双负介质的电磁特性研究

论文摘要

本论文用时域有限差分（FDTD:Finite-Difference Time-Domain）方法和CST软件对电磁波在双负介质中的传播和散射特性进行了研究,探讨其在隐身方面的应用。并对双负介质结构单元作了详细的分析,提出了两种新的双负介质结构单元。首先,应用FDTD法对双负介质单元进行模拟。给出了在用FDTD模拟时调制高斯脉冲参数（脉冲宽度、中心频率等）的最优选取范围,以保证电磁波在波导中高保真传输;针对双负介质单元模拟的特殊性对总场-散射场的加源方式进行了设置,该设计节约了计算时间,减少了计算内存,提高了计算效率;对波导中谐振环的电谐振和磁谐振的反应机制进行了详细的模拟分析。其次,从电磁波理论出发,详细推导了介质电磁参数提取的NRW方法的反演公式,利用Taylor公式实现了相位的自动调节。针对双负介质与普通介质的不同,对NRW方法进行了修正,推导出了波导中双负介质的电磁参数反演公式。根据镜像原理,理论分析了三种截断边界对周期化的影响。并利用CST软件对处在不同边界下的开口谐振环（SRR）进行了仿真,结果表明同一单元结构经不同的边界周期化后,其谐振频率、谐振宽度和谐振峰值是不一样的,与理论相符合。提出了两种新型双负介质单元:一种为磁谐振频率可调的可调谐振环;另一种是集电、磁谐振于一体的双开口谐振环。利用CST软件研究了影响可调谐振环的磁谐振频率的各因素,并将其与金属杆组合成双负介质,实现了左手峰的可控性;用FDTD法和CST软件对双开口谐振环进行了详细模拟对比,对其反应机理进行了分析。最后,实现了应用网络并行平台MPI的ADE-FDTD并行计算,克服了电大尺寸目标的计算受限于单个微机内存容量和计算时间过长的问题。分析了覆盖双负介质电大尺寸目标的散射特性。数值结果表明,双负介质减小目标后向散射,同时增大了目标的前向散射。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状与进展
• 1.3 双负介质简介
• 1.3.1 实现双负介质的基本结构
• 1.3.2 电磁波在双负介质中的传播特性
• 1.4 论文的研究内容及主要贡献
• 第二章 双负介质单元 SRR 的 FDTD 法模拟与分析
• 2.1 FDTD 基本点
• 2.1.1 总场-散射场方法的基本理论
• 2.1.2 完全匹配单轴介质（UPML）的基本理论
• 2.1.3 UPML 的FDTD 迭代公式
• 2.2 FDTD 法在波导中的应用
• 2.2.1 UPML 在波导中的退化
• 2.2.2 波导中总场-散射场方法的实现
• 2.2.3 波导中总场-散射场设置的进一步简化
• 2.2.4 激励波形的选择及其参数的选取
• 2.2.5 电场的时移特性
• 2.3 模拟时域波形在波导中的传输和性能检测
• 2.3.1 波导的基本模型及网格划分
• 2.3.2 波导传输模型性能检测
• 2.4 数值模拟与分析
• 2.4.1 SRR 基本模型
• 2.4.2 SRR 垂直波导轴线情况的模拟及分析
• 2.4.3 SRR 平行波导轴线情况的模拟及分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 双负介质电磁参数反演
• 3.1 波导中常规介质参数反演的NRW 方法
• 3.1.1 反射透射系数的表达式
• 11、S₂₁确定Γ、Z 的公式'>3.1.2 由S₁₁、S₂₁确定Γ、Z 的公式
• rr、ε_r 的公式'>3.1.3 由Γ?、Z确定μ_rr、ε_r的公式
• 3.1.4 相位的确定
• 3.1.5 算例
• 3.2 波导中双负介质参数反演的修正NRW 方法
• 3.2.1 反演公式
• 3.2.2 算例
• 3.3 TEM 波情况介质参数反演的NRW 方法
• 10波的比较'>3.3.1 TEM 波和矩形波导中TE₁₀波的比较
• 3.3.2 TEM 波介质参数反演公式
• 3.3.3 PEC-PMC 波导实现平面波入射
• 3.4 三种截断边界对周期化的影响
• 3.4.1 三截断边界的理论分析
• 3.4.2 实例分析
• 3.4.3 间距对周期化的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 新型双负介质的模拟研究
• 4.1 谐振频率可调的方形开口谐振环
• 4.1.1 基本模型
• 4.1.2 SRRs 的模拟与分析
• 4.1.3 可调谐振环与金属杆组成的双负介质
• 4.2 双开口谐振环的研究
• 4.2.1 结构模型
• 4.2.2 FDTD 法与CST 的模拟对比
• 4.2.3 特性分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 覆盖双负介质的电大尺寸目标的电磁散射
• 5.1 双负介质的Drude 模型及FDTD 递推式
• 5.1.1 Drude 模型
• 5.1.2 ADE-FDTD 方法及其递推式
• 5.1.3 Drude 模型双负介质的电磁特性FDTD 分析
• 5.2 电大目标尺寸的计算与分析
• 5.2.1 并行ADE-FDTD 计算的MPI 平台简介
• 5.2.2 并行程序验证
• 5.2.3 算例与分析
• 5.3 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在读期间的研究成果