第一篇：數(shù)據(jù)庫(kù)課程設(shè)計(jì)理論及實(shí)踐論文大全

數(shù)據(jù)庫(kù)課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)及信息技術(shù)相關(guān)專業(yè)方向的核心課程，主要研究數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的基本概念、原理、方法及其應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢語(yǔ)言、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、事務(wù)處理等核心內(nèi)容．通過數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠正確理解數(shù)據(jù)庫(kù)的基本原理，熟練掌握數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用技術(shù)，掌握科學(xué)研究的方法和軟件開發(fā)的基礎(chǔ)規(guī)律，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力．

１數(shù)據(jù)庫(kù)理論是數(shù)據(jù)庫(kù)課程設(shè)計(jì)的前提

目前，數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品市場(chǎng)９５％以上都是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品．關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)理論是數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，掌握關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)課程理論是數(shù)據(jù)庫(kù)課程設(shè)計(jì)的前提．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)課程是研究數(shù)據(jù)處理技術(shù)的一門綜合性學(xué)科，它是與離散數(shù)學(xué)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、軟件工程、計(jì)算機(jī)原理等學(xué)科及其他應(yīng)用領(lǐng)域的知識(shí)和方法相結(jié)合的學(xué)科．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)理論研究的核心內(nèi)容是數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)規(guī)范化理論、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性、完整性、數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)、模式分解理論和方法．只有掌握了數(shù)據(jù)庫(kù)理論才能做好數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)［１］２２－４９．全國(guó)大部分院校都將數(shù)據(jù)庫(kù)理論和應(yīng)用作為兩門課程開設(shè)，一門是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概論（主講數(shù)據(jù)原理），另一門是數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用（主講程序設(shè)計(jì)）．對(duì)于絕大多數(shù)學(xué)習(xí)者來講，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)的最終目的是掌握數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用方法和技術(shù)，在現(xiàn)有ＤＢＭＳ的基礎(chǔ)上二次開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品，而不是開發(fā)新的ＤＢＭＳ，所以大多數(shù)高校往往在數(shù)據(jù)理論之前先開設(shè)數(shù)據(jù)應(yīng)用課程，如ＶｉｓｕａｌＦｏｘｐｒｏ６．０、Ｄｅｌｐｈｉ、Ｏｒａｃｌｅ、ＳＱＬＳｅｒｖｅｒ、Ａｃｃｅｓｓ等程序設(shè)計(jì)課程是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的產(chǎn)品，它們屬于原理的具體應(yīng)用部分．學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用課程后，便于掌握和應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)理論；反之，也只有學(xué)習(xí)了數(shù)據(jù)庫(kù)理論才能更好地掌握和應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)．

２數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)理論是數(shù)據(jù)庫(kù)理論的應(yīng)用和延伸

２．１數(shù)據(jù)庫(kù)理論在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中的指導(dǎo)應(yīng)用

按照規(guī)范設(shè)計(jì)的方法，將數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)分為６個(gè)階段：需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)施、數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行和維護(hù)．在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的每一個(gè)階段，都不同程度地用到了數(shù)據(jù)庫(kù)理論與方法，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)理論進(jìn)行了豐富的擴(kuò)充．在概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，核心內(nèi)容是數(shù)據(jù)建模，即根據(jù)實(shí)體類型設(shè)計(jì)Ｅ－Ｒ（實(shí)體－聯(lián)系）圖．在Ｅ－Ｒ圖中要搞清楚哪些是實(shí)體，哪些是屬性．從理論的角度來說，實(shí)體是客觀存在的，并可以相互區(qū)別的事物，屬性是對(duì)實(shí)體特征的描述，但是它們之間既有必然區(qū)別，也有一定聯(lián)系．實(shí)體和屬性不是絕對(duì)的，如果需要對(duì)屬性進(jìn)一步描述，則屬性就作為實(shí)體，反之，如果不需要對(duì)實(shí)體進(jìn)一步描述，則實(shí)體也可以作為另一實(shí)體的屬性．例如，在設(shè)計(jì)職工檔案管理數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，實(shí)體類型“職工”的屬性：檔案號(hào)，姓名，性別，出生日期，參加工作時(shí)間，學(xué)歷，職稱，職務(wù)，工資．如果只考慮現(xiàn)在的工資，則工資就是職工實(shí)體的屬性，但是如果考慮職工的工資歷史，則工資就是一個(gè)實(shí)體．在邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，用到規(guī)范化理論、求極小集和碼的方法、模式分解理論和方法．

２．２數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)理論是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)理論的延伸

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)理論對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)理論在很多方面進(jìn)行了延伸和擴(kuò)展，使得數(shù)據(jù)庫(kù)理論更加簡(jiǎn)捷、方便和直觀．在邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將概念模型的產(chǎn)品基本Ｅ－Ｒ圖轉(zhuǎn)換為邏輯結(jié)構(gòu)的關(guān)系模型，是模式分解理論的直接應(yīng)用，是在數(shù)據(jù)庫(kù)理論基礎(chǔ)上的抽象和延伸，實(shí)體內(nèi)和實(shí)體間的轉(zhuǎn)換，實(shí)體間的每一個(gè)實(shí)體轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)系，實(shí)體內(nèi)的屬性是關(guān)系的屬性，實(shí)體內(nèi)屬性的碼就是關(guān)系的碼．按照關(guān)系理論的函數(shù)依賴，每一個(gè)實(shí)體中，碼決定每一個(gè)屬性，而模式分解中，碼相同的合并，左右兩端的屬性合并作為一個(gè)分解，從操作方面減少了復(fù)雜性，所以設(shè)計(jì)理論與數(shù)據(jù)理論完全吻合；數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體之間的聯(lián)系分為一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多和多實(shí)體之間的聯(lián)系４種情況，這些轉(zhuǎn)換在邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都給出了轉(zhuǎn)換規(guī)則，也完全滿足模式分解理論，在模型優(yōu)化時(shí)，用到極小集方法與設(shè)計(jì)理論的結(jié)合．

３注重?cái)?shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐的結(jié)合３．１處理好數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)理論的關(guān)系

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)理論盡管比較完善，按照規(guī)范化理論，在函數(shù)依賴領(lǐng)域，如果關(guān)系滿足ＢＣＮＦ，不會(huì)存在數(shù)據(jù)冗余、插入異常、刪除異常和更新異常，實(shí)際上關(guān)系規(guī)范化不一定要達(dá)到ＢＣＮＦ；如果達(dá)到ＢＣＮＦ，不會(huì)出現(xiàn)冗余和各種異常，但會(huì)出現(xiàn)查詢效率降低．這就要根據(jù)實(shí)際情況綜合權(quán)衡．下面以規(guī)范化后的學(xué)生成績(jī)管理系統(tǒng)為例說明．學(xué)生成績(jī)管理系統(tǒng)包含下列３個(gè)關(guān)系：學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，性別，出生年月）；課程（課號(hào)，課名，學(xué)時(shí)，學(xué)分）；成績(jī)（學(xué)號(hào)，課號(hào)，成績(jī)）．我們經(jīng)常查詢“某同學(xué)學(xué)習(xí)某課程的成績(jī)”，這就需要３個(gè)關(guān)系的連接，如果學(xué)生人數(shù)較多（數(shù)據(jù)庫(kù)較大），可能需要較長(zhǎng)時(shí)間，但如果是第１范式，則不需要連接，如果是第２范式，可能連接的次數(shù)較少，也會(huì)減少耗費(fèi)．在實(shí)際應(yīng)用中，我們可能不需要把關(guān)系劃分到ＢＣＮＦ，也許只需要達(dá)到２ＮＦ，甚至１ＮＦ，也就是逆規(guī)范化，到底規(guī)范化到什么程度，要結(jié)合實(shí)際問題和具體設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)［２］３－３９．

