超材料及其在天线中的应用

超材料已经成为热门研究课题，尤其在涉及现代天线结构的领域更是如此。但是，对于什么是超材料以及超材料在天线研发中的作用大家仍不甚了解。简而言之，超材料是指能够实现自然界中未知特性的材料和结构的组合。例如，涂敷在物体表面的结构化材料可以使光沿锐角折射，从而有效地隐藏该表面下的物体，使其在某些波长的光下隐身。

由于射频、微波、毫米波通信和雷达中的电磁辐射（仅高频辐射）遵循与光相同的物理定律，因此采用适用于波长较长电磁辐射的结构也可以实现类似的效果。如纳米级超材料可以用于制造负折射率材料，那么毫米级超材料也可以用于实现各种效果，包括负磁导率或介电常数。超材料的具体效果取决于结构设计，通常只会影响超材料结构尺寸为亚波长的电磁波。

因此，利用现代制造和加工技术可以使用半导体制造技术制造超材料，从而影响毫米波、太赫兹和光频率，或者使用常见的PCB铜结构，影响无线电和微波频率。

迄今为止，研究人员已经制造出了2D超材料结构、超表面和各种组合结构，并利用它们实现了各种效果，其中包括制作超表面，让结构周围的射频和微波能量发生折射，例如光线折射隐形衣。此外，研究人员还制作了射频和微波“透镜”，它可以像光学透镜那样实现射频和微波能量的聚焦和校准。

对于射频和微波工程师而言，更重要的是已经研发出了新型天线设计超材料结构。与传统的天线设计相比，此类超材料结构可以大大提高天线结构的性能，其中包括开口谐振环结构、周期性结构、分形结构和其他超材料结构，它们可用于设计具有具备大幅增益、更宽带宽以及独特方向图的天线。 值得注意的关键是许多超材料增强型天线可以使用低成本电子电路制造技术在平面支撑材料上制造。 因此，可以利用阵列天线、蜂窝天线及DAS等现代平板天线设计实现超材料天线的低成本制造。