基本信息
- 項目名稱：
- 超材料電磁器件的設計
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 基于坐標變換方法，根據(jù)對電磁透明體性能的要求，建立了原空間和變換空間的坐標變換關(guān)系，使用解析方法導出了透明體介電常數(shù)和磁導率的表達式，仿真了其性能；基于逆數(shù)值方法，在不需要知道坐標變換的前提下，設計了任意形狀的外斗篷、聚焦器、旋轉(zhuǎn)器等器件，豐富了超材料電磁器件的設計方法；建立了二維超材料平面電磁透鏡的LC網(wǎng)絡模型，編寫了相關(guān)核心程序，并通過仿真進行了證實，為設計復雜形狀器件奠定了堅實的基礎(chǔ)。
- 詳細介紹：
- 超材料（Metamaterials）是最近出現(xiàn)的一個新的學術(shù)詞匯，它是一種介電常數(shù)、磁導率可為正、零、負、無窮小或者無窮大的人工材料，它包括左手材料、零電材料、零磁材料以及其它極端電磁參數(shù)材料。它具有許多奇異的電磁特性，例如，負折射、完美透鏡、逆多普勒效應等。超材料是國內(nèi)外電磁學、材料科學、物理學研究的一個重要方向和熱點，如左手材料的發(fā)現(xiàn)被《Science》雜志評為十大科學進展(2003年)，基于左手材料思想設計的梯度超介質(zhì)實現(xiàn)電磁波隱形被《Science》雜志評為年度十大科技突破之一(2006年)，著名的雜志《Materials Today》將超材料與半導體一起列為過去50年材料科學研究的十大進展(2008年)，《Science》雜志將超材料列為過去十年的十大科技突破之一(2010年)。超材料是電磁學理論發(fā)展史上的重要事件，為經(jīng)典電磁學理論開辟了嶄新的研究空間，其重大的科學意義及巨大的應用前景對未來通信、雷達、國防、微電子、醫(yī)學成像等科技和社會發(fā)展將產(chǎn)生極為重要的影響。 在超材料理論和實驗研究中，設計超材料電磁器件是一個重要的研究方向，目前設計方法主要有三類： (1) 解析方法 解析方法最早是由Pendry和Smith等人提出的，他們首次用這種方法設計了電磁斗篷，自此之后，關(guān)于電磁斗篷的研究成果如雨后春筍般地出現(xiàn)，各種不同形狀的電磁斗篷紛紛問世。同時，除電磁斗篷外，基于坐標變換的其它新型電磁器件相繼被提出，例如，透明體、聚焦器、超散射體、超吸收體和外斗篷等。最近，我們設計了任意形狀的電磁透明體，詳細研究了其電磁性能，并探討了其在天線保護中的應用。 用解析法設計電磁器件，必須根據(jù)原空間和變換空間的坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系求出雅克比矩陣，并根據(jù)Maxwell方程組的形式不變性原理導出材料介電常數(shù)和磁導率的表達式。實踐證明，這種方法具有很大的局限性，只有在已知原空間和變換空間坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系的前提條件下才能進行求解，并且對于模型邊界不能用一個連續(xù)函數(shù)來表示的復雜電磁器件，則難以獲得其材料參數(shù)的解析表達式。因此，探討新的電磁器件設計方法具有重要的意義。 (2) 逆數(shù)值方法 2009年，胡進等人提出了通過求解拉普拉斯方程來設計電磁器件的逆數(shù)值方法，并基于此方法設計了電磁斗篷。最近，我們擴展了該方法，用逆數(shù)值方法設計了任意形狀的外斗篷、聚焦器、旋轉(zhuǎn)器等多種電磁器件，詳細研究了它們的電磁性能，同時探討了它們的應用前景。 與解析方法比較，采用逆數(shù)值變換法，不需要提前知道原空間和變換空間坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系，即可借助于偏微分方程的求解獲得超材料電磁器件的介電常數(shù)和磁導率分布，極大簡化了設計過程。 (3) 傳輸線法 2002年，Eleftheriades等人采用傳輸線實現(xiàn)了左手材料，此后，傳輸線法被大量使用，例如，Iyer等基于傳輸線結(jié)構(gòu)研究了電磁聚焦現(xiàn)象，Itoh等提出另一類傳輸線實現(xiàn)左手材料的方法。最近，我們建立了二維超材料平面電磁透鏡的LC網(wǎng)絡模型，編寫了相關(guān)核心程序，與現(xiàn)有基于ADS軟件的設計方法比較，該計算方法具有速度快、擴展性強等優(yōu)點。 