基于坐标变换的互补隐身斗篷研究

发布时间：2020-08-08 01:36

【摘要】：控制电磁场理论一向是人们研究的热点问题之一。这种理论的基础是麦克斯韦方程组的形式不变性,即处于不同空间的麦克斯韦方程组具有相似的结构。而这种理论最为广泛的应用之一就是隐身斗篷,这种电磁器件能够引导电磁波平滑地穿过隐身斗篷,然后又恢复原来的轨迹,使得物体看起来就像是“不存在的”。但是对于设计之初的隐身斗篷,仅仅只能实现“隐身”,斗篷内部是封闭的空间,即电磁波是不能穿过斗篷进入内部的,斗篷内部也不能与斗篷外部实现信息交流。随着产生了各种类型的开放式斗篷,其中比较有影响力的就是利用互补媒介理论的外隐身斗篷。这种斗篷能够使得斗篷内部的物体与外界实现信息交流,但是必须在互补层中嵌入某种特定的“反物体”。并且考虑到实际制造的难易程度,本文章利用离散化的思想研究了多分层互补隐身斗篷,同时也针对不同形状物体,设计出能调节轴比的适用大部分形状物体的非共形互补斗篷。本文结合坐标变换理论和互补媒介概念提出两种不同隐身斗篷,其主要研究工作包括:1.本文首先简单介绍了控制电磁场理论和互补媒介理论,推导出材料的参数表达式,并且利用仿真软件验证了这些表达式的正确性,这些理论知识为下面的多分层互补隐身斗篷和非共形互补隐身斗篷研究打下良好的基础。2.其次基于离散化思想,考虑到实际制造的困难,本文把一片连续完整的空间划分成若干块小区域,保证在同一块小区域内的材料参数是相同的。本文推导出不同区域的参数表达式,基于有限元分析的仿真软件Comsol验证了上述公式的正确性。所设计斗篷的隐身特性可以从近场分布、远场RCS分布中得到说明,同时通信性能也通过放置物体的电场分布得到验证。最后从二维扩展到三维空间,给出了三维多分层互补斗篷的设计过程,并且与二维类似,仿真了不同分层斗篷的电场分布,验证了其通信效果,并且也给出了不同区域的本构参数分布,借助它可以有效分析制造这种斗篷的可能性。3.最后在多分层互补斗篷的基础上,本文设计出能够通过调整轴比来适应不同形状物体的非共形互补斗篷。根据椭圆的边界方程,求出各个区域的参数表达式的通用公式,并且基于仿真软件给出任意几何尺寸的近场、远场分布,结合本构参数分布,验证实现这种隐身斗篷的可能性。同时在斗篷内部放置不同形状的物体来验证斗篷的隐身和与通信性能。最后也是将二维延伸到三维层面,给出材料参数表达式,利用仿真验证隐身特性,进一步说明该设计在不同入射角度情况下,隐身性能并未受到很大影响。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441
【图文】：

本构参数,材料

门窗，装饰吊顶灯中；利用铁的置换化等。还有就是将几种金属经过混合熔化后冷凝制得到因为其高强度、耐腐蚀性和热电性，可以用来制造硬合金可以用来制造炼钢的脱氧剂。以上的物质不是纯混合，其物理、化学性质基本遵循自然界客观的规律些特殊的性质，为此一种新型的人工材料-超材料[1][2]一种自然界不存在且可以按照人为意愿改变材料参数多超越常规物质的特殊性质：负折射率、逆 Doppler 效应按照、（介电常数和磁导率）的参数取值可以分为 0)，也被称为双正材料；（Ⅱ）电负材料( 0, 0)； 0)，也被称为双负材料；（Ⅳ）磁负材料( 0, 0)；单负材料。超材料按照本构参数( , )来分可以分类，电磁波只能在双正材料区域和双负材料区域传播，为电磁波的快速衰减而不能传播。

三维图,光线跟踪,三维图,横截面

美国著名的期刊《Science》评为该年度最具突破的十大科技进步身斗篷的研究背景和发展人工超材料的诞生，使只存在于古代神话故事中的隐身技术成为，J. B. Pendry 以及 D. R. Smith[13]等人在《Science》上发表了一篇利法得到的控制电磁场的方法的文章。该文章设想出利用某种特殊以使得电磁场传播的方向可以按照人为设置的方向来进行，即电时产生“弯曲”，平滑地绕过物体继续沿着原路径传播，这种变换为图 1-2 所示。这一思想被称为“控制电磁场”理论，其实验也ing”，后来延伸为“斗篷”之意。以上的理论在当时一经发表已发，Duke 大学的 D. R. Smith[14]等人借助超材料的特性，设计出一个斗篷来近似等效理想斗篷的 SRR（Split-ring resonator）结构，并在微波频段内的散射特性，其实验结构图如图 1-3 所示。

平面波导,微波,实验装置

图 1-3 验证隐身斗篷的实验装置：（a）微波斗篷结构；（b）平面波导装置。虽然这种斗篷存在一定的散射，但是完美隐身斗篷验证实验的成功进行使得隐身斗篷的研究进入一个更深的层次。2009 年英国的 Leonhardt 等人利用非几何的变换方法研究出了一种宽频带隐身斗篷[15]。与此同时国内的崔铁军研组与美国的 D. R. Smith 等人合作，研究出一种兼具宽频带和低损耗的round-plane cloak”[16]。之后各种不同形状的隐身斗篷也是层出不穷[17]-[26]。Ma利用一种椭圆坐标系得到了椭圆棱柱形隐身斗篷[27]；而 Wu 等利用三角近似法获得一种任意正 N 边形棱柱隐身斗篷[28]。Ma 等根据近似等效的方法，将形状近似成多面体或者多边形，通过对每个多边形的进行平面、直线的变换任意形状隐身斗篷[29]。顾超等人根据坐标变换设计出任意多面体隐身罩[30]；olet 等人利用边界变换函数来研究不规则边界的隐身斗篷[31]；Zharova 等人研理想和非理想隐身斗篷[32]；Zhang 等研究了从三维斗篷中得到一种具有非奇的二维斗篷[33]；Hu 等人基于 Laplace 方程的斗篷内部变换函数得到一种任意隐身斗篷[34]；Li 等人设计出一种内外边界不共形的隐身斗篷[35]。Erig 等人用

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