多層結(jié)構(gòu)應(yīng)用-變換介質(zhì)器件與一維可調(diào)諧微波光子晶體.pdf

1、人工電磁超常材料以其不同于傳統(tǒng)材料的諸多特殊電磁效應(yīng)促進(jìn)了現(xiàn)代電磁學(xué)發(fā)展的新進(jìn)程，并成為近年來電磁學(xué)、材料學(xué)界重要的研究課題。電磁超常材料來源于物質(zhì)電磁本構(gòu)關(guān)系，指有別于天然材料常規(guī)電磁特性的一切電磁材料。早期電磁超常材料包括左手材料，光子晶體，人工磁導(dǎo)體等等。2006年，變換光學(xué)的概念提出以后，電磁波的傳播特性可以被所設(shè)計(jì)的變換介質(zhì)任意控制，從而導(dǎo)致了電磁超常材料發(fā)展的又一新的里程碑。
　　 本論文重點(diǎn)研究電磁波在多層各向同性

2、介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的傳播特性。相對(duì)電磁波工作波長(zhǎng)，多層結(jié)構(gòu)在不同的尺度下表現(xiàn)出不同的傳播特性：在亞波長(zhǎng)尺度下，周期性多層各向同性介質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出各向異性的特征；而當(dāng)多層結(jié)構(gòu)周期單元尺度與電磁波工作波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，周期性多層結(jié)構(gòu)的各向異性特征較弱，主要表現(xiàn)出由周期性散射和干涉而形成的電磁帶隙特征。因此，本論文首先分析了在亞波長(zhǎng)尺度下的周期多層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出各向異性特性，并將其應(yīng)用到基于變換介質(zhì)理論所設(shè)計(jì)的幾款微波裝置。其次，本論文將可諧調(diào)的色散材料應(yīng)用到一

3、維微波光子晶體的組成單元設(shè)計(jì)，研究材料的可調(diào)因子對(duì)微波光子晶體電磁特性的影響。本論文的具體主要?jiǎng)?chuàng)新內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)：
　　 第一，本文對(duì)任意多邊形毯式隱身罩進(jìn)行了研究。首先基于變換光學(xué)原理設(shè)計(jì)了任意曲邊形毯式隱身罩的理想?yún)?shù)。為了克服隱身罩電磁參數(shù)隨著空間變化，可以將任意曲邊形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成任意多邊形結(jié)構(gòu)；基于等效介質(zhì)理論，將亞波長(zhǎng)尺度下的平行多層各向同性介質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于模擬多邊形毯式隱身罩的各向異性電磁參數(shù)，并通過綜合多層結(jié)構(gòu)的電磁

4、參數(shù)，使其同時(shí)對(duì)TE和TM極化模式的電磁波具有隱身性能。
　　 第二，本文對(duì)三種微波幻覺裝置進(jìn)行了研究。首先將柱面同心多層各向同性介質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于模擬緊縮裝置在柱坐標(biāo)系下的各向異性電磁參數(shù)；基于逆問題，本論文提出了一種能將物體散射增強(qiáng)的放大裝置，并將扇形多層各向同性介質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于模擬這種放大裝置在柱坐標(biāo)系下的各向異性電磁參數(shù)；最后，在一維空間提出了一種長(zhǎng)變換裝置和短變換裝置，并應(yīng)用正交各向同性介質(zhì)光柵結(jié)構(gòu)模擬了其將物體進(jìn)行長(zhǎng)短變換

5、的功能。
　　 第三，本文對(duì)無限大導(dǎo)體面上的腔體或凹槽結(jié)構(gòu)的散射變換進(jìn)行了研究。首先提出通過合理設(shè)計(jì)的變換介質(zhì)來填充任意曲邊形凹槽結(jié)構(gòu)，將其電磁散射模式變換到鏡面反射模式。同時(shí)，研究了凹槽結(jié)構(gòu)鏡面反射變換的逆問題：在無限大導(dǎo)體面上的設(shè)計(jì)覆蓋變換介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)平面反射模式到凹槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)電磁散射模式的變換。將任意曲邊形凹槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化到任意多邊形凹槽結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)填充變換介質(zhì)或覆蓋變換介質(zhì)電磁參數(shù)的模塊化，模塊化后的電磁參數(shù)是均勻但各向異性的

6、；基于等效介質(zhì)理論，每個(gè)組成變換介質(zhì)模塊的電磁參數(shù)可以應(yīng)用平行多層各向同性介質(zhì)結(jié)構(gòu)來模擬。最后，提出了一種V-形凹槽結(jié)構(gòu)散射偽裝裝置，使得任意隱藏在凹槽內(nèi)的目標(biāo)表現(xiàn)出沒有任何物體的V-形凹槽結(jié)構(gòu)散射模式。
　　 第四，本文對(duì)兩種可調(diào)諧的一維微波光子晶體及其電磁特性進(jìn)行了FDTD分析。首先，介紹了三種色散介質(zhì)的FDTD算法，并將其分別應(yīng)用到非磁化等離子體、超導(dǎo)材料和生物組織材料的電磁特性計(jì)算。然后，提出了基于等離子體缺陷層的一維微