基于变换光学的波导弯接头设计

变换光学是一种通过设计改变传输介质的电磁特性实现调控电磁波任意传输的理论.根据麦克斯韦方程组在空间变换下的协变性,可以通过坐标变换设计出具有特定电磁参数的材料,从而设计新型电磁器件满足对电磁波传输的特定需求.基于变换光学的方法,人们陆续提出了隐身斗篷,隐身地毯以及波束集中器等新型电磁功能器件.基于上述背景,应用变换光学的理论方法,本文提出并设计了一种可实现无反射传输的90°波导弯接头.对波导弯接头材料的电磁参数进行了重新设计,实现了对于入射波的传输方向的操控,满足无反射传输要求.然而,经过变换光学得到的波导接头材料电磁参数通常是各向异性的,因此在实际制备中很难实现.本文根据等效介质理论使用两种各向同性材料在特定方向上层叠等效实现了波导弯接头处各向异性材料的电磁特性.基于有限元方法,对设计的波导接头进行了数值仿真,结果表明:在填充了特定材料的弯曲波导接头处,电磁波可以实现无反射传播从而大幅提高了传输效率.     

超材料圆柱壳电磁隐身效果数值仿真研究

以无限长超材料圆柱壳为理论模型,研究隐身超材料这种新型人工复合材料。基于Pendry坐标变换法,在压缩柱坐标系中,分析理想超材料电磁参数分布特性。为满足透波隐身,圆柱壳材料相对电容率和磁导率均是二阶旋转对称张量,在内界面处各向异性程度最高,参数径向分量趋于无限大,强烈抑制该方向电磁波的传播。运用全波仿真方法,从场总能量密度分布角度,比较研究了理想超材料与分层超材料、有耗超材料圆柱壳的电磁隐身效果,结果表明超材料具有良好的透波隐身性能。最后,针对隐身结构实际使用环境,对各向同性介质空间隐身圆柱壳的参数设置作了说明。     

二维圆柱超材料隐身罩的设计和测试

基于坐标变换实现隐身的设想,以方形开口谐振环(Split-Ring Resonators,SRRs)为微元主体,设计构造了二维圆柱形隐身超材料罩.利用CST Microwave Studio软件在8.75 GHz下对不同层超材料的结构单元的尺寸进行了优化设计,实现并加工制作了二维圆柱超材料隐身罩样品,通过自行设计的平面波导系统测试了其隐身效果.测试结果表明:利用所设计的超材料制作的隐身罩具有较好的隐身效果.该项研究具有一定的应用价值和实际可行性.     

电磁超材料及智能超材料隐身技术发展现状及趋势

从武器装备的实际电磁攻防需求出发，聚焦于超材料在电磁领域的应用，简单回顾了电磁超材料的发展历程和实用化进程，着重介绍了近年来最可能产生颠覆性技术的领域——智能可重复编程超材料及基于其的智能隐身系统。基于长期对电磁隐身、新型电磁器件的研究，结合实践经验，对目前超材料隐身技术成熟度进一步提高所面临的难点进行分析，并对未来的发展做出了建议和展望。     

人工电磁超材料的电磁波调控特性

人工电磁超材料具有自然界材料所不具备的电磁参数,并且拥有可设计性和可灵活调节性质,可实现对电磁波传播性能进行新的调控,是近年来的研究热点.本文介绍了一系列运用人工电磁超材料调控电磁波传播的功能器件,包括非对称电磁波传输器件、可调节电磁波吸波结构、电磁波极化调制器件,磁性光子晶体、磁性左手材料和基于超导薄膜的太赫兹人工电磁超材料,这些器件运用人工超材料的特殊物理特性和参数可设计性,具有全新的功能和优势,有效提高了对电磁波的调控能力.     

基于吸散一体隐身超构表面的透射型涡旋电磁波产生器设计

涡旋电磁波因其独特的"空心圈"状辐射场强度、螺旋前进的相位波前以及不同模式间相互正交等独特的电磁特性在雷达探测、成像、保密通信等领域有着巨大应用前景.本文设计了一种基于吸散一体隐身超构表面的透射型涡旋电磁波产生器,超构表面在沿+z方向的Vivaldi天线的球面波激励下,可在透射方向高效地产生拓扑电荷数l=+1的涡旋电磁...     

