第一篇：数据库课程设计理论及实践论文大全
数据库课程是计算机科学及信息技术相关专业方向的核心课程，主要研究数据库系统的基本概念、原理、方法及其应用，包括数据库系统、数据模型、数据库查询语言、关系数据库设计、事务处理等核心内容．通过数据库系统课程的学习，使学生能够正确理解数据库的基本原理，熟练掌握数据库设计方法和应用技术，掌握科学研究的方法和软件开发的基础规律，增强学生实际动手能力和创新能力．
１数据库理论是数据库课程设计的前提
目前，数据库产品市场９５％以上都是关系数据库产品．关系数据库理论是数据库设计的基础，掌握关系数据库课程理论是数据库课程设计的前提．数据库课程是研究数据处理技术的一门综合性学科，它是与离散数学、操作系统、数据结构、软件工程、计算机原理等学科及其他应用领域的知识和方法相结合的学科．数据库理论研究的核心内容是数据建模、数据规范化理论、数据库系统、数据库的安全性、完整性、数据恢复技术、模式分解理论和方法．只有掌握了数据库理论才能做好数据库设计［１］２２－４９．全国大部分院校都将数据库理论和应用作为两门课程开设，一门是数据库系统概论（主讲数据原理），另一门是数据库应用（主讲程序设计）．对于绝大多数学习者来讲，学习数据库的最终目的是掌握数据库应用方法和技术，在现有ＤＢＭＳ的基础上二次开发数据库产品，而不是开发新的ＤＢＭＳ，所以大多数高校往往在数据理论之前先开设数据应用课程，如ＶｉｓｕａｌＦｏｘｐｒｏ６．０、Ｄｅｌｐｈｉ、Ｏｒａｃｌｅ、ＳＱＬＳｅｒｖｅｒ、Ａｃｃｅｓｓ等程序设计课程是关系数据库的产品，它们属于原理的具体应用部分．学习数据库应用课程后，便于掌握和应用数据库理论；反之，也只有学习了数据库理论才能更好地掌握和应用数据库技术．
２数据库设计理论是数据库理论的应用和延伸
２．１数据库理论在数据库设计中的指导应用
按照规范设计的方法，将数据库设计分为６个阶段：需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、数据库的实施、数据库运行和维护．在数据库设计的每一个阶段，都不同程度地用到了数据库理论与方法，同时对数据库理论进行了丰富的扩充．在概念结构设计中，核心内容是数据建模，即根据实体类型设计Ｅ－Ｒ（实体－联系）图．在Ｅ－Ｒ图中要搞清楚哪些是实体，哪些是属性．从理论的角度来说，实体是客观存在的，并可以相互区别的事物，属性是对实体特征的描述，但是它们之间既有必然区别，也有一定联系．实体和属性不是绝对的，如果需要对属性进一步描述，则属性就作为实体，反之，如果不需要对实体进一步描述，则实体也可以作为另一实体的属性．例如，在设计职工档案管理数据库时，实体类型“职工”的属性：档案号，姓名，性别，出生日期，参加工作时间，学历，职称，职务，工资．如果只考虑现在的工资，则工资就是职工实体的属性，但是如果考虑职工的工资历史，则工资就是一个实体．在逻辑结构设计时，用到规范化理论、求极小集和码的方法、模式分解理论和方法．
２．２数据库设计理论是对数据库理论的延伸
数据库设计理论对数据库理论在很多方面进行了延伸和扩展，使得数据库理论更加简捷、方便和直观．在逻辑结构设计中，将概念模型的产品基本Ｅ－Ｒ图转换为逻辑结构的关系模型，是模式分解理论的直接应用，是在数据库理论基础上的抽象和延伸，实体内和实体间的转换，实体间的每一个实体转换为一个关系，实体内的属性是关系的属性，实体内属性的码就是关系的码．按照关系理论的函数依赖，每一个实体中，码决定每一个属性，而模式分解中，码相同的合并，左右两端的属性合并作为一个分解，从操作方面减少了复杂性，所以设计理论与数据理论完全吻合；数据库实体之间的联系分为一对一、一对多、多对多和多实体之间的联系４种情况，这些转换在逻辑结构设计中都给出了转换规则，也完全满足模式分解理论，在模型优化时，用到极小集方法与设计理论的结合．
３注重数据库设计理论与实践的结合３．１处理好数据库设计经验和数据库设计理论的关系
数据库设计理论尽管比较完善，按照规范化理论，在函数依赖领域，如果关系满足ＢＣＮＦ，不会存在数据冗余、插入异常、删除异常和更新异常，实际上关系规范化不一定要达到ＢＣＮＦ；如果达到ＢＣＮＦ，不会出现冗余和各种异常，但会出现查询效率降低．这就要根据实际情况综合权衡．下面以规范化后的学生成绩管理系统为例说明．学生成绩管理系统包含下列３个关系：学生（学号，姓名，性别，出生年月）；课程（课号，课名，学时，学分）；成绩（学号，课号，成绩）．我们经常查询“某同学学习某课程的成绩”，这就需要３个关系的连接，如果学生人数较多（数据库较大），可能需要较长时间，但如果是第１范式，则不需要连接，如果是第２范式，可能连接的次数较少，也会减少耗费．在实际应用中，我们可能不需要把关系划分到ＢＣＮＦ，也许只需要达到２ＮＦ，甚至１ＮＦ，也就是逆规范化，到底规范化到什么程度，要结合实际问题和具体设计经验［２］３－３９．
３．２课程实验是数据库课程设计的基础
数据库课程是理论与应用结合较为紧密的一门课程．学习数据库课程的主要目的是为了应用．因此，为了深入浅出地讲授数据库理论，在每一章都设计一些课程实验，以便通过实践验证理论，同时掌握其应用方法，为后续的课程设计打下基础．在大部分教科书中，都是以ＳＱＬＳｅｒｖｅｒ为例，讲授ＳＱＬ语言、数据的安全性、完整性．在讲授ＳＱＬ语言时，可以让学生先建立数据库，结合所学内容对数据库进行查询、插入、删除、修改等实践操作，在实践的过程中真正理解并掌握ＳＱＬ语言的应用环境．在讲授数据库安全性和完整性时，利用数据库系统的实际应用让学生对系统做数据控制．提高学生对数据库课程的认识，激发学生的学习兴趣和欲望．
３．３课程设计是提升学生综合应用能力的关键
课程设计是课程内容的展示，是对所学知识的延伸，是学生掌握学习内容、方法和技巧的综合体现．数据库设计理论主要是为了指导数据库的应用和实践，通过系统的理论学习和部分单元（如创建用户、创建视图、用户管理、权限管理等）的应用实践训练，充分认识到ＤＢＡ在数据库系统中的作用．通过课程设计让学生在掌握数据库设计理论的同时掌握数据库课程设计的全过程，可以采取将学生分组的方式，为每组同学拟定相关题目，如学生档案管理系统、财务管理系统、售票管理系统等，设计可以采取集中设计和分散设计相结合的方式，如果条件允许可以集中７～１０天时间做课程设计，否则，可以利用周末时间集中设计，学生自己找业余时间，教师加强指导，题目在期中布置，期末老师验收．让每一位同学独立完成或者协助完成数据库设计的过程，同时，使每一组同学进行上机运行并调试，完成所有功能进行程序实现，最后组织设计答辩．教课评价方面，可将学生平时的课程设计和期末考试相结合，作为学期期末成绩．通过课程设计和设计答辩，学生不仅巩固了理论知识，丰富了课程实践，掌握了如何运用理论指导实践应用，也对今后其他课程设计以及毕业设计打下坚实的基础，取得较好的效果．
３．４数据库课程设计的具体内容
数据库设计是在指定的应用环境下，构建最优的数据库逻辑模式和物理结构，建立数据库及其应用系统，满足各种用户的各种需求（信息、管理和操作需求），并能够有效地存储和管理数据．数据库设计要按照需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、数据库实施、数据库的运行和维护各个阶段突出特点严格进行结构设计是与行为设计的有机结合．每一个阶段都有具体的技术要求，教师提出要求让学生深入图书馆、学生管理部门或者企业进行系统调查，通过需求分析设计出数据流图，编写数据字典．概念结构设计是从数据流图和数据字典中提炼出Ｅ－Ｒ图，对Ｅ－Ｒ图优化后获得基本Ｅ－Ｒ图．按照转换规则和ＤＢＭＳ的转换功能将概念结构的产品基本Ｅ－Ｒ图转换为逻辑结构设计的关系模型．物理结构设计主要根据ＤＢＭＳ的详细特征设计存储结构和存取技术，最后经过优化、评价满足用户的效率要求．数据库实施和运行维护主要考虑代码的编写、调试、试运行和维护，涉及数据转储、安全性、完整性、数据组等问题．整个设计都是在数据库理论的指导下进行［３］１８１－２５０．