３．２課程實(shí)驗(yàn)是數(shù)據(jù)庫(kù)課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)

數(shù)據(jù)庫(kù)課程是理論與應(yīng)用結(jié)合較為緊密的一門課程．學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)課程的主要目的是為了應(yīng)用．因此，為了深入淺出地講授數(shù)據(jù)庫(kù)理論，在每一章都設(shè)計(jì)一些課程實(shí)驗(yàn)，以便通過實(shí)踐驗(yàn)證理論，同時(shí)掌握其應(yīng)用方法，為后續(xù)的課程設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)．在大部分教科書中，都是以ＳＱＬＳｅｒｖｅｒ?yàn)槔?，講授ＳＱＬ語(yǔ)言、數(shù)據(jù)的安全性、完整性．在講授ＳＱＬ語(yǔ)言時(shí)，可以讓學(xué)生先建立數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合所學(xué)內(nèi)容對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢、插入、刪除、修改等實(shí)踐操作，在實(shí)踐的過程中真正理解并掌握ＳＱＬ語(yǔ)言的應(yīng)用環(huán)境．在講授數(shù)據(jù)庫(kù)安全性和完整性時(shí)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用讓學(xué)生對(duì)系統(tǒng)做數(shù)據(jù)控制．提高學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)課程的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和欲望．

３．３課程設(shè)計(jì)是提升學(xué)生綜合應(yīng)用能力的關(guān)鍵

課程設(shè)計(jì)是課程內(nèi)容的展示，是對(duì)所學(xué)知識(shí)的延伸，是學(xué)生掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容、方法和技巧的綜合體現(xiàn)．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)理論主要是為了指導(dǎo)數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用和實(shí)踐，通過系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)和部分單元（如創(chuàng)建用戶、創(chuàng)建視圖、用戶管理、權(quán)限管理等）的應(yīng)用實(shí)踐訓(xùn)練，充分認(rèn)識(shí)到ＤＢＡ在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的作用．通過課程設(shè)計(jì)讓學(xué)生在掌握數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)理論的同時(shí)掌握數(shù)據(jù)庫(kù)課程設(shè)計(jì)的全過程，可以采取將學(xué)生分組的方式，為每組同學(xué)擬定相關(guān)題目，如學(xué)生檔案管理系統(tǒng)、財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)、售票管理系統(tǒng)等，設(shè)計(jì)可以采取集中設(shè)計(jì)和分散設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，如果條件允許可以集中７～１０天時(shí)間做課程設(shè)計(jì)，否則，可以利用周末時(shí)間集中設(shè)計(jì)，學(xué)生自己找業(yè)余時(shí)間，教師加強(qiáng)指導(dǎo)，題目在期中布置，期末老師驗(yàn)收．讓每一位同學(xué)獨(dú)立完成或者協(xié)助完成數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的過程，同時(shí)，使每一組同學(xué)進(jìn)行上機(jī)運(yùn)行并調(diào)試，完成所有功能進(jìn)行程序?qū)崿F(xiàn)，最后組織設(shè)計(jì)答辯．教課評(píng)價(jià)方面，可將學(xué)生平時(shí)的課程設(shè)計(jì)和期末考試相結(jié)合，作為學(xué)期期末成績(jī)．通過課程設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)答辯，學(xué)生不僅鞏固了理論知識(shí)，豐富了課程實(shí)踐，掌握了如何運(yùn)用理論指導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用，也對(duì)今后其他課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，取得較好的效果．

３．４數(shù)據(jù)庫(kù)課程設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是在指定的應(yīng)用環(huán)境下，構(gòu)建最優(yōu)的數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯模式和物理結(jié)構(gòu)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)及其應(yīng)用系統(tǒng)，滿足各種用戶的各種需求（信息、管理和操作需求），并能夠有效地存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)要按照需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)施、數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行和維護(hù)各個(gè)階段突出特點(diǎn)嚴(yán)格進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是與行為設(shè)計(jì)的有機(jī)結(jié)合．每一個(gè)階段都有具體的技術(shù)要求，教師提出要求讓學(xué)生深入圖書館、學(xué)生管理部門或者企業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查，通過需求分析設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)流圖，編寫數(shù)據(jù)字典．概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是從數(shù)據(jù)流圖和數(shù)據(jù)字典中提煉出Ｅ－Ｒ圖，對(duì)Ｅ－Ｒ圖優(yōu)化后獲得基本Ｅ－Ｒ圖．按照轉(zhuǎn)換規(guī)則和ＤＢＭＳ的轉(zhuǎn)換功能將概念結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品基本Ｅ－Ｒ圖轉(zhuǎn)換為邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系模型．物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要根據(jù)ＤＢＭＳ的詳細(xì)特征設(shè)計(jì)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和存取技術(shù)，最后經(jīng)過優(yōu)化、評(píng)價(jià)滿足用戶的效率要求．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)實(shí)施和運(yùn)行維護(hù)主要考慮代碼的編寫、調(diào)試、試運(yùn)行和維護(hù)，涉及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)、安全性、完整性、數(shù)據(jù)組等問題．整個(gè)設(shè)計(jì)都是在數(shù)據(jù)庫(kù)理論的指導(dǎo)下進(jìn)行［３］１８１－２５０．

４結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)庫(kù)課程設(shè)計(jì)是理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的深入，數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用在社會(huì)生活中越來越重要，應(yīng)用范圍也越來越廣，如何使數(shù)據(jù)庫(kù)理論和設(shè)計(jì)更好的結(jié)合是值得高校教師深入探討的問題．只有不斷的探索數(shù)據(jù)庫(kù)課程設(shè)計(jì)理論，才能在實(shí)際應(yīng)用中得到創(chuàng)新．

第二篇：TRIZ理論及應(yīng)用研究論文

[摘要] 本文在對(duì)TRIZ理論的定義、基本原理和體系結(jié)構(gòu)概括介紹的基礎(chǔ)上，分析了TRIZ在生產(chǎn)管理系統(tǒng)創(chuàng)新中的應(yīng)用與不足之處，提出了改進(jìn)建議。

[關(guān)鍵詞] 創(chuàng)新 TRIZ 生產(chǎn)管理系統(tǒng)

對(duì)于企業(yè)來說，創(chuàng)新涉及到工程領(lǐng)域與企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理。TRIZ理論作為工程領(lǐng)域解決創(chuàng)新問題的最有力的方法，目前已擴(kuò)展非工程領(lǐng)域創(chuàng)新研究中，本文主要針對(duì)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行研究。

一、TRIZ理論方法

在TRIZ之父Altshuller的領(lǐng)導(dǎo)下，TRIZ研究團(tuán)體分析了近250萬件高水平的發(fā)明專利，并綜合多學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則后，建立起由解決技術(shù)問題和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、算法組成的TRIZ理論體系。

