基于线变换的椭圆柱外隐身斗篷的设计研究

基于线变换方法与互补媒质理论提出了线变换下的椭圆柱外隐身斗篷,并得到了相应外隐身斗篷材料本构参数张量的表达式.根据导出的本构参数张量,利用电磁仿真软件分别对不同长度线段的外斗篷进行了仿真验证,仿真结果证实了所得到的本构参数张量的正确性.这种外斗篷的材料参数只在轴向变化,横向参数为常数,易于用超介质制备.考虑到损耗对隐身效果的影响,得到了引入损耗后的外斗篷磁场分布.最后给出了本构参数的分布.本文的研究为利用超介质制备外隐身斗篷提供了一种新的可行的方法.     

二维椭圆形散射转移斗篷的设计研究

基于变换光学理论设计了椭圆形散射转移斗篷,并推导了相应的本构参数张量表达式,根据得到的本构参数,利用基于有限元算法的软件分别对椭圆形介质柱、导体柱进行了全波仿真验证.仿真结果证实了所得本构参数的正确性,验证了散射转移斗篷可以模拟任意物体,包括介质、导体的幻象,这些结果为设计隐身斗篷提供了一种新的理论途径.     

基于拉普拉斯方程的任意形状热斗篷研究与设计

如何灵活地控制和操纵热流是目前研究的热点.本文基于拉普拉斯方程提出了一种设计任意形状热斗篷的方法.对于形状规则的热斗篷,在特定边界条件下求解拉普拉斯方程得到了斗篷区域材料的热导率分布解析表达式;对于不规则形状的热斗篷,通过数值求解拉普拉斯方程得到了斗篷区域材料的热导率参数分布.全波仿真结果表明,所设计的二维和三维任意形状热斗篷内部隐身区域的热通量为零,从而具有热保护功能;同时,热流绕过斗篷后温度场恢复原来的分布,实现了完美隐身功能.这项研究为解决热斗篷内外边界非共形问题提供了一种可行的方法,对热保护器件的设计和制备有指导意义.     

基于主动声学超材料的圆柱声隐身斗篷设计研究

基于多层复合材料结构的二维声隐身斗篷设计思想, 利用主动隔膜声学空腔有效密度可以任意控制这一特性, 设计了主动声学超材料下的无限长圆柱声隐身斗篷. 给出了主动隔膜声学空腔单元的声电元件类比模拟电路图和具体的有效密度控制方法. 进行了主动声学超材料声隐身斗篷的结构建模, 并对平面入射波入射下此圆柱隐身斗篷周围声压分布场进行仿真计算. 结果表明, 平面波在一定频率范围内可以毫无阻碍地透过圆柱斗篷, 似乎不存在这种障碍物, 达到声隐身效果. 同时, 计算了主动声材料斗篷下总散射截面随频率变化曲线, 研究了此斗篷隐身效果随频率的变化特性. 本文从主动控制角度探讨实验实现隐身斗篷的技术问题, 有望给声隐身斗篷实验设计提供一条新的技术途径.     

任意横截面柱形热斗篷研究与设计

基于变换热力学,导出了具有非共形任意横截面的柱形热斗篷热导率表达式,并在此基础上设计了具有非共形横截面的柱形热斗篷.全波仿真结果表明,热斗篷迫使外部热流绕过斗篷,导致隐身区域热通量为零,从而具有热保护功能;同时,热流绕过斗篷后将恢复原来的温度场分布,使其具有完美热隐身功能.此外,基于所导出的变换媒质热导率表达式,设计并求解了具有规则共形和非规则共形横截面的柱形热斗篷,发现它们同样具有热保护和完美热隐身功能.这表明通过选择适当的边界函数,所得变换媒质热导率表达式可用于设计任意横截面柱形热斗篷,具有普遍的适用性,这种技术在计算机芯片、卫星和航天器等的热保护中有潜在应用.     

