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电磁超材料具有奇特的电磁波调控特性，可实现对电磁波的相位、幅度、极化、传播路径、传播方向及频谱等的调控，已广泛应用于各种电磁设备。本书共12章，重点阐述电磁超材料的分析理论及其在低散射天线中的应用：第1章介绍了电磁超材料的基本概念及其相关应用的发展现状；第2章分析了电磁超材料在吸波器、极化转换器等器件中的相关理论，以及天线的基本理论及其散射理论基础；第3～5章讲述了二维、三维电磁超材料吸波器的设计方法及散射特性分析，并将其应用到低散射天线设计当中；第6章阐述了可重构水基热可调谐频率选择吸波体的设计方法和理论分析；第7～9章讲述了反射型柔性线极化转换器材料的设计、非对称传输和能量隔离混合超结构设计及三比特编码极化旋转单元的低散射天线；第10～12章讲述了电磁超材料在低散射Fabry-Perot谐振腔天线中的应用。本书可供从事电磁超材料器件设计、低散射天线等领域研究和开发工作的科技人员阅读参考，也可以作为高等院校相关专业的高年级本科生、研究生和教师的参考书。

第1章  电磁超材料概述	1
1.1  电磁超材料	1
1.1.1  电磁超材料的定义	1
1.1.2  电磁超材料发展和应用概述	2
1.2  电磁超材料吸波器发展概况	3
1.2.1  传统电磁吸波材料概述	4
1.2.2  电磁超材料吸波器研究概述	4
1.2.3  水基电磁超材料吸波器研究概述	11
1.3  极化旋转超表面研究概述	13
1.4  低散射天线技术概述	16
1.4.1  隐身技术的核心技术点	16
1.4.2  低散射Fabry-Perot谐振腔天线技术概述	18
第2章  电磁超材料器件理论基础	22
2.1  电磁超材料吸波器理论基础及其发展	22
2.1.1  雷达散射截面定义	22
2.1.2  电磁超材料吸波基本理论及分析方法	24
2.2  极化旋转与相位梯度超表面理论基础	33
2.2.1  电磁波极化的一般概念	33
2.2.2  极化转换的基本原理	34
2.2.3  等效电路法分析	35
2.2.4  极化旋转与相位梯度超表面低散射机理	38
2.3  天线理论基础及其散射分析	40
2.3.1  天线的辐射场	40
2.3.2  天线的特性参数	42
2.3.3  天线散射分析基本理论	43


第3章  二维多频电磁超材料吸波器	47
3.1  超材料结构设计和全波仿真	47
3.2  二维超材料吸波器加工和测试	50
3.2.1  测试方法	50
3.2.2  测试结果及分析	50
3.3  二维超材料吸波器吸收机理分析	51
3.3.1  表面电流和场分析	51
3.3.2  表面阻抗和损耗分析	53
3.4  二维超材料吸波器散射特性分析	55
3.4.1  超材料吸波器单站RCS特性分析	55
3.4.2  超材料吸波器双站RCS特性分析	55
第4章  三维多频电磁超材料吸波器	57
4.1  三维超材料频选结构和等效电路模型分析	57
4.1.1  超材料结构单元设计和全波仿真	57
4.1.2  等效电路模型分析	59
4.1.3  超材料单元级联和等效电路模型分析	61
4.2  三维宽频带电磁超材料吸波器	62
4.2.1  超材料结构单元设计和全波仿真	62
4.2.2  等效电路模型分析	64
4.2.3  吸波器样品测试和结果分析	66
4.2.4  吸波器散射特性分析	66
4.3  三维超宽频带电磁超材料吸波器	67
4.3.1  高阻表面单元设计与吸收机理分析	68
4.3.2  三维超宽频带电磁超材料吸波器单元设计与全波仿真	73
4.3.3  等效电路模型分析和参数讨论	74
4.3.4  电阻膜厚度不为零时吸波器结构优化设计	76
4.3.5  吸波器散射特性分析	77
第5章  三维频率选择特性的电磁超材料吸波器	79
5.1  三维高通型宽频带电磁超材料吸波器	79
5.1.1  超材料结构单元设计和全波仿真	79
5.1.2  等效电路模型分析	81
5.1.3  等效电磁参数推导	82
5.1.4  结构参数讨论和机理分析	83
5.1.5  吸波器样品测试和结果分析	85
5.2  三维带通型电磁超材料吸波器	86
5.2.1  超材料结构单元设计和全波仿真	86
5.2.2  等效电路模型、表面电流和场分析	88
5.2.3  加载并联短路枝节电路的带通型吸波器透射特性分析	92
5.2.4  吸波器样品测试和结果分析	92
5.2.5  带通型电磁超材料吸波器散射特性分析	93
5.2.6  加载带通型吸波器的平板偶极子天线	95
第6章  可重构水基热可调谐频率选择吸波体	99
6.1  水的色散特性分析	99
6.2  水基频率选择吸波体结构设计	100
6.2.1  带通型FSS设计	100
6.2.2  可重构水基热可调频率选择吸波体	102
6.3  水基频率选择吸波体电磁特性分析	103
6.3.1  可重构性能	103
6.3.2  宽入射角性能	104
6.3.3  热可调谐性能	104
6.3.4  基于水的Mie谐振分析	106
6.4  样件加工与测试	108
第7章  反射型柔性线极化转换器	112
7.1  宽带可共形超表面极化转换器	112
7.1.1  宽带可共形超表面极化转换器的单元结构设计	112
7.1.2  仿真结果与参数优化分析	113
7.1.3  角度敏感性与谐振电流模式分析	116
7.1.4  极化转换器共形散射性能分析	120
7.2  宽带可共形超表面极化转换器加工与测试	122
第8章  非对称传输和能量隔离混合超结构设计	125
8.1  可重构混合超结构设计	125
8.1.1  混合超结构的工作机理和工作模式	125
8.1.2  混合超结构极化转换单元设计与分析	126
8.1.3  混合超结构单元结构中可切换FSR的设计	129
8.2  混合超结构设计	132
8.2.1  混合超结构设计与分析	132
8.2.2  混合超结构加工与测试	134
第9章  三比特编码极化旋转单元的低散射天线	138
9.1  三比特编码双功能超表面	138
9.1.1  极化转换相位梯度超表面单元结构设计	138
9.1.2  仿真结果与分析	139
9.2  低散射天线设计	145
9.2.1  加载双功能超表面的天线结构设计	145
9.2.2  辐射性能与散射性能比对	146
9.2.3  低散射天线加工与测试	148
第10章  超表面加载Fabry-Perot谐振腔天线	151
10.1  Fabry-Perot谐振腔天线相关理论	151
10.1.1  Fabry-Perot谐振腔工作原理	151
10.1.2  Fabry-Perot谐振腔天线工作原理	153
10.2  超表面加载宽带Fabry-Perot谐振腔天线	155
10.2.1  正斜率反射相频PRS设计方法	156
10.2.2  PRS单元设计与性能分析	158
10.2.3  馈源天线设计	160
10.2.4  宽带Fabry-Perot谐振腔天线特性分析	160
10.2.5  宽带Fabry-Perot谐振腔天线测试	163
第11章  极化转换超表面宽带低散射Fabry-Perot谐振腔天线	166
11.1  极化转换表面设计及分析	167
11.1.1  PCM单元结构设计	167
11.1.2  CPCM低散射特性分析	168
11.1.3  馈源天线设计	170
11.2  棋盘式极化转换超表面Fabry-Perot谐振腔天线	171
11.2.1  棋盘式极化转换超表面Fabry-Perot谐振腔天线设计	171
11.2.2  嵌入式棋盘式极化转换超表面Fabry-Perot谐振腔天线设计	173
11.2.3  嵌入式棋盘式极化转换超表面Fabry-Perot谐振腔天线的加工测试	176
第12章  混合部分反射表面低散射宽带Fabry-Perot谐振腔天线	179
12.1  混合反射面设计及低散射原理分析	180
12.1.1  FSS单元结构设计及特性分析	180
12.1.2  HPRS低散射特性分析	182
12.1.3  宽带辐射馈源天线设计	184
12.2  低RCS宽带Fabry-Perot谐振腔天线	184
12.2.1  低散射宽带Fabry-Perot谐振腔天线特性分析	184
12.2.2  低散射高增益Fabry-Perot天线加工与测试	188
参考文献	191