1.TRIZ 體系結(jié)構(gòu)

TRIZ提供了發(fā)現(xiàn)、解決問題的工具和技術(shù)，可以幫助設(shè)計(jì)人員避免解決問題過程中繁瑣的試湊工作。TRIZ方法論包含分析工具和基于知識(shí)的工具。

(1)TRIZ分析工具。分析工具包含物質(zhì)－場(chǎng)分析、ARIZ算法、需求功能分析等，這些工具用于問題模型的建立、分析和轉(zhuǎn)換。①物質(zhì)-場(chǎng)分析：TRIZ將所有的功能都分解為兩種物質(zhì)及一種場(chǎng)，產(chǎn)品是功能的一種實(shí)現(xiàn)，可用物質(zhì)-場(chǎng)分析產(chǎn)品的功能。物質(zhì)S1可以是被控粒子、材料、物體或過程，物質(zhì)S2是控制S1的工具或物體，場(chǎng)F是用于S1與S2之間相互作用的能量，如機(jī)械能、液壓能、電磁能等。② ARIZ算法：ARIZ稱為發(fā)明問題解決算法，是發(fā)明問題解決的完整算法，該算法采用一套邏輯過程逐步將初始問題程式化。③功能分析：從完成功能的角度分析系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件，設(shè)計(jì)中的重要突破、成本或復(fù)雜程度的降低往往是功能分析的結(jié)果。

（2)基于知識(shí)的工具?；谥R(shí)的工具包含40條發(fā)明原理、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解和效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)。①40條發(fā)明原理：用于找出創(chuàng)新的解決方案。每一種解決方案都是一個(gè)建議，應(yīng)用該建議可以使系統(tǒng)產(chǎn)生特定的變化以消除技術(shù)沖突。②76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解：用于解決基于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化模式的標(biāo)準(zhǔn)問題。按照目標(biāo)這些標(biāo)準(zhǔn)解被分為五類，分類中解的順序反映出技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化方向。③效應(yīng)知識(shí)庫(kù)：庫(kù)是TRIZ中最容易使用的一種工具。運(yùn)用庫(kù)中的各種物理、化學(xué)和幾何效應(yīng)可以使解決方案更理想和簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)。

2.TRIZ解決問題流程

應(yīng)用TRIZ解決問題的第一步是對(duì)給定的問題進(jìn)行分析；如果發(fā)現(xiàn)存在沖突則應(yīng)用原理去解決；如果問題明確但不知道如何解決，則應(yīng)用效應(yīng)去解決；第三種選擇是對(duì)待創(chuàng)新的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)化過程的預(yù)測(cè)；最后是評(píng)價(jià)，確定是否滿足求。如果滿足要求，則進(jìn)行后序的設(shè)計(jì)工作；反之，要對(duì)問題進(jìn)行重新分析。

二、TRIZ的應(yīng)用

在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，基于TRIZ理論的應(yīng)用非常廣泛，從工程領(lǐng)域到政治、生產(chǎn)管理、組織結(jié)構(gòu)、教育等非工程領(lǐng)域，無不顯示出它的生命力。

1.TRIZ在企業(yè)生產(chǎn)管理領(lǐng)域創(chuàng)新中的應(yīng)用

在參考工程領(lǐng)域的創(chuàng)新問題求解技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過演繹推理的方法提出的在生產(chǎn)管理領(lǐng)域創(chuàng)新中應(yīng)用TRIZ是完全可行的。近幾年來，有些學(xué)者通過對(duì)TRIZ 方法及工具的局部修改后，應(yīng)用在管理領(lǐng)域上。Mann & Domb把40個(gè)創(chuàng)新原理引入到商業(yè)活動(dòng)中，就每個(gè)創(chuàng)新原理提出相應(yīng)的商業(yè)原則，建議當(dāng)企業(yè)面臨類似的問題時(shí)可以利用此40 個(gè)創(chuàng)新原理作為解決的對(duì)策。Ruchti& Livotov利用TRIZ 系統(tǒng)化的思考模式和解決問題過程，提出12 條雙向原則作為解決商業(yè)與組織管理問題的參考。

2.TRIZ應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)管理創(chuàng)新中的不足

應(yīng)用TRIZ理論解決企業(yè)生產(chǎn)管理創(chuàng)新問題時(shí)，完全挪用工程領(lǐng)域的理論框架并不可取，解題工具僅僅利用40個(gè)創(chuàng)新原理和沖突矩陣使用面太窄。TRIZ 直接用于生產(chǎn)管理領(lǐng)域創(chuàng)新失敗的主要原因包括：結(jié)構(gòu)失效、問題分析方法單

一、解題工具不足、算法不能適應(yīng)生產(chǎn)管理領(lǐng)域創(chuàng)新問題、操作性差等。

3.TRIZ在生產(chǎn)管理領(lǐng)域創(chuàng)新中的應(yīng)用改進(jìn)建議

(1)根據(jù)TRIZ的思想和基本哲理，結(jié)合生產(chǎn)管理領(lǐng)域創(chuàng)新的特點(diǎn)，構(gòu)建面向生產(chǎn)管理領(lǐng)域創(chuàng)新的TRIZ理論體系；(2)針對(duì)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理的特點(diǎn)，在39個(gè)通用工程參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行增減，確定生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理參數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建一個(gè)新的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理沖突矩陣，并且修改40個(gè)創(chuàng)新原理，作為改善的策略。充分運(yùn)用物質(zhì)─場(chǎng)模型功能描述的特點(diǎn)和76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解，拓寬解題工具。(3)把質(zhì)量功能布置（QFD）、六西格瑪設(shè)計(jì)（DFSS）、約束理論（TOC）、田口方法等方法與TRIZ進(jìn)行結(jié)合，以改進(jìn)TRIZ分析生產(chǎn)管理領(lǐng)域創(chuàng)新問題方法單一的缺陷。(4)進(jìn)一步細(xì)化生產(chǎn)管理領(lǐng)域的問題描述，逐步做到以定量分析為主，提高可操作性。

三、結(jié)論

本文介紹了TRIZ 基本理論和主要工具，探討了在生產(chǎn)管理領(lǐng)域創(chuàng)新中的應(yīng)用。針對(duì)其在解決生產(chǎn)管理領(lǐng)域創(chuàng)新中存在的一些問題，給出了應(yīng)用改進(jìn)建議。我們相信隨著TRIZ 理論的發(fā)展，其在生產(chǎn)管理領(lǐng)域創(chuàng)新中的應(yīng)用操作性會(huì)愈來愈強(qiáng)，應(yīng)用范圍會(huì)越來越廣，成為解決生產(chǎn)管理領(lǐng)域創(chuàng)新的有效方法和手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]Mann&Domb, “Systematic Win-Win problem Solving In A Business Environment”,The TRIZ Journal, 004km.cn., 2002

[2]Ruchti, B&Livotov, p, “TRIZ-based Innovation principles and A process for problem Solving in Business and Management”, The TRIZ Journal,004km.cn., 2001

第三篇：數(shù)據(jù)庫(kù)課程設(shè)計(jì)

