多维异向介质的实现及其在隐身衣与天线等电磁器件中的应用

摘要

异向介质以其不同于传统材料的许多特殊电磁效应揭开了现代电磁学崭新的一页，成为近年来科学界的一个重要研究课题。本文以异向介质为研究背景，着重讨论了多维异向介质的设计，及其在隐身衣、天线等电磁器件中的应用。
　　 本文首先深入分析了传统二维异向介质构造方法的局限性并提出了相应的解决方案。我们指出，通过交叉嵌入的方法构成的二维异向介质，其两个垂直方向谐振单元之间的耦合干扰效应大大的减小，因此与传统的方法相比可以实现更宽的带宽及更低的损耗。本文不仅从理论上给出了详细的阐述，还通过实验对交叉嵌入结构和传统结构二维异向介质的性能进行了比较和论证。
　　 除了对多维异向介质结构设计的讨论之外，本文的另一个研究重点即为异向介质在各种电磁器件设计中的应用，其中最主要的是隐身衣和天线的设计。这些工作包括：
　　 提出了当隐身衣的背景介质为非均匀介质的情况下隐身衣的设计方法。着重讨论了当隐身衣的背景介质为分层或渐变介质的情况。这种通用的方法可以被推广来处理各种环境下隐身衣的设计问题。
　　 提出了基于分割法的任意形状隐身衣的设计方案。对于截面为任意不对称多边形的二维隐身衣，我们可以将其分割成多个三角形，然后对每个三角形进行独立的坐标变换来得到其参数。而通过无限逼近的方式，该方法可用来设计截面为任意形状的二维隐身衣，并且可以推广到任意形状三维隐身衣的设计。
　　 提出了利用二维异向介质实现完美参数隐身衣的方案。与目前世界上已经报导的所有隐身衣实验方案相比(这些实验都基于简化的参数)，基于完美参数设计的隐身衣可以满足内外边界与空气的较好匹配，能够在厚度很小的条件下明显的抑制散射，达到很好的隐身效果。我们提出了轴向分量为常数的二维完美隐身衣参数，该参数可以用二维异向介质实现，由此可以降低完美隐身衣的设计难度。
　　 利用坐标变换法设计方向性可控的高指向性天线。只要将辐射源放置于平板异向介质天线的不同位置，就可以得到向不同方向辐射的高指向性波束，因此该方法还可以实现空分复用。通过选取合适的异向介质参数，并将几个辐射源置于天线中的不同特定位置，就可以使它们同时向不同的方向辐射而互不影响。由于该天线的参数随空间而变化，可以用分层异向介质来实现。
　　 除了以上的几个主要应用之外，本文还包含了一些特殊异向介质导波器件的设计，以及异向介质宽带/多通带反向耦合器的实验验证等。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

第1章 绪论

1.1本文的研究背景

1.1.1异向介质的电磁学背景

1.1.2异向介质的研究历史及定义

1.1.3异向介质的设计与发展

1.1.4异向介质的应用

1.2本文的研究目的，意义，及主要内容

第2章 异向介质的主要研究方向

2.1异向介质的理论研究

2.1.1负Snell折射

2.1.2逆Doppler效应

2.1.3负Goos-H(a)nchen位移

2.1.4逆Cerenkov辐射

2.2异向介质的人工实现

2.2.1电谐振的实现——构造负介电常数

2.2.2磁谐振的实现——构造负磁导率

2.2.3等效介质原理

2.3异向介质的应用

2.3.1异向介质构造隐身衣

2.3.2异向介质应用于天线系统

2.3.3利用异向介质实现亚波长成像

2.4本章小结

第3章 多维异向介质设计

3.1多维异向介质结构设计的背景

3.1.1一维异向介质结构设计

3.1.2二维异向介质结构设计

3.2新型二维结构——交叉嵌入型异向介质的设计实现

3.2.1交叉嵌入式二维异向介质的设计方法

3.2.2交叉嵌入型二维异向介质的等效模型及理论分析

3.2.3交叉嵌入型二维异向介质的实验实现及验证

3.2.4 THz频段交叉嵌入型二维异向介质的设计及仿真

3.3多维异向介质设计的展望

3.4本章小结

第4章 异向介质在隐身衣设计中的应用

4.1隐身衣设计的背景

4.1.1利用坐标变换设计隐身衣的基本原理

4.1.2球形隐身衣和柱形隐身衣的电磁参数

4.2非均匀背景介质中隐身衣的设计实现

4.2.1分层介质中隐身衣设计的原理

4.2.2渐变介质中隐身衣设计的原理

4.2.3仿真验证

4.3任意形状隐身衣的设计实现

4.3.1任意形状隐身衣设计的背景及原理

4.3.2仿真验证

4.4完美隐身衣的设计实现

4.4.1完美隐身衣设计的背景

4.4.2完美隐身衣的设计参数及方案

4.4.3完美隐身衣的仿真验证

4.5本章小结

第5章 异向介质在天线设计中的应用

5.1异向介质在天线中的应用背景

5.2利用异向介质实现对天线方向性的控制

5.2.1设计原理与理论分析

5.2.2简化参数

5.2.3仿真验证

5.2.4三维情况的讨论

5.3本章小结

第6章 异向介质在特殊导波器件设计中的应用

6.1坐标变换法设计虚拟波导

6.1.1设计思路及原理

6.1.2仿真验证

6.2坐标变换法实现波束拐弯

6.2.1波束扭转器的设计原理与仿真模拟

6.2.2将波束扭转器应用于波导弯头设计的原理及仿真验证

6.2.3直角波导弯头的设计原理与仿真验证

6.3本章小结

第7章 异向介质在耦合器设计中的应用

7.1异向介质耦合器设计的背景

7.2异向介质宽带/多通带反向耦合器的设计原理

7.2.1设计方案一

7.2.2设计方案二

7.3宽带／多通带反向耦合器的实验实现

7.4本章小结

结束语

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文