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电磁变换介质及其微结构效应

作　者: 李芸
导　师: 孙华
学　校: 苏州大学
专　业: 理论物理
关键词: 变换介质微结构散射理论有限元模拟
分类号: O441.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

超材料(metamaterial)通过人工设定基本结构单元形状和大小,并调控各组分的比例和结构,实现特殊的介电常数和磁导率。在超材料的设计中,变换理论为寻找能够实现特定电磁波控制的材料参数提供了高效可靠的工具。该理论的基本原理是利用麦克斯韦方程在特定空间变换下的不变性找到与某个空间变换等价的电磁参数分布,实现对电磁波传播的有效控制,令材料获得前所未有的电磁性质和功能。应用坐标变换理论设计的介质被称为变换介质,其材料参数具有高度的各向异性和不均匀性,只有利用超材料的人工微结构才可能实现。在此实现过程中,理想的参数方案通常会受到实际材料、结构与技术条件的种种限制而产生各种参数上的偏差或简化。本文采用理论计算与有限元模拟的方法,讨论了在微结构实现过程中产生的可能偏差对变换介质功能的影响,重点研究了以下内容:(1)我们首先讨论了对于隐形斗篷这一典型的变换介质中内表面参数的偏差对其功能的影响。在隐形斗篷的原始设计方案中,入射电磁波的传播方可无散射地绕过隐形斗篷的空腔,另一方面,由于隐形斗篷内表面异常电势的激发,壳内任意波源向壳外的辐射也将被完全抑制。然而在此设计中,斗篷内表面在变换中具有无限大的扩张系数,在实际的微结构中内表面参数无法满足此极限条件,因而会造成对外部入射的散射和内部辐射的外泄。特别是隐形斗篷对内部辐射的抑制作用有可能受到此偏差的严重影响。这里我们讨论了一个非完美的斗篷装置,其内表面具有有限且各向同性扩张系数。基于有限嵌入变换理论将此复杂介质的散射问题转化为另一空间中的简单散射问题,从而得到了这类斗篷的n阶出射能流密度表达式,计算结果与有限元模拟结果可以很好地吻合。计算表明,此类非完美斗篷虽然不能对内部源的辐射产生完美的抑制,但仍能通过适当调整波源与斗篷的相对位置,实现十分强烈的屏蔽效应。(2)隐形斗篷的内表面偏差不仅会影响到它的辐射抑制功能,同时也会令装置产生额外的辐射。但是若能对内表面的有限扩张变换加以设计,可以得到另一种变换介质——变形器。该装置将贴于其内表面的导体对外界入射波的散射改变为另一预先设计的导体散射,从而令外部观察者产生幻觉。我们根据变换理论提出三维变形器的设计方案,该设计方案可适用于任意形状的变形效果,并利用有限元模拟演示了一个可令导体球到椭球的变形器:将此变换介质包裹在球状导体上,可产生一个椭球导体的幻象。(3)进一步地,我们提出变形器的简化参数及可能实现此参数方案的微结构。该结构基于以开口共振环(SRR)为基本单元的阵列,通过调节此微结构的几何参数获得有效磁导率分布,并实现TE入射波下的变形效果。有限元模拟计算的结果表明,尽管此方案中的参数经历了简化与离散,且材料本身具有不可忽略的色散及损耗,但在工作频率下仍能实现较好的变形效果。另一方面,通过选择合适的结构参数,令该结构的共振点远离结构参数的分布范围,可有效地拓宽此结构的工作频带,改善变形器的变形效果。

电磁变换介质及其微结构效应

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