基本信息
- 项目名称：
- 超材料电磁器件的设计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 基于坐标变换方法，根据对电磁透明体性能的要求，建立了原空间和变换空间的坐标变换关系，使用解析方法导出了透明体介电常数和磁导率的表达式，仿真了其性能；基于逆数值方法，在不需要知道坐标变换的前提下，设计了任意形状的外斗篷、聚焦器、旋转器等器件，丰富了超材料电磁器件的设计方法；建立了二维超材料平面电磁透镜的LC网络模型，编写了相关核心程序，并通过仿真进行了证实，为设计复杂形状器件奠定了坚实的基础。
- 详细介绍：
- 超材料（Metamaterials）是最近出现的一个新的学术词汇，它是一种介电常数、磁导率可为正、零、负、无穷小或者无穷大的人工材料，它包括左手材料、零电材料、零磁材料以及其它极端电磁参数材料。它具有许多奇异的电磁特性，例如，负折射、完美透镜、逆多普勒效应等。超材料是国内外电磁学、材料科学、物理学研究的一个重要方向和热点，如左手材料的发现被《Science》杂志评为十大科学进展(2003年)，基于左手材料思想设计的梯度超介质实现电磁波隐形被《Science》杂志评为年度十大科技突破之一(2006年)，著名的杂志《Materials Today》将超材料与半导体一起列为过去50年材料科学研究的十大进展(2008年)，《Science》杂志将超材料列为过去十年的十大科技突破之一(2010年)。超材料是电磁学理论发展史上的重要事件，为经典电磁学理论开辟了崭新的研究空间，其重大的科学意义及巨大的应用前景对未来通信、雷达、国防、微电子、医学成像等科技和社会发展将产生极为重要的影响。 在超材料理论和实验研究中，设计超材料电磁器件是一个重要的研究方向，目前设计方法主要有三类： (1) 解析方法 解析方法最早是由Pendry和Smith等人提出的，他们首次用这种方法设计了电磁斗篷，自此之后，关于电磁斗篷的研究成果如雨后春笋般地出现，各种不同形状的电磁斗篷纷纷问世。同时，除电磁斗篷外，基于坐标变换的其它新型电磁器件相继被提出，例如，透明体、聚焦器、超散射体、超吸收体和外斗篷等。最近，我们设计了任意形状的电磁透明体，详细研究了其电磁性能，并探讨了其在天线保护中的应用。 用解析法设计电磁器件，必须根据原空间和变换空间的坐标转换关系求出雅克比矩阵，并根据Maxwell方程组的形式不变性原理导出材料介电常数和磁导率的表达式。实践证明，这种方法具有很大的局限性，只有在已知原空间和变换空间坐标转换关系的前提条件下才能进行求解，并且对于模型边界不能用一个连续函数来表示的复杂电磁器件，则难以获得其材料参数的解析表达式。因此，探讨新的电磁器件设计方法具有重要的意义。 (2) 逆数值方法 2009年，胡进等人提出了通过求解拉普拉斯方程来设计电磁器件的逆数值方法，并基于此方法设计了电磁斗篷。最近，我们扩展了该方法，用逆数值方法设计了任意形状的外斗篷、聚焦器、旋转器等多种电磁器件，详细研究了它们的电磁性能，同时探讨了它们的应用前景。 与解析方法比较，采用逆数值变换法，不需要提前知道原空间和变换空间坐标转换关系，即可借助于偏微分方程的求解获得超材料电磁器件的介电常数和磁导率分布，极大简化了设计过程。 (3) 传输线法 2002年，Eleftheriades等人采用传输线实现了左手材料，此后，传输线法被大量使用，例如，Iyer等基于传输线结构研究了电磁聚焦现象，Itoh等提出另一类传输线实现左手材料的方法。最近，我们建立了二维超材料平面电磁透镜的LC网络模型，编写了相关核心程序，与现有基于ADS软件的设计方法比较，该计算方法具有速度快、扩展性强等优点。 作品的主要工作如下： (1) 基于变换光学的方法，导出了任意形状电磁透明体原空间和变换空间的介电常数和磁导率的表达式，并利用COMSOL软件作了全波仿真，证实了所设计电磁器件的性能。 (2) 基于拉普拉斯方程采用逆数值方法设计了任意形状的外斗篷、聚焦器、旋转器、移相器、超散射、超吸收等电磁器件，证实了该设计方法的有效性和通用性。 (3) 基于传输线理论，建立了二维超材料平面电磁透镜的LC网络模型，编写了程序，进行了仿真，实验工作正在进行。 我们相信本论文有助于超材料电磁器件的设计，并促进超材料理论和技术的推广应用。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 探究超材料电磁器件的设计方法，促进其理论、技术发展，并推广超材料电磁器件的应用是本作品撰写的目的。基本思路是对目前已有的三种超材料电磁器件设计方法进行改进和完善：将解析方法改进用以设计任意形状透明体；将设计电磁斗篷的逆数值方法扩展到多种电磁器件设计中；提出基于传输线的LC网络模型，编写计算程序。发表相关论文，并进行实验验证，掌握核心技术，为超材料电磁器件的设计和产业化发展奠定基础。
科学性、先进性及独特之处
