基于人工电磁材料的多功能电磁装置及磁幻觉装置研究

发布时间：2020-10-18 16:29

　　 近年来,人工电磁材料(也称为超材料)成为科学界和工程领域研究的热点,基于人工电磁材料的电磁器件研究更是备受科研人员的关注,并取得了举世瞩目的科研成就。超材料是由人工复合结构或复合材料构成的特殊材料,其具有普通材料所不具备的超常物理性质。通过对材料的关键物理尺度进行把控,并在尺寸与结构上进行有序设计与排列,可以使材料的物理性质突破某些自然规律的限制,从而获得一系列一般材料所不具备的超常物理材料功能。正是由于人工电磁材料拥有一系列优秀的品质,基于这种人工电磁材料的新颖电磁器件的研究显得尤为重要。近些年学者们的研究发现,人工电磁材料在电磁器件设计上非常有效并且广泛应用于军事、科研等领域。本文正是在这一研究背景下,首先分析人工电磁材料的种类、实现机理以及目前科学界基于超材料所设计的电磁器件,并主要对一种人工电磁材料---介质打孔的基本原理和实现方式进行了详细叙述。其次主要针对所设计的双功能电磁器件、多功能透镜和磁性幻觉装置进行研究。在这项工作中基于变换光学原理,设计了一种双功能光学器件,这种器件既可作为常规的的金属直角反射器,经过组装又可作为隐形装置。利用变换光学中的保角变换原理设计了一款多功能电磁透镜,本文详细分析了多功能电磁透镜的设计原理、参数分布及其多功能性,并利用人工打孔单元材料设计了这款多功能电磁透镜(多功能:伦伯透镜、伊顿透镜、弯角波导)。另外通过理论推导和仿真验证设计了两款静态磁性幻觉装置,应用磁性材料并在特定边界条件下对拉普拉斯方程进行求解,实现对特定形状的特定物体的伪装,使物体在覆盖了一个套层之后被雷达误认成另外一种物体或被探测成一个放大的物体。这项工作中所设计的电磁器件在科研、军事、国防等领域存在潜在的应用价值。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH74
【部分图文】：

之前的大多数设计所应用的保护壳太厚重，给实际应用带来不便，因此人们一直都在努力探寻一种更轻便的替代材料来满足完美的设计需求。经过一番探索，一种更轻便的材料—超表面[15]逐渐被科学界所关注。超表面是一种由超材料单元构成的超薄二维表面，可以灵活地控制电磁波的角度、极化方式和传播模式。通过控制超表面的相位梯度或通过进行阻抗调谐可使其具有一系列引人入胜的电磁性质，并可用于各种电磁设备的设计[16-20]。在这方面，超表面为超薄地毯斗篷的设计提供了另一种更简单实用的方法，一种典型的设计便是 Alù的小组用超表面材料设计的地幔斗篷[21]。尽管各种超材料已在科学领域得到广泛的研究，但是工程上对超材料的控制依然不够灵活，因此科学家们开始思考如何更有效地对超材料的电磁性质进行控制。2014 年，编码超材料和可编程的概念被提出，运用数字编码原理控制电磁波的散射和辐射特性也开始得到关注[22]。在本质上，他们是可控的电磁超表面。一种典型的数字超表面单元如图 1-1 所示。正如我们前面提到的，超表面，作为一种新型的二维人工结构，是由亚波长阵列单元按照一定的规则排列构成的。

种特殊的渐变折射率材料——打孔料，作为一种特殊的人工电磁材料，可以通过一多种电磁材料混合在一起，并通过调节材料的参杂式是在介质板上进行打孔，打孔单元材料如图中，通过在硅板上打孔实现了空间的渐变折射率中，通过将二氧化硅中填充硅也得到了类似的结一系列基于渐变折射率材料的新型电磁器件，并关重要的作用。这种材料由非谐振打孔单元组成就可以很容易地实现。理论上这种材料的电磁参依赖于介质单元的尺寸、电磁参数、填充介质的小。从等效媒质理论出发，无论通过解析计算还S 参数反演，都可得到打孔单元的有效电磁参数。

针对介质板打孔这一情况，可采取“电容器模型”去解释，这一够使问题变得更加清晰。根据有效媒质理论，因为与孔径尺寸相比，工比孔径尺寸大得多，因此这一问题可近似视为准静态问题。那么两导电板总电容(假设垂直于电场方向)可以表示为 / /i iC S d S d，这里 S 是导面积， 是两导电板之间材料的有效相对介电常数， d 为两导电板之间的然而，如果我们把电容器看作为许多小电容器组成的并联电容器，如图，那么电容方程可以表示为iC C，进一步可以被表示为 / i i S d S 一来就能很容易证明有效材料参数的表示方式为i ie = ef，这里 /i if S 本构材料的填充率。通过调整其填充率（即调节孔径大小），有效材料的以灵活地被调整，这一点在实际应用过程中很容易实现。在一般情况下方法是用两种材料的混合来获取所需的有效电磁参数，目前我们看到的也都是用两种材料进行参数调整，其中将一种材料选为空气（即将基质行打孔，不进行填充）。基于此，很容易得到相对介电常数表达式为(1 )d f f，这里d 为基质材料的相对介电常数。经证明上述表达式同样适静态情况[44]。
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本文编号：2846538