微波段可调控超材料技术研究进展及其应用现状

李宝毅，赵亚娟，周必成，王 蓬，张 榕



微波段可调控超材料技术研究进展及其应用现状

李宝毅1,2，赵亚娟1,2，周必成1,2，王 蓬1,2，张 榕1,2

（1. 中国电子科技集团公司第三十三研究所，山西 太原 030006；2. 电磁防护材料及技术山西省重点实验室，山西 太原 030006）

可调控超材料通过对单元结构和基体参数的调节实现对电磁场的实时调制，在吸波材料、微波器件、新型天线等领域具有广阔的应用前景。本文从电路研究的观点对超材料可调控的原理进行了解释，并综述了超材料实现可调控的手段及其研究进展，介绍了超材料可调控技术的应用情况，最后探讨了可调控超材料技术存在的问题及发展趋势。

超材料；可调控；综述；吸波材料；微波器件；天线；进展

超材料（Metamaterials, MMs）是由远小于其工作波长的结构单元按一定的规律周期排列形成的、具有特殊电磁现象的人工复合结构。MMs的出现使人们可以从结构的角度去设计天然材料所不具备的奇异电磁特性，但这些电磁特性都有一定的频带范围，超出这个范围，奇异的电磁特性会减弱甚至消失。这就意味着一旦工作频率发生变化，必须对MMs重新设计才能获得同样的电磁特性。为解决这一问题，可调控的超材料（Tunable Metamaterials, TMMs）受到人们的广泛关注[1-3]。

TMMs通过外加调控器件，实现对超材料谐振频率的动态调控，进而实现对其电磁特性的实时控制。MMs被赋予了传统材料所不具备的奇异电磁特性，可调控特性又使TMMs兼顾了响应频率的动态可控，因此TMMs同时具备了超常的电磁性质和动态可控两个特征，使得人们可以从结构的角度去设计功能化材料，在吸波材料、微波器件、智能天线等领域具有广阔的应用前景。

TMMs最早由Chang等[4]率先在FSS上加载微波PIN开关实现，并在2004年后得到迅猛发展，迄今为止已提出结构调控、基体调谐、集总元件加载等多种实现方法。本文分析了不同方法实现TMMs的原理及其优势，综述了不同调控方法的最新进展及其应用情况，并探讨了当前研究存在的问题及发展趋势，对全面了解可调控超材料技术的发展现状具有一定的意义。

1 微波段TMMs的研究进展

MMs的电磁特性由其结构特征决定，根据传输线理论任何结构的超材料均可等效为由电容、电感和电阻组成的等效电路。其中，等效电容eff和等效电感eff决定了材料的谐振频率，因此可以通过改变eff和eff实现对谐振频率的调节。TMMs的物理本质就是通过各种手段实现对MMs谐振频率的操控。基于以上思想，人们已提出多种方法实现TMMs的可调控，主要有结构调节（机械式）[5-6]、基体调节（可控材料式）以及加载集总元件（开关式）等。

1.1 结构调节式TMMs

将MMs视作连续的有效介质，其单元结构可视为自然界中的原子或分子，单元的排布方式即为分子/原子的组合方式，通过调节单元结构的形状、排布方式以及相对位置等参数即可获得不同的电磁性能。如果这种调节方式是可控的，即可实现TMMs性能的可调谐。这种调节方式一般采用外加机械结构（如微机电系统等）实现，因此又称为机械式TMMs。

Wang等[7]将两块PCB板平行放置并在其外侧分别制作MMs结构，其中一块PCB可相对于另一块向水平和竖直两个方向发生机械移动。两平行放置的金属结构可等效为电容，电容值与机械移动量有关，两个方向的机械移动量均能调节材料的等效介电常数和磁导率。Pitchappa等[8]利用微机电系统设计了一个红外波段的可调谐吸收器，如图1所示。研究发现调节二氧化硅的厚度可以影响MMs的电磁性能，随着二氧化硅厚度的增加，谐振频率向长波方向移动。

图1 机械式TMMs

此外，Lapine等[9]、He等[10]通过机械方式控制超材料结构相对位置的变化，获得了反射率可调谐、频率动态迁移的MMs。但总体而言，机械调节式TMMs虽然结构较易实现，但需要精确复杂的控制系统，导致附加装置体积庞大，并存在移动速度慢、响应时间长等问题，并不是实现TMMs的理想选择。

