貼片型左手超材料的傳輸性能分析和構型設計優(yōu)化.pdf

1、本文在經典物理學框架下論述了左手超材料的起源、分類和特性應用，其研究憑借日新月異的材料制備技術獲得了長足的發(fā)展，尤以基于諧振機理的貼片型左手超材料為最。負折射率是左手超材料最核心的特異屬性，其表征的左手傳輸性能是諸多電磁器件應用的基本前提?？刂谱笫謧鬏斔p和拓大其帶寬是左手超材料廣闊應用前景的需求，同時也對當前飛速發(fā)展的射頻段電磁器件具有特別重要的現實意義?；诖?，本文分別從理論解析和數值仿真兩種途徑開展了貼片型左手超材料的傳輸性能分析

2、及其在尺寸、形狀和拓撲等三種層次的結構優(yōu)化設計研究。主要研究內容包括：
　?、努F有貼片型左手超材料的傳輸性能分析。首先，給出了折射率完整的解析表達式，并介紹了磁性介質實現負折射率的三種情形。進而，研究了已有貼片構型左手超材料的左手傳輸性能，發(fā)現強磁諧振是開口環(huán)類構型具備大帶寬優(yōu)勢的機理，但同時也造成其衰減高的不足;繪制了已有構型左手超材料傳輸性能的雙軸分布圖，點明了左手超材料的設計目標:低衰減的寬帶傳輸性能。
　?、萍殘A金屬

3、棒與開口諧振環(huán)列陣電磁性能分析的修正理論模型和尺寸優(yōu)化設計：①推導了細圓金屬棒和開口同心金屬環(huán)周期性列陣電磁特性分析的理論模型，修正了Drude模型中電等離子體頻率和阻尼因子表達式，改進了Pendry模型中磁諧振頻率的表達式;數值算例表明改良的理論模型具有更高的預測準確度。②研究了諧振環(huán)構型的尺寸參數對帶寬性能的影響，發(fā)現最敏感的參數是外徑。研究了諧振環(huán)構型的材料參數對左手傳輸性能的影響，發(fā)現其在低衰減性能設計方面存在較大局限。③基于尺

4、寸敏度分析的結果，借助參數化建模技術和有限差分求敏度的方法提出了正多邊形諧振環(huán)構型相對帶寬最大化的形狀-尺寸協(xié)同設計，并采用了序列二次規(guī)劃法和枚舉歸納法對其進行分步式求解;通過改進的磁諧振理論模型定性討論了最優(yōu)結果大間距正方形諧振環(huán)的合理性。
　?、浅牧想姶判阅芊抡娣椒ㄑ芯浚孩傺芯苛擞邢拊W格對超材料結構電磁性能仿真分析精度的影響，發(fā)現等效電磁參數的反演精度對散射參數準確度的依賴性非常大，特別是處在諧振頻域的透射參數相位誤差將導

5、致反演的性態(tài)誤差?；谠摪l(fā)現，提出了改進結構電磁有限元求解準確度的兩步式分析方法，通過設置恰當的求解頻率可獲得高準確度的散射參數;數值算例表明新方法可有效且經濟地提高仿真分析的準確度。②研究了不同周期數下結構胞元間的電磁耦合對其散射特性的影響，發(fā)現超材料胞元微結構的均勻度是其影響的關鍵?；诖私⒘丝紤]結構胞元間電磁耦合影響的五層模型，通過解耦少量樣本胞元結構的數值結果可以快速且較準確地預測任意有限周期胞元結構的散射參數;數值算例表明五

6、層模型具有高性價比的求解優(yōu)勢。
　?、荣N片型左手超材料改進傳輸性能的微結構拓撲優(yōu)化設計方法。以射頻段左手傳輸的平均衰減與其絕對帶寬的比值為目標函數，以磁諧振貼片的離散化方格子材料的有無為設計變量，建立了貼片型左手超材料的微結構構型設計的拓撲模型以及基于遺傳算法的優(yōu)化求解流程。根據拓撲優(yōu)化結果給出了三種貼片新構型;重分析結果表明新構型具有更優(yōu)良的左手傳輸性能，進一步的電磁場分析發(fā)現半高尺寸的類U型結構是其實現低衰減寬帶傳輸性能的核心