基于坐標變換方法,根據(jù)對電磁透明體性能的要求,建立了原空間和變換空間的坐標變換關系,使用解析方法導出了透明體介電常數(shù)和磁導率的表達式,仿真了其性能;基于逆數(shù)值方法,在不需要知道坐標變換的前提下,設計了任意形狀的外斗篷、聚焦器、旋轉器等器件,豐富了超材料電磁器件的設計方法;建立了二維超材料平面電磁透鏡的LC網(wǎng)絡模型,編寫了相關核心程序,并通過仿真進行了證實,為設計復雜形狀器件奠定了堅實的基礎。
超材料(Metamaterials)是最近出現(xiàn)的一個新的學術詞匯,它是一種介電常數(shù)、磁導率可為正、零、負、無窮小或者無窮大的人工材料,它包括左手材料、零電材料、零磁材料以及其它極端電磁參數(shù)材料。它具有許多奇異的電磁特性,例如,負折射、完美透鏡、逆多普勒效應等。超材料是國內(nèi)外電磁學、材料科學、物理學研究的一個重要方向和熱點,如左手材料的發(fā)現(xiàn)被《Science》雜志評為十大科學進展(2003年),基于左手材料思想設計的梯度超介質實現(xiàn)電磁波隱形被《Science》雜志評為年度十大科技突破之一(2006年),著名的雜志《Materials Today》將超材料與半導體一起列為過去50年材料科學研究的十大進展(2008年),《Science》雜志將超材料列為過去十年的十大科技突破之一(2010年)。超材料是電磁學理論發(fā)展史上的重要事件,為經(jīng)典電磁學理論開辟了嶄新的研究空間,其重大的科學意義及巨大的應用前景對未來通信、雷達、國防、微電子、醫(yī)學成像等科技和社會發(fā)展將產(chǎn)生極為重要的影響。
在超材料理論和實驗研究中,設計超材料電磁器件是一個重要的研究方向,目前設計方法主要有三類:
(1) 解析方法
解析方法最早是由Pendry和Smith等人提出的,他們首次用這種方法設計了電磁斗篷,自此之后,關于電磁斗篷的研究成果如雨后春筍般地出現(xiàn),各種不同形狀的電磁斗篷紛紛問世。同時,除電磁斗篷外,基于坐標變換的其它新型電磁器件相繼被提出,例如,透明體、聚焦器、超散射體、超吸收體和外斗篷等。最近,我們設計了任意形狀的電磁透明體,詳細研究了其電磁性能,并探討了其在天線保護中的應用。
用解析法設計電磁器件,必須根據(jù)原空間和變換空間的坐標轉換關系求出雅克比矩陣,并根據(jù)Maxwell方程組的形式不變性原理導出材料介電常數(shù)和磁導率的表達式。實踐證明,這種方法具有很大的局限性,只有在已知原空間和變換空間坐標轉換關系的前提條件下才能進行求解,并且對于模型邊界不能用一個連續(xù)函數(shù)來表示的復雜電磁器件,則難以獲得其材料參數(shù)的解析表達式。因此,探討新的電磁器件設計方法具有重要的意義。
(2) 逆數(shù)值方法
2009年,胡進等人提出了通過求解拉普拉斯方程來設計電磁器件的逆數(shù)值方法,并基于此方法設計了電磁斗篷。最近,我們擴展了該方法,用逆數(shù)值方法設計了任意形狀的外斗篷、聚焦器、旋轉器等多種電磁器件,詳細研究了它們的電磁性能,同時探討了它們的應用前景。
與解析方法比較,采用逆數(shù)值變換法,不需要提前知道原空間和變換空間坐標轉換關系,即可借助于偏微分方程的求解獲得超材料電磁器件的介電常數(shù)和磁導率分布,極大簡化了設計過程。
(3) 傳輸線法
2002年,Eleftheriades等人采用傳輸線實現(xiàn)了左手材料,此后,傳輸線法被大量使用,例如,Iyer等基于傳輸線結構研究了電磁聚焦現(xiàn)象,Itoh等提出另一類傳輸線實現(xiàn)左手材料的方法。最近,我們建立了二維超材料平面電磁透鏡的LC網(wǎng)絡模型,編寫了相關核心程序,與現(xiàn)有基于ADS軟件的設計方法比較,該計算方法具有速度快、擴展性強等優(yōu)點。
作品的主要工作如下:
(1) 基于變換光學的方法,導出了任意形狀電磁透明體原空間和變換空間的介電常數(shù)和磁導率的表達式,并利用COMSOL軟件作了全波仿真,證實了所設計電磁器件的性能。
(2) 基于拉普拉斯方程采用逆數(shù)值方法設計了任意形狀的外斗篷、聚焦器、旋轉器、移相器、超散射、超吸收等電磁器件,證實了該設計方法的有效性和通用性。
(3) 基于傳輸線理論,建立了二維超材料平面電磁透鏡的LC網(wǎng)絡模型,編寫了程序,進行了仿真,實驗工作正在進行。
我們相信本論文有助于超材料電磁器件的設計,并促進超材料理論和技術的推廣應用。
第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 二等獎
本作品在2011年**大學學生課外學術科技作品競賽中獲得特等獎。本作品的部分研究內(nèi)容已整理成英文論文,共3篇論文,發(fā)表情況如下:
1、在國際會議3rd International Conference on Computer and Network Technology—ICSDDP(EI刊源會議論文)上發(fā)表,項目成員為第一作者。
2、被2011海峽兩岸四地無線電技術研討會(EI刊源會議論文)收錄,項目成員為第一作者。
3、在Applied Physics A(SCI刊源期刊論文)上發(fā)表,項目成員為第四作者。