基于超常媒质的新型隐身技术研究

论文摘要

近几年,超常媒质(metamaterial)伴随着其分支——左手介质的迅猛发展而不断受到固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域内的广泛青睐。所谓超常媒质,是指具有天然媒质所不具备的超常物理性质的一类人工复合媒质或结构的总称,其物理性质是由结构而不是材料特性决定的。尤其值得注意的是,最近两年,基于超常媒质的新型隐身技术在国际上引起巨大轰动,它突破了传统基于外形隐身和吸波材料隐身的局限,理论上使物体能够在任何方向都不可见,从而实现“完美”隐身。但毕竟只是理论预测,作为一门新兴前沿科学,其在很多方面还很不完善,仍然处于一种摸索前进状态,还有很多的基本理论、实践问题亟待解决。基于上述原因,作者将“以基于变换媒质理论的隐身罩设计为基础,综合散射场缩减理论和阻抗匹配理论的分析方法,结合数值仿真验证,进行新型超常媒质隐身罩理论模型的设计、优化以及隐身机理研究”作为研究思路撰写本论文,从而综合发展基于超常媒质隐身技术的基本理论和研究方法,为其实用化奠定坚实的基础。首先,本文研究了基于坐标变换的变换媒质理论,采用几何映射方法定义坐标变换,从数值算法中的理想匹配层(PML)材料的媒质变换方程出发,推导了三种正交坐标系下非均匀各向异性超常媒质完美隐身罩的媒质变换方程。以无限长圆柱隐身罩设计为例,采用理论推导和数值仿真验证相结合的方法进行了深入探讨。其次,采用Alu提出的散射场缩减理论深入探讨了超常媒质的隐身机理。文中通过Mie级数展开方法推导了电小球体覆盖超常媒质罩的散射场表达式,精确计算出该超常媒质罩实现隐身的条件,并进行了数值仿真验证。本文进一步推导了球体完美隐身罩的散射场表达式,严格证明其散射场在所有方向均为零。考虑超常媒质损耗,得出散射体后向散射仍然为零的重要结论。最后,本文利用阻抗匹配理论,讨论了均匀媒质的后向散射缩减问题,得出了该理论不受散射体形状的限制的推论,进而分析了在满足阻抗匹配特性、具有阻止能量进入媒质罩内部条件下的隐身罩模型的性能。在此基础上,变换媒质理论设计的圆柱完美隐身罩简化模型进行优化设计,结果表明,相比于简化模型,优化模型具有更为优良的隐身性能,而相比于完美隐身模型,其更有利于结合现实超常媒质结构进行实际隐身罩构造。本文的研究成果综合发展了基于超常媒质隐身技术的各种理论、隐身罩设计方法和分析方法,在更为深刻的向人们展示了其电磁激发机理和隐身机理的同时,为设计性能更为优良,开展更为先进的研究分析方法,以及为该新型隐身技术走向实用化打下了坚实的基础,对超常媒质及其隐身技术相关研究的发展具有重要的指导意义和实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 隐身技术发展概述
• 1.1.2 超常媒质概述
• 1.2 超常媒质隐身技术国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状分析
• 1.2.2 国内研究现状分析
• 1.3 本文研究的目的、内容和意义
• 第2章 超常媒质完美隐身特性的变换媒质理论
• 2.1 引言
• 2.2 变换媒质理论基础
• 2.2.1 麦克斯韦—闵可夫斯基方程与张量
• 2.2.2 几何映射与媒质变换
• 2.3 三种正交坐标系下的媒质变换
• 2.4 圆柱完美隐身罩模型研究与分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 超常媒质隐身机理的散射场缩减理论分析
• 3.1 引言
• 3.2 散射场缩减理论
• 3.3 小球均匀超常媒质隐身罩散射特性分析
• 3.3.1 解析方法
• 3.3.2 数值仿真验证
• 3.4 球体完美隐身罩散射特性解析分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 新型超常媒质隐身罩的设计与优化
• 4.1 引言
• 4.2 均匀媒质空间阻抗匹配特性研究
• 4.3 圆柱完美隐身罩简化模型设计与优化
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