多層結構應用-變換介質器件與一維可調諧微波光子晶體.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促進了現(xiàn)代電磁學發(fā)展的新進程，并成為近年來電磁學、材料學界重要的研究課題。電磁超常材料來源于物質電磁本構關系，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，人工磁導體等等。2006年，變換光學的概念提出以后，電磁波的傳播特性可以被所設計的變換介質任意控制，從而導致了電磁超常材料發(fā)展的又一新的里程碑。
　　 本論文重點研究電磁波在多層各向同性

2、介質結構中的傳播特性。相對電磁波工作波長，多層結構在不同的尺度下表現(xiàn)出不同的傳播特性：在亞波長尺度下，周期性多層各向同性介質結構表現(xiàn)出各向異性的特征；而當多層結構周期單元尺度與電磁波工作波長相當時，周期性多層結構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尺度下的周期多層結構表現(xiàn)出各向異性特性，并將其應用到基于變換介質理論所設計的幾款微波裝置。其次，本論文將可諧調的色散材料應用到一

3、維微波光子晶體的組成單元設計，研究材料的可調因子對微波光子晶體電磁特性的影響。本論文的具體主要創(chuàng)新內容包括以下幾點：
　　 第一，本文對任意多邊形毯式隱身罩進行了研究。首先基于變換光學原理設計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構簡化成任意多邊形結構；基于等效介質理論，將亞波長尺度下的平行多層各向同性介質結構應用于模擬多邊形毯式隱身罩的各向異性電磁參數(shù)，并通過綜合多層結構的電磁

4、參數(shù)，使其同時對TE和TM極化模式的電磁波具有隱身性能。
　　 第二，本文對三種微波幻覺裝置進行了研究。首先將柱面同心多層各向同性介質結構應用于模擬緊縮裝置在柱坐標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的放大裝置，并將扇形多層各向同性介質結構應用于模擬這種放大裝置在柱坐標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變換裝置和短變換裝置，并應用正交各向同性介質光柵結構模擬了其將物體進行長短變換

5、的功能。
　　 第三，本文對無限大導體面上的腔體或凹槽結構的散射變換進行了研究。首先提出通過合理設計的變換介質來填充任意曲邊形凹槽結構，將其電磁散射模式變換到鏡面反射模式。同時，研究了凹槽結構鏡面反射變換的逆問題：在無限大導體面上的設計覆蓋變換介質來實現(xiàn)平面反射模式到凹槽結構強電磁散射模式的變換。將任意曲邊形凹槽結構簡化到任意多邊形凹槽結構，可以實現(xiàn)填充變換介質或覆蓋變換介質電磁參數(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、；基于等效介質理論，每個組成變換介質模塊的電磁參數(shù)可以應用平行多層各向同性介質結構來模擬。最后，提出了一種V-形凹槽結構散射偽裝裝置，使得任意隱藏在凹槽內的目標表現(xiàn)出沒有任何物體的V-形凹槽結構散射模式。
　　 第四，本文對兩種可調諧的一維微波光子晶體及其電磁特性進行了FDTD分析。首先，介紹了三種色散介質的FDTD算法，并將其分別應用到非磁化等離子體、超導材料和生物組織材料的電磁特性計算。然后，提出了基于等離子體缺陷層的一維微