(tuán)隊的林先其[21]提出基于移動單元的機(jī)械可重構(gòu)超材料的實現(xiàn)方法，即是通過一個位于電介質(zhì)單元內(nèi)部的可調(diào)高度的細(xì)金屬棒來調(diào)節(jié)超材料片的有效介質(zhì)參數(shù)，調(diào)節(jié)范圍4.0～5.5 GHz。J. Naqui[20]利用微帶線機(jī)械形變的方法來實現(xiàn)可重構(gòu)，這種方法主要是往超材料諧振器埋入微帶線，微帶線的機(jī)械形變可調(diào)的頻帶處于2.0～3.0 GHz，實驗表明，機(jī)械調(diào)節(jié)有較好的控制能力，盡管其僅適用于可重構(gòu)速度相對低的情況。所以，機(jī)械可重構(gòu)在傳感器及探測器應(yīng)用上仍有一定的吸引力。

微流體的方法是利用在超材料結(jié)構(gòu)中注入微流體來實現(xiàn)對場的操控，代表性例子是T. S. Kasiriga[22]提出的方法，由彈性材料制成的空心微機(jī)械材料SRR，諧振器的打開/關(guān)閉通過注入水銀來控制。在這種結(jié)構(gòu)中，打開/關(guān)閉諧振器完全利用物理上刪除超材料諧振器來實現(xiàn)，這避免了常在其他開關(guān)機(jī)理的方法中出現(xiàn)的錯誤諧振。類似的，C. L. Holloway[23]給出了一組流體控制的超表面，超表面是由3×6方形網(wǎng)格超薄膜陣列構(gòu)成，附著有聚合物流體去離子水的注入/刪除管道，這種方法實現(xiàn)了3.6～3.8 GHz頻率可調(diào)范圍。

一般的液晶常工作在高頻情況下，向列相液晶卻可用于可重構(gòu)超材料的微波頻段。這種類流體材料由柱狀分子組成，它的取向由電磁偏置電壓、光激勵及熱漸變決定。利用這些機(jī)制，各向異性液晶的電介質(zhì)特性可以在較大頻率范圍調(diào)節(jié)，實現(xiàn)可重構(gòu)。在要求用復(fù)雜控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)可重構(gòu)材料的時候，向列相的液晶是最佳選擇。趙倩[24]提出由一個潤周期性SRR陣列的向列相液晶構(gòu)成一個電類可重構(gòu)超材料的方法，其調(diào)節(jié)性能決定于電場偏置，頻率范圍在200 MHz左右。

1.2 太赫茲和中紅外頻段

由于成本、生產(chǎn)復(fù)雜性等因素，微波頻段的方法僅有很少的幾種才能在較大的頻率范圍應(yīng)用。因此，研究重心開始轉(zhuǎn)移到尋求太赫茲和中紅外頻段的可行方法，太赫茲和中紅外頻段可重構(gòu)超材料的設(shè)計最近已經(jīng)成為一個非常流行的研究方向，主要應(yīng)用在安全、圖像和通信領(lǐng)域。液晶、非線性材料、石墨烯和彈性材料是較有代表性的方法。

液晶的寬帶行為表明在太赫茲和近紅外頻段液晶的調(diào)控方法是可行的。J. A. Bossard[25]采用在向列相液晶的基板上涂覆一層介電球，得到了負(fù)、零、正折射率。由于相對介電常數(shù)εr在2～4的范圍變化，在3.4～4.0 THz頻段介電球就可以實現(xiàn)從負(fù)到正的有效介電常數(shù)εe隨機(jī)分布值。這個結(jié)果表明，性能表現(xiàn)相比與微波頻段，液晶更適宜用在THz頻段。由于速度、制造相對簡單以及成本上的考量，在THz頻段，液晶的控制方法是很有前景的發(fā)展方向。

非線性材料方式是基于某些材料在THz頻段具有較強(qiáng)的非線性響應(yīng)。基本原理是：在超材料的布線中使用非線性介質(zhì)，介質(zhì)的電磁響應(yīng)由通道信號(激光束、漸變的溫度等)間接控制。M. D. Goldflam[26]提出VO2是一種可行的技術(shù)方案。裝有SRR單元的VO2構(gòu)成的塊狀超材料在0.8～2.4 THz頻段表現(xiàn)出一種指數(shù)的漸變，這歸因于VO2滯后特性造成的單過渡電脈沖。

