基于准共形变换的人工电磁材料相控阵天线研究

Transformation optics (TO) provides an approach to control electromagnetic fields at will via metamaterials. Compared to the conventional TO method, the quasi-conformal transformation optics (QCTO) has the advantage of minimizing the anisotropy of transformation media, thus achieves the non-magnetic broadband isotropic metamaterials, which can be realized by all-dielectric structure. In this project, the phased array antennas with metamaterials based on QCTO are researched. When being coated with the transformation media with specific parameters , the physical array can radiate just like another different virtual array, so that all the advantages of the virtual array can be retained, which provides a new way for the phased array antenna design. Based on the quasi-conformal transformation between the virtual and physical space, the inhomogeneous isotropic media distribution is obtained and the novel phased array can be realized by the design of metamaterials, which is a breakthrough in solving the limitations of design method and radiation performance of conventional phased arrays determined by their physical structures.

变换光学(transformation optics, TO) 能通过人工电磁材料实现对电磁波的任意调控。准共形变换光学(quasi-conformal transformation optics ,QCTO)相比于传统TO的优势在于使所变换媒质的各向异性最小化，实现宽带非磁性的各向同性媒质，显著降低材料的实现难度。本项目研究基于QCTO的人工电磁材料相控阵天线，通过在阵列上覆盖具有特定媒质参数的材料，可实现与自由空间中另外一个虚拟阵列相同的辐射性能，从而在保持自身形状的同时，具有虚拟阵列的所有优点，为相控阵设计开辟了新的思路。整个项目研究以虚拟空间与物理空间的准共形变换为基础，获得非均匀的各向同性媒质分布，通过对人工电磁材料的设计，实现新型相控阵天线，可突破传统阵列由于自身物理结构引起的设计方法和辐射性能上的局限性。

变换光学(transformation optics,TO) 能通过人工电磁材料实现对电磁波的任意调控。准共形变换光学(quasi-conformal transformation optics ,QCTO)相比于传统TO的优势在于使所变换媒质的各向异性最小化，实现宽带非磁性的各向同性媒质，显著降低材料的实现难度。本项目研究基于QCTO的人工电磁材料相控阵天线，通过在阵列上覆盖具有特定媒质参数的材料，可实现与自由空间中另外一个虚拟阵列相同的辐射性能，从而在保持自身形状的同时，具有虚拟阵列的所有优点，为相控阵设计开辟了新的思路。主要研究成果包括三个方面：(1) 研究了S波段覆盖非均匀介电常数全介质透镜的圆柱共形相控阵，应用与直线阵综合方法获得的幅相分布作为阵列单元的激励，可在宽带范围内实现与传统直线阵相同的宽角扫描波束，已进行了相关实验验证；(2)研究了S波段覆盖非均匀全介质透镜的多波束圆柱共形阵，通过覆盖准共形变换透镜的覆盖，将传统直线阵的多波束形成网络Rotman透镜作为馈电网络，可实现宽带内圆柱共形阵列的多波束辐射特性，即将进行相关的实验验证；(3)研究了准共形变换光学方法在更高频段共形阵列中的应用，在X波段应用3D打印技术实现了共形变换的全介质透镜，获得宽带内的波束扫描与多波束覆盖，并且进一步探索了准共形变换光学方法在非对称共形阵列中的应用，即将进行相关实验验证；(4) 研究了准共形反变换及其在平面相控阵中的应用，通过覆盖所变换的透镜，结合共形阵阵列单元幅相分布的优化设计，平面阵可实现类似于共形阵列的宽角扫描特性，即将进行相关实验验证。整个项目研究以虚拟空间与物理空间的准共形变换为基础，获得非均匀的各向同性媒质分布，通过对人工电磁材料的设计，实现新型相控阵天线与多波束天线，可突破传统阵列由于自身物理结构引起的设计方法和辐射性能上的局限性。