需求分析

在銀行業(yè)務(wù)模擬中用隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，求客戶在銀行的平均時(shí)間，客戶來到銀行后加入兩個(gè)隊(duì)列，客戶辦理的業(yè)務(wù)有兩種，一是取款和貸款，二是存款和還款。概要設(shè)計(jì)

typedef struct service { int num;//客戶號(hào) string type;//到達(dá)或離開 int beginTime;int endTime;int money;//正數(shù)為存款，負(fù)數(shù)為取款 struct service* next;}service;typedef struct //隊(duì)列 { service* head;service* rear;}queue;int total;//初始時(shí)銀行現(xiàn)存資金總額 int closeTime;//營(yíng)業(yè)結(jié)束時(shí)間

int arriveTime;//兩個(gè)到達(dá)事件之間的間隔上限 int dealTime;//客戶交易的時(shí)間上限 int dealMoney=5000;//交易額上限 int currentTime=0;//當(dāng)前時(shí)間 int totalTime=0;//客戶逗留總時(shí)間 int counter=0;//客戶總數(shù) int number=1;//初始客戶序列號(hào) int currentTimeOfDeal=0;int theArriveTime=0;queue eq;//事件隊(duì)列 queue fq;//隊(duì)列一

queue sq;//對(duì)列二 //初始化三個(gè)隊(duì)列 service* temped;int Time;void push(queue &q,int a)// 插入元素a為Q的新的隊(duì)尾元素 void pop(queue &q)// 若隊(duì)列不空,出對(duì)列函數(shù) service* front(queue &q)//返回隊(duì)首元素 service* back(queue &q)//返回隊(duì)尾元素

service* searchAndDel(queue &q,int m)//在對(duì)列中尋找可處理元素 bool state=1;//用于判斷是否有窗口在處理

void arrive()//“到達(dá)”函數(shù) 隨機(jī)產(chǎn)生顧客，進(jìn)入隊(duì)列一產(chǎn)生到達(dá)事件 進(jìn)入事件隊(duì)列

void putMoney()//存款函數(shù) void getMoney()//取款函數(shù)

void findAndDeal()//在對(duì)列中尋找可處理元素，對(duì)其進(jìn)行處理 運(yùn)行環(huán)境

Window XP Visual C++ 開發(fā)工具和編程語(yǔ)言

Visual C++ C++ 詳細(xì)設(shè)計(jì)

1.隊(duì)列的鏈?zhǔn)奖硎竞蛯?shí)現(xiàn) typedef struct service { int num;//客戶號(hào)

string type;//到達(dá)或離開 int beginTime;int endTime;int money;//正數(shù)為存款，負(fù)數(shù)為取款 struct service* next;}service;typedef struct //隊(duì)列 { service* head;service* rear;}queue;2．插入一個(gè)元素為隊(duì)尾元素 void push(queue &q,int a){ service* p=new service;p->money=a;p->next=NULL;if(q.head==NULL)//列隊(duì)為空，初始化 { q.head=p;q.rear=p;} else //隊(duì)列不為空，插入元素a { q.rear->next=p;q.rear=q.rear->next;} } 3.返回函數(shù)

service* front(queue &q)//返回隊(duì)首元素 { return q.head;} service* back(queue &q)//返回隊(duì)尾元素 { return q.rear;} 4.在對(duì)列中尋找可處理元素

service* searchAndDel(queue &q,int m){ service* sign=q.head;//標(biāo)記頭節(jié)點(diǎn) service* p;while(q.head!=NULL){ if((-(q.head->money))

{ p=q.head;q.head=q.head->next;//首節(jié)點(diǎn)后移一位,返回原首節(jié)點(diǎn) return p;} } if((-(q.head->money))>m)//隊(duì)首元素不能被處理 {

if(q.head==q.rear){ } return NULL;else //首節(jié)點(diǎn)移到隊(duì)列尾部 { q.rear->next=q.head;q.rear=q.rear->next;q.head=q.head->next;q.rear->next=NULL;} } if(q.head==sign)//隊(duì)列循環(huán)一周時(shí)停止 return NULL;} return NULL;} 5.到達(dá)函數(shù)

void arrive()//到達(dá)“函數(shù) 隨機(jī)產(chǎn)生顧客，進(jìn)入隊(duì)列一產(chǎn)生到達(dá)事件 進(jìn)入事件隊(duì)列 { push(fq,(rand()%(2*dealMoney)-dealMoney));//隨機(jī)產(chǎn)生顧客加入第一隊(duì)列

back(fq)->beginTime=currentTime;back(fq)->num=number;push(eq,(back(fq)->money));//將產(chǎn)生事件加入事件隊(duì)列

back(eq)->beginTime=currentTime;back(eq)->type=”到達(dá)“;back(eq)->num=number;++number;} 6存款函數(shù) void putMoney(){ total+=front(fq)->money;//更新資金總額 push(eq,front(fq)->money);//加入事件隊(duì)列 離開 back(eq)->type=”離開“;back(eq)->num=front(fq)->num;back(eq)->endTime=(front(fq)->beginTime+rand()%dealTime+1);++counter;//更新客戶總數(shù)

totalTime+=(back(eq)->endTime-front(fq)->beginTime);//更新逗留時(shí)間

pop(fq);//刪除第一隊(duì)列第一個(gè)業(yè)務(wù) currentTimeOfDeal=back(eq)->endTime;state=0;} 7取款函數(shù)

void getMoney()//取款函數(shù) { if((-fq.head->money)>total)//資金短缺 加入第二隊(duì)列 { push(sq,front(fq)->money);back(sq)->beginTime=front(fq)->beginTime;back(sq)->num=front(fq)->num;pop(fq);6 } else { total=total+back(fq)->money;push(eq,front(fq)->money);//加入事件隊(duì)列離開 back(eq)->type=”離開“;back(eq)->num=front(fq)->num;back(eq)->endTime=(front(fq)->beginTime+rand()%dealTime+1);back(eq)->beginTime=0;currentTimeOfDeal=back(eq)->endTime;++counter;//更新客戶總數(shù)

totalTime+=(back(eq)->endTime-back(fq)->beginTime);//更新逗留時(shí)間

pop(fq);//刪除第一隊(duì)列第一個(gè)業(yè)務(wù) state=0;} } 8.在對(duì)列中尋找可處理元素，對(duì)其進(jìn)行處理 void findAndDeal(){ while((temped=searchAndDel(sq,total))&&NULL!=temped)//查找可處理取款 { total+=temped->money;

totail=total+temped->money;push(eq,temped->money);//加入事件隊(duì)列訓(xùn) 離開 back(eq)->type=”離開“;back(eq)->num=temped->num;randomTemp=rand()%dealTime+1;

//更

新資

金總額 7 back(eq)->endTime=currentTime+randomTemp;currentTimeOfDeal+=randomTemp;++counter;//更新客戶總數(shù)

totalTime+=(back(eq)->endTime-temped->beginTime);//更新逗留時(shí)間

delete temped;//刪除節(jié)點(diǎn) temped=NULL;} state=0;} 9 主函數(shù) int main(){ int m;cin>>m;if(m=111111){ cout<<”歡迎進(jìn)入系統(tǒng)<>n;while(n==1){

srand(time(NULL));//初始化隨機(jī)函數(shù) cout<<”輸入銀行的初始存款：n“;cin>>total;cout<<”輸入銀行的營(yíng)業(yè)時(shí)間：n“;cin>>closeTime;8

cout<<”輸入最大到達(dá)時(shí)間間隔：n“;cin>>arriveTime;cout<<”輸入最大的處理時(shí)間：n“;cin>>dealTime;theArriveTime+=rand()%arriveTime+1;//首次到達(dá)時(shí)間 while(currentTime

