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近日，南方科技大学材料科学与工程系讲席教授汪宏团队在微波介质材料领域取得研究进展，相关成果以“Graded Dielectric Metamaterial with Designable Permittivity Fabricated by 3D Printing”为题发表在国际期刊Advanced Functional Materials上。

在电介质领域中，介电常数无疑是最为重要的物理量之一，它表示了材料在电场作用下存储和传导电荷的能力，在许多电子器件中都发挥着重要作用。随着5骋、毫米波通信及雷达技术的快速发展，对材料介电常数的精确控制需求愈发迫切。传统材料介电常数多依赖于化学成分和晶体结构，难以灵活调控。该研究团队创新设计具有周期性孔洞结构的超材料单元（如华夫格和蜂窝结构），结合有效介质理论建立了介电常数与结构几何参数之间的数学模型，实现了对材料介电常数的预测与精准调控。采用直写式3顿打印技术制备的多种介电常数样品，其实测值与预测值高度吻合，验证了模型的准确性和通用性。

图1.超材料结构模型及介电常数仿真与计算结果对比

图2.超材料制备与介电常数测试

在应用层面，研究团队设计制造了一款基于梯度介电常数的介质谐振天线，成功实现覆盖整个X波段（8–12 GHz）的超宽带宽和高增益（14.7 dB）。研究表明，梯度介电常数不仅改善了天线的阻抗匹配，还提高了辐射效率和频率稳定性，为高性能天线、射频器件和频率选择性器件的设计提供了新思路。

图3.基于可设计介电常数的介质谐振天线

南方科技大学材料科学与工程系博士生李小雨为论文第一作者，西安交通大学博士生马登昊为论文共同第一作者，汪宏为论文通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。该研究得到国家自然科学基金、深圳市科技计划及广东省基础与应用基础研究基金的支持。