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电磁波隐身斗篷的设计与验证

作　者: 何晓
导　师: 吴林志
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程力学
关键词: 有限元方法分离变量法椭圆柱斗篷外隐身斗篷内外隐身斗篷
分类号: O441.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着左手材料的出现与发展,隐身材料也进入了一个全新的发展阶段——隐身斗篷的设计与研究。然而现有方法设计出的电磁波隐身斗篷大都存在以下问题:隐身斗篷的材料参数在局部区域出现奇异性;构成隐身斗篷的材料几乎全是非均匀的各向异性介质,所以在工程实际应用中很难真正做出完全满足理论要求的隐身斗篷。因此,寻求无奇异性且各向同性乃至均匀性的斗篷材料具有非常重要的实际意义。本文针对电磁波隐身领域现存的几个问题,对现有的隐身设计方法进行了大胆的猜测和推广。首先,针对现有隐身斗篷介质存在的各向异性缺点,提出了由指数函数定义的各向同性斗篷介质。利用分离变量法对斗篷介质为各向同性材料时的电磁波散射问题进行了研究。用严格的数学表达式给出了电磁波在传播过程中的场量分布,并且利用Matlab数值计算工具给出了电磁波散射横截面积与斗篷几何尺寸之间的关系。研究结果表明,利用简单的各向同性材料设计出的斗篷结构很难达到隐身的目的。然后,针对大多数斗篷介质所出现的奇异性问题,利用坐标变换和保角映射相结合的方法,设计出不具有奇异性的椭圆柱斗篷。利用COMSOL Multiphysics多物理场有限元分析软件对各种尺寸的椭圆柱斗篷以及斗篷参数有无损耗的情况分别进行了数值模拟。数值仿真的结果表明,本文所提出的设计方法不仅能够使椭圆柱斗篷达到隐身的目的,同时能够保证斗篷介质的材料参数不出现奇异性。因此,该设计方法为椭圆柱斗篷的工程实际应用提供了可能性。最后,对现有的外隐身斗篷和内外隐身斗篷的适用范围进行了推广。利用坐标变换法,将只适用于轴对称圆柱形状的外斗篷和内外斗篷推广到适用于任意多边形柱体的外斗篷和内外斗篷。文中不仅给出了这两种斗篷设计过程的严格理论推导,而且利用COMSOL Multiphysics多物理场有限元软件,针对不同的隐身斗篷模型,分别给出了数值算例,数值仿真结果表明了本文理论推导的有效性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章绪论  9-22
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9-10
  1.2 国内外研究现状与进展  10-21
    1.2.1 研究方法方面的研究现状  11-19
    1.2.2 研究对象方面的研究现状  19-21
  1.3 本文的主要研究内容  21-22
第2章斗篷结构场量分布的理论分析  22-35
  2.1 引言  22
  2.2 电磁场基本理论  22-24
    2.2.1 电磁场基本定律  22-23
    2.2.2 时变电磁场的边界条件  23-24
  2.3 利用分离变量法求解斗篷结构的场量分布  24-31
  2.4 用MATLAB求解电磁波的散射横截面积  31-33
  2.5 本章小结  33-35
第3章基于拟保角映射法的椭圆柱斗篷设计  35-45
  3.1 引言  35
  3.2 坐标变换的基本思想  35-38
  3.3 椭圆柱斗篷的数值仿真  38-44
    3.3.1 不同尺寸椭圆柱斗篷的隐身效果研究  38-41
    3.3.2 某一尺寸椭圆柱斗篷隐身性能的研究  41-44
  3.4 本章小结  44-45
第4章任意多边形外斗篷和任意多边形内外斗篷的设计与验证  45-70
  4.1 引言  45
  4.2 任意多边形外斗篷的理论分析  45-51
    4.2.1 任意多边形外斗篷设计的基本思想  45-47
    4.2.2 任意多边形外斗篷设计的第一步：折叠变换  47-50
    4.2.3 任意多边形外斗篷设计的第二步:压缩变换  50-51
  4.3 任意多边形外斗篷的数值模拟算例  51-60
    4.3.1 三角形外斗篷的设计和数值模拟  51-54
    4.3.2 四边形外斗篷的设计和数值模拟  54-56
    4.3.3 凹多边形外斗篷的设计和数值模拟  56-60
  4.4 任意多边形内外斗篷的理论分析  60-66
    4.4.1 任意多边形内外斗篷的基本思想  60-61
    4.4.2 任意多边形内外斗篷的压缩变换  61-66
  4.5 数值模拟算例  66-68
  4.6 本章小结  68-70
结论  70-72
参考文献  72-75
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  75-77
致谢  77

电磁波隐身斗篷的设计与验证

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