石墨烯是由碳原子雜化在蜂巢晶格上形成的一層單原子厚度的薄膜。近來，在THz及近紅外頻段的可重構(gòu)超材料中使用廣泛，其具有奇異的機(jī)械、化學(xué)、電氣特性，也可以作為THz及可見光頻段的二維各向異性導(dǎo)體。石墨烯在可重構(gòu)超材料中的主要作用是充當(dāng)最小化控制導(dǎo)體，導(dǎo)體可以提供靜態(tài)超材料的可調(diào)功能。B. Vasic[27]研究了填充石墨烯的不同形狀SRR去調(diào)制場的幅度和相位。局部可以調(diào)節(jié)的石墨烯也可以用在可重構(gòu)超材料亞波長的超級透鏡上。通過調(diào)制石墨烯的電導(dǎo)率使得表面波分化，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)用在10～30 THz的完美透鏡上[28]。Arezoomandan S[29]提出并討論了一種基于石墨烯的高增益可重構(gòu)超材料，核心部件是周期性奇異金屬環(huán)諧振器，帶有數(shù)字指紋，將其放入環(huán)之間提供了一個大高Q值，可以極為容易的通過一組參數(shù)的變化調(diào)整超材料的頻率響應(yīng)，這些調(diào)整參數(shù)可以是環(huán)的維數(shù)以及指紋數(shù)目等，也可以是石墨烯的電導(dǎo)率。

最近，I. E. Khodasevych[30]和Jinqi Wang[31]利用彈性材料對新型超材料提供可重構(gòu)性。彈性材料的靈活性給予超材料可重構(gòu)特性的設(shè)計極大的自由，通過彈性材料的變形或微流體注入來實現(xiàn)可重構(gòu)性調(diào)節(jié)。I. E. Khodasevych設(shè)計了一個工作在1.5～2.5 THz的漁網(wǎng)超材料，通過應(yīng)用微流體來實現(xiàn)可重構(gòu)性，并做了實驗驗證。

1.3 近紅外和可見光頻段

在近紅外和可見光頻段，電磁波與物質(zhì)間的相互作用跟微波頻段是完全不同的，在低頻段的有效方法在近紅外、可見光頻段就不一定適用。但前面提到的液晶、非線性材料、可控的流體材料仍然可以沿用。

眾所周知，液晶的介電常數(shù)是可調(diào)控的。D. H. Werner[32]研究了近紅外超材料的液晶材料的折射率從負(fù)到正的變化。向列相液晶基放入靜態(tài)負(fù)指數(shù)材料以調(diào)控折射率在[-1，1.8]范圍的變化，驗證了運行在50～75 THz和170～250 THz頻段的兩個不同排布的情況。應(yīng)用同樣的技術(shù)，已經(jīng)實現(xiàn)了有負(fù)磁導(dǎo)率的熱可調(diào)光超材料。金屬納米微帶線覆蓋在向列相液晶以獲得一個工作在可見光范圍的頻率可調(diào)的磁諧振器。最近，A. B. Golovin[33]提出一種新技術(shù)，用作可重構(gòu)的非線性材料一般是納米棒的膠體分散體，方式是在電極上加上偏置電壓從而使納米棒的膠體分散體實現(xiàn)諧振器的功能。導(dǎo)電棒是校準(zhǔn)過的，因此可以用來控制諧振器的空間分布和方位，進(jìn)而取得超材料所具有的折射率、吸收率以及光各向異性的變化。在文獻(xiàn)中證實的頻段范圍是460～700 THz。

在可見光區(qū)域，可控流體材料的方式主要是用不同折射率的流體去控制超材料周期納米陣散射光的相對相位，實現(xiàn)可見光區(qū)域的波束操控。目前的實驗結(jié)果證實利用流體折射率的調(diào)節(jié)波束操控在25度角范圍[34]。