} cout<

} if(state==1&&fq.head!=NULL){

} if(fq.head->money>=0){

} else getMoney();putMoney();findAndDeal();arrive();theArriveTime+=rand()%arriveTime+1;9

<<”事件類型“<<”tt“ <<” 時(shí)間“<<”t“ <<” 處理金額“<

} cout<<”未處理客戶:“<<”“<beginTime);//更新結(jié)束時(shí)第if(eq.head->type==”離開“)cout<num<<”tt“

<type<<”tt“<<”tt“ <endTime<<”tt“ <money <type==”到達(dá)“)cout<num<<”tt“

<type<<”tt“<<”tt“ <beginTime<<”tt“ <money <

cout<num<<” “<

}

} cout<<”銀行當(dāng)前余額："<

在用隨即函數(shù)rand產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的時(shí)候，對(duì)其初始化用srand(time(NULL)，為了使得產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)是整數(shù)要在后面加一 測(cè)試結(jié)果

如圖一所示為輸入密碼進(jìn)入系統(tǒng)后

圖一輸入密碼進(jìn)入系統(tǒng)后

如圖二為輸入銀行的初始存款，營(yíng)業(yè)時(shí)間，兩個(gè)到達(dá)事件的最大間隔，客戶交易的最大時(shí)間

圖二輸入各項(xiàng)信息后

如圖三所示產(chǎn)生的客戶信息

圖三 客戶的信息（到達(dá)時(shí)間和離開時(shí)間，平均在的時(shí)間）

參考文獻(xiàn)

[1] 吳文虎,程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第二版），北京，清華大學(xué)出版社 [2] 譚浩強(qiáng)，C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，北京，清華大學(xué)出版社 [3] 邊肇祺，模式識(shí)別（第二版），北京：清華大學(xué)出版社

[4] 李永忠，幾種小波變換的圖像處理技術(shù)，西北民族學(xué)院學(xué)報(bào)，自然科學(xué)版 [5] 嚴(yán)蔚敏，吳偉民，米寧，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)題集（c語(yǔ)言版），清華大學(xué)出版社

心得體會(huì)

轉(zhuǎn)眼之間，來到大學(xué)已經(jīng)一年半的時(shí)間了，對(duì)程序的學(xué)習(xí)也有了初步的認(rèn)識(shí)，在大一的時(shí)候?qū)W習(xí)了程序設(shè)計(jì)，大二緊接著又學(xué)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在這次的課程設(shè)計(jì)中，遇到了一些問題，通過老師和同學(xué)的幫助得到了解決，并且對(duì)程序設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)又提高了一個(gè)層次，在以后的學(xué)習(xí)中，對(duì)經(jīng)常出現(xiàn)的問題會(huì)更加注意。

這次的課程設(shè)計(jì)給了我很大的幫助，在過程中學(xué)到了很多的知識(shí)，對(duì)程序的規(guī)范性以及有效性更加的重視。在以后編程序的過程中會(huì)更加注意程序的完善性，使程序的功能更加的齊全，而這也是作為一個(gè)程序設(shè)計(jì)師必須要具備的。認(rèn)識(shí)到只有多多的練習(xí)才能更好的運(yùn)用所學(xué)習(xí)的知識(shí)。在大學(xué)里要充分的利用各種資源，提高自己的水平。

第四篇：數(shù)據(jù)庫(kù)課程設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)課程設(shè)計(jì)

第一章 引言

開發(fā)的意義

設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)的任務(wù)及目標(biāo) 設(shè)計(jì)開發(fā)及運(yùn)行的軟硬件環(huán)境

第二章 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需求分析

數(shù)據(jù)庫(kù)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)庫(kù)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第三章 系統(tǒng)開發(fā)及實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)開發(fā)采用的技術(shù)及設(shè)計(jì)效果

第四章 總結(jié)

第五篇：論文翻譯——超表面理論及應(yīng)用

超表面理論及應(yīng)用-超材料的平面化

An Overview of the Theory and Applications of Metasurfaces: The Two-Dimensional Equivalents of Metamaterials Christopher L.Holloway1, Edward F.Kuester2, Joshua A.Gordon1, John O’Hara3, Jim Booth1, and David R.Smith4

三碗

譯

摘要

超材料通常由按一定規(guī)律排布的散射體或者通孔構(gòu)成，由此來獲得一定的性能指標(biāo)。這些期望的特性通常是天然材料所不具備的，比如負(fù)折射率和近零折射率等。在過去的十年里，超材料從理論概念走到了市場(chǎng)應(yīng)用。3D超材料也可以由二維表面來代替，也就是超表面，它是由很多小散射體或者孔組成的平面結(jié)構(gòu)，在很多應(yīng)用中，超表面可以達(dá)到超材料的效果。超表面在占據(jù)的物理空間上比3D超材料有著優(yōu)勢(shì)，由此，超表面可以提供低耗能結(jié)構(gòu)。文章中將討論到超表面特性的理論基礎(chǔ)和它們不同的應(yīng)用。我們也將可以看出超表面和傳統(tǒng)的頻率選擇表面的區(qū)別。

在電磁領(lǐng)域超表面有著很廣泛的應(yīng)用（從微波到可見光波段），包括智能控制表面、小型化的諧振腔、新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、角獨(dú)立表面、吸收器、生物分子設(shè)備、THz調(diào)制和靈敏頻率調(diào)節(jié)材料等等。文中綜述了近幾年這種材料或者表面的發(fā)展，并讓我們更加接近一百年前拉姆和Pocklington或者之后的Mandel和Veselago所提出的令人驚訝的觀點(diǎn)。

引言

最近這些年，超材料這方面一直引領(lǐng)著材料的潮流。超材料是一種新的人工合成材料來得到自然材料所不具備的一些特性。在電磁背景中，這方面最早的實(shí)例就是人工電介質(zhì)。之后，我們將會(huì)看到和經(jīng)典結(jié)構(gòu)完全不同的超材料和超表面，比如光子能帶隙結(jié)構(gòu)（PBG）、頻率選擇表面（FSS）。雙負(fù)指數(shù)（DNG）超材料是一種盛行的超材料，也叫作負(fù)指數(shù)材料（NIM）、左手材料等（LHM）。這種材料的特性是在給定的頻率帶寬內(nèi)其有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是負(fù)的。另一種特性是近零折射率。在這種材料中，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都被設(shè)計(jì)成接近于零。擁有這些特性的材料可以應(yīng)用在很寬的頻率范圍（微波到可見光頻段），并且其應(yīng)用也很廣泛，如隱身、低反射材料、新型結(jié)構(gòu)、天線、電子調(diào)諧、超透鏡和諧振器等。

