变换光学在天线设计中的理论与应用研究

变换光学理论的提出赋予物理世界一个可以自由操控一切电磁现象的美好愿景，为电磁元器件的设计提供了全新的思路。本课题希望借助变换光学独特的设计理念，为天线设计注入新的活力并开创出新的途径。本课题首先针对变换光学在天线设计中遇到的两大突出问题展开了深入细致地理论探索，其一是考虑到天线设计和结构的复杂性，如何选择适当的坐标变换，其二是如何使用各向同性的纯电介质来实现简单和宽频的设计，依照优化反演的思路，对以上问题分别提出了有效的解决方案。此外，充分挖掘变换光学在天线设计中的应用潜力也是本课题的研究重点，从变换光学的独特优势出发，分别对微带天线介质层结构，新型天线罩和新型馈电源的设计提供了全面深度的设计方案。

本科题旨在运用变换光学的设计理念, 为天线的设计注入新的活力。首先我们对把变换光学引入到天线设计中可能遇到的难点进行了分析，提出了从变换后想得到的场分布出发，逆向反演坐标变换关系，进而求出实现变换空间所需要的材料参数。根据这种逆向变换光学的理念，结合圆形贴片的空腔模型和相关理论，通过改变传统介质板的材料参数分布，实现了天线圆极化的设计。此外我们还提出了一种新颖的利用变换光学设计超表面的方法，从某种意义上，这个超表面可以看成厚度足够小的透镜，允许近似为一表面电流和磁流，可以调控上下两个表面的电场和磁场来得到想要的散射或反射特性，逆向得出坐标变换关系，进而推算出其结构参数。利用上述的设计理念，我们设计出一种可以自由调控方向的反射面和漏波天线，表面波转化器以及线极化到圆极化的转换表面。另外一个研究的重点是简化材料参数，目前最有效的减小材料各向异性的方法是二维的准共形变换理论。本科题将该理论延伸到三维的共形阵列天线的设计中，提出一种可用常规塑料介质打孔即可实现的纯电介质透镜，将此透镜罩在共形阵列天线表面可以令其在最大辐射方向上等效于同参数的平面阵列天线。此外我们利用变换光学中源的变换，提供了一条利用平面的天线阵的设计来实现与之辐射特性一致的共形阵列设计的途径。首先我们可以把天线阵看成相应的连续的电流源的离散形式，从连续的电流分布入手是天线阵综合主要方法之一。而成熟的方法主要基于平面阵，而我们的研究希望借助变换光学源的变换，把原来线或平面分布的连续电流源或磁流源通过坐标变换，得到共形面上的源的分布，然后通过离散和天线等效，填充变换媒质，来实现共形天线阵和平面源的等效。针对天线也是一个有源结构，当处于变换空间中，其馈电的方向和大小也应发生变化，然而，目前来讲源的变换都是针对理想的电流或磁流源，我们通过格林函数和利用边界条件，推导出天线馈电源在变换空间中因遵循的变换关系。研究成果在包括Optics Express，IEEE AWPL在内的本领域重要期刊和国际会议上发表论文共10篇，其中SCI5篇，EI5篇（还有部分成果在准备发表中），培养硕士生6名。项目负责人及项目组成员参加国际会议共计5人次。