貼片型左手超材料的傳輸性能分析和構(gòu)型設計優(yōu)化.pdf

1、本文在經(jīng)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(shù)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。控制左手傳輸衰減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(xiàn)實意義?；诖耍疚姆謩e從理論解析和數(shù)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設計研究。主要研究內(nèi)容包括：
　　⑴現(xiàn)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(zhì)實現(xiàn)負折射率的三種情形。進而，研究了已有貼片構(gòu)型左手超材料的左手傳輸性能，發(fā)現(xiàn)強磁諧振是開口環(huán)類構(gòu)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(gòu)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。
　　⑵細圓金屬

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(shù)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(gòu)型的尺寸參數(shù)對帶寬性能的影響，發(fā)現(xiàn)最敏感的參數(shù)是外徑。研究了諧振環(huán)構(gòu)型的材料參數(shù)對左手傳輸性能的影響，發(fā)現(xiàn)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(jié)果，借助參數(shù)化建模技術(shù)和有限差分求敏度的方法提出了正多邊形諧振環(huán)構(gòu)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(jié)果大間距正方形諧振環(huán)的合理性。
　　⑶超材料電磁性能仿真方法研究：①研究了有限元網(wǎng)格對超材料結(jié)構(gòu)電磁性能仿真分析精度的影響，發(fā)現(xiàn)等效電磁參數(shù)的反演精度對散射參數(shù)準確度的依賴性非常大，特別是處在諧振頻域的透射參數(shù)相位誤差將導

5、致反演的性態(tài)誤差?；谠摪l(fā)現(xiàn)，提出了改進結(jié)構(gòu)電磁有限元求解準確度的兩步式分析方法，通過設置恰當?shù)那蠼忸l率可獲得高準確度的散射參數(shù);數(shù)值算例表明新方法可有效且經(jīng)濟地提高仿真分析的準確度。②研究了不同周期數(shù)下結(jié)構(gòu)胞元間的電磁耦合對其散射特性的影響，發(fā)現(xiàn)超材料胞元微結(jié)構(gòu)的均勻度是其影響的關(guān)鍵?；诖私⒘丝紤]結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的數(shù)值結(jié)果可以快速且較準確地預測任意有限周期胞元結(jié)構(gòu)的散射參數(shù);數(shù)值算例表明五

6、層模型具有高性價比的求解優(yōu)勢。
　　⑷貼片型左手超材料改進傳輸性能的微結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計方法。以射頻段左手傳輸?shù)钠骄p與其絕對帶寬的比值為目標函數(shù)，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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果給出了三種貼片新構(gòu)型;重分析結(jié)果表明新構(gòu)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(xiàn)半高尺寸的類U型結(jié)構(gòu)是其實現(xiàn)低衰減寬帶傳輸性能的核心