４结语
数据库课程设计是理论和实践的有机结合，随着计算机应用的深入，数据库应用在社会生活中越来越重要，应用范围也越来越广，如何使数据库理论和设计更好的结合是值得高校教师深入探讨的问题．只有不断的探索数据库课程设计理论，才能在实际应用中得到创新．
第二篇：TRIZ理论及应用研究论文
[摘要] 本文在对TRIZ理论的定义、基本原理和体系结构概括介绍的基础上，分析了TRIZ在生产管理系统创新中的应用与不足之处，提出了改进建议。
[关键词] 创新 TRIZ 生产管理系统
对于企业来说，创新涉及到工程领域与企业生产经营管理。TRIZ理论作为工程领域解决创新问题的最有力的方法，目前已扩展非工程领域创新研究中，本文主要针对生产经营管理领域的应用进行研究。
一、TRIZ理论方法
在TRIZ之父Altshuller的领导下，TRIZ研究团体分析了近250万件高水平的发明专利，并综合多学科领域的原理和法则后，建立起由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、算法组成的TRIZ理论体系。
1.TRIZ 体系结构
TRIZ提供了发现、解决问题的工具和技术，可以帮助设计人员避免解决问题过程中繁琐的试凑工作。TRIZ方法论包含分析工具和基于知识的工具。
(1)TRIZ分析工具。分析工具包含物质－场分析、ARIZ算法、需求功能分析等，这些工具用于问题模型的建立、分析和转换。①物质-场分析：TRIZ将所有的功能都分解为两种物质及一种场，产品是功能的一种实现，可用物质-场分析产品的功能。物质S1可以是被控粒子、材料、物体或过程，物质S2是控制S1的工具或物体，场F是用于S1与S2之间相互作用的能量，如机械能、液压能、电磁能等。② ARIZ算法：ARIZ称为发明问题解决算法，是发明问题解决的完整算法，该算法采用一套逻辑过程逐步将初始问题程式化。③功能分析：从完成功能的角度分析系统、子系统、部件，设计中的重要突破、成本或复杂程度的降低往往是功能分析的结果。
（2)基于知识的工具。基于知识的工具包含40条发明原理、76个标准解和效应数据库。①40条发明原理：用于找出创新的解决方案。每一种解决方案都是一个建议，应用该建议可以使系统产生特定的变化以消除技术冲突。②76个标准解：用于解决基于技术系统进化模式的标准问题。按照目标这些标准解被分为五类，分类中解的顺序反映出技术系统的进化方向。③效应知识库：库是TRIZ中最容易使用的一种工具。运用库中的各种物理、化学和几何效应可以使解决方案更理想和简单地实现。
2.TRIZ解决问题流程
应用TRIZ解决问题的第一步是对给定的问题进行分析；如果发现存在冲突则应用原理去解决；如果问题明确但不知道如何解决，则应用效应去解决；第三种选择是对待创新的技术系统进行进化过程的预测；最后是评价，确定是否满足求。如果满足要求，则进行后序的设计工作；反之，要对问题进行重新分析。
二、TRIZ的应用
在欧美等发达国家，基于TRIZ理论的应用非常广泛，从工程领域到政治、生产管理、组织结构、教育等非工程领域，无不显示出它的生命力。
1.TRIZ在企业生产管理领域创新中的应用
在参考工程领域的创新问题求解技术的基础上，通过演绎推理的方法提出的在生产管理领域创新中应用TRIZ是完全可行的。近几年来，有些学者通过对TRIZ 方法及工具的局部修改后，应用在管理领域上。Mann & Domb把40个创新原理引入到商业活动中，就每个创新原理提出相应的商业原则，建议当企业面临类似的问题时可以利用此40 个创新原理作为解决的对策。Ruchti& Livotov利用TRIZ 系统化的思考模式和解决问题过程，提出12 条双向原则作为解决商业与组织管理问题的参考。
2.TRIZ应用于企业生产管理创新中的不足
应用TRIZ理论解决企业生产管理创新问题时，完全挪用工程领域的理论框架并不可取，解题工具仅仅利用40个创新原理和冲突矩阵使用面太窄。TRIZ 直接用于生产管理领域创新失败的主要原因包括：结构失效、问题分析方法单
一、解题工具不足、算法不能适应生产管理领域创新问题、操作性差等。
3.TRIZ在生产管理领域创新中的应用改进建议
(1)根据TRIZ的思想和基本哲理，结合生产管理领域创新的特点，构建面向生产管理领域创新的TRIZ理论体系；(2)针对生产经营管理的特点，在39个通用工程参数的基础上进行增减，确定生产经营管理参数，进而构建一个新的生产经营管理冲突矩阵，并且修改40个创新原理，作为改善的策略。充分运用物质─场模型功能描述的特点和76个标准解，拓宽解题工具。(3)把质量功能布置（QFD）、六西格玛设计（DFSS）、约束理论（TOC）、田口方法等方法与TRIZ进行结合，以改进TRIZ分析生产管理领域创新问题方法单一的缺陷。(4)进一步细化生产管理领域的问题描述，逐步做到以定量分析为主，提高可操作性。
三、结论
本文介绍了TRIZ 基本理论和主要工具，探讨了在生产管理领域创新中的应用。针对其在解决生产管理领域创新中存在的一些问题，给出了应用改进建议。我们相信随着TRIZ 理论的发展，其在生产管理领域创新中的应用操作性会愈来愈强，应用范围会越来越广，成为解决生产管理领域创新的有效方法和手段。
参考文献：
[1]Mann&Domb, “Systematic Win-Win problem Solving In A Business Environment”,The TRIZ Journal, www.xiexiebang.com., 2002
[2]Ruchti, B&Livotov, p, “TRIZ-based Innovation principles and A process for problem Solving in Business and Management”, The TRIZ Journal,www.xiexiebang.com., 2001
第三篇：数据库课程设计
需求分析
在银行业务模拟中用随机函数产生随机数，求客户在银行的平均时间，客户来到银行后加入两个队列，客户办理的业务有两种，一是取款和贷款，二是存款和还款。概要设计
typedef struct service { int num;//客户号 string type;//到达或离开 int beginTime;int endTime;int money;//正数为存款，负数为取款 struct service* next;}service;typedef struct //队列 { service* head;service* rear;}queue;int total;//初始时银行现存资金总额 int closeTime;//营业结束时间
int arriveTime;//两个到达事件之间的间隔上限 int dealTime;//客户交易的时间上限 int dealMoney=5000;//交易额上限 int currentTime=0;//当前时间 int totalTime=0;//客户逗留总时间 int counter=0;//客户总数 int number=1;//初始客户序列号 int currentTimeOfDeal=0;int theArriveTime=0;queue eq;//事件队列 queue fq;//队列一
queue sq;//对列二 //初始化三个队列 service* temped;int Time;void push(queue &q,int a)// 插入元素a为Q的新的队尾元素 void pop(queue &q)// 若队列不空,出对列函数 service* front(queue &q)//返回队首元素 service* back(queue &q)//返回队尾元素