1.2 基体调节式TMMs

理论研究指出改变MMs介质层的介电常数和厚度，可以调节材料的电磁参数以及谐振频率[11]。若将MMs的介质层设定为可控材料，调控外界激励信号即可改变介质层的介电常数，从而实现谐振频率的可调谐。这类材料主要有磁场响应介质和电场响应介质两大类。

Lei等[12]、Bi等[13]在开口谐振环和金属棒结构中加入铁氧体材料，如图2所示，采用外加直流磁场来调控铁氧体材料的磁导率，获得了可控的左手材料，其等效磁导率实部和虚部可通过直流磁场来调节。铁电材料具有相似的特性，也可用于实现电磁性质实时可控的MMs。

(a) (b)

导电高分子作为TMMs基体的研究较早[14]，Sheffield大学研制出一种导电高分子TMMs材料，通过通断电的控制能够实现反射率的调谐，但其调谐带宽有限。基于液晶材料的TMMs是TMMs的一个研究热点[15-17]。液晶材料的分子取向随外加电场的强度和方向的变化而变化，通过控制外加电场，可实现对液晶分子集体取向的动态控制，从而达到对谐振频率的实时调控。Goelden等[18]设计了一种含液晶体的金属-介质-金属结构，通过金属层电极产生的电场对液晶分子的取向进行调控，具有很好的可调控性，并且其响应时间很短。Hu等[19]采用可电控、各向同性的向列阵型液晶作为基体材料设计了一种TMMs结构，如图3所示。它由两层支撑用的石英晶片支撑中间夹层，夹层腔内灌入液晶混合体，液晶分子在偏置电压为零时平行于两层夹层晶片取向，施加一定电压可使分子取向发生改变，从而得到介电常数可调的基体材料，实现电磁特性的改变。

图3 基于液晶分子调控的TMMs

基于可控材料的基体调节式TMMs能够实现对材料电磁特性的连续调控，调节机构简单，是一种很有前途的TMMs。但这种基于材料特性的TMMs也受材料本身性能的制约，材料电磁参数的变化范围有限导致频率调节范围小，材料从接受外界信号到作出响应需要一定的时间，使TMMs响应时间长，液晶分子易流动需要附加固定装置等。因此，基体调节式TMMs还需进一步发展和完善。

1.3 加载调节式TMMs

在MMs的等效电路中引入控制开关，或将集总元件设计为可调式，通过控制开关的通断或调节集总元件的实时值即可实现对谐振频率的实时调控，这即为加载调节式TMMs的设计原理。

Evren等[20]提出一种加载微波开关的TMMs，在超材料单元结构上制作多个加载微波开关的微开口，通过控制开关的通和断，动态改变 MMs 的结构，实现了对电磁特性的实时控制。加载微波开关的方法容易实现，但TMMs的状态数与开关个数有关，只能在有限的状态内进行切换，随着响应状态的增加，结构的复杂度将会急剧增加。

变容二极管是最常用的电控可调器件，将其加载到MMs单元结构中，通过控制每个单元的偏置电压，二极管的等效电容值可发生连续变化，从而获得连续调控式TMMs。刘海霞[21]分别在超材料电谐振单元和磁谐振单元上加载变容二极管，如图4所示。通过灵活调节外部变容二极管的值，可使负介电常数的频段与负磁导率的频段相重叠。可以在2.9~4.3 GHz的区间调控其所产生的负折射率频带，从而实现可重构双负媒质设计。Bayatpur等[22]以变容二极管作为调谐元件，集总电阻片作为损耗元件，获得了响应频段从8.39~11.48 GHz可连续变化的超材料。中国电科三十三所则以变容二极管模拟MMs单元（如图5），通过控制偏置电压改变其谐振频率，调控范围为9.6~17 GHz。

图4 基于微波开关的TMMs

图5 基于变容二极管的TMMs

以上可以看出，TMMs的研究热点集中在新的调控方式和可控基体材料上，随着研究的深入，新的调控方式（如光控、温控[23]、相变控制[24]）和可控材料（石墨烯材料[25]）相继被发现，TMMs的响应频段也从普通微波频段扩展到高频微波、太赫兹等频段等，但总体来说，TMMs还处于理论研究和应用探索阶段，距离大规模产业应用还存在较大差距，需要进一步发展和完善。