2 應(yīng) 用

可重構(gòu)超材料可以用來操控電磁場，這使得其在遠(yuǎn)程感知等領(lǐng)域極具吸引力。根據(jù)功能，可將其應(yīng)用大致分為4類。

2.1 調(diào)控2D/3D塊材料

利用調(diào)控效應(yīng)的超材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)電介質(zhì)以及靜態(tài)超材料，主要用在反射/傳輸屏幕、天線罩、透鏡、頻率選擇表面、斗篷和吸收器。可重構(gòu)超材料一個最廣泛的應(yīng)用是超屏幕，超材料是二維/三維結(jié)構(gòu)，其傳輸線/反射特性適合于調(diào)節(jié)。廣泛應(yīng)用的原因是其獨特的散射特性。事實上，傳輸線/反射/吸收特性給設(shè)計者設(shè)計動態(tài)控制器件提供了極大的自由度。二維和三維可重構(gòu)超材料可以直接應(yīng)用在天線罩和透鏡的設(shè)計上，為的是可以靈活控制天線罩/透鏡的焦點和波束方向的能力，這在一般材料是難以實現(xiàn)的。在過去幾十年，頻率選擇性表明已經(jīng)廣泛存在于可調(diào)節(jié)的濾波器、極化器和發(fā)射陣列。隱身斗篷是一個超材料最廣為人知的應(yīng)用。利用負(fù)折射率超材料的相位補償特性，可以實現(xiàn)任意介電常數(shù)的完美隱身斗篷。當(dāng)然，可重構(gòu)超材料的使用擴(kuò)展了隱身斗篷的概念，也開辟了雷達(dá)交界面的新研究領(lǐng)域。可重構(gòu)超材料也廣泛應(yīng)用到可調(diào)節(jié)吸收器，吸收器主要作用是接受和分散入射場而非操縱物體周圍波的傳播。

2.2 天線和陣列

在單個輻射系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)超材料實現(xiàn)天線和陣列的多功能，例如諧振頻率可變、波束指向以及方向圖形狀的可重構(gòu)等，將此作為自適應(yīng)天線的基本邏輯模塊。對于頻率可變、波束指向和方向圖形狀可重構(gòu)已經(jīng)提出了不同結(jié)果的解決方法。頻率的可變可以通過改變窄帶輻射器的輸入阻抗來實現(xiàn)，這種方法的成功之處在于可以將天線尺寸小型化，并且支持不同的無線設(shè)備。特別是在移動通信設(shè)備當(dāng)中，天線必須要滿足尺寸的限制約束。方向圖的可重構(gòu)主要是通過開關(guān)來得到不同方向圖。在電磁可調(diào)設(shè)備當(dāng)中，利用可重構(gòu)超材料來進(jìn)行快速有效的開關(guān)和調(diào)制器的設(shè)計也是一個重要的問題，特別是在THz和可見光頻率上。由于入射波可以通過一些特別方式來操控，因此入射信號的幅度可以通過可重構(gòu)超材料來調(diào)節(jié)或開關(guān)。最近，Samaneh.H[35]提出了一種可重構(gòu)超材料的超寬帶單極子天線，可以實現(xiàn)雙頻工作，覆蓋的頻率范圍是3.1～10.6 GHz，可重構(gòu)的窄帶L頻段1.27 GHz。其利用SRR縫隙單元得到左手電容，4個相連的T形帶狀層用作左手電導(dǎo)，實現(xiàn)的效率大于70%。基于電磁帶隙的可重構(gòu)超材料，制作天線，兩個一致單元實現(xiàn)多頻帶重構(gòu)，這種天線在藍(lán)牙、LTE和認(rèn)知無線電應(yīng)用當(dāng)中都極具潛力[36]。值得一提的是，利用可重構(gòu)超材料到可穿戴天線上也是一個很有潛力的應(yīng)用方向。Sen Yan[37]提出了基于超材料結(jié)構(gòu)的方向圖可重構(gòu)可穿戴的天線，通過可重構(gòu)傳輸線的分布曲線，貼片天線能在0階或1階模式諧振，各自對應(yīng)寬邊或全向性方向圖。

2.3 導(dǎo)波設(shè)備

許多文獻(xiàn)報道了應(yīng)用可重構(gòu)超材料做導(dǎo)波設(shè)備，例如，在濾波器、相移器、可調(diào)功率分配器、開關(guān)和調(diào)制器中?？芍貥?gòu)超材料設(shè)計可重構(gòu)效應(yīng)的濾波器，不論是在微波通信系統(tǒng)中，還是在光傳感器和探測器中，證明都是低成本、小型化的最佳選擇。而且，左右手傳輸線理論的引入給設(shè)計者提供了分析、設(shè)計和驗證新型超材料導(dǎo)波設(shè)備的一個簡單且強(qiáng)有力工具。超材料的濾波器主要是實現(xiàn)頻率可重構(gòu)。相移器是許多微波射中的核心可重構(gòu)器件，例如，相控陣天線和自適應(yīng)反饋網(wǎng)絡(luò)，超材料的應(yīng)用可以將相移器小型化。

2.4 傳感器和探測器

可重構(gòu)超材料應(yīng)用到感知探測設(shè)備是最近出現(xiàn)的一個新領(lǐng)域。迄今為止，僅有少數(shù)幾個傳感器得到實驗證實，但在基本規(guī)律的研究方面已得到許多有用的結(jié)果。值得注意的是，可重構(gòu)超材料通常并不是控制設(shè)備的行為，而是用其作為從一些物理量的變化中誘導(dǎo)出的超材料特性效應(yīng)。