service* searchAndDel(queue &q,int m)//在对列中寻找可处理元素 bool state=1;//用于判断是否有窗口在处理
void arrive()//“到达”函数 随机产生顾客，进入队列一产生到达事件 进入事件队列
void putMoney()//存款函数 void getMoney()//取款函数
void findAndDeal()//在对列中寻找可处理元素，对其进行处理 运行环境
Window XP Visual C++ 开发工具和编程语言
Visual C++ C++ 详细设计
1.队列的链式表示和实现 typedef struct service { int num;//客户号
string type;//到达或离开 int beginTime;int endTime;int money;//正数为存款，负数为取款 struct service* next;}service;typedef struct //队列 { service* head;service* rear;}queue;2．插入一个元素为队尾元素 void push(queue &q,int a){ service* p=new service;p->money=a;p->next=NULL;if(q.head==NULL)//列队为空，初始化 { q.head=p;q.rear=p;} else //队列不为空，插入元素a { q.rear->next=p;q.rear=q.rear->next;} } 3.返回函数
service* front(queue &q)//返回队首元素 { return q.head;} service* back(queue &q)//返回队尾元素 { return q.rear;} 4.在对列中寻找可处理元素
service* searchAndDel(queue &q,int m){ service* sign=q.head;//标记头节点 service* p;while(q.head!=NULL){ if((-(q.head->money)) { p=q.head;q.head=q.head->next;//首节点后移一位,返回原首节点 return p;} } if((-(q.head->money))>m)//队首元素不能被处理 { if(q.head==q.rear){ } return NULL;else //首节点移到队列尾部 { q.rear->next=q.head;q.rear=q.rear->next;q.head=q.head->next;q.rear->next=NULL;} } if(q.head==sign)//队列循环一周时停止 return NULL;} return NULL;} 5.到达函数 void arrive()//到达“函数 随机产生顾客，进入队列一产生到达事件 进入事件队列 { push(fq,(rand()%(2*dealMoney)-dealMoney));//随机产生顾客加入第一队列 back(fq)->beginTime=currentTime;back(fq)->num=number;push(eq,(back(fq)->money));//将产生事件加入事件队列 back(eq)->beginTime=currentTime;back(eq)->type=”到达“;back(eq)->num=number;++number;} 6存款函数 void putMoney(){ total+=front(fq)->money;//更新资金总额 push(eq,front(fq)->money);//加入事件队列 离开 back(eq)->type=”离开“;back(eq)->num=front(fq)->num;back(eq)->endTime=(front(fq)->beginTime+rand()%dealTime+1);++counter;//更新客户总数 totalTime+=(back(eq)->endTime-front(fq)->beginTime);//更新逗留时间 pop(fq);//删除第一队列第一个业务 currentTimeOfDeal=back(eq)->endTime;state=0;} 7取款函数 void getMoney()//取款函数 { if((-fq.head->money)>total)//资金短缺 加入第二队列 { push(sq,front(fq)->money);back(sq)->beginTime=front(fq)->beginTime;back(sq)->num=front(fq)->num;pop(fq);6 } else { total=total+back(fq)->money;push(eq,front(fq)->money);//加入事件队列离开 back(eq)->type=”离开“;back(eq)->num=front(fq)->num;back(eq)->endTime=(front(fq)->beginTime+rand()%dealTime+1);back(eq)->beginTime=0;currentTimeOfDeal=back(eq)->endTime;++counter;//更新客户总数 totalTime+=(back(eq)->endTime-back(fq)->beginTime);//更新逗留时间 pop(fq);//删除第一队列第一个业务 state=0;} } 8.在对列中寻找可处理元素，对其进行处理 void findAndDeal(){ while((temped=searchAndDel(sq,total))&&NULL!=temped)//查找可处理取款 { total+=temped->money; totail=total+temped->money;push(eq,temped->money);//加入事件队列训 离开 back(eq)->type=”离开“;back(eq)->num=temped->num;randomTemp=rand()%dealTime+1; //更 新资 金总额 7 back(eq)->endTime=currentTime+randomTemp;currentTimeOfDeal+=randomTemp;++counter;//更新客户总数 totalTime+=(back(eq)->endTime-temped->beginTime);//更新逗留时间 delete temped;//删除节点 temped=NULL;} state=0;} 9 主函数 int main(){ int m;cin>>m;if(m=111111){ cout<<”欢迎进入系统< srand(time(NULL));//初始化随机函数 cout<<”输入银行的初始存款：n“;cin>>total;cout<<”输入银行的营业时间：n“;cin>>closeTime;8 cout<<”输入最大到达时间间隔：n“;cin>>arriveTime;cout<<”输入最大的处理时间：n“;cin>>dealTime;theArriveTime+=rand()%arriveTime+1;//首次到达时间 while(currentTime } cout< } if(state==1&&fq.head!