二维任意形状隐身罩条件的仿真验证

基于线性坐标变换,推导了二维任意形状隐身罩的隐身条件,并得到了任意多边形隐身罩材料本构参量及通解表达式,并运用电磁仿真软件——COMSOL 对几个典型的多边形进行仿真验证和损耗分析,从而验证了所得本构参数的正确性,这些分析结果打破了隐身罩设计中外形的限制,为隐身罩的实际设计提供了理论依据。     

基于正折射率材料参数的旋转放大光学变换器件

基于光学变换理论,提出了一种新型的具有旋转和放大功能的光学变换器件,该器件可由具有正折射率参数的超常媒质实现。推导了所提出的器件材料的本构参数张量的通解表达式,并采用全波电磁仿真软件进行了仿真验证。仿真结果证实了所导出的本构参数张量的正确性,即该器件可以起到使置于内部的物体旋转和放大的效果。因此,所提出的器件将在电磁场工程等领域有潜在的应用。     

变换光学中的几个数学问题分析及其在隐身毯设计中的应用

变换光学(TO)是目前电磁领域的一个研究热点,为了对基于TO的隐身斗篷设计提供更深入的理论支持,该文对TO的3个基本数学问题进行了讨论。首先分析了基于Maxwell方程组3维坐标变换下变换形式的唯一性问题,提出了不同于参考文献的新变换方式,指出了可以灵活调整变换空间特性阻抗的变换方法。以此为基础,提出了以自由空间的场分布为原始空间,通过变换获取到可以隐藏在介质包围区域中并和介质阻抗匹配的隐身斗篷设计方法。然后以基于波动方程的2维TO为研究对象,分析了以电场分量波动方程为基础进行2维变换时,磁场所满足的变换关系和对应的边界条件特性,同样指出了可以隐藏在介质包围区域中并和介质阻抗匹配的隐身斗篷设计方法。最后从数学上证明了2维变换下共形变换对于设计出非各向异性介质隐身斗篷的充分必要性。以上述讨论为基础,该文给出了一个嵌入式斗篷的仿真验证示例。该文的研究内容和结论对基于TO的各种电磁应用提供了理论支持。     

任意形状隐身斗篷和电磁旋转器的研究

以无限长超材料任意形状壳为理论模型,研究超材料这种新型人工复合材料。在变换光学中,空间变换可以被认为是材料的变形,变换空间的介电常数和磁导率张量是材料的变形场得到的。通过数值求解拉普拉斯方程,根据光学变换理论,可以获得超材料的材料参数。利用全波仿真的方法仿真二维任意形状的隐身衣,电磁旋转器和集中器。当斗篷的介电常数和磁导率满足理论值时,隐身衣和电磁旋转器表现出完美的隐身和电磁旋转等特性。     

飞行器RCS近场三维成像的几何设计与性能分析

飞行器隐身设计是先进飞行器总体设计的关键环节，随着更为复杂的结构以及新兴复合材料应用于飞行器制造，基于缩比模型的电磁散射特征分析变得不再精确，在室内或者室外较小区域内开展对全尺寸飞行器电磁散射特征的近场成像与诊断已经成为高效率评估隐身特性的重要方式，受到国内外的广泛关注。本文介绍了两种典型的飞行器近场成像几何，基于球面波分解理论分别建立了信号模型，推导了频域成像处理算法，对比分析了两类不同成像几何对应的成像处理流程，提出子孔径成像处理是分析飞行器电磁散射特征的基本策略；归纳了平面阵列三维成像与柱面阵列三维成像在成像处理复杂度、点散布函数、应用特点等方面的区别与联系。文中通过仿真数据的三维成像验证了所提信号模型与处理算法的正确性。     

椭球共形阵列增益与等效面积关系研究

为了解各种共形阵列天线增益在空间的分布情况,从而确定共形阵列的形状。以椭球共形阵列天线为例,给出了一种使用等效投影面积来估算共形阵列天线增益分布的方法。考虑天线单元作用范围影响,推导了各个来波方向等效投影面积的数学表达式。在推导出天线单元具体位置的基础上,根据波束合成原理,通过仿真得到了各个来波方向上的增益分布。对比可见,阵列增益的仿真结果与等效面积的数值计算结果曲线形状吻合,可以直接利用等效面积公式调节椭球长短轴比来改变增益。     

