多層結(jié)構(gòu)應用-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(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(shè)計的變換介質(zhì)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(zhì)結(jié)構(gòu)中的傳播特性。相對電磁波工作波長，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；而當多層結(jié)構(gòu)周期單元尺度與電磁波工作波長相當時，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，并將其應用到基于變換介質(zhì)理論所設(shè)計的幾款微波裝置。其次，本論文將可諧調(diào)的色散材料應用到一

3、維微波光子晶體的組成單元設(shè)計，研究材料的可調(diào)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(nèi)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(shè)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(jié)構(gòu)簡化成任意多邊形結(jié)構(gòu)；基于等效介質(zhì)理論，將亞波長尺度下的平行多層各向同性介質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)光柵結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的散射變換進行了研究。首先提出通過合理設(shè)計的變換介質(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，研究了凹槽結(jié)構(gòu)鏡面反射變換的逆問題：在無限大導體面上的設(shè)計覆蓋變換介質(zhì)來實現(xiàn)平面反射模式到凹槽結(jié)構(gòu)強電磁散射模式的變換。將任意曲邊形凹槽結(jié)構(gòu)簡化到任意多邊形凹槽結(jié)構(gòu)，可以實現(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，每個組成變換介質(zhì)模塊的電磁參數(shù)可以應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，本文對兩種可調(diào)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(zhì)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