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基于转换光学的新型电磁器件的理论研究

韩天成  
【摘要】:伴随着人工电磁材料的蓬勃发展,人们致力于设计各种各样功能新颖的电磁器件,转换光学为此提供了有效的理论指导,其中最著名的是隐身器件,它能引导电磁波绕过隐藏目标,仿佛电磁波在自由空间中传播一样。不过,与功能的新颖相伴随的是材料的复杂,因此提出新型隐身器件以及简化电磁参数一直是该领域颇具挑战性的研究课题。 本文基于转换光学提出了几种新型隐身器件,并提出了新型电磁器件-自适应波导弯曲接头和光学电梯,取得了一些有益的结论和成果,主要研究工作和创新点如下: 1、提出了两种新型的开放式隐身器件。基于压缩变换设计的分布式隐身器件,由若干个独立的子系统构成,子系统的电磁参数与隐藏目标无关,相邻的子系统之间留有通信窗口。基于不连续边界函数设计的开放-封闭式隐身,可以实现全开放、半开放和全封闭等不同功能的隐身器件,而且通信窗口尺寸具有极大的可调性。开放式隐身器件解决了传统隐身器件完全封闭的问题。 2、提出了几种具有简单电磁参数的隐身器件。首先,基于最新的线性变换理论,设计了对地面目标进行隐身的平板隐形地毯,具有均匀的电磁参数,可以用自然界的单轴晶体材料来实现;其次,提出了两步坐标变换法,设计了二维多边形隐身器件,具有均匀非奇异的电磁参数;最后,利用线性变换理论提出了菱形和三角形补偿介质隐身器件,拥有电磁参数均匀的优势。 3、提出了增益补偿隐身器件。根据复变换理论,假设隐身器件的介电常数和磁导率是复数,即考虑了实际损耗和增益补偿,再结合隐式变换理论,推导出增益补偿隐身器件的复数电磁参数,就得到了损耗和增益的关系,从而可以指导我们当隐身器件有损耗时如何进行增益补偿才能实现完美隐身,为解决实际工程问题提供了理论依据。 4、提出了新型电磁器件-自适应波导弯曲接头。基于线性变换理论,对连接两个尺寸不同波导的任意弯曲接头进行了严格的理论分析,该接头具有均匀各向异性的介电常数,利用等效介质理论,只需要两种均匀介质材料的交替排列就可以实现所需的任意弯曲控制的自适应波导弯曲接头,极大地简化了设计方法,为工程应用奠定了重要理论基础。 5、提出了新型电磁器件光学电梯并进行了实验验证。光学电梯能够将位于它下方的底板虚拟的抬高,仿佛光线是从一个更高的底板反射过来的,底板被抬高的高度是固定不变的,不会随着入射光线角度的不同而改变。本文利用单轴晶体材料方解石实现了光学电梯,实验结果与理论设计吻合的非常好。


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