一种鲁棒性几何规划新方法设计两级运放

考虑工艺偏差的CMOS两级运算放大器设计问题可建模成一个鲁棒性几何规划问题.本文提出了一种结合椭球算法和仿射算术的新方法求解鲁棒性几何规划.椭球算法可解普通的几何规划,仿射算术既可以估计参数变化的相关性,又容易与椭球算法结合求解鲁棒性问题.HSPICE仿真结果验证了该方法的正确性.     

基于Ω型共形超颖表面的曲面全息

共形超颖表面可以打破物体几何形状与光学功能之间的限制,使散射波前得到任意的调制。文中展示了一种自适应的共形超颖表面,该超颖表面由非手性镜面对称的型金纳米天线组成,可以集成在任意形状的基底上,在可见光范围内（=450 nm）实现曲面全息。共形超颖表面的相位调制方法依赖于贝里相位,通过旋转纳米天线的方位角,可以在每个亚波长单元中进行连续的相位控制。这种共形超颖表面包裹在曲面拓扑物体上可以用于各种实际应用中,如曲面透镜聚焦、隐身和安全打印技术。     

二维共形匹配层的衰减参数研究

给出了各向异性媒质的张量本构参数,由含各向异性媒质的三维波动方程出发推导了包含此类介质的散射问题的有限元变分公式,研究了共形匹配层衰减参数随目标尺寸和形状的变化规律,分析了参数选择对匹配层吸收效果的影响,数值结果表明衰减参数的最佳值将随散射体尺寸的变大而增加。得出的变化规律对共形匹配层和有限元的应用极有参考价值。     

无人机空地信道衰落包络统计特性研究

针对电平通过率和平均衰落持续时间能有效反映信道衰落包络的恶劣状况,提出了一种基于几何随机的无人机信道模型,该模型支持任意三维轨迹运动。在此基础上,分析推导了电平通过率和平均衰落持续时间的理论表达式,并得到二维散射情况下的闭式解。针对无人机高速飞行场景的仿真结果表明,本文推导的电平通过率和平均衰落时间理论值与仿真值吻合,并且与实际测量结果基本一致,可极大降低评估计算的复杂度,对UAV通信系统的差错控制编码和分组交织设计具有理论指导意义。      

任意多边形隐形罩的设计

文中提出了一种基于坐标变换理论的任意多边形隐形罩的设计,该设计利用二维有限元方法进行了仿真验证,同时讨论了更复杂任意多边形隐形罩的设计方法。     

A Negative Conductivity Material Makes a dc Invisibility Cloak Hide an Object at a Distance

The theoretical design and the first experimental verification of an exterior dc invisibility cloak that can hide an object from dc detection at a distance are presented. Based on the transformation optics theory, the exterior dc cloak requires negative conductivity material to create folded geometry, which will cancel the real geometry of detected object in distance and make it invisible. Negative conductivities are designed and realized using active devices, together with resistor networks, to generate the equivalent conductivity materials required by the exterior dc cloak. An experimental sample of the dc cloak is fabricated on the printed circuit board and the measured result has excellent agreement with numerical and circuit simulations, showing very good cloaking performance at a distance.     

TE波辐射下超材料圆柱电磁斗篷特性分析

利用有限元方法分析了TE波辐射下,超材料圆柱斗篷的电磁特性。发现当超材料的介电常数、磁导率和电导率偏离理论值0.5%时,斗篷外的电场发生了明显变化;当超材料的介电常数、磁导率和电导率为理论值时,不论在斗篷内放置什么特性的材料,也不论斗篷内壁上的边界条件如何,超材料圆柱斗篷都具有隐形作用。仿真结果与Cummer等人的结果进行了比较,证明了电磁模型的有效性。     

超材料(metamaterials)在电子元件中的应用

超材料(metamaterials)指的是一些呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合材料。它们的超常特征来源于其中人工制备的、特殊的非均匀插入结构所导致的物理响应。介绍了近年来发展出的超材料包括左手材料、"隐身斗篷"和光子晶体等,对其在电子元件领域中的应用进行了评述和展望。     

