[00119336]超材料空间调制技术研究与产业化

1. 课题来源与背景 本成果来源于国家高技术研究发展计划（863计划）课题《超材料空间调制技术研究与产业化》（课题编号：2012AA030401）。本课题旨在通过对超材料空间调制技术的研究,突破超材料及其相关器件的设计和开发关键技术,开发出具有自主知识产权的、高性能的超材料器件和系统,以推动相关技术从应用基础研究到应用技术及产业化进程,提高我国新材料技术的核心竞争力。 由于采用传统的金属材料作为反射边界而对电磁波进行空间调制是现阶段波束调制的主流方式。然而,在电磁波的空间波束调制中,传统电磁材料所能起到的作用非常有限。这种反射结构的空间调制技术高度依赖于材料的几何表面形状,在设计、加工、成本、难度上都代价高昂。 利用超材料进行波束调制可以很好的解决传统方式的诸多缺陷和限制。超材料是一种人工电磁功能材料,由经过设计的金属微结构按既定的排布,镶嵌在树脂或陶瓷等材料中构成。它是具有传统材料所不具备的超常电磁响应性能的特种电磁材料,可以改变电磁波的传播方式。超材料空间波束调制具有调制自由度大、器件体积小重量轻、能耗低效率高、抗干扰性能佳等诸多优势,能够实现传统方式和普通电磁材料所完全不能实现的诸多波束调制可能性,从而在空间增益、波束偏折、分波、极化旋转、吸收、透明等各方面实现高性能器件,进而直接应用到诸多产业化革命中。所以,从整个技术进步和产业化革命需求的角度来说,超材料空间波束调制技术研发无疑是一个具有深刻基础意义和广阔应用前景的重要课题。 2. 主要研究内容及技术指标 本课题从超材料空间调制技术理论研究到大规模计算机模拟仿真、从样品制备到实验测试、从实验室研究到成熟的产业技术应用,从单一功能的调制研究到形成一系列的波束调制技术集群,为超材料主导的包括无线通讯在内的各领域的产业化革命提供坚实的技术基础。本课题主要研究内容包括：基于超材料的天线设计制备及应用研究、超材料滤波器的研发、宽频吸波超材料的研发。 以下是该课题的技术指标： （1）数字微波天馈系统：突破传统天馈系统（馈源加金属抛物反射面）在半功率波束宽度、增益、能量效率等核心技术指标的提高上有着难以逾越的技术障碍,开发出14-16GHz的低副瓣、第一副瓣达到-25dB的低副瓣平板式数字微波天馈系统;反射板厚度＜4mm,反射板重量＜1kg,口径效率＞70%,馈源运动扫描范围＞35°,驻波系数＜1.25,抗风＞40m/s,广角旁瓣包络满足SJ电子行业标准SJT11387-2008中的要求（52-10lg（D/λ） -25lgθ, （100λ/D） °≤θ≤20°）。 （2）适用于WLAN的满足WiFi标准的MIMO天线：设计制备支持WLAN 2.4-2.48GHz,5.0-5.8GHz的双频MIMO天线,两天线隔离不低于10dB的超材料小型化天线,天线尺寸不大于70mm×50mm。 （3）AP系统：符合WLAN802.11a/b/g/n标准,工作频率：双频2.4GHz/5.8GHz,超材料高性能3×3MIMO天线,传输速度最高可达450Mbps,小尺寸的MIMO天线使得天线内置成为可能,并且能够满足高吞吐量WiFi标准的要求。 （4）CMMB移动数字终端：开发出1种基于内置型Meta-RF高性能天线的CMMB数字电视接收系统,便于安装维护,灵敏度≥-95dBm,作为车载终端时,主城区车速80KM/h以下可流畅接收,安装调试操作时间小于10分钟。 （5）超材料单腔多模滤波器：基于多模超材料谐振子技术,实现两个腔四个传输极点的小型滤波器,中心频率为2.1GHz,带内插损≤0.8dB,带内纹波≤0.3dB。 （6）开发1-18GHz的微波宽带吸波材料,厚度在6mm以内,材料反射率满足：1-4GHz反射率≤30%,4-8GHz反射率≤10%,8-18 GHz反射率≤1%。 3. 创新性和标志性成果及其应用情况 超材料平板卫星天线采用超材料薄膜透镜技术,突破传统天馈系统在半功率波束宽度增益、能量效率等根本技术指标上的技术障碍,研制出全球首款能够将馈源初级波形转化为平面波的超材料薄膜微波天馈系统。项目成果超材料平板卫星天线已在17个省22个城市的全面范围散点测试工作,并取得了良好的适用效果。 超材料WLAN无线覆盖解决方案已经实现多个商业化应用,建设了3500个热点,覆盖面积超过110万平方米。此外,基于超材料MIMO天线技术的地铁WLAN无线覆盖解决方案已成功应用于深圳地铁。 超材料滤波器利用各向异性且非均匀的超材料实现腔体滤波器的小型化。课题承担单位已跟瑞典爱立信公司斯德哥尔摩总部签署商用合同,在全球范围内共同推动超材料技术的射频滤波器商用。 超宽频吸波材料突破自然界材料物理极限,解决了1-18GHz内的宽频、大角度入射时的吸波问题,多款基于吸波材料的隐身结构件产品已应用于国防装备领域。 建成了一条超材料生产精试线,超材料制备精度达到25±7μm,为超材料创新技术发展提供了量产验证基地和工艺验证基地,每年可创造产值3000余万元。