2 TMMs的应用研究进展

TMMs具有电磁特性动态实时可控的特性，使其在微波领域具有广阔的应用前景。从公开文献[26-29]来看，微波段TMMs 的应用集中在可调控吸波材料、可控微波器件及可重构天线等领域。

2.1 可调控吸波材料

基于TMMs的可调控吸波材料是将传统Jaumann吸波体中的电阻屏替换为有源电阻或电抗，通过施加偏置电压或偏置电流来改变有源器件的电阻或电抗来实现对吸波材料阻抗的调控，从而获得对吸收峰的调制。Tennant等[30]将Salisbury屏结构中的电阻层用PIN二极管代替构建新型FSS，通过改变偏置电流来改变FSS电阻，结果发现该FSS具有更宽的带宽，调控频带为9~13 GHz，并能通过控制PIN二极管的栅流动态控制吸收体的反射率。邢丽英[31]所研究的电路模拟材料，也是一类由电阻片或半导体阵列得到的吸波结构，可增加性能的可调控特性，实现了宽频吸波。

2.2 可控微波器件

利用TMMs可设计一系列新型的可控微波器件，如可控滤波器、可控移相器[32]、可调功分器、可调吸收器等。传统的滤波器通过多个不同频段的滤波器组合来实现频段的可调，中国电科三十三所利用微波开关加载MMs设计了一种可用于手机的可调滤波器，使材料本身具备调频滤波的功能。该滤波器有两个工作模式（5.2 GHz和5.8 GHz），尺寸缩减1/2，插入损耗改善了0.2~0.5 dB，对实现收发机的集成化、小型化具有重大意义。程伟等[33]利用半导体材料设计了一种光控吸收器，在开口谐振环的开口处引入了光电半导体硅材料，通过控制泵浦激光的照射情况，该吸收器能在两个频率之间实现可调吸收。

2.3 可重构天线

可重构天线是TMMs在天线领域的一个重要方向[34-35]，包括频率可重构、方向图可重构等。传统改变天线频率的方法是在天线表面开缝并加载微波开关，但由于电磁互耦的存在，容易造成二次辐射从而恶化天线性能。利用TMMs来构造频率可重构天线则可避免这一问题。在高阻抗表面过孔与地平面之间加入了RF MEMs开关，开关的两种状态对应着天线两个工作频率。从天线的回波损耗曲线可以看出由于辐射天线表面并没有变化，只是改变了天线依附介质的色散特性，因此不存在互耦和天线参数恶化等问题。

传统方向图可重构天线是依靠相控阵技术实现的，需要配备复杂的移相系统，给应用带来了一定局限。Dan Sievenpiper提出一种利用机械调节式TMMs构建方向图可重构滤波天线的设计思路。该TMMs的上层金属贴片阵列可相对于下层高阻抗表面在二维方向上进行机械式移动，通过控制位移量可改变相邻单元的耦合电容，实现对谐振频率以及反射相位的连续控制。通过将可控的阻抗地平面与滤波天线相结合，即可实现天线辐射方向的可重构。测试结果表明天线方向图的扫描范围可达到5°~50°范围之内。Yang等[35]则利用微波开关式TMMs设计了一种方向图可重构天线。该天线由两个贴片天线组成并通过微带线进行馈电。TMMs为加载MEMs开关的叉形EBG结构，EBG的带隙特性可通过MEMS开关的状态来调节，进而实现对微带线传输信号的相位延迟。于是在两贴片天线之间引入了动态的相位差，从而导致合成的方向图的变化。不足的是，该天线方向图只能在几个离散的角度变化，不能连续扫描。

3 总结及展望

TMMs兼具超材料奇异的电磁特性和电磁特性实时可控的两大特点，在吸波材料、微波器件、天线系统等领域具有广阔的应用前景。TMMs是一项新型的前沿技术，含有的物理新现象和电磁学新规律，需要人们进行深入的理论研究和应用探索。从工程应用的角度出发，TMMs的研究需要解决以下关键问题：

（1）宽频段电磁特性的连续可控。现有的TMMs只能在有限的几个状态间切换，或在有限的频段内实现连续调控，缺少宽频连续调控的手段，而宽频特性恰恰是未来吸波材料和天线系统的重要特征之一。