作品的主要工作如下： (1) 基于變換光學的方法，導出了任意形狀電磁透明體原空間和變換空間的介電常數(shù)和磁導率的表達式，并利用COMSOL軟件作了全波仿真，證實了所設計電磁器件的性能。 (2) 基于拉普拉斯方程采用逆數(shù)值方法設計了任意形狀的外斗篷、聚焦器、旋轉(zhuǎn)器、移相器、超散射、超吸收等電磁器件，證實了該設計方法的有效性和通用性。 (3) 基于傳輸線理論，建立了二維超材料平面電磁透鏡的LC網(wǎng)絡模型，編寫了程序，進行了仿真，實驗工作正在進行。 我們相信本論文有助于超材料電磁器件的設計，并促進超材料理論和技術(shù)的推廣應用。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 探究超材料電磁器件的設計方法，促進其理論、技術(shù)發(fā)展，并推廣超材料電磁器件的應用是本作品撰寫的目的?；舅悸肥菍δ壳耙延械娜N超材料電磁器件設計方法進行改進和完善：將解析方法改進用以設計任意形狀透明體；將設計電磁斗篷的逆數(shù)值方法擴展到多種電磁器件設計中；提出基于傳輸線的LC網(wǎng)絡模型，編寫計算程序。發(fā)表相關(guān)論文，并進行實驗驗證，掌握核心技術(shù)，為超材料電磁器件的設計和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
科學性、先進性及獨特之處
- 本作品分別采用解析方法、逆數(shù)值方法和傳輸線法設計超材料電磁器件，并在相關(guān)國際雜志和會議上發(fā)表了三篇論文，設計方法具有科學性。其先進性和獨特之處在于提出的透明體設計方法適合于任意橫截面形狀；采用的逆數(shù)值方法適用于外斗篷、聚焦器等各種電磁器件；與現(xiàn)有基于ADS軟件的設計方法比較，編寫的二維超材料LC網(wǎng)絡計算程序具有速度快、擴展性強等優(yōu)點，更適用于計算大型復雜LC網(wǎng)絡，具有實際應用價值和現(xiàn)實意義。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 超材料電磁器件具有許多奇異電磁特性，其設計方法是近年研究的熱點，本作品改進了電磁透明體的解析設計方法，使之適用于任意橫截面形狀；擴展了逆數(shù)值方法，設計了外斗篷、聚焦器等電磁器件，完善了電磁器件設計方法；建立了二維超材料LC網(wǎng)絡模型，編寫了程序，與現(xiàn)有基于ADS軟件的設計方法比較，該計算方法具有速度快、擴展性強等優(yōu)點。本作品具有極大的實際應用價值，進一步完善仿真方法和實驗驗證后，將有重要的現(xiàn)實意義。
學術(shù)論文摘要
- 超材料是一種介電常數(shù)、磁導率可為正、零、負、無窮小或者無窮大的人工材料，它具有許多奇異的電磁特性，例如，負折射、完美透鏡、逆多普勒效應等，利用超材料設計電磁器件是目前國內(nèi)外研究的熱點。本文分為三部分：第一，基于變換光學的方法，導出了任意形狀電磁透明體原空間和變換空間的介電常數(shù)和磁導率的表達式，并利用COMSOL軟件作了全波仿真，驗證了所建立的電磁器件的性能；第二，基于拉普拉斯方程的數(shù)值解，采用逆數(shù)值方法設計了任意形狀的外斗篷、聚焦器、旋轉(zhuǎn)器等，并通過仿真證實了該設計方法的有效性；第三，基于傳輸線理論，建立了二維超材料平面電磁透鏡的LC網(wǎng)絡模型，并通過仿真進行了證實，實驗工作正在進行。我們相信本論文有助于超材料電磁器件的設計,并促進超材料理論和技術(shù)的推廣應用。
獲獎情況
- 本作品在2011年**大學學生課外學術(shù)科技作品競賽中獲得特等獎。本作品的部分研究內(nèi)容已整理成英文論文，共3篇論文，發(fā)表情況如下： 1、在國際會議3rd International Conference on Computer and Network Technology—ICSDDP（EI刊源會議論文）上發(fā)表，項目成員為第一作者。 2、被2011海峽兩岸四地無線電技術(shù)研討會（EI刊源會議論文）收錄，項目成員為第一作者。 3、在Applied Physics A（SCI刊源期刊論文）上發(fā)表，項目成員為第四作者。
鑒定結(jié)果
- 2011年6月，我們分別請昆明物理研究所蘇君紅院士和昆明通用智能科技有限公司高級工程師楊杰對本作品的意義、技術(shù)水平、適用范圍及推廣前景進行評價（詳見推薦人信息）。專家認為，本作品具有創(chuàng)新性和推廣價值。
參考文獻
