微波超材料隐形结构及其新型快速实验方案

《微波超材料隐形结构及其新型快速实验方案》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第59卷第7期2010年7月物理学报Vol.59，No.7，July，20101000-3290/2010/59(07)/4607-05ACTAPHYSICASINICA2010Chin.Phys.Soc.*微波超材料隐形结构及其新型快速实验方案闻孺铭李凌云韩克武孙晓玮(中国科学院上海微系统与信息技术研究所射频与能源微系统技术实验室，上海200050)(2009年7月17日收到;2009年11月5日收到修改稿)基于Maxwell方程组在坐标变换下的协变性，利用柱坐标变换以及开口谐振环周期排列而形成的超材料设计了一个工作

2、于10.14GHz频率下的隐形结构.采用一种新型快速实验方案测量微波信号强度.实验结果表明在外围增加了隐形结构之后，圆柱金属的阴影和散射效应都被削弱，得到了预期的隐形效果.该实验系统降低了系统的结构复杂性并缩短了实验周期，为该领域的研究提供了一种新的简单有效的实验方案.关键词:隐形结构，超材料，坐标变换，Maxwell方程组PACC:4110H，4270Y，7430G换将电磁波引入目标区域.在顶盘上，装有一个同1.引言轴天线来测量目标区域内的电磁场.实验中，将样品放入目标区域，输入端产生微波波段的电磁波，根据Maxwell

3、方程组在坐标变换下的协变通过计算机控制步进电机沿两个垂直方向对整个［1］［2］［3］性，Leonhardt和Pendry等提出了一种基于坐区域内的电磁场进行逐点扫描，将传输信号S21通过标变换的电磁波隐形结构(cloakingstructure).近年MATLAB软件绘制出电磁场的分布图.来随着超材料(metamaterial)的研究进展［4—10］，这种该实验系统结构复杂，成本较高.由于需要对基于超材料的隐形结构具有了实现的可能性.2006约200×200个数据进行逐点扫描，再经过后台的计［11］算机运算得到整个场分布，

4、实验的时间周期较长.年，Pendry等首次在实验室中实现了微波频段内［12，13］本文采用了一种快速新型实验方案.该实验系统避超材料隐形结构.最近，Leonhardt和Nicolet等开整个场分布的测量，将焦点集中于隐形结构背后又提出了基于对非欧几里得空间进行坐标变换的特殊位置的信号强度的测量，来考察它对圆柱金属隐形结构理论，这一理论进一步拓展了该领域的发散射和阴影的影响.从而可以降低实验系统的结构展方向.复杂性，缩短实验周期.人们在理论上已经提出了很多隐形结构，并［14—16］且被计算机仿真所验证，但在具体物理上实2.隐

5、形结构设计现并进行测量的工作却相对较少.究其原因主要有两点:首先，隐形结构对电磁参数ε和μ的要求准二维隐形结构的设计采用较常用的柱坐标往往比较苛刻，给具体物理实现带来很多困难;其［3，18］［5］变换，而谐振单元采用开口谐振环(SRR).次，目前的一般实验方法是对整个场分布的测量，柱坐标变换将一个圆柱区域0

6、系统为例，两块平铝板平θ′=θ，(1b)行放置形成一个准二维区域.在底盘上，用裁成锯z′=z.(1c)齿状的吸波材料围成一个目标区域，用同轴波导转对应于该坐标变换，根据Maxwell方程在坐标*国家自然科学基金(批准号:60771058)和国家重点基础研究发展计划(批准号:2009CB320207)资助的课题.通讯联系人.E-mail:xwsun@mail.sim.ac.cn4608物理学报59卷变换下的协变性，要使电磁场不变，则ε和μ具有如将10层超材料用辐条制备成整个样品(如图2所下形式:示).r－aεr=μr=，(

7、2a)rrε=μ=，(2b)θθr－a2br－aεz=μz=().(2c)b－ar［10］在一定的近似下，ε和μ可以有更加简单的分布，2bεz=()，(3a)b－a2r－aμr=()，(3b)rμ=1.(3c)图2隐形结构样品θ从(3a)—(3c)式可以看出，该分布的εz和μθ都是常数，μr则是一个小于1的量.3.实验方案及结果分析μr小于1的材料可以采用如图1所示的SRR单元周期排列构成的超材料.由于连续变化的材料本文采用的实验系统如图3所示.在一个内腔在实现上不具可行性，而且理论计算表明，将连续尺寸为50cm×50cm

8、×1.5cm的铝盒内，将四个侧材料离散化为分层结构仍有不错的隐形效果，故采面用吸波材料贴上(输入端口和接收端口除外)，形用10层的离散结构.使用仿真软件对SRR进行仿成一个准二维的腔体.输入端口和接收端口分别通真，以10GHz为目标频点进行优化，调节每层上面过一个波导同轴转换器连接到矢量网络分析仪上.的