（2）小型化和封装问题。TMMs需要附加装置发出激励信号实现材料电磁性质的调控，但现阶段附加装置往往体积较大，造价高，因此需要解决TMMs的小型化问题以实现材料与系统的一体化集成。

（3）损耗问题。MMs的损耗问题是制约其在微波器件和天线领域应用的一个重大问题，TMMs同样存在相同的问题。石墨烯TMMs是解决此问题的可能途径之一。

[1] HU F, QIAN Y, LI Z, et al. Design of a tunable terahertz narrow-band metamaterial absorber based on an electrostatically actuated MEMS cantilever and split ring resonator array [J]. J Opt, 2013, 15(5): 527-535.

[2] XU Z C, GAO R M, DING C F, et al. Photoexcited broadband blue shift tunable perfect terahertz meta-material absorber [J]. Opt Mater, 2015, 42: 148-151.

[3] WANG Y, YIN J, YUAN G, et al. Tunable I-shaped metamaterial by loading varactor diode for reconfigurable antenna [J]. Appl Phys A, 2011, 104(4): 1243-1247.

[4] CHANG T K, LANGLEY R J, PARKER E A. An active square loop frequency selective surface [J]. IEEE Microwave Guided Wave Lett, 1993, 3(10): 387-388.

[5] WANG Y, DU C, DONG X. Creating a simplified, frequency-tunable metamaterial [J]. SPIE Newsroom, 2011.

[6] WANG Y, DONG X, YUAN G, et al. Frequency tunable electromagnetic metamaterial based on mechanical movement method [C]//Photonics Asia 2010. International Society for Optics and Photonics, 2010. Washington,USA: 784911-784911-6.

[7] WANG J, QU S, ZHANG J, et al. A tunable left-handed metamaterial based on modified broadside-coupled split-ring resonators [J]. Prog Electromagn Res Lett, 2009, 6: 35-45.

[8] PITCHAPPA P, HO C P, KROPELNICKIP, et al. Micro-elctro-mechanically switchable near infrared complementary metamaterial absorber [J]. Appl Phys Lett, 2014, 104(20): 201114-201119.

[9] LAPINE M, POWELL D, GORKUNOV M, et al. Structural tunability in metamaterials [J]. Appl Phys Lett, 2009, 95(8): 084105-084108.

[10] HE X J, WANG Y, WANG J M, et al. MEMS switches controlled multi-split ring resonator as a tunable metamaterial component [J]. Microsyst Technol, 2010, 16: 1831-1837.

[11] SHENG Z, VARADAN V V. Tuning the effective properties of metamaterials by changing the substrate properties [J]. J Appl phys, 2007, 101(1): 014909-01490169.

[12] LEI K, QIAN Z, HONGJIE Z, et al. Ferrite-based magnetically tunable left-handed metamaterial composed of SRRs and wires [J]. Opt Express, 2008, 16(22): 17269-17275.

[13] BI K, ZHU W T, LEI M, et al. Magnetically tunable wideband microwave filter using ferrite-based metamaterials [J]. Appl Phys Lett, 2015, 106(17): 203.

[14] COURRIC S.Electromagnetic properties of blend of ploy (p-phenylene-vinylene) derivatives [J]. Polym Adv Technol, 2000, 11(6): 273-279.

[15] XIAO S, CHETTIAR U K, KILDISHEV A V, et al. Tunable magnetic response of metamaterials [J]. Appl Phys Lett, 2009, 95(3): 033115-033118.

[16] FU L Z, LEI K, QIAN Z, et al. Magnetically tunable left handed metamaterials by liquid crystal orientation [J]. Opt Express, 2009, 17(6): 4360-4366.

[17] XING H H, GUO J B, WEI J. Electro-optical properties of polymer dispersed pressure-sensitive cholesteric liquid crystal device [C]//The 7th International Symposium on Integrated Molecular/Materials Engineering. Beijing: [s.n.], 2013: 25.

[18] GOELDEN F, GAEBLER A, MUELLER S, et al. Liquid-crystal varactors with fast switching times for microwave applications [J]. Electron Lett, 2008, 44(7): 480-481.

[19] HU W, DICKIE R, CAHILL R, et al. Liquid crystal tunable mm wave frequency selective surface [J]. IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2007, 17(9): 667-669.

