基于光學(xué)變換的超常媒質(zhì)隱身技術(shù)及新型微波器件設(shè)計(jì)研究.pdf

1、作為一種新穎的電磁隱身技術(shù),近年來超常媒質(zhì)隱身的相關(guān)機(jī)理成為了國(guó)際電磁學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。而作為超常媒質(zhì)隱身技術(shù)的一個(gè)重要分支,基于光學(xué)變換(Optical Transformation)的超常媒質(zhì)隱身技術(shù)由于在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)零散射的完美隱身,因此更加成為了重點(diǎn)研究對(duì)象。通過建立虛擬空間與物理空間的幾何映射關(guān)系,基于光學(xué)變換的超常媒質(zhì)隱身罩能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁波傳播方向的人工調(diào)控,進(jìn)而使入射電磁波在隱身罩的內(nèi)部被平滑地彎曲、繞過內(nèi)部物體,從

2、而實(shí)現(xiàn)真正意義上的電磁波隱身。因此可以預(yù)見,將光學(xué)變換理論與超常媒質(zhì)應(yīng)用相結(jié)合,電磁波的人工調(diào)控必將在隱身技術(shù)、雷達(dá)系統(tǒng)及相應(yīng)的微波器件設(shè)計(jì)中發(fā)揮巨大的作用。
　　基于光學(xué)變換的超常媒質(zhì)隱身技術(shù)一經(jīng)提出,立即受到了世界范圍內(nèi)科學(xué)家的廣泛關(guān)注。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)該種隱身技術(shù)研究的發(fā)展十分迅速,但作為一種新興的基于電磁波調(diào)控機(jī)制的隱身技術(shù),基于光學(xué)變換的超常媒質(zhì)隱身技術(shù)在很多方面的研究并不十分完善,仍有很多基本理論、實(shí)踐問題亟待解決。其中突

3、出問題在于現(xiàn)有研究大多集中在二維規(guī)則幾何體上,而針對(duì)二維非對(duì)稱復(fù)雜幾何體及三維幾何體隱身罩的研究則鮮有報(bào)道,且針對(duì)損耗對(duì)隱身罩電磁特性的影響缺乏系統(tǒng)性的研究。基于此,作者遵循“以超常媒質(zhì)隱身罩電磁場(chǎng)的解析解為基礎(chǔ),采用光學(xué)變換方法分別求解二維復(fù)雜結(jié)構(gòu)及三維空間中超常媒質(zhì)隱身罩的本構(gòu)參數(shù),進(jìn)而探索實(shí)際損耗對(duì)其電磁特性的影響規(guī)律,同時(shí)將光學(xué)變換方法的理論應(yīng)用于新型微波器件設(shè)計(jì)實(shí)踐中”的研究思路撰寫了本論文,旨在為基于光學(xué)變換的超常媒質(zhì)隱身技

4、術(shù)及新型微波器件的設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。
　　首先,本文從解析角度對(duì)超常媒質(zhì)隱身罩覆蓋金屬/介質(zhì)圓柱體兩類經(jīng)典結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了研究。由于超常媒質(zhì)隱身罩的本構(gòu)參數(shù)張量在宏觀上表現(xiàn)為非均勻各向異性,其表現(xiàn)形式為二階張量,因此本文首先在圓柱坐標(biāo)系下推導(dǎo)出超常媒質(zhì)隱身罩中的波動(dòng)方程,通過求解獲得了超常媒質(zhì)隱身罩中電磁場(chǎng)解析解的通解表達(dá)式。在平面波和柱面波兩種典型入射波情況下,針對(duì)金屬和介質(zhì)兩種不同材料的圓柱體,分別代入邊界條件對(duì)未知展開系數(shù)進(jìn)行

5、求解,求得相應(yīng)的全空間中電磁場(chǎng)解析解完整表達(dá)式,從而通過解析方法嚴(yán)格證明了圓柱隱身罩的零散射特性。為驗(yàn)證解析解的正確性,將解析解計(jì)算得到的結(jié)果,與基于有限元算法(FEM)的電磁仿真軟件的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,二者結(jié)果完全一致。在此基礎(chǔ)上通過大量的仿真實(shí)驗(yàn),深刻揭示了損耗因素對(duì)超常媒質(zhì)圓柱隱身罩電磁特性的影響規(guī)律。
　　其次,本文首次提出了分塊光學(xué)變換方法,詳細(xì)論述了二維復(fù)雜結(jié)構(gòu)隱身罩參數(shù)設(shè)計(jì)問題,并嚴(yán)格推導(dǎo)出二維正 N邊形結(jié)構(gòu)超常