=NULL){ } if(fq.head->money>=0){ } else getMoney();putMoney();findAndDeal();arrive();theArriveTime+=rand()%arriveTime+1;9 <<”事件类型“<<”tt“ <<” 时间“<<”t“ <<” 处理金额“< } cout<<”未处理客户:“<<”“< < < cout< } } cout<<”银行当前余额："< 在用随即函数rand产生随机数的时候，对其初始化用srand(time(NULL)，为了使得产生的随机数是整数要在后面加一 测试结果 如图一所示为输入密码进入系统后 图一输入密码进入系统后 如图二为输入银行的初始存款，营业时间，两个到达事件的最大间隔，客户交易的最大时间 图二输入各项信息后 如图三所示产生的客户信息 图三 客户的信息（到达时间和离开时间，平均在的时间） 参考文献 [1] 吴文虎,程序设计基础（第二版），北京，清华大学出版社 [2] 谭浩强，C语言程序设计，北京，清华大学出版社 [3] 边肇祺，模式识别（第二版），北京：清华大学出版社 [4] 李永忠，几种小波变换的图像处理技术，西北民族学院学报，自然科学版 [5] 严蔚敏，吴伟民，米宁，数据结构题集（c语言版），清华大学出版社 心得体会 转眼之间，来到大学已经一年半的时间了，对程序的学习也有了初步的认识，在大一的时候学习了程序设计，大二紧接着又学了数据结构，在这次的课程设计中，遇到了一些问题，通过老师和同学的帮助得到了解决，并且对程序设计的认识又提高了一个层次，在以后的学习中，对经常出现的问题会更加注意。 这次的课程设计给了我很大的帮助，在过程中学到了很多的知识，对程序的规范性以及有效性更加的重视。在以后编程序的过程中会更加注意程序的完善性，使程序的功能更加的齐全，而这也是作为一个程序设计师必须要具备的。认识到只有多多的练习才能更好的运用所学习的知识。在大学里要充分的利用各种资源，提高自己的水平。 数据库课程设计 第一章 引言 开发的意义 设计应用系统的任务及目标 设计开发及运行的软硬件环境 第二章 系统分析与设计 系统需求分析 数据库概念结构设计 数据库逻辑结构设计 数据库物理结构设计 系统总体结构设计 第三章 系统开发及实现 设计开发采用的技术及设计效果 第四章 总结 超表面理论及应用-超材料的平面化 An Overview of the Theory and Applications of Metasurfaces: The Two-Dimensional Equivalents of Metamaterials Christopher L.Holloway1, Edward F.Kuester2, Joshua A.Gordon1, John O’Hara3, Jim Booth1, and David R.Smith4 三碗 译 摘要 超材料通常由按一定规律排布的散射体或者通孔构成，由此来获得一定的性能指标。这些期望的特性通常是天然材料所不具备的，比如负折射率和近零折射率等。在过去的十年里，超材料从理论概念走到了市场应用。3D超材料也可以由二维表面来代替，也就是超表面，它是由很多小散射体或者孔组成的平面结构，在很多应用中，超表面可以达到超材料的效果。超表面在占据的物理空间上比3D超材料有着优势，由此，超表面可以提供低耗能结构。文章中将讨论到超表面特性的理论基础和它们不同的应用。我们也将可以看出超表面和传统的频率选择表面的区别。 在电磁领域超表面有着很广泛的应用（从微波到可见光波段），包括智能控制表面、小型化的谐振腔、新型波导结构、角独立表面、吸收器、生物分子设备、THz调制和灵敏频率调节材料等等。文中综述了近几年这种材料或者表面的发展，并让我们更加接近一百年前拉姆和Pocklington或者之后的Mandel和Veselago所提出的令人惊讶的观点。 引言 最近这些年，超材料这方面一直引领着材料的潮流。超材料是一种新的人工合成材料来得到自然材料所不具备的一些特性。在电磁背景中，这方面最早的实例就是人工电介质。之后，我们将会看到和经典结构完全不同的超材料和超表面，比如光子能带隙结构（PBG）、频率选择表面（FSS）。双负指数（DNG）超材料是一种盛行的超材料，也叫作负指数材料（NIM）、左手材料等（LHM）。这种材料的特性是在给定的频率带宽内其有效介电常数和磁导率是负的。另一种特性是近零折射率。在这种材料中，其介电常数和磁导率都被设计成接近于零。拥有这些特性的材料可以应用在很宽的频率范围（微波到可见光频段），并且其应用也很广泛，如隐身、低反射材料、新型结构、天线、电子调谐、超透镜和谐振器等。 现在的超材料研究来源于对Bexelago理论的仿真，或者是基于之后Pendry、Smith等人所实现的超材料结构。然而，这个领域中很多研究者并没有认识到负折射率超材料的概念和它们令人吃惊的性能可以回溯至那么早的时间段。实际上，这种材料的理论可以回推到一个世纪以前。早在1967年，一些学者已经对超材料做出了研究，而更早的Sivukhin在1957年对超材料的特性做了简单的描述。Malyuzhinets和Silin都相信L.I.Mandel在更早的时间里做过超材料研究。Mandel提到关于Lamb的1904年的报纸，称Lamb或许是这一领域的第一人。Lamb提出了反波的存在性（在相反方向上拥有相位和群速度的波，他的实例包含机械系统而不是电磁波）。Schuster在他1904年的可见光书中简短的谈及了Lamb的工作，并提出了在可见光介质中或许也有着反波的特性。1905年，Pocklington展示在某种情况下静止的自行车链条可以产生反波，加上突然的激励可以产生一种拥有远离波源的群速度和朝向波源的相速度。 超材料通常是用规律排列的小散射体构成的结构，以此来获得期望的性能。超材料可以被扩展成二维分布的电子散射体图1.图1a阐述一种普遍的散射体排布，而图1b-1d展示更多的特殊例子。图1b展示一种金属散射体排布，它可以获得与经典开口环结构所产生的磁响应类似的电响应。图1c展示一种球粒阵列（基于此引入了3D超材料，来源于早期Lewin的工作，但更早的是100年前Gans和Happel的预测）。图1d为陶立方排布。超材料的这种表面结构最初命名为超薄膜，表示一个表面上分布着小的散射体。值得一提的是每个散射体的都是很薄的（甚至比晶格常数小），可以有任意的形状，可以有亚波长尺度。与超材料类似，超薄膜也可以通过其散射体的排布来有其特有的电磁特性。超薄膜又称超表面或单层超材料。在1.1和1.2部分我们将简化其称呼。 对于很多应用，超表面可以用于放置超材料。超表面相对于3D超材料来说有着占有更小物理空间的优势，由此，超表面可以提供更低能耗的结构。近几年，超表面在从微波到可见光波段的应用取得了巨大的成就。除了可用在上面所说的超材料的应用外，超表面还可以实现智能表面控制、小型化谐振腔、新型波导结构、简单而宽角度吸收器、阻抗匹配表面和生物分子器件。下面也将会更详细的谈到其中的一些应用。 1.1 超表面与频率选择表面 下面说一说超材料（MM）和传统光子带隙(PBG)或电磁带隙(EBG)结构之间的区别，另外超材料和传统频率选择表面（FSS）的区别。第一种超材料可以使用超表面来发展创新。对于超材料来说，能熟知周期材料在不同频率或者不同尺寸的电磁响应非常重要。这种复合材料可以分成三种完全不同的部分（图2）。对于3D超材料来说，第一部分是准静态部分。这就暗含低频的意思（亚波长段频率）。这种散射体将会具有诱导的或者永久的偶极柜，这也是经典材料的性质。另外，这种散射体可以通过改变形状或者位置来获得想要性质的人工复合材料。在这一部分，描述使用经典的材料混合来得到目标特性（介电常数、磁导率） 当波长可以与结构周期相近或者比周期小时，会有特别的响应发生，见图2的第三部分。在这种频率下，存在一种更加复杂的场，这就需要用更加精密的分析技术（全波方法）。