[发明专利]基于金属散射体辅助的赋形场源构造方法

说明书

技术领域

本发明属于电磁波的空间传播与控制领域，具体涉及一种电磁场赋形中赋形场源的构造优化方法。

背景技术

电磁波在通信、医疗、工业等领域的运用，让人们一直关注并研究着电磁波的传播控制技术，天线及其阵列、超材料、电路器件等都是控制波传播的一种途径，主要是通过各种方法控制波的传播方向，即方向图的控制。而随着电磁波的应用范围不断扩大，特别是在生物、医学、化学、工业等领域中的应用，“波场”的各种控制问题研究开始得到学者们的关注。任意波场的再生成则是其中的一个难点。

“波场”的传播控制问题研究目前大多数都是基于亚波长结构或超材料材质。文献“J.B.Pendry,D.Schurig，D.R.Smith，Controlling Electromagnetic Fields，Science，2006”陈述了利用超材料控制电磁波场的弯曲实现了目标的隐身；文献“F.Lemoult,M.Fink and G.Lerosey,Wave propagation control at the deep subwavelength scale in metamaterials，Nature Physics，2012”阐述了基于亚波长结构实现了电磁波场的几个不同方向的传播控制。超材料和亚波长结构在场的研究方面有着诸多应用，但是受限制于材料与结构，它们存在着无灵活性和非普遍适用性等缺点，不便于用来研究任意场的形成研究。Sascha Spors等研究者们经过对声学长年的研究，得到了关于任意声场生成的理论分析，例如文献“Sascha Spors,Rudolf Rabenstein,and Jens Ahrens,The Theory of Wave Field Synthesis Revisited，2008”。然而，它依然不能做到在某一时刻形成特定的空间区域场。根据唯一性定理，在封闭曲面内,通过曲面边界的源和其切向磁场和电磁，可以唯一的确定区域内的电磁场分布。然而根据定理来实现电磁场赋形需要大量的计算和优化，得到曲面边界的场源激励信号是阻碍研究任意形状电磁波场的生成一个关键因素。因此如何简便的得到外围激励波形信号用来生成任意形状的电磁波场即对电磁场赋形一直都是研究的重点。

专利“赵德双、朱敏、杨昌兴，基于时间反演电磁波传播的空间电磁场赋形产生方法，2014(申请号：2014104401167)”根据时间反演的空时同步聚焦、自适应空间电磁波传输实现信号的再现等独特的特性，提出了基于时间反演实现空间电磁场的赋形的方法。此方法是由目标场源发射信号，记录S表面的电磁场，对其进行时间反演(或频域共轭)，即可得到可实现预期内场分布的S表面场源分布。此方法只需进行一次正向计算或测量，无需繁琐计算。此发明应用范围广泛，可应用于肿瘤治疗、生物效应研究、微波育种、微波切割、保密通信、微波加热等诸多领域，其研究意义重大。然而此发明因为是利用TR空时聚焦性进行了场的叠加，所以还存在赋形场聚焦区域之外存在旁瓣过多、旁瓣幅值过高，赋形场轮廓钝化等不足，这些不足将会限制该发明在某些领域中的应用。

因此，如何去除旁瓣、降低旁瓣幅值和锐化赋形场边界是电磁场赋形研究中的又一个难点，本发明提出的基于金属散射体辅助的赋形场源构造方法可以有效解决这个问题。

发明内容

本发明提供了一种基于金属散射体辅助的赋形场源构造方法，用来解决利用时间反演技术实现电磁场赋形中旁瓣过多与旁瓣值过高、赋形场钝化的问题。与采用简单的空间离散阵列构建赋形场源不同，本发明为了锐化赋形场边缘场以及减小区域外旁瓣过多、过高问题，在基于复杂媒质空间中的电磁散射波随机相消原理的基础上，提出了一种在空间离散阵列周边或赋形场区域外添加简易金属散射体的新型赋形场源构造方法。该方法不仅能锐化赋形场几何边界，而且能有效解决赋形场区域外副瓣问题，操作实现简单、方便，无需耗时复杂的空间场计算和数值优化，在很大程度上简化了高质量赋形场源的构造难度。

本发明的理论基础是基于复杂媒质空间中的电磁散射波随机相消原理。散射体会对周边电磁波扰动，要消除赋形场旁瓣，则散射体安排的位置应该在赋形场源周边，由散射体产生与旁瓣值对应的负值，利用叠加原理，散射场与入射场的叠加，可以产生合适的赋形场。具体理论分析如下：