基于坐標變換的隱身、散射及天線問題研究.pdf

1、麥克斯韋方程組具有坐標變換下方程形式保持不變的特性。在此原理基礎上建立起來的變換光學/電磁學理論為人們提供了一種全新的調控電磁波的手段。人們可以根據(jù)對電磁波的具體調控需要來構建空間映射，然后尋找能夠實現(xiàn)空間映射的坐標變換，再由坐標變換計算出變換媒質。電磁波在這樣設計出的變換媒質中將會按照人們預先設定的方式進行傳播。變換光學方法首先成功地解決了完美電磁隱身斗篷的理論設計問題。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，這樣的設計不僅僅是理論上的奇思妙想，隨著材料暨超材料技術的不斷發(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和隱身技術快速發(fā)展的序幕。接下來的幾年中變換光學取得了包括隱身設計在內的諸多研究成果。各種新穎的、其他常規(guī)方法所不能實現(xiàn)的電磁/光學器件在坐標變換思路下應運而生。可以說變換光學的出現(xiàn)把人們認識和

3、利用光/電磁波的實踐活動又向前推進了一步。而且可以預見，變換光學與材料技術相互結合和促進會出現(xiàn)更多讓人耳目一新的研究成果。
　　 正是在這樣的背景下，本文在電磁領域研究和探討了一些基于坐標變換的隱身、散射和天線的設計問題。所做的工作主要包括以下幾個方面：
　　 1.詳細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設計散射相消型外隱身器件的策略。運用第一種隱身策略，本文設計了任意不共形橢圓結構的完美隱身斗篷，分析了任意不規(guī)則形狀斗篷的設計方法；運用第二種隱身策略，本文設計了一種內邊界為拋物線，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)合起來設計同時具備多個不同性質隱身區(qū)域的斗篷。這樣設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)具體隱藏目標的特性和需要選擇較恰當?shù)碾[身區(qū)提供了更高的自由度。
　　 3.提出了散射轉移斗篷及設

6、計思路。與隱身問題完全不同，本文提出了散射轉移斗篷的概念及設計思路。它使得設計出的斗篷的散射模式等效于其他任意預先設定的物體(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“看上去”就像那個預先設定的模仿對象，從而產生“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計散射轉移斗篷，使其散射模式近似等效于任意導體線段。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、探討了變換媒質中的散射等效問題，總結出了散射等效條件。
　　 4.提出平面結構的圓錐曲線反射器及設計思路。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計既有平面結構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構的圓錐曲線反射器的口徑。
　　 5.提出多源等效共波束系統(tǒng)及設計思路。本文提出運用折疊變換及空間重疊設計多饋源等效系統(tǒng)使得空間中不同位置的饋源具有完全等