传统的分析方法是Floquet-Bloch理论，其中的场扩展到有各种不同方向的平面波。当波长接近周期时，就需要考虑到更高要求的Floquet-Bloch理论。这种高要求模型就会通过复合材料干扰基波的传播，在这种频率范围中我们称复合材料为光子带隙或者电磁带隙材料。在某种频率范围，光子带隙和电磁带隙材料会阻碍到EM波的传播，这种频率带就称为阻带。别的频率中，这种材料的通过率很高，这种频率就为通带。布拉格散射效应就是与这种频率有联系，它是很多实际应用的基础。 图2的第二部分也是处在亚波长结构，不过期单元散射体可以达到共振。这就实现了另一种人工材料（MM），实现了自然材料所没有的特性（如双负或近零指数材料）。第二部分，那些共振体是其成为超材料的原因所在。我们可以通过有效介电常数和磁导率来标明超材料的特性。 二维阵列（超表面）也有相似的特性。对于二维格子阵列来说，第一部分复合材料属于经典薄膜材料，第三部分是周期性的共鸣器。另一方面讲，当我们谈及超表面时，就是在说第二部分的共鸣器散射体而不是周期性结构。普通的频率选择表面有时会是运行在这种体制下，但这种类型的操作和第三部分的并没有明确的标出。 值得注意的是图2所示的第二部分并不常见。这种散射体需要特别的设。例如，如果是 图7中球形粒子的特性或者半径非常小，或者是散射体的形状、尺寸没有做合适的选择，散射体的共振将会趋向于Floquet-Bloch模型，就实现不了双负材料。在Floquet-Bloch模型中散射体共振将会被吸收，这种介质模型就不能充分描述复合材料。总的来说，图2中第一、第二部分会出现在某种复合材料介质的情况中。第一部分（经典混合理论），其有效特性不依赖频率。第二部分（散射体共振），其材料具有频率依赖特性。在这部分中，可以实现3D双负指数材料和别的共振器。最后一部分中，电磁场和周期材料的相互作用非常复杂。我们不再将复合材料称为有效介质。当波长接近结构周期时，更高要求的Floquet-Bloch模型需要考虑进去，超材料和超表面就是这样。 1.2 超表面类型 超表面结构就是二维的周期性亚波长结构。在一般的研究中，我们将超表面列为两类。一种是有着陶瓷拓扑结构（一种绝缘散射体）图1a所示，称其为超薄膜，有着很多应用。另一种是渔网结构（图3），称为元幕。这些材料是由在阻抗表面周期排列的孔制成。别的种类超表面基于这两者之间。例如，平行导线光栅在垂直导线方向表现出超薄膜的特性，而在沿轴方向就表现为元幕性质。 1.3超表面模型 模拟超材料的传统的、最方便的方法是有效介质理论。在这种方法中，某些类型的平均是用在超材料周期单元结构所产生的电磁场上面。从这些平均值中，可以确定超材料的有效介电常数和磁导率（以及折射率）。值得一提的是，只有当波长相对于晶格常数足够大时候平均才是有效的。对于场的周期单元平均定义有效材料性能是正确的方法（那种匀质平均的类型），许多研究人员已经在实践中使用根据一些计算出厚度的超材料样品来得到期望的反射和透射系数。尼科尔森-罗斯-韦尔（NRW）的方法或它的变形，可以用于获取超材料的有效材料性能。需要注意的是，当使用范围是负指数材料时，标准的NRW方法必须进行修正。典型地，一个平方根的符号的选择是由明确的通过确保在传播方向正功率溢流。在某些情况下，还必须考虑到样品的边界附近局部影响。如果使用得当，有效介质的方法是用于表征超材料的很合适的方法。 尝试使用类似的超表面参数分析很少成功。一些以前的超表面研究把其当做是单层超材料薄膜，这种模型的材料特性是任意的引入一个非零厚度参数来获得的。这有一些人为物理结构参数的问题：这些超表面的参数特征是错误的。传统计算方法的展开可以给我们一些提示，当以样品尺寸建模时，必须考虑样品边界效应，就像两个不同切面上的效应一样。 为了说明其中难点，我们使用图1中对等的厚度为d（图4）的材料层来代替超表面。其有效特性是由上文中HRW方法所得出。问题是上述所得有效特性对于超表面来说并不唯一，虽然散射体的几何特性和晶格常数一定，但厚度d不确定。实际上，d在合理限制中可以任意取值。由于d不是唯一确定的，所以由其而得的超表面特性也不是唯一的。因此，与报道中相反的是，把超表面看成等效介质所得的有效特性都是不合适的并且导致了错误的阐释。Smith等人坚持这个观点，认为‘εd’很可能是常量。在文献[101]中介绍了易受影响的表面和有效特性直接的关系，认为对于超表面来说，不能定义独立于d的ε和μ。由此说明ε和μ是d的函数，并且唯一确定。这种结果就是说d、ε和μ是任取的。也就是我们如果假定厚度也为常量就可以使用这种有效特性。但对于不同的厚度来说，这种有效特性并不适用，非平面形状也一样。如果我们想在一定厚度基础上使用这种有效特性的话，那是没问题的。从另一方面说，如何改变了厚度而继续使用之前的特性，那就是错误的了。 图5和图6强调了这一点。图5展示了球粒阵列中通过这种方法使用不同的有效厚度d所得的介电常数。图6展示不同厚度下的负折射率。图5和图6中可以看出有效特性是厚度 d的函数，说明有效特性并不是超表面所固有的本质特性。同样我们也应该指出通过这种方法所获得的超薄膜或超表面的有效特性并不能展示其物理特性。例如，因果颠倒或者负材料呈现出大的介电常数或磁导率（在文中基于时间t假设的ejwt的正虚部）。 在文献[100]中，论证了超薄膜表面的唯一性，由此，也定义了超表面特性的唯一性。从物理上讲，超表面是一种极小的板：当电磁波与其作用是会产生相移或者是振幅的改变。这种超表面最好的定义是通过普通的板过渡理论（GSTCs），是对比于使用在超材料上的有效介质描述来说的。这种方法使用在超表面与电磁场交互作用时候，且符合广义等效面转换理论。 对于超薄膜来说，在文献[23]中所述广义等效面转换条件与超表面的两个面上的电磁场有关（见图1a）： 式中av代表超表面两边的平均场，t为到z的距离，是单位矢量。ES和MS分别是两 ....表面的电场和磁场。这有着计量单元，并且与散射体的电磁极化密度相关。当散射体有缺失 这种性质会消失并且方程（1）中E和H的非相关条件将会减少。简便起见，我们认定散射体和晶格对称，则表面并失如下： 在这篇文章和文献[101]中，我们对于MS有一个约定，在H场中右边项前加一个负号，而E场右边项加正号（见方程1）。这种符号约定与文献[100]中不一样。我们选这种约定是因为当表面磁密度与H在同一方向时Re(MS)为正，这也是经典磁材料特性定义的组成部分。这种广义等效面转换条件可以应用在更多的方面，如不对称性、不均材质、以及双各向异性表面，而且这方面的理论已经有了发展。值得注意的是方程1的约定条件仅适用于超薄膜。具有不同结构的超表面将需要其他的理论条件。例如，周期性隔离孔组成的元幕有着零厚度理想导体，这与广义等效面转换理论相悖，这可以写成： 其中E场和B场在元幕中是连续的。这里，ES和MS分别是元幕的电特性和磁特性，并且，与超薄膜表面相似，它们有着长度。当孔不存在时，就只剩了理想导体平面，那些由孔引起的电、磁特性将会消失，并且方程3中电场E的切量会减小。元幕的经典边界条件还没有定义出，还需要补间断的工作来发展。像导线光栅这种拥有超薄膜和元幕两种特性的超材料的边界条件也一样需要发展（在[102][103]中广义等效面转换条件应用在了薄导线光栅上）。 广义等效面转换条件同样可以用于阻抗边界条件。对于平面波电磁的变量，它是平行于超薄膜的 ....我们可以利用麦克斯韦方程将方程1写成： 其中表面转移导纳和转移阻抗由下式给出： 这种边界条件也可以等效成传输线电路。 这种广义边界条件可以让超表面可以有一个有着无限薄等效表面的模型。表面几何的细节包含在表面特性的边界条件中。应用在广义等效面转换条件中的场是一种宏观场，相比于散射体、孔和晶格来说，其并不具备长度，但当波长在介质周围是它就有着更大的值。值得注意的是，这种广义条件由于方程1和3中表面梯度的影响而存在着误差。