二维圆柱形超散射体的电磁特性研究

摘要

超材料的快速发展使得我们可以自由设计物体的电磁参数。基于此，科学家们提出了“变换光学”，利用超材料来控制电磁波的传播。最近几年，变换光学已经发展成为一个全新的领域。众多研究者们以变换光学为理论基础，设计出了许多功用新颖的变换介质器件。它们可以实现一些只有在科幻小说中才会出现的功能。隐身衣是第一个被设计出的变换介质器件。与之相对比，研究者们设计了功用完全相反的另一种变换介质器件，利用这种器件可以使物体被电磁波探测到的散射截面放大数倍，将其命名为“超散射体”。
　　本文以变换光学为理论基础，较为全面地对二维圆柱形超散射体的电磁特性展开了相关研究工作。在详细介绍了变换光学基本理论后，首先设计了一个二维圆柱形超散射体的层状模型，并数值模拟其超散射效果。接着，研究分析了非理想电导体内边界的二维圆柱形超散射体，分别给出了重建介质填充在不同位置时的结构模型并进行仿真验证。另外，结合“隐身伞”的原理，研究向超散射体中添加相应“反物体”的情况。最后，讨论了旋转衣的坐标变换，并向超散射体的折叠变换中引入旋转坐标变换，研究这两种坐标变换的结合情况。
　　本文首次提出了用共心分层均匀各向同性材料来实现超散射体，为今后的实验研究打下良好基础；结合超散射体和隐身伞的原理，设计了一种全新的幻觉光学器件，将一个圆环形柱状物体变形为一个方柱形导体；首次将旋转坐标变换引入超散射体坐标变换中，实现了将内核中放置的物体同时放大、移位并旋转。

目录

二维圆柱形超散射体的电磁特性研究

INVESTIGATIONS ON THE ELECTROMAGNETICCHARACTERISTICS OF TWO-DIMENSIONALCYLINDRICAL SUPERSCATTERER

摘 要

Abstract

目 录

绪 论

1.1 课题背景

1.1.1 超材料的研究背景

1.1.2 变换光学的研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 超材料的研究现状

1.2.2 基于变换光学的超材料器件的研究现状

1.3 本文研究的主要内容

第2章 变换光学基本理论

2.1 笛卡尔坐标系中的坐标变换

2.2 正交坐标系中的坐标变换

2.3 变换光学的应用

2.4 本章小结

第3章 二维圆柱形超散射体层状模型

3.1 二维圆柱形超射体

3.1.1 材料参数的理论推导

3.1.2 数值模拟

3.2 二维圆柱形超散射体的分层

3.2.1 以多层均匀各向异性材料代替非均匀各向异性材料

3.2.2 以多层均匀各向同性材料代替均匀各向异性材料

3.3 层状模型的设计

3.4 本章小结

第4章 非理想电导体内边界的二维圆柱形超散射装置

4.1 重建介质的填充

4.1.1 内核填充重建介质

4.1.2 外加一层重建介质

4.2 结合隐身伞原理研究超散射装置

4.2.1 隐身伞的仿真

4.2.2 添加反物体后超散射装置的仿真

4.3 圆环形柱状物变形为方柱形导体的设计

4.3.1 几何结构及参数推导

4.3.2 数值模拟

4.4 本章小结

第5章 结合旋转衣研究超散射体

5.1 旋转衣

5.2 外加一层旋转衣的内核重建

5.2.1 几何结构及参数推导

5.2.2 数值模拟

5.3 外加层同时重建与旋转

5.3.1 几何结构及参数推导

5.3.2 数值模拟

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