基于迂回相位和几何相位复合的散射调控超表面

提出了一种基于迂回相位和几何相位复合的电磁散射调控超表面设计方法,以实现不同入射角下对电磁波的独立调控.作为设计实例,采用能够实现宽带极化转换的开口谐振环(SRR)作为超表面结构单元,通过移动和旋转SRR同时引入迂回相位和几何相位,构成超表面反射相位设计方案.当电磁波垂直入射到超表面时,几何相位设计使得散射波分裂为两束...     

基于相变材料GST的红外隐身多层膜设计与光谱性能研究

为了实现在不同背景温度条件下的红外隐身, 需要研究具有可调发射率的红外隐身材料. 此外, 多波段兼容隐身技术在现代军事和科技中具有重要的研究价值. 本文设计了一种利用单一多层膜结构实现多光谱可调谐的超材料吸收器. 利用Ge2Sb2Te5 (GST)相变材料的晶态和非晶态不同属性, 该结构实现了在大气窗口8~13 μm波长范围内最大吸收率吸收从94.93%到9.19%的可控变化. 而且通过控制中间态, 结构对电磁波的吸收率可以实现连续变化. 同时, 该结构具有基于干涉效应的可调结构色, 通过改变顶层薄膜的厚度, 器件的颜色可以发生变化. 因而同时实现了在红外及可见光两个波段对电磁波的独立调控功能. 该超材料吸收器具有红外-可见光兼容隐身的潜在应用.     

专题：超表面电磁调控方法与应用

超表面(metasurfaces)是由亚波长单元在平面内周期排列构成的二维结构，可实现对电磁波传输/反射振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。 通过对电磁波的相位和振幅联合调控，可以实现艾利波束、任意波束赋形和全息；通过对电磁波的相位和极化联合调控，可以实现矢量涡旋波束；通过对电磁波的相位和频率联合调控，可以实现非线性超透镜和时空编码等功能，为电磁波的人工调控提供了全新设计思路及理论支撑。尽管如此，对于超表面的应用研究尚处于起步阶段，尤其是存在多元集成效率低、带宽窄、可重构设计复杂、成本高等若干瓶颈技术亟待新理论、新方法进行突破。本专题主要依托国家自然科学基金等军内外基础研究项目，聚焦超表面电磁调控领域最新研究成果，推动超表面在无线通信系统和隐身中的广泛应用，以期增进国内同行在该领域的学术交流。本期专题采用在线支撑材料等增强出版形式，读者可扫描文中二维码链接查看相关支撑材料，以加深对论文内容、思路与方法的理解。     

拉普拉斯方程在变换光学中的应用

介绍一种基于变换光学理论和拉普拉斯方程的光学器件设计方法,可以设计具有不同光学特性的光学器件,提出了一种设计隐身斗篷、物体缩放器、光学幻觉、以及电磁波局域器件的通用变换,并给出了设计实例,数值模拟结果验证了这些器件的光学特性.      

各向异性人工材料的电磁波吸收特性

利用传输矩阵法研究了含各向异性人工材料的一维结构的电磁波吸收特性,分析了入射波频率、极化方向、入射角以及材料厚度对电磁波吸收率的影响.结果表明,电磁波垂直入射到单层各向异性人工材料中,尽管s波和p波的吸收率极大值出现在不同的频率,但两种波的吸收率随层厚增大的变化规律一致.斜入射时,不管入射角如何变化,s波和p波的吸收率都随着层厚的增大而趋于定值,该极限值由入射角决定.改变入射波频率,当某一频率对应磁导率张量的矩阵元的实部为负值,对应极化波的吸收率随层厚的增大而趋于定值;当磁导率张量的矩阵元的实部为正值,对应极化波的吸收率随层厚的增大而振荡,且峰值出现在层厚为λ/2的整数倍时.含各向异性人工材料的三层结构的吸收率优于单层结构.以上结论可为使用各向异性人工材料制作电磁波吸收器提供理论支持.     

