【摘要】：自2006年變換光學(xué)方法被提出以來,受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注,隨即越來越多的光學(xué)器件被設(shè)計(jì)出來。最近幾年,變換光學(xué)的方法不斷完善,諸如隱身斗篷、電磁集中器、導(dǎo)波器件、幻覺器件等器件被設(shè)計(jì)出來,而且很多研究者把該方法用于天線設(shè)計(jì),可以增強(qiáng)天線的方向性,增益以及多波束設(shè)計(jì)等等。然而通過變換光學(xué)方法得到的器件所具有的材料參數(shù)大多屬于非均勻各向異性,實(shí)現(xiàn)起來較為困難。本論文提出了更加有效的方法設(shè)計(jì)材料,得到的材料容易制造。本文的重點(diǎn)研究對象是光學(xué)器件和天線設(shè)計(jì)。首先,本文介紹了變換光學(xué)相關(guān)的研究背景以及光學(xué)器件和透鏡天線的研究現(xiàn)狀,給出了變換光學(xué)的的坐標(biāo)變換理論,驗(yàn)證了麥克斯韋方程組的不變性和保角變換中的光程一致性,也通過完美隱身斗篷的實(shí)例對變換光學(xué)理論進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)介紹了另外一種完美光學(xué)器件,即麥克斯韋魚眼透鏡(Maxwell Fish-eye Lens,MFEL),對電場分布和時(shí)均功率流進(jìn)行了數(shù)值仿真。其次,本文在介紹現(xiàn)有電磁集中器和旋轉(zhuǎn)衣的基礎(chǔ)上,提出了另外一種多功能的旋轉(zhuǎn)集中器,該器件既可以使電磁波匯聚,也可以使電磁材料包裹的物體發(fā)生旋轉(zhuǎn)。緊接著,本文基于坐標(biāo)變換法和保角變換法兩種方法設(shè)計(jì)了一種透鏡天線,該天線不僅有隱身功能,而且還通過添加材料增強(qiáng)方向性。論文給出了相關(guān)的理論推導(dǎo),所有的推導(dǎo)過程都是基于單位圓完成的。雖然該天線可以位于單位圓域內(nèi)的任意一點(diǎn),但是它產(chǎn)生的外圍電磁波波前是一樣的。這種性能可以用在電磁隱身方面,使得天線不能被雷達(dá)精確追蹤,達(dá)到隱身的效果。本文方法使得天線移動(dòng)的方向上有場壓縮的效果,故而物理空間中的天線相對于虛擬空間中的天線有方向性增強(qiáng)的效果。本文方法得到的電磁材料不僅適用于一個(gè)天線,還可以用于天線陣列,為以后的研究提供了一種新的方法。最后,為了進(jìn)一步提高天線的性能,本論文采取了一種可以把柱面波或球面波轉(zhuǎn)為平面波的方法。前面提到的裝置在二維平面內(nèi)是一個(gè)單位圓,改進(jìn)方法中把柱面波或球面波轉(zhuǎn)為平面波的裝置是一個(gè)有缺口的半魚眼透鏡,該裝置投影到平面內(nèi)是一個(gè)有缺口的半圓。將有缺口的半圓結(jié)構(gòu)與之前的結(jié)構(gòu)結(jié)合之后對方向性有了很大的提高。通過分別討論一個(gè)點(diǎn)源、方陣列源和圓陣列源在有無添加該結(jié)構(gòu)的情況下,對比各自的方向圖變化,可以清楚地發(fā)現(xiàn)在添加了該裝置結(jié)構(gòu)后,方向性得到很大提升,數(shù)值仿真驗(yàn)證了論文觀點(diǎn)。
【圖文】：

3(a) 圓形隱身斗篷 (b) 橢圓形隱身斗篷 (c) 任意形狀隱身斗篷圖1.2 二維空間中隱身斗篷示意圖圖中無論是哪一種結(jié)構(gòu)的隱身斗篷，最中間被功率流線繞過去的是被隱身物體，里面的物體接收不到外面的信號，同時(shí)外面雷達(dá)也探測不到里面的物體，實(shí)現(xiàn)了相互之間的隱身。為解決被隱身的物體接收不到外面信號的這個(gè)缺點(diǎn)，提出了互補(bǔ)型隱身斗篷，這種隱身斗篷完美的解決了上述的這個(gè)缺點(diǎn)，并且也達(dá)到了隱身的效果。隨著隱身斗篷被提出，其他類型的光學(xué)器件也呼之欲出，其中就有一款器件叫做電磁集中器，該類型的器件首次由杜克大學(xué)的 M. Rahm 等人提出[21]。集中器在太陽能電池或者需要能量集中的裝置中起著重要作用。最先設(shè)計(jì)的集中器是圓柱形的，這是因?yàn)樵撔螤畹募衅髟谥鴺?biāo)系下很容易推導(dǎo)所需的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。圓柱形集中器利用變換光學(xué)和互補(bǔ)介質(zhì)的概念

結(jié)果顯示在圖 1.3 中，，可以看出黑色細(xì)線在一部分區(qū)域有壓縮痕跡，代表能量集中。(a) 圓形集中器 (b) 任意形狀 TE 波照射 (c) 任意形狀點(diǎn)源照射圖1.3 電磁集中器示意圖
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN821.5;TH74

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