變換光學在天線設計中的理論與套用研究

《變換光學在天線設計中的理論與套用研究》是依託北京交通大學，由張展擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：變換光學在天線設計中的理論與套用研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張展
• 依託單位：北京交通大學

項目摘要

變換光學理論的提出賦予物理世界一個可以自由操控一切電磁現象的美好願景，為電磁元器件的設計提供了全新的思路。本課題希望藉助變換光學獨特的設計理念，為天線設計注入新的活力並開創出新的途徑。本課題首先針對變換光學在天線設計中遇到的兩大突出問題展開了深入細緻地理論探索，其一是考慮到天線設計和結構的複雜性，如何選擇適當的坐標變換，其二是如何使用各向同性的純電介質來實現簡單和寬頻的設計，依照最佳化反演的思路，對以上問題分別提出了有效的解決方案。此外，充分挖掘變換光學在天線設計中的套用潛力也是本課題的研究重點，從變換光學的獨特優勢出發，分別對微帶天線介質層結構，新型天線罩和新型饋電源的設計提供了全面深度的設計方案。

結題摘要

本科題旨在運用變換光學的設計理念, 為天線的設計注入新的活力。首先我們對把變換光學引入到天線設計中可能遇到的難點進行了分析，提出了從變換後想得到的場分布出發，逆向反演坐標變換關係，進而求出實現變換空間所需要的材料參數。根據這種逆向變換光學的理念，結合圓形貼片的空腔模型和相關理論，通過改變傳統介質板的材料參數分布，實現了天線圓極化的設計。此外我們還提出了一種新穎的利用變換光學設計超表面的方法，從某種意義上，這個超表面可以看成厚度足夠小的透鏡，允許近似為一表面電流和磁流，可以調控上下兩個表面的電場和磁場來得到想要的散射或反射特性，逆向得出坐標變換關係，進而推算出其結構參數。利用上述的設計理念，我們設計出一種可以自由調控方向的反射面和漏波天線，表面波轉化器以及線極化到圓極化的轉換表面。另外一個研究的重點是簡化材料參數，目前最有效的減小材料各向異性的方法是二維的準共形變換理論。本科題將該理論延伸到三維的共形陣列天線的設計中，提出一種可用常規塑膠介質打孔即可實現的純電介質透鏡，將此透鏡罩在共形陣列天線表面可以令其在最大輻射方向上等效於同參數的平面陣列天線。此外我們利用變換光學中源的變換，提供了一條利用平面的天線陣的設計來實現與之輻射特性一致的共形陣列設計的途徑。首先我們可以把天線陣看成相應的連續的電流源的離散形式，從連續的電流分布入手是天線陣綜合主要方法之一。而成熟的方法主要基於平面陣，而我們的研究希望藉助變換光學源的變換，把原來線或平面分布的連續電流源或磁流源通過坐標變換，得到共形面上的源的分布，然後通過離散和天線等效，填充變換媒質，來實現共形天線陣和平面源的等效。針對天線也是一個有源結構，當處於變換空間中，其饋電的方向和大小也應發生變化，然而，目前來講源的變換都是針對理想的電流或磁流源，我們通過格林函式和利用邊界條件，推導出天線饋電源在變換空間中因遵循的變換關係。研究成果在包括Optics Express，IEEE AWPL在內的本領域重要期刊和國際會議上發表論文共10篇，其中SCI5篇，EI5篇（還有部分成果在準備發表中），培養碩士生6名。項目負責人及項目組成員參加國際會議總計5人次。