低频超（人造）材料的分析、设计理论与方法及其工程应用

Metamaterials have great potentials in microwave engineering and optics, electrical and electronic engineering due to their exclusive characteristics of electromagnetic response. Moreover, in the last score years, metamaterials have made a promising breakthrough in microwave engineering and optics. However, the low frequency metamaterial study has only 5 years time span. However, metamaterials at low frequencies are not totally analogous of available metamaterials or simple extension of them. The low frequency regime implies that the size and dimension of all the related objects are in the range of subwavelength, which leads to the long range interaction between constituents of metamaterials. When conventional metamaterials are scaled to the low frequencies, their constituents and the period of array are impractically large. To make things worse, extreme parameters and losses of the corresponding material restrict direct application of these scaled metamaterials. All these challenges ask for the introduction of novel mechanism into metamaterials. However, it is believed that, many bottlenecks of power storage and conversion, at low frequencies, can be removed given the implementation of metamaterials at frequencies ranged from DC to RF frequency band. In this regard, it is proposed to conduct research on " Analysis and design of metamaterials (artificial materials) in low frequencies regime with application to power engineering". More specially, the neck bottle problems to be addressed include: the development of compact and low loss metamaterail unit, the performance analysis model and method of low frequency metamaterials, and the design and optimization method of low frequency metamaterials.

电磁超材料具有天然媒质所不具备的超常物理性质,在微波与光学、电气与电子工程等工程领域有着广阔的应用前景。在过去的几十年中，超材料的研究和应用呈现出加速发展的态势，取得了丰硕的理论和应用成果。相对而言，低频超材料在电气工程领域的研究和应用仅有5年的历史。同时，低频超材料并不完全等同于现有的高频超材料或者是其简单的扩展。当扩展到低频率时，现有超材料基元及其阵列将变得十分庞大。极端参数和固有的巨大材料损耗更限制了这些超材料在低频领域的应用。然而，一旦解决上述这些理论和技术瓶颈问题，构造出从直流到射频段的理想超材料，则制约电磁装置/系统电能存储和转换的很多理论和技术瓶颈都将迎刃而解。为此，申请项目进行“低频超（人造）材料的分析、设计理论与方法及其工程应用”研究。重点解决紧凑化、微型化低损耗低频超材料基元设计、低频超材料电磁性能分析理论与计算方法，以及低频超材料优化设计理论与计算方法。

电磁超材料具有天然媒质所不具备的超常物理性质,在微波与光学、电气与电子工程等工程领域有着广阔的应用前景。在过去的几十年中，超材料的研究和应用呈现出加速发展的态势，取得了丰硕的理论和应用成果。相对而言，低频超材料在电气工程领域的研究和应用仅有5年的历史，其研究尚处于起步阶段。具体来说，目前低频超材料的分析方法仍基本沿用高频超材料的分析方法，其物理图景在低频近场情形下不明晰，仿真、实验等已有成果亦难以适用于低频准静态电磁场；现有的低频超材料工程应用局限性较大，尚未取得突破性进展。为此，申请项目的主要研究内容包括紧凑化、微型化低损耗低频超材料基元设计、低频超材料电磁性能分析理论与计算方法，以及低频超材料优化设计理论与计算方法。. 本项目研究取得的重要成果包括：（1）提出了低频超材料的制造方法以及适合低频情形的超材料基元仿真方法；（2）首次提出了一维堆叠式超材料及其等效磁导率测量方法；（3）提出了针对含超材料低频近场电磁系统的两种时域有限元数值计算方法；（4）提出了低频超材料的欧拉-拉格朗日法建模方法；（5）首次提出了超材料芯涡流无损探伤探头和超材料芯同心式变压器两项创新性工程应用；（6）提出了超材料基元的分布参数等效电路模型；（7）提出了一种基于单目标元胞遗传算法，根据决策者的偏好区分主次优化目标的多目标优化方法；（8）提出了一种基于多目标遗传算法的超材料基元优化设计方法。. 电磁超材料是具有奇异电磁特性的一类新型人工电磁材料，其负磁导率/负介电常数等性质极大扩展了电磁参数的取值范围，开拓了电磁场领域全新的研究空间。本项目对完善低频超材料理论和分析方法、理解低频超材料工作原理有重要意义。本项目提出的一维堆叠式超材料及其创新性工程应用极大地推动了低频超材料在电气工程领域的实际工程应用，具有重大的实践价值，对未来新型电磁装置和电磁系统的研发提供了新思路。