TE and TM modes in cylindrical metallic structures filled withbianisotropic material

Modal propagation is studied for metallic circular waveguides, coaxial cables and sectoral waveguides filled with linear bianisotropic material. By representing the material constitutive tensors in cylindrical coordinates, the conditions under which TE and TM modal decoupling occurs are obtained, and second-order differential equations for the longitudinal field components are derived. Though the TE and TM longitudinal field components are expressible in terms of hypergeometric functions, a complete numerical solution scheme is, in general, more convenient. Conventional application of finite elements renders the differential problem numerically equivalent to a generalized eigenvalue matrix problem, whose solution yields the dispersion relation and cutoff frequencies of the waveguides together with the eigenfields expression. The effects one can obtain by varying the various coefficients of the constitutive tensors are illustrated by several numerical results     

Scattering Cancellation by a Monolayer Cloak in Oxide Dispersion‐Strengthened Alloys

In addition to wave‐based fields, metamaterials can manipulate diffusion fields at will, for example, the scattering cancellation of particle flow in natural materials. In this paper, a monolayer cloak is proposed to eliminate electron scattering and improve the total conductivity in commonly used aluminum‐oxide‐dispersion‐strengthened copper alloys (Cu‐Al₂O₃) after a multiscale model is established to theoretically explain the dependence of conductivity on scattering behavior. Intense electron scattering caused by dispersed alumina nanoinclusions dominates the drastic drop in the conductivity in the Cu‐Al₂O₃ system. The Drude model is expanded to a generalized form to explain the multiscale scattering regime in Cu‐Al₂O₃ after unifying the macro‐ and nanoscale considerations into the mesoscopic multibody scattering process of a Monte Carlo simulation. The results indicate that the conductivity is closely related to the overall electron density and relaxation time of electrons. Then, a cloak is designed based on scattering cancellation to improve the conductivity by reducing electron collisions, whose structure is simplified into a monolayer cloak by adopting an imaginary insulating layer. Both simulation and experiment confirm a substantial improvement of the total conductivity. The invisible cloaks manipulating particle flow expands the research scope of metamaterials to innovatively improve the properties of traditional materials.     

TE波辐射下超材料正方形电磁斗篷特性分析

利用有限元方法分析了TE波辐射下,超材料正方形斗篷的电磁特性.发现当超材料的介电常数、磁导率和电导率偏离理论值5%时,斗篷外的电场发生了明显变化;当超材料的介电常数、磁导率和电导率为理论值时,不论在斗篷内放置什么特性的材料,也不论斗篷内壁上的边界条件如何,超材料正方形斗篷都具有隐形作用.所得到的仿真结果与Rahm等人的结果进行了比较,证明了所采用电磁模型的有效性.     

基于MT-SIE法求解电大介质目标电磁散射

介绍了一种用于均匀介质目标电磁散射求解的新型多区域表面积分方程(MT-SIE)方法。不同于传统的用于介质目标散射求解的积分方法,该方法将均匀介质目标分解为内、外2个独立的子区,通过在介质表面强加Robin传输条件来保证电流和磁流的连续性。由于介质目标被分解为内外2个独立的子区,不同的子区允许非共形剖分。相较于传统方法,该方法可以更高效地与多层快速多级子(MLFMA)相结合求解电大尺寸目标。为进一步加速矩阵的迭代求解,提出了一种高斯-赛德尔型预条件技术,可以有效改善矩阵的收敛,加快迭代求解速度。     

Multipolarizability tensors of thin-wire scatterers: a directcalculation approach

A new and efficient method for the computation of multipolarizability tensors is developed. The discussion is restricted to thin-wire scatterers. On the basis of a numerical solution for the current on the wire a fully analytical series expansion is deduced. This series representations allows one to identify the different multipolarizability terms. As shown, two constraints on the implementation of the numerical method have to be introduced to ensure reciprocity. The calculated results are cross-checked on the basis of mixing theories with published theoretical and measured chiral constitutive parameters. Finally, direct measurements performed on a single scatterer are compared to the theoretical results