热斗篷结构传输特性的(火积)评估模型

作为一类热隐身超材料,热斗篷结构以良好的热防护和隐身特性在航天飞行器、遥感卫星、计算机芯片表面等处得到了广泛的应用。本文基于铜和PDMS材料交替而成的多层环形超材料结构,结合实际应用,在传统圆环形热斗篷的基础上,设计出两类超材料热保护器外形——梭形和导弹形的计算模型。利用ANSYS FLUENT14.5软件分别对三种热斗篷模型和无防护涂层的平板展开数值模拟。利用(火积)理论建立热力学评价指标。最终得到对两种优化模型热隐身效果分别在不同温差下(火积)评估指标随时间的分布情况。     

任意多面体隐身罩材料参数的推导及验证

基于坐标变换理论推导了任意多面体隐身罩的隐身条件,并得到了相应隐身罩材料参数的张量表达式.根据导出的材料参数的张量表达式,通过全波仿真分别对正四面体和十四面体隐身罩进行仿真验证,仿真结果证实了所得材料参数张量表达式的正确性,研究结果为三维复杂形状隐身罩的设计奠定了理论研究基础. 关键词： 坐标变换 多面体隐身罩 张量表达式 全波仿真     

一种适用于对称截面的主动式热斗篷的研究

直接求解导热方程对具有自适应热源的可控式热隐身技术进行数值研究，探索热流控制方法及隐身效果，推导出均匀背景下二维对称截面热斗篷热隐身区域自适应热源分布的通解.仿真结果表明：对于任意对称截面斗篷，自适应热源都能使得扰动后的温度场很好地恢复到背景温度场，达到热隐身的目的.     

正N边形柱的隐身条件的严格推导及其隐身特性验证

基于坐标变换理论,提出并推导了正N边形柱的隐身条件,并得到了相应隐身罩材料本构参数张量的通解表达式. 根据导出的本构参数张量,利用电磁仿真软件分别对N取不同值时的三个典型算例进行仿真验证. 仿真结果证实了所得到的本构参数张量的正确性. 考虑到损耗对于隐身效果的影响分析,这些分析结果为隐身物理机理的进一步理解,以及降低对称度隐身罩的设计奠定了理论基础.     

基于亥姆霍兹共振的超薄弧形声学超表面地毯斗篷

利用局部相位补偿调制的方式设计了一种超薄的弧形声学超表面地毯隐身斗篷.该斗篷由52个亥姆霍兹空腔共振结构单元组成,且结构单元厚度小于波长的0.2倍.数值模拟结果显示:文中所设计的隐身斗篷在深亚波长范围内隐身效果良好,其工作频宽为5850—7550 Hz.进一步探究声波斜入射时地毯斗篷的工作效果,发现在30°的入射角范围内都具有良好的隐身效果.此外,利用余弦相似度(cosine similarity, CSI)函数精确量化分析了该隐身斗篷的工作性能,计算结果展示,在斗篷工作的带宽范围内,覆盖斗篷后的CSI值趋近于无斗篷覆盖地面的CSI值,展示了其在的良好隐身性.本文所设计的斗篷均以超薄的亥姆霍兹共振结构为组成单元,结构简单,易于实现,有利于未来的实际应用.     

Design of two-dimensional elliptically cylindrical invisible cloaks with multiple regions

Two-dimensional(2D) elliptically cylindrical invisible cloaks with multiple regions are designed based on the transformation optics and the complementary media theory. Multiple invisible cloak regions can be obtained by properly using the compressed or folded transformation in each space layer. The constitutive parameter tensor expressions for each region have been obtained. The results of full wave simulations by using finite element software confirm the validity of the constitutive parameter tensor expressions. In addition, the parameters are relatively easier to realize.     

While rotating while cloaking

Invisible optical and thermal cloaking have been explored as the typical demonstrations of the transformation optics and thermotics theory. However, the existing cloaks are realized by only one-coordinate transformation, and the cloaking layout, i.e. the form of electromagnetic wave/heat passing around the invisible region, is single for a long time. Here, we propose a new rotated thermal cloak which can unify the conventional cloaking and rotating together, and realize the while-rotating–while-cloaking effect. The required anisotropic thermal conductivity tensor is deduced from the new geometric mapping. Though rotated, the heat flux can be tuned around the central invisible region perfectly by the proposed rotated thermal cloak. The underlying physics is explored by comprehensive analysis of the distribution of the thermal conductivity tensor, which is further compared with those of the conventional cloak and rotator. The experimental feasibility is also discussed by validating the practical while-rotating–while-cloaking effect through a proof-of-concept design. The proposed rotated thermal cloak is expected to extend the possibility of cloaking scheme, and open avenues for the multiple coordinate transformation in counterpart physical fields, like optics, electrics, acoustics, magnetics, mechanics, etc.     