3 發(fā)展趨勢

可重構(gòu)超材料在應(yīng)用方面的潛力已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的注意，在電磁領(lǐng)域的應(yīng)用研究也是最活躍的領(lǐng)域之一。盡管可重構(gòu)性沒有特別的方法，但業(yè)已存在一些已經(jīng)鞏固的方法。另外，隨著材料科學(xué)的發(fā)展也可以進(jìn)一步改善目前方法的性能。

盡管出版的論文數(shù)量較少，機(jī)械/熱/化學(xué)等的可重構(gòu)性在感知探測超材料的應(yīng)用上仍然在某種程度上有極大潛力。調(diào)控機(jī)制的研究更可能通過跨學(xué)科方法來研究。從應(yīng)用的觀點來看，利用可重構(gòu)超材料設(shè)計頻率系統(tǒng)是一個值得深入研究的方向。

關(guān)于實現(xiàn)可重構(gòu)特性的成熟方法，主要可以分為產(chǎn)品層面、實驗室層面以及概念層面技術(shù)三大類。產(chǎn)品層面的許多技術(shù)已經(jīng)可以在文獻(xiàn)看到，例如可變電容、開關(guān)、可變電阻、MEMS以及液晶。這里邊的許多方法已經(jīng)在一些工業(yè)設(shè)備上得到實際應(yīng)用，技術(shù)亦相當(dāng)成熟。實驗室層面的技術(shù)是已經(jīng)被實驗室證實，但在商業(yè)上并未廣泛應(yīng)用的技術(shù)方法，因而，這些方法的研究和應(yīng)用更具挑戰(zhàn)性。石墨烯、熱敏感以及非線性材料等新型可調(diào)節(jié)材料，目前主要依然處在驗證階段，要應(yīng)用到實際則需要更待進(jìn)一步深入研究。

未來的發(fā)展方向和挑戰(zhàn)，主要的焦點集中在三個方面：三維調(diào)控、超材料帶寬及感知材料。

全面調(diào)控特性的獲得必然涉及對超材料的每個器件單元要達(dá)到直接控制，目前在許多設(shè)備是一個不可忽略的問題，例如隱身斗篷、透鏡和天線罩，都需要對他們各自的電磁特性實現(xiàn)3D全方位控制進(jìn)而取得令人滿意的性能。因此，在未來希望有一種技術(shù)能實現(xiàn)不同區(qū)域獨立可調(diào)單元不僅能控制有限的少數(shù)幾個模塊而且能取得更多數(shù)量的區(qū)域模塊控制。

現(xiàn)在的可重構(gòu)超材料利用的大多是頻帶較窄的可調(diào)諧振器，然而，目前的通信、遙感和安全領(lǐng)域?qū)拵У男枨笥悠惹小Ｔ谔岣邘挿矫嬉呀?jīng)提出了一些方法，已證實是非常有效的。不過，具體的原理細(xì)節(jié)還需要更進(jìn)一步的深入研究。

目前的研究主要針對可重構(gòu)超材料器件的設(shè)計，而非它們的控制和實時應(yīng)用。由于系統(tǒng)的固有靈活特性以及在亞波長尺度的可重構(gòu)性，在部分超材料設(shè)計方面寄希望尋求控制程序的聯(lián)合方法。因此，智能或感知超材料的研究是今后發(fā)展的一個長期方向。

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[責(zé)任編輯：謝 平]

Recent application and developing trend of meta-materials in reconfigurable electromagnetics

YUAN Peng-liang1,2, SHI Zhao3

(1.Department of Energy Engineering, Qingyang Vocational and Technology College, Qingyang 745000, China;2.School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129, China;3.College of Electronic Engineering, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610103, china)

The paper introduces the regualtion methods and the overall development of meta-materials in reconfigurable electromagnetics with the different bands, such as microwave(0.3～300 GHz), THz(0.3～100 THz), and near-IR(100～790 THz). At the same time, description according to different kinds of function is made respectively. At last this paper has reviewed comprehensively the future prospect of meta-materials applied in reconfigurable electromagnetics.

meta-material; reconfigurable; future advances

O441.6

A

2096-3998(2017)05-0086-07

2017-05-04

2017-08-07

國家自然科學(xué)基金資助項目(41505031)；甘肅省高等學(xué)?？蒲许椖?2016B-190)

袁鵬亮(1980—)，男，甘肅省慶陽市人，慶陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，西北工業(yè)大學(xué)博士研究生，主要研究方向為陣列天線優(yōu)化與逆向設(shè)計、RF通信；史朝(1981—)，男，河北省保定市人，成都信息工程大學(xué)副教授，博士，主要研究方向為多普勒雷達(dá)信號信息處理。