基于坐標(biāo)變換的隱身、散射及天線問題研究.pdf

1、麥克斯韋方程組具有坐標(biāo)變換下方程形式保持不變的特性。在此原理基礎(chǔ)上建立起來的變換光學(xué)/電磁學(xué)理論為人們提供了一種全新的調(diào)控電磁波的手段。人們可以根據(jù)對電磁波的具體調(diào)控需要來構(gòu)建空間映射，然后尋找能夠?qū)崿F(xiàn)空間映射的坐標(biāo)變換，再由坐標(biāo)變換計算出變換媒質(zhì)。電磁波在這樣設(shè)計出的變換媒質(zhì)中將會按照人們預(yù)先設(shè)定的方式進行傳播。變換光學(xué)方法首先成功地解決了完美電磁隱身斗篷的理論設(shè)計問題。光線在隱身斗篷中將會繞開隱藏物體傳播，并在斗篷外回復(fù)到原來的傳播

2、路徑上。這樣從外部看來光線就像在空白空間中傳播一樣，斗篷及藏在斗篷中的物體完全被探測不到了。稍后的基于微波超材料的隱身實驗事實證明，這樣的設(shè)計不僅僅是理論上的奇思妙想，隨著材料暨超材料技術(shù)的不斷發(fā)展完美隱身是完全有可能實現(xiàn)的。由此也拉開了變換光學(xué)和隱身技術(shù)快速發(fā)展的序幕。接下來的幾年中變換光學(xué)取得了包括隱身設(shè)計在內(nèi)的諸多研究成果。各種新穎的、其他常規(guī)方法所不能實現(xiàn)的電磁/光學(xué)器件在坐標(biāo)變換思路下應(yīng)運而生。可以說變換光學(xué)的出現(xiàn)把人們認(rèn)識和

3、利用光/電磁波的實踐活動又向前推進了一步。而且可以預(yù)見，變換光學(xué)與材料技術(shù)相互結(jié)合和促進會出現(xiàn)更多讓人耳目一新的研究成果。
　　 正是在這樣的背景下，本文在電磁領(lǐng)域研究和探討了一些基于坐標(biāo)變換的隱身、散射和天線的設(shè)計問題。所做的工作主要包括以下幾個方面：
　　 1.詳細(xì)地分析和闡述了幾種重要的隱身策略。包括將隱身區(qū)域(物體)壓縮到一個點，從而實現(xiàn)完美隱身的策略；將隱身區(qū)域壓縮到一個面的ground-plane型隱身器件的

4、策略；利用折疊變換和互補媒質(zhì)設(shè)計散射相消型外隱身器件的策略。運用第一種隱身策略，本文設(shè)計了任意不共形橢圓結(jié)構(gòu)的完美隱身斗篷，分析了任意不規(guī)則形狀斗篷的設(shè)計方法；運用第二種隱身策略，本文設(shè)計了一種內(nèi)邊界為拋物線，外邊界為矩形的ground-plane型隱身毯。
　　 2.提出多隱身區(qū)域斗篷及設(shè)計思路。將隱身區(qū)域壓縮到一個點或者一個面的隱身策略能實現(xiàn)完美隱身，但隱身區(qū)域是電磁盲區(qū)，隱藏其中的物體不能接收和發(fā)送電磁信號；而利用折疊變換

5、和互補媒質(zhì)的散射相消型隱身策略中隱身區(qū)域位于斗篷外部，能正常接收電磁信號，并非電磁盲區(qū)。但是那種策略要為每個隱身物體訂制“反物體”，而且在隱藏導(dǎo)體和吸波物體時會遇到困難。因此本文提出將“空間壓縮”和“散射相消”兩種隱身策略聯(lián)合起來設(shè)計同時具備多個不同性質(zhì)隱身區(qū)域的斗篷。這樣設(shè)計出的斗篷在一定程度上克服了單一隱身帶來的缺陷。它為人們根據(jù)具體隱藏目標(biāo)的特性和需要選擇較恰當(dāng)?shù)碾[身區(qū)提供了更高的自由度。
　　 3.提出了散射轉(zhuǎn)移斗篷及設(shè)

6、計思路。與隱身問題完全不同，本文提出了散射轉(zhuǎn)移斗篷的概念及設(shè)計思路。它使得設(shè)計出的斗篷的散射模式等效于其他任意預(yù)先設(shè)定的物體(稱為幻覺物體或模仿對象)的散射模式。這樣，任何穿上這種斗篷的隱藏目標(biāo)“看上去”就像那個預(yù)先設(shè)定的模仿對象，從而產(chǎn)生“幻覺”效果。文中還提出可以采用曲線簇映射或幾何近似的方法設(shè)計散射轉(zhuǎn)移斗篷，使其散射模式近似等效于任意導(dǎo)體線段。這一問題被一些研究人員稱之為“線變換”，但目前尚未有更理想的解決方案。此外，文中還分析和

7、探討了變換媒質(zhì)中的散射等效問題，總結(jié)出了散射等效條件。
　　 4.提出平面結(jié)構(gòu)的圓錐曲線反射器及設(shè)計思路。平面反射器與圓錐反射器有各自不同的反射特性，文中提出用變換的方法設(shè)計既有平面結(jié)構(gòu)又有圓錐曲線反射特性的新型反射器。并進一步提出運用一組空間折疊和壓縮來大幅減小平面結(jié)構(gòu)的圓錐曲線反射器的口徑。
　　 5.提出多源等效共波束系統(tǒng)及設(shè)計思路。本文提出運用折疊變換及空間重疊設(shè)計多饋源等效系統(tǒng)使得空間中不同位置的饋源具有完全等