如果表面特性可以使用矢量波（沿波的传播方向）来计算的话，这种边界条件的计算将更加精确。 如果不需要空间场变量的精细的结构的话，这种广义等效面转换条件和麦克斯韦方程一样都需要分析场与超表面的相互作用。这种边界条件中的表面特性是位移确定的，并且可以作为描述超表面的物理量。基于这种模型的检索技术将在下部分来描述。 1.4 超表面的特性 如上部分所述，超表面的有效特性和磁导率（与负折射率相同）并不唯一确定。这一部分我们将综述一种超薄膜的唯一的特性，主要是基于反演其反射和传输系数来获得。超薄膜的反射（R）和传输(T)系数不管是对于TE或者是TM波（图7）都来源于文献[24]。 对于TE波来说： 对TM波来说： 其中k0是真空波矢。这种反射和传输系数可以用于有着足够对称性反射体的超薄膜上。同样的方法也可以用于更多非对称不规则表面特性，如元幕或更多普通的超表面。这些理论尚有待发展。 一旦确定了表面的反射和传输系数，表面特性就确定了。在这个实例中，每个偏振波都需要两种R和T系数。对于TE波，其三个未知特性的推导如下： 其中R(0)和T(0)是正入射波的反射和传输系数，R(θ)和T(θ)是以θ角入射波的反射和传输系数。而对于TM极化波，其未知特性的推导如下： 在文献[100]中的符号错误已经在上式中修正。同样文献[101]也做出了修正。 这种方法既可以从理论上又可以从实验方面确定R和T的值。而对于普通入射测量技术来说，很难分辨其入射和反射成分，如果入射角不为零则结果会好很多，祥见文献[100]。有趣的是，当推断超材料模型的有效特性时，这种反演方法来求解超薄膜特性既不用特定的取符号的平方根，也不需要假定表面层的厚度。 为了确认超薄膜这种反演的特性，我们引入一种球粒型超薄膜如图1c。其中a=10mm, p=25,59mm, εr=2, μr=900, tanδ=0.04。这种结构的极化度是可解析的，因此其表面特性可以根据文献[100]给出的方程计算。如上所说，可以通过设置不同的R,T来确定未知量，文献[100]给出了一些方法。 Figure 8.The surface susceptibilities for a metafilm composed of spherical particles.图8所示ES和ES的实部和虚部。其结果是通过30入射角的数值仿真所得的R和T。 0zzyy超薄膜模型是球粒阵列，有着对称传输阵列（）。同样图中也给出了文献[100]分析结果。通过对比，这种反演方法所得结果和方程计算结果一样。 上述例子和文献[100]都说明了反演方法的正确性。更重要的是，这种计算结果说明了超薄膜特性是唯一的。 超薄膜也可以用来计算3D超材料的有效特性。在这种技术中，和上面一样，超薄膜的平面波反射和传输系数用来计算表面特性。通过文献[23]中应用，之后就可以获得单个散射体的极化率。通过把这种超薄膜嵌入三维超材料里，就可以通过Clausius-Mossottii关系来得到有效介电常数和磁导率。这种技术是一种很有用的计算标准参数的方法，尤其是当波在一个很小的多层样本中传输时候。 在本文的其他部分，我们将讨论近几年超表面的各种应用。可调表面 对于一个给定的超表面，我们可以通过很多商用模型来分析它与电磁场的反应。然而，如我们所见，可以通过广义等效面转换条件来获得平面波的传输和反射系数。对于超薄膜，适用于方程7和方程8.这些特性与超薄膜的表面特性有关。这些方程的好处是可以让我们从物理方面洞察表面特性与反射、传输系数的关系。方程7和方程8阐释了通过控制表面的反射和传输系数可以改变表面特性。 以方程7和方程8为例，我们可以写出在全反射或者全透过时电、磁特性的关系。在全反射时： 而对于全透过时所需的条件是： 理论上控制反射和传输系数可以通过以下机制来完成：1，通过改变散射体的电磁特性；2，通过改变基板（材料特性或者几何构造）的结构。以球磁粒子组成的超薄膜为例，图9所示为R关于散射体磁导率的曲线。图中可以看出，基于散射体磁导率的变化，超薄膜从全反射变化到了全透射。这种可控表面已经实现，其组成是由球形YIG粒子所组成的超薄膜，控制激励是外加DC磁场。图10所示为这种超薄膜的传输特性随外加DC磁场的变化。一些其他的方法也已经可以用来控制超表面，并且在动态控制领域也有许多研究在开展，我们将在第7和第9部分做讨论。各向异性超表面：角独立特性、吸波器和阻抗匹配表面。 各向异性散射体所组成的超薄膜可以用来获得与各项同性超表面所不同的很多应用。这些应用中的一个有趣的体超材料是在其内设计出各向异性的表现。实际上这个主意来着隐身斗篷材料，其有着很大的关注度。这种材料是通过在超材料里设计各向异性材料来设计的，覆盖有这种材料的物体可以使光在其表面传播或者弯曲。经过合理设计的各向异性超材料可以达到既不散射又不吸收能量，这样就可以在电磁波里实现隐身效果。现在可以在理论上实现从射频到可见光的隐身。但由于材料和结构的本质属性，在获得宽带隐身效果来说还有着技术难点需要突破。试验证明窄带单偏振的隐身实例已经可以实现。 同样，这种概念也可以扩展到超表面中。在这个设计中，其表面设计将选用散射体所组成的超表面来达到期望的性能。例如，理论上可以可以设计出一种超表面来达到将EM波聚焦到目的区域，与聚焦天线阵列很像。如果可以按照期望的控制超表面的散射体，就可以得到一种能够改变能量聚焦所在的方向和频率的超表面，这种概念现在正在研究。 另一个例子是怎样获得不依赖角度（至少是某种参数范围中）的反射和传输系数。对于一个给定的入射角，方程13给出了在发生全反射时表面电和磁的磁化系数。方程13给出了一种可以在这种全反射状态下获得近似角独立的结构。以TE波为例，当MS>>ES时，角依赖性被削弱，这是基于方程13中圆括号前部分控制第二角依赖部分。同样地，对于TM波，当MS>>ES时,其角依赖性同样变弱。当超薄膜的散射体结构达到谐振频率时，会产生这种性质。当所指部分占优势时，方程13中全反射条件变成： yyzzzzyy 如果超表面设计成这种传输成分的表面特性的共振相比于普通成分来说非常高，则这种超表面或许会产生角独立特性。这种特性在图11中阐释出来，其中我们画出了超表面的反射系数，这个超表面是由图1b所示金属结构组成。在图中可以看到这个表面在600入射角处获得近似角独立。 我们可以将这个概念扩展到很多其他的结构上。例如，具有高的各向异性材料的板也可以获得角独立特性。文献[61]展示，这种特性可以通过检测不同各向异性基板的反射系数来观测。另外，引进计算电磁学中的完美匹配层（PML）可以减少辐射边界所产生的误差，同样它也需要这种角独立特性。这种PML可以通过超表面的理念来实现，这种课题正在研究中。 这种结构为发展紧密的电磁吸波器提供了可匹配的能耗材料，并且使独特的阻抗匹配表面得以实现。基于这种想法的吸波器最近开始出现在文献中[53-58]。这种结构通常由覆盖有金属板的能耗基板和其前部的超表面组成（图1b的第二幅图）。这种结构或许会是窄频的，但它同样也是很紧凑的。使用超表面的这种结构的另一个优势是它有着很好的角独立特性，这在理论和实验中都是已经证明的了。对于角独立特性的物理说明如上述或者文献[60]。 不同的团队同样也研究了超表面在阻抗匹配表面的应用。与图12a所示的金属阵列相似的结构已经被用来制作宽角度的阻抗匹配表面。这种结构具有高各向异性，可以使角独立特性得以实现。这种薄各向异性超表面的反射特性在图12b中展示。谐振器尺度的优化 Engheta展示了当孔中部分填充负折射率材料时候，在λ/2尺寸规模的谐振器结构的尺度还可以再减小。文献[35,36]中扩展了这个理论，使用超表面也达到了同样的效果。利用超表面的优势是可以理论上比利用3D超材料所实现的尺寸要小。距离为d的两个金属板之间放置超表面，达到共振所需要的相位匹配条件是 当M0时，n=0不成立。