現(xiàn)在的超材料研究來源于對(duì)Bexelago理論的仿真，或者是基于之后Pendry、Smith等人所實(shí)現(xiàn)的超材料結(jié)構(gòu)。然而，這個(gè)領(lǐng)域中很多研究者并沒有認(rèn)識(shí)到負(fù)折射率超材料的概念和它們令人吃驚的性能可以回溯至那么早的時(shí)間段。實(shí)際上，這種材料的理論可以回推到一個(gè)世紀(jì)以前。早在1967年，一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)超材料做出了研究，而更早的Sivukhin在1957年對(duì)超材料的特性做了簡(jiǎn)單的描述。Malyuzhinets和Silin都相信L.I.Mandel在更早的時(shí)間里做過超材料研究。Mandel提到關(guān)于Lamb的1904年的報(bào)紙，稱Lamb或許是這一領(lǐng)域的第一人。Lamb提出了反波的存在性（在相反方向上擁有相位和群速度的波，他的實(shí)例包含機(jī)械系統(tǒng)而不是電磁波）。Schuster在他1904年的可見光書中簡(jiǎn)短的談及了Lamb的工作，并提出了在可見光介質(zhì)中或許也有著反波的特性。1905年，Pocklington展示在某種情況下靜止的自行車鏈條可以產(chǎn)生反波，加上突然的激勵(lì)可以產(chǎn)生一種擁有遠(yuǎn)離波源的群速度和朝向波源的相速度。

超材料通常是用規(guī)律排列的小散射體構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，以此來獲得期望的性能。超材料可以被擴(kuò)展成二維分布的電子散射體圖1.圖1a闡述一種普遍的散射體排布，而圖1b-1d展示更多的特殊例子。圖1b展示一種金屬散射體排布，它可以獲得與經(jīng)典開口環(huán)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的磁響應(yīng)類似的電響應(yīng)。圖1c展示一種球粒陣列（基于此引入了3D超材料，來源于早期Lewin的工作，但更早的是100年前Gans和Happel的預(yù)測(cè)）。圖1d為陶立方排布。超材料的這種表面結(jié)構(gòu)最初命名為超薄膜，表示一個(gè)表面上分布著小的散射體。值得一提的是每個(gè)散射體的都是很薄的（甚至比晶格常數(shù)?。梢杂腥我獾男螤?，可以有亞波長(zhǎng)尺度。與超材料類似，超薄膜也可以通過其散射體的排布來有其特有的電磁特性。超薄膜又稱超表面或單層超材料。在1.1和1.2部分我們將簡(jiǎn)化其稱呼。

對(duì)于很多應(yīng)用，超表面可以用于放置超材料。超表面相對(duì)于3D超材料來說有著占有更小物理空間的優(yōu)勢(shì)，由此，超表面可以提供更低能耗的結(jié)構(gòu)。近幾年，超表面在從微波到可見光波段的應(yīng)用取得了巨大的成就。除了可用在上面所說的超材料的應(yīng)用外，超表面還可以實(shí)現(xiàn)智能表面控制、小型化諧振腔、新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單而寬角度吸收器、阻抗匹配表面和生物分子器件。下面也將會(huì)更詳細(xì)的談到其中的一些應(yīng)用。

1.1 超表面與頻率選擇表面

下面說一說超材料（MM）和傳統(tǒng)光子帶隙(PBG)或電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別，另外超材料和傳統(tǒng)頻率選擇表面（FSS）的區(qū)別。第一種超材料可以使用超表面來發(fā)展創(chuàng)新。對(duì)于超材料來說，能熟知周期材料在不同頻率或者不同尺寸的電磁響應(yīng)非常重要。這種復(fù)合材料可以分成三種完全不同的部分（圖2）。對(duì)于3D超材料來說，第一部分是準(zhǔn)靜態(tài)部分。這就暗含低頻的意思（亞波長(zhǎng)段頻率）。這種散射體將會(huì)具有誘導(dǎo)的或者永久的偶極柜，這也是經(jīng)典材料的性質(zhì)。另外，這種散射體可以通過改變形狀或者位置來獲得想要性質(zhì)的人工復(fù)合材料。在這一部分，描述使用經(jīng)典的材料混合來得到目標(biāo)特性（介電常數(shù)、磁導(dǎo)率）

當(dāng)波長(zhǎng)可以與結(jié)構(gòu)周期相近或者比周期小時(shí)，會(huì)有特別的響應(yīng)發(fā)生，見圖2的第三部分。在這種頻率下，存在一種更加復(fù)雜的場(chǎng)，這就需要用更加精密的分析技術(shù)（全波方法）。傳統(tǒng)的分析方法是Floquet-Bloch理論，其中的場(chǎng)擴(kuò)展到有各種不同方向的平面波。當(dāng)波長(zhǎng)接近周期時(shí)，就需要考慮到更高要求的Floquet-Bloch理論。這種高要求模型就會(huì)通過復(fù)合材料干擾基波的傳播，在這種頻率范圍中我們稱復(fù)合材料為光子帶隙或者電磁帶隙材料。在某種頻率范圍，光子帶隙和電磁帶隙材料會(huì)阻礙到EM波的傳播，這種頻率帶就稱為阻帶。別的頻率中，這種材料的通過率很高，這種頻率就為通帶。布拉格散射效應(yīng)就是與這種頻率有聯(lián)系，它是很多實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。

圖2的第二部分也是處在亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，不過期單元散射體可以達(dá)到共振。這就實(shí)現(xiàn)了另一種人工材料（MM），實(shí)現(xiàn)了自然材料所沒有的特性（如雙負(fù)或近零指數(shù)材料）。第二部分，那些共振體是其成為超材料的原因所在。我們可以通過有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率來標(biāo)明超材料的特性。

二維陣列（超表面）也有相似的特性。對(duì)于二維格子陣列來說，第一部分復(fù)合材料屬于經(jīng)典薄膜材料，第三部分是周期性的共鳴器。另一方面講，當(dāng)我們談及超表面時(shí)，就是在說第二部分的共鳴器散射體而不是周期性結(jié)構(gòu)。普通的頻率選擇表面有時(shí)會(huì)是運(yùn)行在這種體制下，但這種類型的操作和第三部分的并沒有明確的標(biāo)出。

值得注意的是圖2所示的第二部分并不常見。這種散射體需要特別的設(shè)。例如，如果是 圖7中球形粒子的特性或者半徑非常小，或者是散射體的形狀、尺寸沒有做合適的選擇，散射體的共振將會(huì)趨向于Floquet-Bloch模型，就實(shí)現(xiàn)不了雙負(fù)材料。在Floquet-Bloch模型中散射體共振將會(huì)被吸收，這種介質(zhì)模型就不能充分描述復(fù)合材料?？偟膩碚f，圖2中第一、第二部分會(huì)出現(xiàn)在某種復(fù)合材料介質(zhì)的情況中。第一部分（經(jīng)典混合理論），其有效特性不依賴頻率。第二部分（散射體共振），其材料具有頻率依賴特性。在這部分中，可以實(shí)現(xiàn)3D雙負(fù)指數(shù)材料和別的共振器。最后一部分中，電磁場(chǎng)和周期材料的相互作用非常復(fù)雜。我們不再將復(fù)合材料稱為有效介質(zhì)。當(dāng)波長(zhǎng)接近結(jié)構(gòu)周期時(shí)，更高要求的Floquet-Bloch模型需要考慮進(jìn)去，超材料和超表面就是這樣。

