近年來,人工電磁材料(也稱為超材料)成為科學(xué)界和工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),基于人工電磁材料的電磁器件研究更是備受科研人員的關(guān)注,并取得了舉世矚目的科研成就。超材料是由人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料構(gòu)成的特殊材料,其具有普通材料所不具備的超常物理性質(zhì)。通過對材料的關(guān)鍵物理尺度進(jìn)行把控,并在尺寸與結(jié)構(gòu)上進(jìn)行有序設(shè)計(jì)與排列,可以使材料的物理性質(zhì)突破某些自然規(guī)律的限制,從而獲得一系列一般材料所不具備的超常物理材料功能。正是由于人工電磁材料擁有一系列優(yōu)秀的品質(zhì),基于這種人工電磁材料的新穎電磁器件的研究顯得尤為重要。近些年學(xué)者們的研究發(fā)現(xiàn),人工電磁材料在電磁器件設(shè)計(jì)上非常有效并且廣泛應(yīng)用于軍事、科研等領(lǐng)域。本文正是在這一研究背景下,首先分析人工電磁材料的種類、實(shí)現(xiàn)機(jī)理以及目前科學(xué)界基于超材料所設(shè)計(jì)的電磁器件,并主要對一種人工電磁材料---介質(zhì)打孔的基本原理和實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了詳細(xì)敘述。其次主要針對所設(shè)計(jì)的雙功能電磁器件、多功能透鏡和磁性幻覺裝置進(jìn)行研究。在這項(xiàng)工作中基于變換光學(xué)原理,設(shè)計(jì)了一種雙功能光學(xué)器件,這種器件既可作為常規(guī)的的金屬直角反射器,經(jīng)過組裝又可作為隱形裝置。利用變換光學(xué)中的保角變換原理設(shè)計(jì)了一款多功能電磁透鏡,本文詳細(xì)分析了多功能電磁透鏡的設(shè)計(jì)原理、參數(shù)分布及其多功能性,并利用人工打孔單元材料設(shè)計(jì)了這款多功能電磁透鏡(多功能:倫伯透鏡、伊頓透鏡、彎角波導(dǎo))。另外通過理論推導(dǎo)和仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)了兩款靜態(tài)磁性幻覺裝置,應(yīng)用磁性材料并在特定邊界條件下對拉普拉斯方程進(jìn)行求解,實(shí)現(xiàn)對特定形狀的特定物體的偽裝,使物體在覆蓋了一個套層之后被雷達(dá)誤認(rèn)成另外一種物體或被探測成一個放大的物體。這項(xiàng)工作中所設(shè)計(jì)的電磁器件在科研、軍事、國防等領(lǐng)域存在潛在的應(yīng)用價值。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TH74
【部分圖文】：

之前的大多數(shù)設(shè)計(jì)所應(yīng)用的保護(hù)殼太厚重，給實(shí)際應(yīng)用帶來不便，因此人們一直都在努力探尋一種更輕便的替代材料來滿足完美的設(shè)計(jì)需求。經(jīng)過一番探索，一種更輕便的材料—超表面[15]逐漸被科學(xué)界所關(guān)注。超表面是一種由超材料單元構(gòu)成的超薄二維表面，可以靈活地控制電磁波的角度、極化方式和傳播模式。通過控制超表面的相位梯度或通過進(jìn)行阻抗調(diào)諧可使其具有一系列引人入勝的電磁性質(zhì)，并可用于各種電磁設(shè)備的設(shè)計(jì)[16-20]。在這方面，超表面為超薄地毯斗篷的設(shè)計(jì)提供了另一種更簡單實(shí)用的方法，一種典型的設(shè)計(jì)便是 Alù的小組用超表面材料設(shè)計(jì)的地幔斗篷[21]。盡管各種超材料已在科學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的研究，但是工程上對超材料的控制依然不夠靈活，因此科學(xué)家們開始思考如何更有效地對超材料的電磁性質(zhì)進(jìn)行控制。2014 年，編碼超材料和可編程的概念被提出，運(yùn)用數(shù)字編碼原理控制電磁波的散射和輻射特性也開始得到關(guān)注[22]。在本質(zhì)上，他們是可控的電磁超表面。一種典型的數(shù)字超表面單元如圖 1-1 所示。正如我們前面提到的，超表面，作為一種新型的二維人工結(jié)構(gòu)，是由亞波長陣列單元按照一定的規(guī)則排列構(gòu)成的。

種特殊的漸變折射率材料——打孔料，作為一種特殊的人工電磁材料，可以通過一多種電磁材料混合在一起，并通過調(diào)節(jié)材料的參雜式是在介質(zhì)板上進(jìn)行打孔，打孔單元材料如圖中，通過在硅板上打孔實(shí)現(xiàn)了空間的漸變折射率中，通過將二氧化硅中填充硅也得到了類似的結(jié)一系列基于漸變折射率材料的新型電磁器件，并關(guān)重要的作用。這種材料由非諧振打孔單元組成就可以很容易地實(shí)現(xiàn)。理論上這種材料的電磁參依賴于介質(zhì)單元的尺寸、電磁參數(shù)、填充介質(zhì)的小。從等效媒質(zhì)理論出發(fā)，無論通過解析計(jì)算還S 參數(shù)反演，都可得到打孔單元的有效電磁參數(shù)。

針對介質(zhì)板打孔這一情況，可采取“電容器模型”去解釋，這一夠使問題變得更加清晰。根據(jù)有效媒質(zhì)理論，因?yàn)榕c孔徑尺寸相比，工比孔徑尺寸大得多，因此這一問題可近似視為準(zhǔn)靜態(tài)問題。那么兩導(dǎo)電板總電容(假設(shè)垂直于電場方向)可以表示為 / /i iC S d S d，這里 S 是導(dǎo)面積， 是兩導(dǎo)電板之間材料的有效相對介電常數(shù)， d 為兩導(dǎo)電板之間的然而，如果我們把電容器看作為許多小電容器組成的并聯(lián)電容器，如圖，那么電容方程可以表示為iC C，進(jìn)一步可以被表示為 / i i S d S 一來就能很容易證明有效材料參數(shù)的表示方式為i ie = ef，這里 /i if S 本構(gòu)材料的填充率。通過調(diào)整其填充率（即調(diào)節(jié)孔徑大�。�，有效材料的以靈活地被調(diào)整，這一點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用過程中很容易實(shí)現(xiàn)。在一般情況下方法是用兩種材料的混合來獲取所需的有效電磁參數(shù)，目前我們看到的也都是用兩種材料進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，其中將一種材料選為空氣（即將基質(zhì)行打孔，不進(jìn)行填充）�；诖�，很容易得到相對介電常數(shù)表達(dá)式為(1 )d f f，這里d 為基質(zhì)材料的相對介電常數(shù)。經(jīng)證明上述表達(dá)式同樣適靜態(tài)情況[44]。
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本文編號：2846538