简化参数超材料电磁器件研究与设计

论文摘要

基于Maxwell方程组的形式不变性,利用坐标变换理论设计超材料电磁器件以实现对电磁波的任意控制是近几年来研究的热点。根据这一理论,许多具有新颖功能的电磁器件被纷纷提出。然而通常沿径向变换设计出来的电磁器件其材料参数往往是各向异性非均匀的,甚至是奇异的,其实际制备很难。因此,简化参数的设计研究具有十分重要的意义。本文通过沿正交方向进行线性坐标变换,设计了多种具有非奇异均匀材料参数的电磁器件,包括三维地毯斗篷,三维波聚焦器,二维和三维电磁透明体。导出了其相应介电常数和磁导率的表达式,并利用COMSOL软件对材料参数的有效性及电磁器件的性能进行了全波仿真验证。线性坐标变换避免了材料参数的奇异性,而沿正交方向的均匀压缩或扩展使得材料参数是均匀的。本文的研究扩展了坐标变换方法的应用,并将促进超材料电磁器件的实际实现。论文的主要内容包括以下四个部分：第一部分,详细介绍了二维径向变换任意形状隐身斗篷,波聚焦器,电磁透明体的设计思想,并对其相应电磁特性进行了仿真分析。第二部分,详细分析了二维和三维简化参数隐身斗篷的隐身特性,并设计了具有非奇异均匀材料参数的三维地毯斗篷。第三部分,深入研究了二维简化参数波聚焦器的材料参数分布,聚焦特性及其聚焦原因。提出了三维非奇异均匀材料参数波聚焦器的设计策略,研究了不同压缩比对其聚焦效果的影响,并探讨了其宽频特性及在太阳能电池方面的应用。第四部分,提出并设计了具有均匀非奇异材料参数的二维和三维电磁透明体,导出了其相应材料参数方程,并探讨了其透明特性,宽频特性及在天线保护中的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 超材料的发展及其现状
• 1.2 电磁坐标变换的研究背景
• 1.3 本文工作
• 1.3.1 研究意义
• 1.3.2 本文的结构安排
• 第二章 变换电磁学及其应用
• 2.1 电磁坐标变换理论
• 2.1.1 广义坐标变换
• 2.1.2 笛卡尔直角坐标变换
• 2.2 变换电磁学的应用
• 2.2.1 隐身斗篷
• 2.2.2 波聚焦器
• 2.2.3 电磁透明体及其它应用
• 第三章 复杂参数电磁器件设计及其特性分析
• 3.1 径向变换隐身斗篷
• 3.1.1 圆柱形/球形隐身斗篷
• 3.1.2 任意形状隐身斗篷
• 3.2 径向变换波聚焦器
• 3.3 径向变换电磁透明体
• 第四章 简化参数电磁器件设计及其特性分析
• 4.1 简化参数斗篷
• 4.1.1 二维简化参数隐身斗篷
• 4.1.2 三维简化参数隐身斗篷和地毯斗篷
• 4.2 简化参数波聚焦器
• 4.2.1 二维简化参数波聚焦器
• 4.2.2 三维简化参数波聚焦器
• 4.3 简化参数电磁透明体
• 4.3.1 二维简化参数电磁透明体
• 4.3.2 三维简化参数电磁透明体
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的科研和学术成果
• 致谢