1.2 超表面類型

超表面結(jié)構(gòu)就是二維的周期性亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。在一般的研究中，我們將超表面列為兩類。一種是有著陶瓷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（一種絕緣散射體）圖1a所示，稱其為超薄膜，有著很多應(yīng)用。另一種是漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)（圖3），稱為元幕。這些材料是由在阻抗表面周期排列的孔制成。別的種類超表面基于這兩者之間。例如，平行導(dǎo)線光柵在垂直導(dǎo)線方向表現(xiàn)出超薄膜的特性，而在沿軸方向就表現(xiàn)為元幕性質(zhì)。

1.3超表面模型

模擬超材料的傳統(tǒng)的、最方便的方法是有效介質(zhì)理論。在這種方法中，某些類型的平均是用在超材料周期單元結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)上面。從這些平均值中，可以確定超材料的有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率（以及折射率）。值得一提的是，只有當(dāng)波長(zhǎng)相對(duì)于晶格常數(shù)足夠大時(shí)候平均才是有效的。對(duì)于場(chǎng)的周期單元平均定義有效材料性能是正確的方法（那種勻質(zhì)平均的類型），許多研究人員已經(jīng)在實(shí)踐中使用根據(jù)一些計(jì)算出厚度的超材料樣品來得到期望的反射和透射系數(shù)。尼科爾森-羅斯-韋爾（NRW）的方法或它的變形，可以用于獲取超材料的有效材料性能。需要注意的是，當(dāng)使用范圍是負(fù)指數(shù)材料時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的NRW方法必須進(jìn)行修正。典型地，一個(gè)平方根的符號(hào)的選擇是由明確的通過確保在傳播方向正功率溢流。在某些情況下，還必須考慮到樣品的邊界附近局部影響。如果使用得當(dāng)，有效介質(zhì)的方法是用于表征超材料的很合適的方法。

嘗試使用類似的超表面參數(shù)分析很少成功。一些以前的超表面研究把其當(dāng)做是單層超材料薄膜，這種模型的材料特性是任意的引入一個(gè)非零厚度參數(shù)來獲得的。這有一些人為物理結(jié)構(gòu)參數(shù)的問題：這些超表面的參數(shù)特征是錯(cuò)誤的。傳統(tǒng)計(jì)算方法的展開可以給我們一些提示，當(dāng)以樣品尺寸建模時(shí)，必須考慮樣品邊界效應(yīng)，就像兩個(gè)不同切面上的效應(yīng)一樣。

為了說明其中難點(diǎn)，我們使用圖1中對(duì)等的厚度為d（圖4）的材料層來代替超表面。其有效特性是由上文中HRW方法所得出。問題是上述所得有效特性對(duì)于超表面來說并不唯一，雖然散射體的幾何特性和晶格常數(shù)一定，但厚度d不確定。實(shí)際上，d在合理限制中可以任意取值。由于d不是唯一確定的，所以由其而得的超表面特性也不是唯一的。因此，與報(bào)道中相反的是，把超表面看成等效介質(zhì)所得的有效特性都是不合適的并且導(dǎo)致了錯(cuò)誤的闡釋。Smith等人堅(jiān)持這個(gè)觀點(diǎn)，認(rèn)為‘εd’很可能是常量。在文獻(xiàn)[101]中介紹了易受影響的表面和有效特性直接的關(guān)系，認(rèn)為對(duì)于超表面來說，不能定義獨(dú)立于d的ε和μ。由此說明ε和μ是d的函數(shù)，并且唯一確定。這種結(jié)果就是說d、ε和μ是任取的。也就是我們?nèi)绻俣ê穸纫矠槌Ａ烤涂梢允褂眠@種有效特性。但對(duì)于不同的厚度來說，這種有效特性并不適用，非平面形狀也一樣。如果我們想在一定厚度基礎(chǔ)上使用這種有效特性的話，那是沒問題的。從另一方面說，如何改變了厚度而繼續(xù)使用之前的特性，那就是錯(cuò)誤的了。

圖5和圖6強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)。圖5展示了球粒陣列中通過這種方法使用不同的有效厚度d所得的介電常數(shù)。圖6展示不同厚度下的負(fù)折射率。圖5和圖6中可以看出有效特性是厚度

d的函數(shù)，說明有效特性并不是超表面所固有的本質(zhì)特性。同樣我們也應(yīng)該指出通過這種方法所獲得的超薄膜或超表面的有效特性并不能展示其物理特性。例如，因果顛倒或者負(fù)材料呈現(xiàn)出大的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率（在文中基于時(shí)間t假設(shè)的ejwt的正虛部）。

在文獻(xiàn)[100]中，論證了超薄膜表面的唯一性，由此，也定義了超表面特性的唯一性。從物理上講，超表面是一種極小的板：當(dāng)電磁波與其作用是會(huì)產(chǎn)生相移或者是振幅的改變。這種超表面最好的定義是通過普通的板過渡理論（GSTCs），是對(duì)比于使用在超材料上的有效介質(zhì)描述來說的。這種方法使用在超表面與電磁場(chǎng)交互作用時(shí)候，且符合廣義等效面轉(zhuǎn)換理論。

對(duì)于超薄膜來說，在文獻(xiàn)[23]中所述廣義等效面轉(zhuǎn)換條件與超表面的兩個(gè)面上的電磁場(chǎng)有關(guān)（見圖1a）：

式中av代表超表面兩邊的平均場(chǎng)，t為到z的距離，是單位矢量。?ES和?MS分別是兩

....表面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這有著計(jì)量單元，并且與散射體的電磁極化密度相關(guān)。當(dāng)散射體有缺失 這種性質(zhì)會(huì)消失并且方程（1）中E和H的非相關(guān)條件將會(huì)減少。簡(jiǎn)便起見，我們認(rèn)定散射體和晶格對(duì)稱，則表面并失如下：

在這篇文章和文獻(xiàn)[101]中，我們對(duì)于?MS有一個(gè)約定，在H場(chǎng)中右邊項(xiàng)前加一個(gè)負(fù)號(hào)，而E場(chǎng)右邊項(xiàng)加正號(hào)（見方程1）。這種符號(hào)約定與文獻(xiàn)[100]中不一樣。我們選這種約定是因?yàn)楫?dāng)表面磁密度與H在同一方向時(shí)Re(?MS)為正，這也是經(jīng)典磁材料特性定義的組成部分。這種廣義等效面轉(zhuǎn)換條件可以應(yīng)用在更多的方面，如不對(duì)稱性、不均材質(zhì)、以及雙各向異性表面，而且這方面的理論已經(jīng)有了發(fā)展。值得注意的是方程1的約定條件僅適用于超薄膜。具有不同結(jié)構(gòu)的超表面將需要其他的理論條件。例如，周期性隔離孔組成的元幕有著零厚度理想導(dǎo)體，這與廣義等效面轉(zhuǎn)換理論相悖，這可以寫成：

