基于变换光学理论的新型电磁功能器件研究

发布时间：2017-04-11 06:15

  本文关键词：基于变换光学理论的新型电磁功能器件研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：基于麦克斯韦方程组在坐标变换下的形式不变性原理,变换光学理论给人们提供了一种调控电磁波的全新方法。根据所需的电磁波现象寻找适当的空间映射,在变换后的空间中,电磁器件的媒质参数可以通过坐标变换获得,最终在映射空间中即可得到预设的电磁波现象。变换光学理论在电磁器件设计上最早也是最重要的应用之一就是电磁隐身斗篷,自基于变换光学的完美隐身斗篷被设计出来之后,变换光学理论逐渐成为电磁领域的研究热点。随着理论的不断发展,各式各样的隐身斗篷相继被设计出来,同时以变换光学理论为基础的各种功能器件也应运而生。本文在上述研究背景下,对相关背景和研究发展现状进行简单介绍,并详细介绍了左手材料和变换光学理论,在此基础上探讨和研究了一些基于变换光学理论和互补媒质的新型电磁功能器件。论文的主要内容包括以下几个方面：1.设计一种可以实现内外信息交流的信息开放式电磁隐身斗篷,通过在传统的电磁隐身斗篷内部加入一层互补媒质,电磁波可以进入到斗篷的内部,打破传统电磁隐身斗篷对内部物体的信息屏蔽效应。全波仿真和Mie散射理论分析证明了信息开放式电磁隐身斗篷在使物体完美隐身的同时,也可以实现信号的传输。进一步拓展至任意形状的柱形电磁隐身斗篷,推导出边界共形和非共形情况下的信息开放式电磁隐身斗篷的媒质参数公式。2.推导出适用于任意形状的柱形外部隐身斗篷的媒质参数公式,提出使用与物体共形的“反物体”的方法,使多个零散放置的物体同时隐身,与传统的内部隐身斗篷相比,外部隐身斗篷的尺寸大大减小。在圆形外部隐身斗篷基础上提出参数更为简单的组合式外部隐身斗篷,和可以同时使内部物体和外部物体隐身的内外隐身斗篷。将二维任意形状外部隐身斗篷的参数公式拓展至三维,对球形外部隐身斗篷进行仿真和Mie散射理论分析,证明了斗篷的完美隐身效果。3.设计两种改变物体散射模式的电磁功能器件。第一个是散射控制器,根据变换光学理论推导出散射控制器的媒质参数,可以用该散射控制器放大或缩小理想导体的散射截面,或者模拟任意形状的理想导体的散射模式。第二个是幻觉隐身器,推导出适用于任意边界轮廓的幻觉隐身器的参数公式,幻觉隐身器可以将一个介质物体的散射模式变为另一个介质物体或金属物体的散射模式。进一步将四个三角形幻觉隐身器组合为一个方形幻觉隐身器,可以使内部物体实现任意部分的隐身,从而获得不同的散射模式。4.提出多功能电磁能量聚集器,推导出适用于共形的任意形状电磁能量聚集器的媒质参数公式。除了可以实现对电磁场和能量的压缩外,这种多功能电磁能量聚集器还具备其他功能,比如像外部隐身斗篷一样使外部的物体隐身、放大聚集器核心区域内物体的散射截面、实现幻觉效应等。和传统电磁波聚集器相比,多功能电磁能量聚集器具有更小的尺寸。以圆柱形电磁能量聚集器为例,对电磁能量聚集器内的电磁场量进行分析,从理论上证明了电磁能量聚集器对电磁场和能量的压缩作用。
【关键词】：变换光学 互补媒质 电磁隐身斗篷 外部隐身斗篷 电磁功能器件
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O441.4;TB39
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 符号对照表13-14
• 缩略语对照表14-18
• 第一章 绪论18-30
• 1.1 研究背景和意义18-22
• 1.1.1 人工电磁超材料18-20
• 1.1.2 基于变换光学理论的隐身技术20-22
• 1.2 国内外研究现状和进展22-27
• 1.3 本文工作内容27-30
• 第二章 左手材料和变换光学基本理论30-48
• 2.1 引言30
• 2.2 左手材料基本理论及特性30-36
• 2.2.1 左手材料的基本理论30-32
• 2.2.2 左手材料的特性32-36
• 2.3 变换光学理论36-40
• 2.3.1 笛卡尔坐标系下媒质参数张量36-37
• 2.3.2 交坐标系下的变换理论37-40
• 2.4 变换光学的应用40-46
• 2.4.1 极化分离器40-42
• 2.4.2 波束准直器42-45
• 2.4.3 波束偏转器45-46
• 2.5 本章小结46-48
• 第三章 任意形状的信息开放式电磁隐身斗篷48-68
• 3.1 引言48
• 3.2 信息开放式电磁隐身斗篷48-59
• 3.2.1 电磁反斗篷的设计方法48-50
• 3.2.2 信息开放式电磁隐身斗篷设计方法50-54
• 3.2.3 信息开放式电磁隐身斗篷的Mie场量分析54-59
• 3.3 任意形状信息开放式电磁隐身斗篷59-67
• 3.3.1 任意形状信息开放式电磁隐身斗篷的参数公式59-61
• 3.3.2 对共形信息开放式电磁隐身斗篷的仿真验证61-64
• 3.3.3 对非共形信息开放式电磁隐身斗篷的仿真验证64-67
• 3.4 本章小结67-68
• 第四章 任意形状的外部隐身斗篷68-98
• 4.1 引言68
• 4.2 二维任意形状的外部隐身斗篷68-80
• 4.2.1 二维任意形状外部隐身斗篷的参数公式68-74
• 4.2.2 “反物体”与物体共形时的隐身效果74-77
• 4.2.3 任意形状的外部隐身斗篷使多个物体隐身77-80
• 4.3 扩展外部隐身斗篷80-87
• 4.3.1 组合式外部隐身斗篷80-83
• 4.3.2 内外隐身斗篷83-87
• 4.4 三维任意形状的外部隐身斗篷87-97
• 4.4.1 三维任意形状外部隐身斗篷的参数公式87-89
• 4.4.2 三维球形外部隐身斗篷的Mie场量分析89-97
• 4.5 本章小结97-98
• 第五章 控制物体散射模式的电磁功能器件98-118
• 5.1 引言98
• 5.2 控制理想导体散射模式的散射控制器98-106
• 5.2.1 放大或减小圆形理想导体的散射截面98-102
• 5.2.2 模拟任意形状理想导体的散射截面102-106
• 5.3 控制介质物体散射模式的幻觉隐身器106-116
• 5.3.1 二维任意形状幻觉隐身器的参数公式106-107
• 5.3.2 半圆形幻觉隐身器107-110
• 5.3.3 三角形幻觉隐身器110-116
• 5.4 本章小结116-118
• 第六章 任意形状的多功能电磁能量聚集器118-134
• 6.1 引言118
• 6.2 任意形状多功能电磁能量聚集器的参数公式118-127
• 6.2.1 传统电磁波聚集器118-119
• 6.2.2 任意形状多功能电磁能量聚集器的设计119-125
• 6.2.3 电磁能量旋转聚集器125-127
• 6.3 电磁能量聚集器的能量分析127-133
• 6.4 本章小结133-134
• 第七章 结束语134-136
• 参考文献136-146
• 致谢146-148
• 作者简介148-149

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