随着无线通信技术的高速发展，人类已经进入快速信息化时代。目前，移动通信、卫星通信及各种雷达系统在人们的通信过程中占据着主要地位。在无线电通信系统中，电磁波信号作为信息的载体在空间传播，通过信号的发射和接收系统实现了人们之间的信息交换。天线在无线通信系统中具有信号发射和接收的功能，扮演着不可替代的重要角色，性能的好坏直接影响信号的传输效率，在整个通信过程中起到了至关重要的作用。为了适应现代化通信系统的高性能、通信安全、多功能化的发展需求，人们对天线提出了更高的要求。电磁超材料具有常规材料所不具备的超常物理特性，是近些年来国际学术界的研究热点。电磁超材料广泛应用于电磁隐身、电磁波非对称传输、极化选择和调制、频率选择表面、电磁带隙结构等设计，在提高天线的定向性、降低天线的雷达散射截面、减小互耦效应、扩展天线工作带宽等方面具有重要的研究价值。
电磁超材料在电磁调控中广泛应用。本书主要针对低散射电磁超材料微波器件及其在低散射天线中的应用进行了一系列探讨，主要内容包括：①超薄、二维多频、极化不敏感电磁超材料吸波器设计；②三维宽频带电磁超材料吸波器设计；③具有三维频率选择特性的电磁超材料吸波器设计；④水基频率选择吸波体电磁特性分析；⑤反射型柔性线极化转换器设计及其低散射分析；⑥非对称传输和能量隔离混合超结构设计与分析；⑦电磁超材料结构在Fabry-Perot谐振腔天线中的应用。以上所讲述的低散射超材料设计都以解决低散射器件实际工程应用中的各项关键技术为牵引和着眼点，进而为低散射微波器件的进一步研究和应用提供理论基础和关键技术。
电磁超材料设计是一个正在蓬勃发展的学科方向。超材料在电磁波调控中发挥的作用巨大且应用广泛，在电子科学与技术、材料科学与工程、信息与通信工程等多学科交叉前沿开辟了新的发展方向。由于作者水平有限，加之时间仓促，书中内容难免存在不足之处，敬请读者批评指正。
本书是作者近几年在电磁超材料设计研究中积累的相关研究成果，涉及的电磁超材料设计实例与微波器件均来自国际主流期刊发表的科研成果和学位论文。最后，感谢国家自然科学基金面上项目（62071227）的资金支持，感谢南京航空航天大学电子信息工程学院、南昌大学信息工程学院、南京林业大学信息科学技术学院为本书出版给予的支持，感谢硕士研究生王奇、严祥熙、袁警为本书出版做出的贡献，感谢在本书撰写和出版过程中付出辛勤劳动的所有老师和研究生。

作者     ?
2022年5月于南京

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新型电磁超材料及其在低散射天线中的应用