- [1] V.G.Veselago, The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of and [J].Sov.Phys.Usp, 1968(10):509-514. [2]J. B. Pendry, D. Schurig, and D. R. Smith. Controlling electromagnetic fields [J]. Science, Jun. 2006(312): 1780-1782. [3]D. Schurig, J. J. Mock, B. J. Justice, S. A. Cummer, J. B. Pendry, and A. F. Starr et al. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies [J]. Science, 2006(314):977-980. [4] Jonathan Wood,The top ten advances in materials science[J].materials today, 2008(11):40-45. [5] Huanyang Chen,C.T,Chan and Ping Sheng,Transformation optics and metamaterials[J],nature materials,2010(9):387-396. [6] Nikolay l.Zheludev, The Road Ahead for Metamaterials [J].Science,2010( 328):582-583. [7] Dubinov A. E., Mytareva L. A., Invisible cloaking of material bodies using the wave flow method [J]. Physics – Uspekhi, 2010(53 ): 455 - 479.
同類課題研究水平概述
- 1968年，Veselago從理論上虛構(gòu)了一種介電常數(shù)和磁導率為負數(shù)的材料(亦稱左手材料或超材料)，并預測存在一系列奇異的電磁效應。2001年，Smith等人在《Science》雜志上發(fā)表論文，實驗驗證了微波頻段左手材料的負折射效應，引起了科學界的轟動。2003年，左手材料的發(fā)現(xiàn)被《Science》雜志評為十大科學進展之一。2006年， Pendry和Smith等人提出了變換光學的理論（Science, 312: 1780-1782）,并在微波頻段實驗證實了電磁斗篷現(xiàn)象（Science, 314: 977-979），掀起了變換光學設計電磁器件的熱潮。2008年，著名的雜志《Materials Today》將超材料與半導體一起列為過去50年材料科學研究的十大進展之一。2010年，《Science》雜志又將超材料列為過去十年的十大科技突破之一?？梢灶A見，超材料與電磁學結(jié)合，必將引發(fā)電磁理論及應用技術(shù)的一場革命。 目前，在基于坐標變換的超材料電磁器件設計中，主要有三類方法：解析方法；數(shù)值方法；傳輸線法。解析方法最早是由Pendry和Smith等人提出的，他們首次用這種方法設計了電磁斗篷，自此之后，關(guān)于電磁斗篷的研究成果如雨后春筍般出現(xiàn)，各種不同形狀的電磁斗篷紛紛問世。2008年，Schurig等人設計了基于電磁坐標變換方法的方形電磁斗篷以及圓柱形電磁聚焦裝置；2009年，崔鐵軍等人利用這種變換方法設計出了橢圓柱形和圓柱形的電磁透明體。最近，我們設計了任意形狀的電磁透明體，詳細研究了其電磁性能，并探討了其在天線保護中的應用。 2009年，胡進等人提出了通過求解拉普拉斯方程來設計電磁器件的逆數(shù)值方法，并基于此方法設計了電磁斗篷；最近，我們擴展了該方法，用逆數(shù)值方法設計了任意形狀的外斗篷、聚焦器、旋轉(zhuǎn)器等多種電磁器件，詳細研究了它們的電磁性能，同時探討了其應用前景。 2002年，Eleftheriades等人采用傳輸線實現(xiàn)了左手材料，此后傳輸線法被大量使用，例如，Iyer等基于傳輸線結(jié)構(gòu)研究了電磁聚焦現(xiàn)象，Itoh等提出另一類傳輸線實現(xiàn)左手材料的方法。最近，我們建立了二維超材料平面電磁透鏡的LC網(wǎng)絡模型，編寫了相關(guān)核心程序，與現(xiàn)有基于ADS軟件的設計方法比較，該計算方法具有速度快、擴展性強等優(yōu)點，這是本作品的另一創(chuàng)新點。
