新型人工电磁材料器件设计与实验研究

论文摘要

新型人工电磁材料是将具有特定几何形状的亚波长宏观基本单元结构周期或准周期排列,构成的具有新颖电磁特性的人工复合材料。本文从新型人工电磁材料的新颖电磁特性出发,探索了它在透明隐形衣、天线、透镜和隐身等领域的潜在应用,并进行了相关的实验验证。本文主要内容如下：利用变换光学理论,设计了二维柱形电磁透明隐形衣,基于传输线基本单元模型,建立了透明隐形衣的等效电路模型,进行了仿真验证。利用准保角变换理论,采用“工字型”单元结构,设计和实现了一种具有抛物面天线特性的平板聚焦天线。通过数值仿真和实验验证了它的电气性能,讨论了在实际天线中可能的应用。利用保角变换理论,提出了一种各向同性材料实现的多波束天线设计,并分析了天线的性能特征。设计了一种方形鱼眼透镜,进行了仿真验证和实现途径讨论。以几何光学理论为基础,基于打孔人工电磁材料,设计和实现了三类梯度折射率微波器件,偏折透镜、聚焦透镜和45度波导弯角,并对其性能进行了数值仿真和实验验证。依据几何光学与静电场的类比原理,设计了一种定向电磁隐身衣,进行了数值验证。采用“工字型”单元,设计和实现了一款半鱼眼透镜天线。利用二维电场扫描设备,对加工样品进行了实验测量,讨论了它的三维扩展版本在实际天线系统中的应用。研究表明,新型人工电磁材料,结合几何光学和变换光学理论,是一种设计新颖电磁器件的有效手段。通过对具有可控电磁特性的新型人工电磁材料的深入研究,将会进一步丰富电磁波调控理论的深度和广度。而对于宽带、低损耗的人工电磁材料基本单元的深入研究,将会加快新颖电磁器件迈向实际应用的脚步。随着新型人工电磁材料交叉研究的发展,其必将为科学与工程应用领域提供潜在的发展机遇。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 第二章 新型人工电磁材料器件设计的基本理论
• 2.1 变换光学基本理论
• 2.1.1 通用变换光学
• 2.1.2 准保角变换
• 2.1.3 保角变换
• 2.2 几何光学基本理论
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于变换光学理论的透明隐形衣设计
• 3.1 透明隐形衣理论分析和仿真结果
• 3.2 透明隐形衣的传输线等效电路设计与仿真结果
• 3.2.1 传输线基本单元介绍
• 3.2.2 透明隐形衣传输线等效电路模型仿真结果
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于准保角变换的平板天线设计与实验
• 4.1 平板天线的设计
• 4.2 平板天线的实验
• 4.2.1 “工字型”基本单元设计与分析
• 4.2.2 平板天线的实物设计与测量
• 4.3 本章小结
• 第五章 基于保角变换的多波束天线及方形鱼眼透镜设计
• 5.1 多波束天线的设计与仿真结果
• 5.1.1 多波束天线的设计
• 5.1.2 多波束天线的仿真结果
• 5.2 方形鱼眼透镜的设计与仿真结果
• 5.2.1 方形鱼眼透镜的设计
• 5.2.2 方形鱼眼透镜的仿真结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 基于几何光学理论的梯度折射率器件设计与实验
• 6.1 梯度折射率器件设计
• 6.2 微波段梯度折射率器件的实现与测量
• 6.2.1 介质打孔基本单元设计与分析
• 6.2.2 微波段器件的实物设计与测量
• 6.3 定向隐身斗篷的设计与仿真结果
• 6.3.1 定向隐形衣的设计
• 6.3.2 定向隐形衣的仿真和性能分析
• 6.4 半鱼眼透镜天线的设计与实验测量
• 6.4.1 鱼眼透镜介绍
• 6.4.2 半鱼眼透镜天线的实物设计与测量
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 7.1 主要结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 致谢