yb_90045_马华_超材料隐身套及新型功能器件的理论与设计研究

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1、--附件2论文中英文摘要作者姓名：马华论文题目：超材料隐身套及新型功能器件的理论与设计研究作者简介：马华，男，1974年1月出生，2006年4月师从于空军工程大学屈绍波教授，于2009年6月获博士学位。中文摘要超材料是指某些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，是近年来国际学术界的研究热点和前沿。超材料不单是一种材料形态，也代表一种新的材料设计理念，给人们在世界观和方法论上带来革命性的改变。借助于超材料的超常物理性质，可以实现具有某种奇异功能或者比同类传统器件在性能上更加优越的新型功能器件，在隐身技术、电子对抗、雷达成像、微波技术等领域具有重要的应用价值。超材料

2、以及超材料隐身技术分别于2003年、2006年被《Science》杂志评为年度十大科学进展之一，美国等西方国家将其列为具有战略意义的科学问题和关键技术进行研究。本文立足于超材料及功能器件这一国际研究热点，以超材料隐身套及新型功能器件在军事上的应用需求为背景，在国家自然科学基金重点项目(左手材料的设计、制备和物理效应研究，50632030)及面上项目（基于电畴与磁畴共振特性的左手复合材料的研究，10474077；基于电谐振器与磁谐振器的陶瓷基左手材料的研究，60871027）、“863”探索基金（超材料隐身技术探索研究，2005AA000200）、总装探索研究项目（具有奇异特性的左手材

3、料，7130503）等的资助下，围绕超材料隐身套和新型功能器件的物理机制、设计原理和方法等关键科学问题进行了深入的理论研究、计算仿真和实验验证，特别在弱对称形状隐身套、开口隐身套、波形保持媒质和左右手界面波导等方面进行了开创性研究，取得了突出的学术成果。主要研究内容和创新点如下：1、超材料隐身套参数设计的解析理论----2006年，英国物理学家Pendry等人在《Science》上撰文，提出了用超材料套实现完美隐身的思想并建立了Pendry公式。Pendry公式只适用于设计真空背景中的隐身套，且当时Pendry只导出了圆柱体和球体两类简单形状的隐身套参数方程。因此，研究复杂背景中、具

4、有弱对称性或非对称性形状隐身套的设计问题，成为超材料隐身套技术实用化的必然要求。本文运用坐标变换理论，提出了适用于各种背景介质类型的隐身套参数设计方法，得到了Pendry公式的一般形式。采用线域压缩形式，建立了椭圆柱、旋转椭球、棱柱等规则形状隐身套参数方程，并将其推广到同类形状声波隐身套的设计上。同时，基于物理上实现隐身套的需要，研究了柱体隐身套参数方程的简化方法，分别在TE和TM模式下得到了椭圆柱隐身套参数方程的简化形式。这些工作为采用简单模型的组合来构建复杂形状隐身套奠定了基础。主要创新点：首次建立了椭圆柱、旋转椭球等规则形状以及适用于各种背景介质类型的隐身套参数方程，突破了原有

5、隐身套设计仅有圆柱、球体两类对称模型的限制，解决了弱对称形状隐身套设计的难题，为用简单模型组合来构建复杂隐身套奠定了重要的理论基础。2、复杂形状隐身套参数设计的数值理论隐身套参数设计的基础是坐标变换理论，在实施空间拓扑变换时必须明确变换点之间的坐标对应关系。不规则或复杂形状物体通常很难用解析方法描述其几何特征，难以建立变换点坐标之间的解析关系，这对于设计具有实际应用价值的复杂形状隐身套是一个极大的难题。因此，必须建立任意形状隐身套参数设计的近似方法和数值理论。本文采用拓扑变换理论，研究了任意形状隐身套参数设计的理论与方法。首先，基于同胚拓扑思想，提出了等位置面和轨迹线的概念，并以之描

6、述空间压缩变换。在此基础上，提出了将任意形状隐身物体近似为多面体的设计思路，将等位置面和轨迹线分别简化为平面和直线，克服了复杂形状难以解析描述的困难。最后，基于同胚映射和多面体近似的思想，建立了复杂形状隐身套参数设计的数值理论。主要创新点：将同胚拓扑理论应用于隐身套设计领域，建立了任意形状隐身套设计的近似方法和数值理论，为实现复杂形状封闭隐身套的工程化设计----奠定了基础。该思想和方法也可推广应用于声波隐身套的设计。3、开口隐身套及其一般设计方法在此之前，人们研究的主要内容是封闭隐身套，这类隐身套虽然隐身性能完美，但在工程中并不实用。因为多数隐身物体都不允许被完全封闭，尤其对于飞行

7、器，运动过程中需要与外界进行物质、能量以及信息的交换，必然要求隐身套具有相应的开口。所以，研究开口隐身套的设计与构建方法是超材料隐身技术实现工程化应用的必然要求。本文提出了开口隐身套的概念，并基于背景参数替代的思想建立了一般设计原则和方法。首先，根据开口中心位置选择坐标变换的基点，使其位于隐身套的外表面以保证该基点处的套层厚度足够薄。其次，合理选择等位置面和轨迹线的大小、形状及位置，使其对应的拓扑变换在基点及其邻域内。最后，通过坐标变换法求解开口隐身套的参