6、媒質(zhì)隱身罩本構(gòu)參數(shù)的通解表達(dá)式,利用電磁仿真軟件仿真實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過對(duì)問題復(fù)雜性的進(jìn)一步推廣研究,求解出二維任意多邊形超常媒質(zhì)隱身罩本構(gòu)參數(shù)的通解表達(dá)式。研究結(jié)果表明,光學(xué)變換方法不僅適用于規(guī)則及對(duì)稱結(jié)構(gòu)的二維隱身罩設(shè)計(jì),而且對(duì)于不規(guī)則、非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的二維隱身罩,以及帶有尖銳棱角的部分,光學(xué)變換方法同樣能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁波的有效人工調(diào)控。另外,本文針對(duì)圓柱隱身罩,提出了一種基于近似邊界條件的參數(shù)簡(jiǎn)化方法,并對(duì)不同近似階數(shù)下的隱身效果進(jìn)行了

7、研究。
　　第三,本文將超常媒質(zhì)隱身罩的研究擴(kuò)展到三維空間,針對(duì)任意軸比橢球和任意形狀棱錐兩種典型的三維結(jié)構(gòu)超常媒質(zhì)隱身罩進(jìn)行了研究。嚴(yán)格推導(dǎo)出這兩種三維隱身罩本構(gòu)參數(shù)的通解表達(dá)式,進(jìn)而利用電磁仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了二維及三維結(jié)構(gòu)上的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證實(shí)了推導(dǎo)得到的本構(gòu)參數(shù)張量通解的正確性,并給出損耗對(duì)于三維超常媒質(zhì)隱身罩電磁特性的影響規(guī)律。
　　第四,本文對(duì)內(nèi)外邊界非共形隱身罩進(jìn)行了研究。本文建立了極坐標(biāo)下非共形變換的普適模型,

8、采用解析方法嚴(yán)格推導(dǎo)出內(nèi)外邊界非共形隱身罩本構(gòu)參數(shù)的通解表達(dá)式,進(jìn)而選取兩個(gè)典型算例,對(duì)其進(jìn)行了電磁仿真實(shí)驗(yàn),得出損耗對(duì)于非共形隱身罩電磁特性的影響規(guī)律;最后,討論了幾種典型非共形變換下,內(nèi)外邊界函數(shù)的選擇對(duì)于非共形超常媒質(zhì)隱身罩本構(gòu)參數(shù)各分量值域的影響。
　　最后,本文將電磁波人工調(diào)控的概念應(yīng)用于新型微波器件設(shè)計(jì)中,基于光學(xué)變換方法設(shè)計(jì)得到三種新型微波器件。首先,針對(duì)不同截面口徑、不同位置波導(dǎo)間的電磁波傳輸,設(shè)計(jì)出一種波導(dǎo)變換連

9、接器,利用該連接器可以實(shí)現(xiàn)異形截面波導(dǎo)間電磁波的無反射傳輸,并基于等效媒質(zhì)理論對(duì)該連接器進(jìn)行實(shí)物加工及測(cè)試;其次,在綜合考慮損耗、參數(shù)擾動(dòng)等因素的基礎(chǔ)上,提出了一種簡(jiǎn)化參數(shù)的電磁聚能器,該聚能器能夠?qū)⒖臻g電磁能量集中在指定區(qū)域中,從而極大程度上增強(qiáng)局部區(qū)域電磁能量,且本構(gòu)參數(shù)張量較易實(shí)現(xiàn);第三,將隱身罩的概念一般化,設(shè)計(jì)出一種電磁變形罩,加載該變形罩的物體,在罩外空間中任意一點(diǎn)看來,其散射場(chǎng)可以與另外一個(gè)物體的散射場(chǎng)相同,得到了可應(yīng)用于

10、虛假目標(biāo)欺騙干擾的隱身罩結(jié)構(gòu)。
　　本文從普適角度,提出并研究了幾種典型的二維非對(duì)稱復(fù)雜結(jié)構(gòu)及三維結(jié)構(gòu)超常媒質(zhì)隱身罩,揭示了損耗對(duì)隱身罩電磁特性影響的一些規(guī)律性結(jié)論,同時(shí)完成了三種新型微波器件的設(shè)計(jì)和及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文研究結(jié)果在為超常媒質(zhì)隱身罩及新型微波器件的設(shè)計(jì)及改進(jìn)奠定理論基礎(chǔ)的同時(shí),也豐富了人們對(duì)電磁波人工調(diào)控機(jī)制的進(jìn)一步理解,推動(dòng)了基于光學(xué)變換的超常媒質(zhì)隱身技術(shù)及新型微波器件向?qū)嶋H通信系統(tǒng)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化,對(duì)超常媒質(zhì)相關(guān)研究的發(fā)展