球形电磁波集中器内的光线跟踪研究

利用几何光学理论,引入了光线在超介质材料中的哈密顿量,通过求解光线运动方程,获得了光线在三维球形电磁波集中器内的传输轨迹,比较直观地解释了光线在超介质材料,尤其是负折射率材料中的传播过程.计算表明,只有在器件实际尺寸范围内的入射光线会受到影响.当包裹层内介电常数和磁导率为正时,只有在转换区域范围以内的入射光线进入被包裹核内;当包裹层为负折射率材料时,在器件实际尺寸范围内的入射光线都会进入被包裹核,并且随着压缩率的增加,核内的光线逐渐向中心轴线处靠近,实际光线占据的区域向中心轴缩小,核内其他区域由入射波的激发光线占据,并且在器件内部形成循环回路,此部分光线对器件外的光线传输无影响.给出了光线在超介质材料器件中传播轨迹的定量结果,对理解超介质材料中的电磁波传播行为有重要的参考意义.     

多层电磁超材料在太赫兹技术中的应用研究进展

基于电磁超材料的电磁谐振通过合理设计可以实现太赫兹波段的频率响应,为太赫兹波调控开辟了新的道路,特别是利用多层电磁超材料设计的太赫兹功能器件.本文综述了当前国内外基于多层电磁超材料在太赫兹波段技术的应用研究进展,分类介绍了其在太赫兹滤波器、吸收器、偏振器等方面的应用,最后对多层超材料在太赫兹技术应用的发展趋势作了探讨.     

大功率太赫兹返波管的数值模拟研究

为了提升传统超高频小功率返波管的工作频率和输出功率,提出了一种过模表面波太赫兹返波管的紧凑结构.其中,慢波系统是在一段过模圆柱波导内壁沿圆周方向平行挖去若干个均匀环形槽构成的,相邻槽间距固定不变.该结构较之传统的单模结构能有效地降低管内电场强度、避免场击穿,提高系统在太赫兹频段的功率容量.采用数值模拟的方法对该慢波系统的结构参数进行了筛选,最终选取波导内半径为2 mm、槽深为0.2 mm、槽宽为0.6 mm、单周期长度为1 mm,共采用17个周期.利用2.5维粒子模拟程序对系统进行了热测实验,在电子注电压为550 kV、电子注电流为350 A的条件下,模拟得到了14.4 MW的峰值功率输出,其能量转换效率达到7.5%,振荡频率高于0.14 THz,时域波形及频谱特性良好.     

电磁波与材料相互作用探讨

 探讨了电磁波与材料相互作用,强调在现代科学研究中以Maxwell方程组为基础的电磁场理论的中心作用.以微波加热、超材料特性及超材料传感器为例,简要综述了国内外的研究现状,并介绍了云南大学信息学院在这方面的工作.     

基于极化不敏感超材料的类电磁诱导透明特性研究

设计了一种由4条金属直线和1个圆环构成的类电磁诱导透明超材料，当电磁波垂直入射到该超材料表面时，其具有水平极化和垂直极化不敏感特性。仿真了超材料的传输曲线特性，以及其表面电流分布特点，计算了相位传输曲线和群折射率，并对其介电常数传感特性进行了分析。计算所得群折射率最大值可达380，说明该超材料可用于制作慢光器件。用于制作传感器时，其D_FOM值约为20.13，与前人所设计的传感器相比，具有较高的灵敏特性。研究结果表明，该超材料在制作慢光器件和传感器件方面具有一定的应用价值。     

基于场强计的电磁波演示仪

研制了一款电磁波演示仪,是以传统场强计为基础的拓展应用,能够将抽象的电磁波信号同时用声、光、电的形式演示出来,可作为一种新颖的现代化演示教具来使用.     

A broadband metamaterial cylindrical lens antenna

We present a Luneberg-like cylindrical lens antenna experimentally using metamaterials. The cylindrical lens antenna with a broad bandwidth is made up of the non-resonant I-shaped metamaterial structures. The near-field distributions of the metamaterial lens antenna are measured using a two-dimensional near-field microwave scanning apparatus, and agree well with the simulation results. The far-field radiation patterns of the antenna are also presented to show the high-gain performance in the broad bandwidth.     

推导多普勒效应的一种新方法

本文利用时空坐标变换、波速变换及傅里叶变换的方法,导出了弹性波和电磁波多普勒效应的普遍公式。讨论了弹性波多普勒效应的叠加性质,并指出相对论的时间膨胀和长度收缩对弹性波多普勒效应的影响。