Multi-window invisible cloaks

This paper reports that a general method of designing invisible cloaks is using variant constitutive material parameters to realize the space transformation. A hollow region can be hidden after this transformation. It was recently shown (Ma H, Qu S B, Xu Z and Wang J F 2009 \wx{Appl. Phys. Lett.}{94} 103501) that when the original point moves to the boundary of a cloak, the cloak can be designed to be open. Based on this theory, we propose multi-window invisible cloaks which can conceal a group of objects. Full wave simulations for invisible cloaks with regular and irregular shapes verified this method.     

Nonsingularity in two-dimensional cylindrical invisible cloaks

The method of designing electromagnetic invisible cloaks is usually based on the form-invariance of Maxwell's equations in coordinate transformation. The exterior boundary of a cylindrical invisible cloak is unchanged and the interior boundary is extended from that of a point to that of a cylindrical region in coordination transformation. This transformation process makes perfect cloaks, but it causes singularity in the constitutive material parameters of cloaks. This singularity makes the cloaks impossible to realize in practice. In order to remove this singularity, this paper sets a small cylindrical region replacing a point in the space transformation. The cylindrical region is so small that it does not affect the invisibility effects, but it can remove the singularity for material parameters. Full wave simulations based on the finite element method were used to verify the designed cloaks.     

一种有场旋转和集中功能的新型多功能电磁器件的设计与研究

基于变换光学理论设计了一种新型的多功能电磁器件—旋转集中器.它以特殊的方式引导电磁波使其传播方向在器件核心区发生指定角度的旋转,并同时实现电磁场能量向该核心区的集中.针对提出的三种等效的旋转集中器结构,分别推导了相应的本构参数表达式,并利用有限元软件对三种结构分别进行了全波仿真.仿真结果验证了本构参数表达式的正确性.这三种不同的结构中,前两种结构由三层介质构成,后一种简化为两层介质.对于给定的任意旋转角度和能量集中率,三种结构可以使电磁场发生等效的传播方向旋转和能量集中两种效果.这些结果有助于对旋转器和集中器机理的进一步理解,并为复合功能器件的设计奠定了更充分的理论基础.本文提出的旋转集中器在设计高效率接收天线和特殊电路封装互联器件等方面都有潜在的应用前景.     

三维椭球隐身条件的严格推导及其隐身特性验证

基于坐标变换理论,提出并推导了任意轴比下三维椭球的隐身条件,得到了相应隐身罩材料本构参数张量的通解表达式.根据导出的本构参数张量,利用电磁仿真软件分别对不同轴比的三个典型算例进行仿真验证.仿真结果证实了所导出的本构参数张量的正确性.这些分析结果为隐身物理机理的进一步理解,以及三维隐身罩的设计奠定了更充分的理论基础.     

正N边形柱的隐身条件的严格推导及其隐身特性验证

基于坐标变换理论,提出并推导了正N边形柱的隐身条件,并得到了相应隐身罩材料本构参数张量的通解表达式. 根据导出的本构参数张量,利用电磁仿真软件分别对N取不同值时的三个典型算例进行仿真验证. 仿真结果证实了所得到的本构参数张量的正确性. 考虑到损耗对于隐身效果的影响分析,这些分析结果为隐身物理机理的进一步理解,以及降低对称度隐身罩的设计奠定了理论基础. 关键词： 坐标变换 非均匀各向异性介质 本构参数张量 隐身     

Novel multifunctional optical device with only axial material parameter spatially variant

Based on the concept of complementary media and theory of coordinate transformation,a novel kind of optical device,exhibiting the multiple performances of a complementary cloak and a transparent device,is proposed.Only the axial material parameter of the proposed device is spatially variant,and the transverse material parameters are constant.The multiple functions of the proposed device are validated by full wave simulations.In addition,the effects of loss and parameter perturbations on the performances of the device are also investigated.These results can be used in field of antenna protection and other electromagnetic field engineering.