电磁超材料的研究进展

张永光

摘要：文章对电磁超材料的具体定义、分类进行了分析，并进一步探讨了电磁超材料研究工作中比较常用的等效媒质理论、典型超材料的具体实现方式以及电磁超材料的典型应用进行了深入研究，并简单阐述了电磁超材料的未来发展趋势。

关键词：电磁超材料;研究进展;等效媒质理论

前言：电磁超材料通常情况下主要是由人工加工或者合成的一种复兴型材料，其具备准周期、特异电磁性质，这种材料出现于本世纪初，虽然起步时间相对较晚，但是发展非常迅速。在实际应用过程中，具有以下特点：物理性质超常、人工结构较为特殊，且电磁的实际性质并不取决于材料的构成，而是和人工结构有着密切的关联。

1、超材料概念简述

1.1、定义

电磁超材料是一种新型的人工合成电磁材料，属于特异媒质，主要是由人工合成或者是加工的方式构成，最开始的电磁超材料主要指的是具备负折射率的左手材料。因电磁波在传播过程中，电磁以及电场等呈左手关系，故而得名。

1.2、分类

超材料的种类非常多，因等效媒质电磁特性存在很大的不同，可以根据磁导率大小以及介电常数对材料进行分类，主要分为普通材料、左手材料、零折射率材料、零介电常数材料、渐变折射率材料等。理想导体与理想导磁体可以看做为介电常数、磁导率无穷大的材料。根据具体不同的方式，将超材料分为波导型超材料、传输线型超材料、块状超材料等。因工作方式存在很大的不同，可分为谐振型和非谐振型超材料。前者电磁参数变化频带较窄，且范围较大，耗损严重，在谐振区域周围。后者频带较宽，损耗较小，参数的实际变化范围也比较小，距离谐振区域较远。因此可以根据工作频段、参数以及同异性等进行分类。

随着各项技术的不断完善以及深入研究，目前的超材料范围已经超过了负折射率的实际范围，新型电磁材料也受到了广泛的认同，目前已经覆盖了所有的人工周期或非周期单元结构和材料。因此，超材料其实也包括了电磁带隙材料、光子晶体材料以及频率选择表面等[1]。

2、超材料研究过程中的等效媒质理论

电磁超材料研究过程中，等效媒质理论是非常基础的理论，不管是在人工电磁材料设计方面，或者是电磁参数提取方面都是重要的理论基础。

2.1、等效媒质的解析公式

人工电磁材料主要是通过人工单元结构对普通材料中的分子或者是原子进行模拟，在外界电磁场的影响和作用下，该单元便会产生等效的电偶极子，类似于材料磁化的情况。当背景材料中的实际波长大于填充物的尺寸，都可以采用等效媒质理论进行分析。这个时候，人工合成材料的特殊性也可以采用等效电磁参数，即电常数、磁导率来表示。人工电磁材料分析通常采用的是固体物理研究的方式，先分析单元极化以及磁化的具体特点，之后再推导材料的电磁参数。

Clausius-Mossotti公式

Clausius-Mossotti公式能够充分反映原子的电极化度和材料宏观介电常数之间存在的关系，具体如下：

其中，n代表的是单位体积中的原子树木，α代表的是对应的电极化度，在用到光学领域当中时，经过计算和代数推导，公式还能够表示为：

根据公式可得出，只要在获取电极化度的情况下，通过上述公式便能够得出材料的介电常数，人工电磁材料设计过程中，规则的单元结构通常可以通过解析的方式进行分析，并得到该单元的电极化度，并获得等效媒质电参数。

2.2、参数提取方法

通常情況下通过解析方法是很难精准获取电磁材料的实际电磁参数表达式的，所以，通过实验室测量以及数值仿真能够获取等效参数的方式是比较常用的，也是提出人工电磁参数的主要途径。在单元结构周围分别设置电壁、磁壁以及沿波的实际传播方向设置波端口，只需要对一个单元结构进行考虑。试验测量过程中，通过天线，测量天线之间人工电磁材料平板对电磁波的透射及反射系数[2]。

3、典型超材料的加工和实现

3.1、PCB工艺的电磁超材料

PCB工艺的电磁超材料主要是通过打印或者是电镀的方式，在普通介质上覆盖一定的金属结构，从而形成符合结构，并在特定电磁环境下所表现出的电磁性能。比较典型的便是金属线结构以及开口谐振环。在一定工作频率下，该结构的有效介电常数与磁导率会呈现负值的情况，因其自身的优势，被广泛应用到多个领域当中，基于SRR超材料设计也层出不穷。

3.2、直流电型电磁超材料

超材料的种类是非常多的，且呈现方式也各不相同，比较常见的便是单元谐振与材料掺杂，直流情况下，材料的电导率有着关键性的作用，导电材料与电阻网络可以实现等效互换的，所以，该原理基础上的等效电阻率材料是非常实用和灵活的方法。在薄板导电材料当中，将各异性导电材料分割为不同的结构单元，对于每一个不同的结构单元，可采用电阻的方式等效实现，因此，各向异性导电材料问题可逐渐转化为求解径向电阻与切向电阻等相关问题。

3.3、通过全介质谐振实现人工电磁材料

通过PCB加工技术，采用亚波长金属单元能够获得人工电磁材料，近年来，也得到了广泛的应用，但是该方法存在一定的局限性。如金属耗损严重，加工比较难，工作频段比较狭窄以及电磁各向异性等。这些方面因素尤其是在光波段更加的突出，所以，才有了后来的全介质人工电磁材料的设想。其主要是在背景材料中嵌入亚波长介质微粒，介电常数通常大于周围的介电常数，电磁波摄入微粒中时，便会激发电磁模式，并向外辐射，磁偶极子与电偶极子处于主导地位，可忽略其他高级偶极模式。因全介质人工电磁材料具备耗损小、频带宽，且容易加工等优势，具备向广波扩展的特点，也是当前的重点研究方向，在背景材料中掺入金属颗粒的方法依然是适用的[3]。

4、结束语

电磁超材料是一种具备特殊物理性质、且制造灵活的新型材料，打破了传统电磁波领域中受到频段以及材料等方面的限制，但当前仍处于发展阶段，并未形成成熟的产业化系统，还需要走很长的一段路。无论如何，超材料已经成为了未来的主要发展方向，也将会影响着各行各业的发展与变革。

参考文献：

[1]童杨， 郝新新. 电磁超材料的研究现状与发展趋势[J]. 中国基础科学， 2019，22（3）.13

[2]牛凯坤， 徐辉， 朱东， 电磁超材料与增益材料研究现状与进展[J]. 安徽大学学报（自科版）， 2017， 41（4）：24-33.

[3]郭智. 基于电磁超材料的微波天线的研究[D]. 电子科技大学.2019，11（3）12