通过这个方程，可以看出如果合理设计超表面的话，谐振器尺寸可以超越λ/2波长的限制。 例如，一个由两金属板及其之间的方形片状物构成的超薄膜。图13所示为三种不同板的谐振频率关于l/p（p为周期，l为单个方形物的尺寸）。当l/p=0时，就是经典结果d=λ/2。对于一个给定的d来说，电容性超表面可以很大程度上减小谐振频率，或者是减小谐振器尺寸以得到期望的谐振频率。方形片超薄膜谐振器的频率减小在表1中展示，周期p=500μm。在表中，对于不同的l/p值列出了相对应的减少值。这个表的结果展示了这种结构可以减少共振器尺寸高达56%。如果经过精细制作超表面散射体的极化特性，还可以达到更好的减少尺寸效果。实际上通过控制超表面的特性可以实现频率灵活的谐振器。波导 对于一种入射波来说，超表面可以经过特殊设计来使其发生全反射，这就使俘获并传输电磁能到两个超表面之间成为了可能。图14阐释了波导的一些现象（与图7不同的结构使其具有了沿z轴方向传播的性能）。假定波导方向沿z轴，k0sin，对于TE模型，从方程13可以看出传输常量须符合下式以达到全反射 对于漏模来说，这个常量通常很复杂。如果所选超表面满足上述标准并且β一定，则x方向的传输波数如下 两超表面的间距d 其中虚部ne越小越好，需要满足 和 （后者条件是由于在接近两个超表面时候模型将表现出一种表面波特性，很可能会增加其衰减）。对于TM模型类似的方程也在文献[37]中提出了。 这种波导可以使其变得简洁，使用更少的材料，更低的辐射能耗。如果超表面由聚合物组成，则也可以得到一种柔性的波导结构，再加上合适的超薄膜的话，可以实现柔性低损耗的波导，在THz频段有着很大的应用潜力。这可以用来设计智能可调频率灵活的波导结构。超表面上的复合波和表面波 有着传统电介质片的超表面在适当的条件下也能支持表面波的传输。然而，与传统介质片不同的是，通过设计超薄膜散射体特性，可以同时产生向前、后的表面波以及复合波。实际上，可以通过适当调节散射体来使表面被或者复合波只在指定的频率出现。在文献[109]中给出了详细的平面波的产生。超表面上线波源的反射系数的极值是超表面表面特性的函数。如果这些极值确定，在不同条件下表面传输波的传输常量由下式给出 式中βs在表2中给出，数据为电波线源的不同条件，对于磁波，见文献[109]。当表面磁化率符合其中一个条件时，就会激发表面波或者复合波。图15阐释了频率激发的超表面平面波或者是复合波。数据显示当磁波线源放置在球粒阵列上方时电场的大小。图15a展示一种表面波的激发。图15b展示复合波的例子。通过改变散射体的特性，表面磁化率也随之改变。由此，从表2中看出，在任何想要的频率下产生表面波或者复合波都是理论可行的，同样也适用于频率灵活的波导结构。 Figure 15.The magnitude of the E field(on a linear scale)from a magnetic line source placed 45.49mm above an array of spherical particles:(a)f=1.42GHz,one surface wave;and(b)f=1.5GHz,complex mode THz器件 可调表面可能有利于THz频段的设备和构成。基本上可调表面是通过改变电环境、电流或者元件环境来实现的。当电环境 改变时（通常由散射体内半导体引起），这就是混合超材料。THz频段范围内可调超表面具有举足轻重的地位。这主要是由于实际应用中缺乏THz技术。使用在微波和光子波段的器件，比如开关和调节器，并不能再THz范围内使用。一个主要的挑战在于找到在THz波段可调并有强的响应的天然材料。 众多的实例证明THz超材料具有这种优势。THz超材料有利于更高的调节能力、简单的工艺、低损耗和动态调控。第一个动态调控的实现是利用近红外激光通过调节超表面基板的电导率来调节谐振响应。模型由铜开口环谐振器和高阻抗砷化镓基板组成。激光照射之后，砷化镓带隙激发传导电子，使其具有类金属性质。这就使开口环谐振器的电容带隙发生短路，以此调节器基础谐振功能及改变超表面的宏观响应。这个观念可用短载流子寿命的半导体来展示，它可以实现极快的调节，开关功能可以在20ps实现。光控很快被电控所取代。这里，通过分子束外延生长出的适度参杂的砷化镓层，其上排布金开口环阵列而形成一个肖特基结。超材料阵列被欧姆接触环绕，以实现二次电连接。由于参杂的砷化镓不足引起谐振，在自然状态超表面没有谐振。施加偏压后，开口环在接近砷化镓带隙区域形成增大的耗尽区。这在开口环区域形成了一个绝缘的带，重置了谐振效应，因此改变其宏观特性。使用这种方法实现了调幅和相位调制，其中一个根据是Kramers-Kronig关系。尽管开口环谐振器应用存在窄带宽的缺陷，但宽带的调制是确实存在的。这是固态THz斩波器实现的起源，其可调制频率达到30kHz，通常THz束受限于1kHz。这实例形象的阐释了在室温下调制THz波的改进。 别的许多THz调节器也通过可调谐超材料实现了。这包括频率可调超表面，其中谐振频率可在近红外波段调谐。图16所示为开口环结构里植入了硅元。其自然状态下，硅是绝缘的，因此对于整个开口环结构来说其所增加的电容只有很小的数值。加入激励光，半导体显示器类金属性质，开口环电容增加，由此导致谐振频率降低。其中的创新点是，与以前的调谐不同，这种不需要损坏开口环。这既证明了可动力调谐谐振器，也使一种新的频率调谐结构成为了可能，这种结构可以使宽带THz入射波调制成1/2的频率窄带输出。 可调THz超表面仍在新应用以及新结构上发展。调幅也被用在更精细的应用上如空间光调制和量子激光调制。可调超材料也可以用另外的方法来得到，比如MEMS，其中开口环制作在悬臂上使开口环可以通过温度的改变来调节共振频率。别的温度调节方法也在研究。有一种是通过温度改变半导体载流子浓度，然后可以在THz范围来改变其电容率。制作在一个基板上的超表面可以作为一个温度调控功能的应用。其他的方法中，二氧化钒也可以作为其基板。随着温度的变化，二氧化钒由金属向绝缘体转变，特别是其电介质特性的变化，由此也引起宏观超材料共振的变化。有一种有趣的记忆超材料也由这种概念得以发展。这里，二氧化钒的磁滞特性使电介质特性温度可调成为现实。制作在这种基板上面的THz超表面可以得到持久的共振频率，可以制作成电磁响应记忆材料。 近来的研究，HTz超表面通过改变谐振器的环境可以实现动态调节，其实现是通过在超表面的表面镀电介质层。这种想法可以用来实现遥感技术，因为超表面谐振器镀电介质环境的改变非常敏感，特别是对于开口环带隙处来说。这种观念扩展到了微波频率，流体也使用在了可调表面、生物分子感测和微波辅助化学方面。这将会在后面详细的谈到。可见光超表面 提到这部分，我们仅仅谈论到超表面在射频、微波和THz的应用。很少有应用在可见光波段的超表面。在最近几年，相对于射频和微波频率，可见光波段的超材料研究具有更大的魅力。在可见光频率对材料实现自由的电磁控制使其可以解释新的现象包括optical magnetism，负折射和超透镜。在可见光频率，由金和银的纳米结构激发的等离子谐振器提供了同时控制超材料的电矩和磁矩的方法。这种结构包括等离子纳米结构、球粒、有缝金属薄膜、金属渔网结构和双层或者单层开口环谐振器。由于其在可见光频率的所具有的高吸收特性和等离子材料，可见光超材料与实际应用紧密的连接在一起。同样的，克服等离子体损耗也被列上日程。这种结构在新的特性和器件方面展示出很强的活力，如可见光调制频率选择表面和受激辐射所产生表面等离子体的应用。另一可见光超材料、表面的研究是纳米传输线。 受限于制作规模，可见光超材料常常会单层二维散射体阵列，也就是超表面。很多发表出来的关于可见光超材料的东西也就是期望的可见光超表面。如上述，应用体超材料须谨慎，广义等效面条件为可大范围的应用在可见光方面的二维散射体阵列提供了独特的描述。