- 本作品分别采用解析方法、逆数值方法和传输线法设计超材料电磁器件，并在相关国际杂志和会议上发表了三篇论文，设计方法具有科学性。其先进性和独特之处在于提出的透明体设计方法适合于任意横截面形状；采用的逆数值方法适用于外斗篷、聚焦器等各种电磁器件；与现有基于ADS软件的设计方法比较，编写的二维超材料LC网络计算程序具有速度快、扩展性强等优点，更适用于计算大型复杂LC网络，具有实际应用价值和现实意义。
应用价值和现实意义
- 超材料电磁器件具有许多奇异电磁特性，其设计方法是近年研究的热点，本作品改进了电磁透明体的解析设计方法，使之适用于任意横截面形状；扩展了逆数值方法，设计了外斗篷、聚焦器等电磁器件，完善了电磁器件设计方法；建立了二维超材料LC网络模型，编写了程序，与现有基于ADS软件的设计方法比较，该计算方法具有速度快、扩展性强等优点。本作品具有极大的实际应用价值，进一步完善仿真方法和实验验证后，将有重要的现实意义。
学术论文摘要
- 超材料是一种介电常数、磁导率可为正、零、负、无穷小或者无穷大的人工材料，它具有许多奇异的电磁特性，例如，负折射、完美透镜、逆多普勒效应等，利用超材料设计电磁器件是目前国内外研究的热点。本文分为三部分：第一，基于变换光学的方法，导出了任意形状电磁透明体原空间和变换空间的介电常数和磁导率的表达式，并利用COMSOL软件作了全波仿真，验证了所建立的电磁器件的性能；第二，基于拉普拉斯方程的数值解，采用逆数值方法设计了任意形状的外斗篷、聚焦器、旋转器等，并通过仿真证实了该设计方法的有效性；第三，基于传输线理论，建立了二维超材料平面电磁透镜的LC网络模型，并通过仿真进行了证实，实验工作正在进行。我们相信本论文有助于超材料电磁器件的设计,并促进超材料理论和技术的推广应用。
获奖情况
- 本作品在2011年**大学学生课外学术科技作品竞赛中获得特等奖。本作品的部分研究内容已整理成英文论文，共3篇论文，发表情况如下： 1、在国际会议3rd International Conference on Computer and Network Technology—ICSDDP（EI刊源会议论文）上发表，项目成员为第一作者。 2、被2011海峡两岸四地无线电技术研讨会（EI刊源会议论文）收录，项目成员为第一作者。 3、在Applied Physics A（SCI刊源期刊论文）上发表，项目成员为第四作者。
鉴定结果
- 2011年6月，我们分别请昆明物理研究所苏君红院士和昆明通用智能科技有限公司高级工程师杨杰对本作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景进行评价（详见推荐人信息）。专家认为，本作品具有创新性和推广价值。
参考文献
- [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.
同类课题研究水平概述
- 1968年，Veselago从理论上虚构了一种介电常数和磁导率为负数的材料(亦称左手材料或超材料)，并预测存在一系列奇异的电磁效应。2001年，Smith等人在《Science》杂志上发表论文，实验验证了微波频段左手材料的负折射效应，引起了科学界的轰动。2003年，左手材料的发现被《Science》杂志评为十大科学进展之一。2006年， Pendry和Smith等人提出了变换光学的理论（Science, 312: 1780-1782）,并在微波频段实验证实了电磁斗篷现象（Science, 314: 977-979），掀起了变换光学设计电磁器件的热潮。2008年，著名的杂志《Materials Today》将超材料与半导体一起列为过去50年材料科学研究的十大进展之一。2010年，《Science》杂志又将超材料列为过去十年的十大科技突破之一。可以预见，超材料与电磁学结合，必将引发电磁理论及应用技术的一场革命。 目前，在基于坐标变换的超材料电磁器件设计中，主要有三类方法：解析方法；数值方法；传输线法。解析方法最早是由Pendry和Smith等人提出的，他们首次用这种方法设计了电磁斗篷，自此之后，关于电磁斗篷的研究成果如雨后春笋般出现，各种不同形状的电磁斗篷纷纷问世。2008年，Schurig等人设计了基于电磁坐标变换方法的方形电磁斗篷以及圆柱形电磁聚焦装置；2009年，崔铁军等人利用这种变换方法设计出了椭圆柱形和圆柱形的电磁透明体。最近，我们设计了任意形状的电磁透明体，详细研究了其电磁性能，并探讨了其在天线保护中的应用。 2009年，胡进等人提出了通过求解拉普拉斯方程来设计电磁器件的逆数值方法，并基于此方法设计了电磁斗篷；最近，我们扩展了该方法，用逆数值方法设计了任意形状的外斗篷、聚焦器、旋转器等多种电磁器件，详细研究了它们的电磁性能，同时探讨了其应用前景。 2002年，Eleftheriades等人采用传输线实现了左手材料，此后传输线法被大量使用，例如，Iyer等基于传输线结构研究了电磁聚焦现象，Itoh等提出另一类传输线实现左手材料的方法。最近，我们建立了二维超材料平面电磁透镜的LC网络模型，编写了相关核心程序，与现有基于ADS软件的设计方法比较，该计算方法具有速度快、扩展性强等优点，这是本作品的另一创新点。
