离散光学变换理论及其应用

The theory of optical transformation, together with the concept of metamaterials, has inspired a series of new concept devices and antennas. However, the strict optical transformation theory usually brings in complicated parameters for the transformation media, which is still far away from real applications. To solve this key problem, the applicants will adopt the idea of spatially-discretized optical transformation, and propose the method of multiple-step discrete optical transformation. Based on this theory, and assisted by the technique of ray tracing to construct quasi-orthogonal grids inside the transformation space, one is able to significantly extend the applicability of discrete optical transformation. The target of this project is to build up a methodology with high applicability, reliability, and flexibility for designing novel devices and antennas with compact size, controllable profile, wide operating bandwidth and high efficiency. The method will be applied to design a series of novel functional microwave devices and antennas, including a flattened dual-reflector antenna, a compact pyramidal absorber and a Bessel lens with controllable profile. All these designs will be realized using non-resonant metamaterials, fabricated, and experimentally tested in our 2D and 3D, near-field and far-field testing systems. This project targets to theoretically and experimentally lay a foundation for the application of metamaterials and optical transformation, and therefore has its significance for science and technology.

光学变换理论与人工电磁媒质的结合,孵化出一系列新概念器件和天线。然而由严格的光学变换理论推导出的材料参数往往相当复杂，离实际应用尚有很大差距。针对这一难点，申请人及项目组成员将采用对光学变换进行空间域离散、对离散空间进行分级处理的方案，建立多级离散光学变换理论，并辅以光线追踪技术构造准正交离散网格，克服单级离散光学变换在工程应用中的局限性，建立起一套适用性强、可靠性高、变通性好的理论用于设计体积减小、外形灵活可控、频段宽、效率高的新型器件和天线。该理论方法将被应用于设计一系列新型微波器件和天线，包括：表面平坦的双反射面天线、厚度压缩的尖劈吸波器和外形可控贝塞尔透镜等。这些设计将采用非谐振式人工电磁媒质单元阵列来实现，并且在二维和三维的近、远场实验平台中对样品进行实验验证。本项目为人工电磁媒质在微波器件和天线系统中的应用给出了理论基础和实验依据，具有较高科研价值。

新型人工电磁媒质是将特定几何形状的亚波长宏观单元周期或非周期地排列所组成的人工媒质，可以通过设计宏观单元来控制媒质的电磁特性。光学变换理论与人工电磁媒质的结合为人们控制电磁波传播提供了独特而有效的手段。但由于采用严格光学变换理论设计出的器件和天线往往具有复杂的材料参数，因此应用范围非常受限。为了让光学变换和新型人工电磁媒质的优势真正落实在工程应用中，本项目采用对光学变换进行空间域离散、对离散空间进行分级处理的方案，针对“离散光学变换的理论及应用”这一问题进行了深入研究。经过三年的努力，项目组完成了预定的研究任务，并根据国内外发展动态拓展了研究范围。主要研究内容和取得的成果包括：..1、建立了多级离散光学变换的理论。理论分析了通过过渡边界进行链式保角变换的可靠性和准确性，解决了复杂变换空间边界导致变换奇点的问题，实现了光学变换材料电磁参数的简化。..2、提出了多种人工电磁媒质单元结构。开发了多种三维和二维的各向同性/各向异性单元结构，可应用于实现不同性能要求的设计。开发了多种可调控单元结构，可应用于实现性能可调和功能可重构的人工电磁媒质器件和天线。..3、应用多级离散光学变换理论设计实现了一系列人工电磁媒质功能器件和天线。包括压缩厚度的尖劈吸波器、低剖面小型化吸波器、平坦表面的零阶贝塞尔光束透镜、低副瓣平板透镜、压缩双反射面天线、压控波束可调平板透镜等等，具有体积小、成本低、性能良好等优点。..4、针对新型人工电磁媒质的特殊形式——微波段人工表面等离激元结构，研究了其色散特性和传输特性，提出了具有强束缚、低损耗、低互耦等优点的新型传输线。在此基础上，设计了若干人工表面等离激元器件，为人工表面等离激元在电路和系统中的应用提供了技术储备。..项目研究成果的理论适用性强、可靠性高、变通性好，可广泛应用于设计宽频段、高效率、可调控的新型器件和天线，具有较高的科学意义和良好的应用前景。