由此，这也是一种描述超表面的更为合适的方法，而不是使用那些适合描述体材料的方法。 尽管大部分所谓的可见光超材料就是超表面，我们也要提及最近的实现真正3D可见光超材料的研究，其中体特性如介电常数、磁导率和折射率可以合适的并且唯一的确定。创新的制作技术如压条发及堆垛法可以实现散射体的空间阵列。例如，有负折射率材料所制成的棱镜已经实现了光的负折射现象。用于可调表面、辅助化学及生物分子传感器的微流体 超材料和超表面有一个缺陷，就是在期望的频率范围可使用的频带很窄。然而，这种缺陷在某种应用上也可以变成优势。有三种这样的应用如流体调谐表面、微波辅助化学和生物分子传感器。 9.1 流体调谐表面 超材料和超表面的高共振特性为这种结构提供了可调谐频率响应。扰动超表面的电或磁响应可以实时的实施，由此可以改变材料的有效响应。在第2部分中提到可以通过改变磁偏场来改变球粒超表面的磁电介质的极化，在第7部分也提到了在THz频段的应用。然而，许多超材料和超表面电磁特性从属于其金属的几何结构。除了其几何尺寸以外，这种金属的极化率也受等离子谐振引起的电容或者感应特性的影响。电连接谐振器提供了一种直接控制电容响应的方法，通过电带隙中材料的电特性来实现。一种实现这种控制的方法是使用不同的液体来填充缝隙。 图17所示为一种电场耦合谐振器，所使用是流体调谐表面来使其运行在S波段（2.6GHz-3.9GHz），其尺寸如下：t=w=0.5mm, d=9.5mm, l=5mm, g=0.15mm.如果单元结构具有合适的导向，则这种单元结构很容易受入射波电场的激发。 制作在超表面上的单元结构具有以下诱人的特性：a 基于平面工艺，并由微波电路、聚乙烯和微流体管道组成，b 通过流体管道可以同时控制电容性缝隙，由此可以允许多种单元结构公用流体管道，c 可以使流体管道直接与单元结构的电容性缝隙接触，这就有利于缝隙中激发的电场与流体管道的耦合。 图18所示为一个3*6的方向阵列组成的流体调谐超表面。单元结构的周期是11mm。图19所示为通过72 x 34mm S波段的波导激励下的仿真响应。这个仿真是使用Ansoft HFSS实现的。 这种3x6阵列通过Duroid 6002 高频压制成0.017mm厚的铜板覆在0.508mm厚的基板上，可以用来研究流体调谐。流体管道由聚合物制成。聚合物管道通过氰基丙烯酸盐粘合剂粘贴在超表面上。图20a展示了一种有聚合物管道并穿过缝隙的超表面。图20b展示了由金、玻璃和聚乙烯管道构成的另一种结构。 这个超表面阵列由填充了2/3波导区域的聚苯乙烯泡沫支撑，被用作超表面的把手可以方便其移动，可以更快的填充流体管道。之后波导的输入和输出就连接到矢网分析仪上来校准。经过校准之后，我们测量了在波导2.6GHz到3.95GHz散射体的参数。这种方法对反射系数测得的不确定度是|S11|0.02。 管道中有没有流体的测量可以用来定义传输共振。有着相对介电常数为81的去离子水被用来测超材料调节频率的能力，在S波段其具有易操作、低挥发、高介电常数和低损耗。流体管道使用注射器填充。图21是实验中波导下的超表面。 图22为其实验结果。结果证明其在150MHz的调谐能力。具有代表性的是，在有和没有流体填充时其反射发生了明显的滑移，从3.75GHz到3.6GHz。对于图19的仿真结果与图中没有填充水时结果的不一致估计来源于工艺错误。另外，附加的噪声扰动也来源于工艺的不均性及周期误差，还有来源于管道与超表面粘结出产生的干扰。将来，工艺方面的进展将会减小这种误差。 此外，除了这种流体调谐作用，通过改变管道中流体而改变共振特性也是一种新的方法。这种方法以及应用在了制造业、工业、医药和化学工程。超材料或超表面在感测和影响的应用将会在后面做更细的论述。 9.2 微波辅助化学 处在谐振状态的超薄膜可以在单元结构里存储电磁能。这种特性可以用来增加电磁场与流体管道中流体之间的相互作用。现在有很多研究将微波能量来催化化学或者生物反应，其中有许多是得益于超薄膜来增加电磁场与流体的相互作用。这里所说的超薄膜方法对于反应来说非常重要，这种方法是通过控制反应物的流动来控制其化学反应，流体中的能量可以通过调节电磁波的频率和能量来控制。由于超薄膜阵列的谐振频率可以通过单元结构的形状和排列来调控，有不同谐振频率的不同超薄膜可以通过单一波导的不同频率来产生激励。上面所说的超表面结构可以证明流体调谐性，也被研究用于集中波导的电磁场。 S频段波导产生激励时在波导中对电磁场强度做了仿真。每输入1W3.29GHz波源，其中所计算的最大场强是800V/m。将超表面放入同一个波导中心，最大场强达到125000.这就加强场强至少有两个量级，对于吸收增强了至少四个量级。图23展示了处于单元结构中心的电场结构。 图23所示电场结构证明了超材料结构在精确传输电磁能量方面的能力。上面所说的流体调谐超材料明确的证明了流体管道与组成超表面单元结构缝隙的相互作用。由此可以想象得到这种覆有流体网络的超表面通过流体管道可以用于精确传输微波场，这可以用于辅助化学反应。 9.3 生物传感器应用 上面所说的流体调谐超材料可以扩展到实现高的谐振频率以及小片结构的传感应用。单一单元结构可以实现一种环形或者网格超材料，这可以制作小巧传感器以用于医药应用，在液体中计算细胞数或者监测反应。图24就是这样的一种例子。两个开口环连接在一起成一种共面波导结构。单元结构缝隙处连接一个流体管道，用来调节对单元结构电容的影响。通过改变管道中液体的电磁特性，可以调谐共面波导结构的传输特性。 图25是这种结构的仿真结果，流体的相对介电常数从81变到58.当流体改变时，反射系数滑移几十个MHz。这种通过使用一种流体管道来影响谐振特性的能力使小巧传感器的实现成为了可能，这种传感器可以应用于生物传感比如计算细胞数或者流体的细节。未来或许会实现这种类型的传感，定义电容率的微小变化以及使用仪器计算微粒。同样，别的类型的小巧传感器也将会继续研究，这将对综合的传感器件发展有莫大好处。现行的研究主要在将这种概念应用在流体中测定和计算微粒，如白细胞数。 结论 超表面是3D超材料的另一种补充。由于二维超表面的特性可以使其占用更少的物理空间因此可以有更小的损耗。我们指出有效特性模型可以适合于三维超材料，同时对于超表面和超薄膜来说，有效表面电、磁极化率会有更合适的效果，其中这些表面电、磁特性与组成超表面的散射体密切相关。在这篇文章中我们讨论了从微波到可见光波段超表面的不同应用。所谈及的应用只是现实的小小的小部分。同时提出了一些超材料可以使用的新的方面，并为超表面在新领域的应用打开了希望的大门。这里提及的分析工具使我们可以在新的应用中对建模、分析和生产有了可用之法。 那么什么是一维超材料呢？二维超表面的概念可以延伸到一维，仅仅使用线性单元而不是方形或者其他形状，也就是说仅仅使用一种单一的亚波长谐振结构来实现期望的效果。实际上，这种概念已经有了一些新的应用。具有代表性的应用是一种使用单元结构设计的电力小巧天线。在这个天线应用中，单元结构充当天线的辐射元件的一个寄生元件，可以用来将电力小巧辐射单元与传输线和自由空间。纳米微粒同样用于所谓的调谐可见光纳米天线。另一个例子是将一维单元结构用作平面传输线的调谐结构，就像图24所示的传感器一样。另一种新兴的应用领域是将一种一维纳米微粒链用作波导来支持表面波。 然而更多的工作需要继续来加强对超材料和超表面的理解、分析、设计以及制作技术，我们看到近些年超材料和超表面的发展带我们走近了一百多年前Lamb,Schuster,Pocklington所作出的预言。这些材料发展永远的改变了射频、微波、可见光和光子在未来的应用。第四篇：数据库课程设计
第五篇：论文翻译——超表面理论及应用
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