[20] EVREN E, KAGAN T, TAYFUN A, et al. A tunable multi-band metamaterial design using micro-split SRR structures [J]. Opt Express, 2009, 17(18): 16046-16058.

[21] 刘海霞. 可重构人工电磁媒质理论与应用关键技术[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2014: 50-58.

[22] BAYATPUR F, SARABANDI K. Tuning performance of metamaterial-based frequency selective surfaces [J]. IEEE Trans Antennas Propagation, 2009, 57(2): 590-592.

[23] ZHENG W, LI W, CHANG S J. A thermally tunable terahertz metamaterial absorber [J]. Optoelectron Lett, 2015, 11(1): 18-21.

[24] CAO T, WEI C W, SIMPSON R E, et al. Broadband polarization-independent perfect absorber using a phase-change metamaterial at visible frequencies [J]. Sci Rep, 2014, 4(2): 3955-3955.

[25] TAMAGNONE M, GOMEZ-DIAZ J S, MOSIG J R, et al. Analysis and design of terahertz antennas based on plasmonic resonant grapheme sheets [J]. J Appl Phys, 2012, 112(11): 114915-114919.

[26] WANG Y F, YIN J C, YUAN G S, et al. Tunable I-shaped metamaterial by loading varactor diode for reconfigurable antenna [J]. Appl Phys A, 2011, 104: 1243-1247.

[27] LALAS A X, KANTARTZIS N V, TSIBOUKIS T D, et al. Reconigurable metamaterial components exploiting two hot arm electrothermal actuators [J]. Microsyst Technol, 2015, 21: 2097-2107.

[28] UNAL E, DINCER F, TETIK E, et al. Tunable perfect metamaterial absorber design using the golden ratio and energy harvesting and sensor applications [J]. J Mater Sci: Mater Electron, 2015, 26: 9735-9740.

[29] LI P N, LIU Y W, MENG Y J, et al. Frequency-tunable superconducting cloaking [J]. J Phys D: Appl Phys, 2010, 43(48): 485401.

[30] TENNANT A, CHAMBERS B. A single-layer tuneable microwave absorber using an active FSS [J]. IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2004, 14(1): 46-47.

[31] 邢丽英. 含电路模拟结构吸波复合材料研究[D]. 北京: 北京航天航空大学, 2003.

[32] HE P, GAO J, MARINIS C T, et al. A microstrip tunable negative refractive index metamaterial and phase shifter [J]. Appl Phys Lett, 2008, 93(19): 193505-193508.

[33] 程伟, 李九生. 一种光可调太赫兹波吸收器的设计[J]. 电子元件与材料, 2013, 32(7): 34-36.

[34] LIANG J, YANG H D. Microstrip patch antennas on tunable electromagnetic band-gap substrates [J]. IEEE Trans Antennas Propagation, 2009, 57(6): 1612-1617.

[35] YANG L, FAN M, CHEN F, et al. A novel compact electromagnetic-bandgap (EBG) structure and its applications for microwave circuits [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2005, 53(1): 183-190.

Research and application progress of tunable metameterials

LI Baoyi1,2, ZHAO Yajuan1,2, ZHOU Bicheng1,2, WANG Peng1,2, ZHANG Rong1,2

(1. No.33 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Taiyuan 030006, China; 2. Electromagnetic Protection Materials and Technology Key Laboratory of Shanxi Province, Taiyuan 030006, China)

Tunable metamaterials (MMs) can realize the real-time control of electromagnetic field by adjusting their cell structures and matrix parameters, which can be widely used in the fields of absorbing materials, microwave devices and new style antennas. The tunable principle of MMs is discussed with the circuit theory. The methods to carry out TMMs and the research progress are summarized. Then the application status of TMMs is introduced. The problems of TMMs technique, as well as the developing trends, are discussed.

metamaterials; tunable; review; absorbing material; microwave devices; antenna; progress

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.10.001

TN929.56

A

1001-2028（2016）10-0001-05

2016-08-09

李宝毅

山西省青年科技研究项目资助（No. 2015021083）；国家国际科技合作专项资助项目（No. 2014DFR10020）

李宝毅（1983－），男，山东临沂人，工程师，博士，主要从事电磁波防护超材料研究，E-mail: liby_dut@163.com 。

网络出版时间： 2016-09-29 10:08:38

网络出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160929.1008.001.html

（编辑：陈丰）