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COMSOL Multiphysics在隐形材料上的应用

时间: 2011-06-26 21:17 来源: 作者: 点击:
研究人员以COMSOL Multiphysics为进行设计与模拟,获得了世界第一个隐形斗篷的模型,使得出现在科幻小说中的梦想成为现实。该研究被Science杂志评为2006年的科学突破。


研究人员Steve Cummer(左)和David Schurig(右),正在对试验设备进行调试,他们准备对材料的特性进行检测

建模软件被广泛应用于让事物隐藏的现象显露出来——显示在产品或过程中,无法由眼睛或者仪器探测到的场或流动。然而杜克大学的研究小组向反方向着手:通过COMSOL Multiphysics的帮助,他们的的模型说明了,制造出使物体不可见的隐形材料是可行的[1]。基于材料的特殊性质,研究人员建立了一个“隐形斗篷”的计算机模型,这将使得物体在某种频率下隐形。成功地对模型进行模拟并进行了测试。

建模方法和步骤

研究小组有着丰富的数学建模经验,第一个模拟结果跟随伦敦大学的Sir John Pendry教授以及两位杜克大学的教授David Schurig和David Smith,一起发表了论文,讲述了薄壳材料可以使得电磁波弯曲的理论特性,这将使得薄壳与置于其内的任何物质不可见。所需的具有这些电磁场特性的薄壳材料尚未在自然界中被发现,而十年前尚未有能力制造此类材料。但如研究小组所知,拥有特殊与复杂电磁场特性的工程材料,正以相当快的速度增加。现在知道如何设计由金属构成的“隐形材料”,其特征与拥有随方向位置变化、或为左手材料(介电常数ε与磁导率μ为负值)的连续材料相对类似。然而因为极高的灵敏度,早期无法成功制作出此材料。如无法建立一个拥有完全正确特性、几乎与理论相同的材料,则此材料将派不上用场。研究小组开始反问自己,他们要做的是否类似于“尝试在细针上谋取平衡”,或许可以容许误差?真正成功的建立期望模型的难度有多高?而最后若无法在软件上满足材料的特性,则此方法是否可行?数值模拟在探测这些问题上是相当出色的工具,因为材料并非完美,如实际实验中不可避免的问题,能否纳入到考虑之中。若能完全在COMSOL Multiphysics中模拟理想与非理想的情况,则就有机会在实验中论证屏蔽的可能性。


图1:全波屏蔽模拟的计算值域和边界条件。PEC(完美导体)直径0.2m,入射波频率2GHz的横电波(TE)偏振时谐均匀平面波

在COMSOL Multiphysics中对简单的几何图形进行模拟(图1)。使用射频模块,研究人员求解一个以薄壳屏蔽完美导体(PEC)无限长圆柱的二维斗篷问题。PEC薄壳是很强的电场能量反射器,希望它能屏蔽各方向上的分散量。在左侧和右侧是完美匹配层(PMLs)的区域,模拟了系统所处的无限域。均匀的平面波由接近区域左侧边界的均匀电流密度发射。顶部和底部的边界是完美磁导体(PMCs),因此具有指向纸面外电场的均匀平面波,电磁波在这些边界上将不会反射而结束传播。模型使用射频模块的平面混合模式波应用模式,所以将考虑所有可能的反射场。

注意此模型没有模拟隐形材料的细节部分。反而在此应用中,研究人员模拟了各向异性与平滑非均匀的连续材料。下一步是决定如何设计如SRRs(裂隙环形谐振器)的结构,使其接近期望的连续材料特性。一旦由一个单元得到期望的特性,将大量制造并期望获得正确的总体性质。图2a为理想斗篷薄壳的模拟结果,显示了斗篷有连续变化的介电常数与磁导率,此特性定义于COMSOL Multiphysics的模型方程中。当它自左向右经过,平面波因屏蔽薄壳产生平滑变形,就像河水经过岩石般。离开薄壳的波形好像是没有经过物体一般。在右侧的观测将看到未受干扰的波形,使得物体变得透明并隐形。


研究人Steve Cummer(左)和David Schurig(右),来自于北卡罗来州达拉莫杜克大学

过去因为吸收作用,使得研究小组无法模拟或了解其他隐形材料的应用。研究小组于薄壳的介电常数与磁导率加入真实能量吸收,而模拟结果(图2b)显示屏蔽效果没有因能量吸收而失败。因为入射的电磁能量在离开薄壳之前,部分被吸收,使得物体产生阴影。但其他的波形,薄壳由简化材料组成时的分布场,其中只有磁场未受干扰,使得物体在其他方向变得不可见。

下一个更具有挑战性的问题,是无法建立连续变化的隐形材料。研究小组必须以不连续的圆柱层来模拟这种材料。如果以八个分离的同质圆柱层来模拟,将会发生什么呢?模拟结果(图2c)虽然并非完美,但仍清晰的显示其屏蔽效果。最后,在制造隐形材料中,同时控制三个关键的电场参数是很困难的。可以将一个或两个参数设为常数,只有一个参数在变化,仍得到合理的结果吗?图2d显示了,当屏蔽效果的径向分量随着空间位置而变动。虽然有相对多的散射,但波前的平滑形变仍显示了存在屏蔽效果。

下一步研究小组将制造八层隐形材料结构,包含之前提到的简化屏蔽薄壳参数(图3)。研究小组正确地建立了计算机模型,而实验测量结果与COMSOL Multiphysics模拟结果很好的符合。


图3:二维屏蔽结构,电磁场传播被限制在x-y平面上。对狭窄频率范围内的微波传播,放置于结构中央的物体是隐形的。

参考文献:

1 .“The Promise of Plasmonics”, by Harry A. Atwater; Scientific American, April 2007

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关于COMSOL

COMSOL公司 在 1986 年成立于瑞典的斯德哥尔摩,目前已在比利时、丹麦、芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国和美国麻州、加州等成立分公司。关于公司的其他信息可以参见www.comsol.com(end)

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