【《惠更斯表面特性分析综述》2100字】

惠更斯表面特性分析综述目录TOC\o"1-3"\h\u3613惠更斯表面特性分析综述 131201.1.1惠更斯原理 1223031.1.2等效原理 241051.1.3惠更斯超表面 3惠更斯原理1678年，惠更斯在研究波传播的过程中，提出了惠更斯原理。惠更斯原理可以简单的表述为：在球面波的波阵面上，每一个小面源都可以视为次级球面波的点波源，点波源所产生的子波和原来的球面波的波速和频率相等，某一时刻的波阵面，时该时刻所有子波所产生的包络的叠加。概括来说，惠更斯原理的核心思想是，在介质中任何一点的波，都由该介质中其各点波的共同影响所产生的。在惠更斯原理的基础上，菲涅尔对惠更斯原理中的次波基本特性进行了定量描述，如下图2-1所示在波阵面Σ上存在无数个点波源ds，菲涅尔对ds所产生的次波进行了推导，得出了次波的相位和幅度，并且将次波之间的互相影响表述为次波之间相干叠加的作用，形成了惠更斯—菲涅耳原理。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s11惠更斯原理的参考示意图惠更斯-菲涅耳原理提出，在球面波传播过程中，每一个波阵面都是等相位面，也就是说，每个点波源所产生的次级球面波的初始相位都是相等的。惠更斯-菲涅耳原理对介质中波的幅度和相位可以表达为如下所示(2-1)式。UQ式中，U(Q)——观察点Q的复振幅K(θ)——倾斜因子C——常数也就是说，波阵面Σ上点波源ds在Q点处所引起的振动幅度与Q和Q0的距离r成反比，与ds成正比，与r和过Q0点的波阵面法线n的夹角θ成反比，并且比例系数为倾斜因子K(θ)。并且，子波在Q点处的相位，是由点波源ds到Q点等效原理等效原理式根据麦克斯韦方程组的唯一性定理所提出的，用来研究面天线的有效方法之一。唯一性定理可以表述为：在一个边界条件和激励确定的空间中，场的分布是唯一并且确定的，以喇叭天线为例，用等效原理分析面天线的过程可以如下图2-2所示。喇叭天线通过口面辐射场将电磁波辐射到自由空间，将；喇叭天线用封闭的曲面包起来，只要在这个封闭曲面上的场是确定的，那么通过这个封闭曲面辐射到自由空间中的场就是唯一并且确定的。在实际的计算过程中，可以将包裹喇叭天线的面分为两个部分，第一部分S1是不向外辐射电磁波的面，第二部分S2是向外辐射电磁波的面，根据惠更斯原理，S2是无数个小面元组成的，每个小面元都向外辐射电场ES和磁场Hy，所有小面源辐射场的叠加，组成了喇叭天线的辐射场。将S2分解为小面元后，其辐射的电场ES和磁场Hy图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s12喇叭天线辐射示意图在计算面天线辐射场的过程中，根据等效原理，可以将辐射口面分解为惠更斯面元ds=dxdyen，作为基本的计算单元。如下图2-3所示，在辐射口面(xoy平面)上，切向电场Ey (2-2)与惠更斯面元相对应的电基本振子电流密度为如下所示的(2-3)式：I=J与惠更斯面元相对应的磁基本振子磁流密度为如下所示的(2-4)式： Jm=磁流密度对应的电流是沿x轴方向的，可以表示为如下所示的(2-5)式： Im=根据上述(2-2)式-(2-5)式就可以利用等效原理计算出喇叭天线的辐射场。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s13惠更斯辐射元及其坐标惠更斯超表面惠更斯超表面是一种新型的人工电磁表面，惠更斯超表面的理论损耗值为0，反射系数和透射系数在理论上能够达到1，并且通过调节惠更斯单元结构的电阻抗和磁阻抗就能够实现对电磁波相位0-360°的完全调控，惠更斯超超表面相对于其他人工超表面具有损耗低，调控范围大，设计灵活等优势。如下图2-4所示为惠更斯超表面的等效图，两个空间中的场通常是独立且不连续分布的，在交界面上存在假设的电流源和磁流源，用于满足空间边界条件。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s14等效原理示意图2013年，格尔比奇(Grbic)首次将惠更斯原理应用于人工超表面设计中，Grbic设计的惠更斯超表面在微波频段能够利用极化电流代替虚拟电流，并且实现高效率的异常折射。Grbic设计的惠更斯超表面中的极化电流是由可极化粒子构成的特定的二维阵列激发产生的，阵列中的每一个可极化粒子都可以用准静态状态下的磁偶极矩与局域磁场的比值，准静态电极化率和磁极化率(αe,m)来唯一确定。在惠更斯超表面上可极化粒子紧密排列为二维矩阵，粒子之间的耦合程度较高，可以通过在超表面上的电偶极矩和磁偶极矩场进行平均，从而得到可极化粒子等效的表