其中E場(chǎng)和B場(chǎng)在元幕中是連續(xù)的。這里，?ES和?MS分別是元幕的電特性和磁特性，并且，與超薄膜表面相似，它們有著長(zhǎng)度。當(dāng)孔不存在時(shí)，就只剩了理想導(dǎo)體平面，那些由孔引起的電、磁特性將會(huì)消失，并且方程3中電場(chǎng)E的切量會(huì)減小。元幕的經(jīng)典邊界條件還沒有定義出，還需要補(bǔ)間斷的工作來發(fā)展。像導(dǎo)線光柵這種擁有超薄膜和元幕兩種特性的超材料的邊界條件也一樣需要發(fā)展（在[102][103]中廣義等效面轉(zhuǎn)換條件應(yīng)用在了薄導(dǎo)線光柵上）。

廣義等效面轉(zhuǎn)換條件同樣可以用于阻抗邊界條件。對(duì)于平面波電磁的變量，它是平行于超薄膜的

....我們可以利用麥克斯韋方程將方程1寫成：

其中表面轉(zhuǎn)移導(dǎo)納和轉(zhuǎn)移阻抗由下式給出：

這種邊界條件也可以等效成傳輸線電路。

這種廣義邊界條件可以讓超表面可以有一個(gè)有著無限薄等效表面的模型。表面幾何的細(xì)節(jié)包含在表面特性的邊界條件中。應(yīng)用在廣義等效面轉(zhuǎn)換條件中的場(chǎng)是一種宏觀場(chǎng)，相比于散射體、孔和晶格來說，其并不具備長(zhǎng)度，但當(dāng)波長(zhǎng)在介質(zhì)周圍是它就有著更大的值。值得注意的是，這種廣義條件由于方程1和3中表面梯度的影響而存在著誤差。如果表面特性可以使用矢量波（沿波的傳播方向）來計(jì)算的話，這種邊界條件的計(jì)算將更加精確。

如果不需要空間場(chǎng)變量的精細(xì)的結(jié)構(gòu)的話，這種廣義等效面轉(zhuǎn)換條件和麥克斯韋方程一樣都需要分析場(chǎng)與超表面的相互作用。這種邊界條件中的表面特性是位移確定的，并且可以作為描述超表面的物理量。基于這種模型的檢索技術(shù)將在下部分來描述。

1.4 超表面的特性

如上部分所述，超表面的有效特性和磁導(dǎo)率（與負(fù)折射率相同）并不唯一確定。這一部分我們將綜述一種超薄膜的唯一的特性，主要是基于反演其反射和傳輸系數(shù)來獲得。超薄膜的反射（R）和傳輸(T)系數(shù)不管是對(duì)于TE或者是TM波（圖7）都來源于文獻(xiàn)[24]。

對(duì)于TE波來說：

對(duì)TM波來說：

其中k0是真空波矢。這種反射和傳輸系數(shù)可以用于有著足夠?qū)ΨQ性反射體的超薄膜上。同樣的方法也可以用于更多非對(duì)稱不規(guī)則表面特性，如元幕或更多普通的超表面。這些理論尚有待發(fā)展。

一旦確定了表面的反射和傳輸系數(shù)，表面特性就確定了。在這個(gè)實(shí)例中，每個(gè)偏振波都需要兩種R和T系數(shù)。對(duì)于TE波，其三個(gè)未知特性的推導(dǎo)如下：

其中R(0)和T(0)是正入射波的反射和傳輸系數(shù)，R(θ)和T(θ)是以θ角入射波的反射和傳輸系數(shù)。而對(duì)于TM極化波，其未知特性的推導(dǎo)如下：

在文獻(xiàn)[100]中的符號(hào)錯(cuò)誤已經(jīng)在上式中修正。同樣文獻(xiàn)[101]也做出了修正。

這種方法既可以從理論上又可以從實(shí)驗(yàn)方面確定R和T的值。而對(duì)于普通入射測(cè)量技術(shù)來說，很難分辨其入射和反射成分，如果入射角不為零則結(jié)果會(huì)好很多，祥見文獻(xiàn)[100]。有趣的是，當(dāng)推斷超材料模型的有效特性時(shí)，這種反演方法來求解超薄膜特性既不用特定的取符號(hào)的平方根，也不需要假定表面層的厚度。

為了確認(rèn)超薄膜這種反演的特性，我們引入一種球粒型超薄膜如圖1c。其中a=10mm, p=25,59mm, εr=2, μr=900, tanδ=0.04。這種結(jié)構(gòu)的極化度是可解析的，因此其表面特性可以根據(jù)文獻(xiàn)[100]給出的方程計(jì)算。如上所說，可以通過設(shè)置不同的R,T來確定未知量，文獻(xiàn)[100]給出了一些方法。

Figure 8.The surface susceptibilities for a metafilm composed of spherical particles.圖8所示?ES和?ES的實(shí)部和虛部。其結(jié)果是通過30入射角的數(shù)值仿真所得的R和T。

0zzyy超薄膜模型是球粒陣列，有著對(duì)稱傳輸陣列（）。同樣圖中也給出了文獻(xiàn)[100]分析結(jié)果。通過對(duì)比，這種反演方法所得結(jié)果和方程計(jì)算結(jié)果一樣。

上述例子和文獻(xiàn)[100]都說明了反演方法的正確性。更重要的是，這種計(jì)算結(jié)果說明了超薄膜特性是唯一的。

超薄膜也可以用來計(jì)算3D超材料的有效特性。在這種技術(shù)中，和上面一樣，超薄膜的平面波反射和傳輸系數(shù)用來計(jì)算表面特性。通過文獻(xiàn)[23]中應(yīng)用，之后就可以獲得單個(gè)散射體的極化率。通過把這種超薄膜嵌入三維超材料里，就可以通過Clausius-Mossottii關(guān)系來得到有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。這種技術(shù)是一種很有用的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的方法，尤其是當(dāng)波在一個(gè)很小的多層樣本中傳輸時(shí)候。

在本文的其他部分，我們將討論近幾年超表面的各種應(yīng)用?？烧{(diào)表面

對(duì)于一個(gè)給定的超表面，我們可以通過很多商用模型來分析它與電磁場(chǎng)的反應(yīng)。然而，如我們所見，可以通過廣義等效面轉(zhuǎn)換條件來獲得平面波的傳輸和反射系數(shù)。對(duì)于超薄膜，適用于方程7和方程8.這些特性與超薄膜的表面特性有關(guān)。這些方程的好處是可以讓我們從物理方面洞察表面特性與反射、傳輸系數(shù)的關(guān)系。方程7和方程8闡釋了通過控制表面的反射和傳輸系數(shù)可以改變表面特性。

以方程7和方程8為例，我們可以寫出在全反射或者全透過時(shí)電、磁特性的關(guān)系。在全反射時(shí)：

而對(duì)于全透過時(shí)所需的條件是：

理論上控制反射和傳輸系數(shù)可以通過以下機(jī)制來完成：1，通過改變散射體的電磁特性；2，通過改變基板（材料特性或者幾何構(gòu)造）的結(jié)構(gòu)。以球磁粒子組成的超薄膜為例，圖9所示為R關(guān)于散射體磁導(dǎo)率的曲線。圖中可以看出，基于散射體磁導(dǎo)率的變化，超薄膜從全反射變化到了全透射。這種可控表面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，其組成是由球形YIG粒子所組成的超薄膜，控制激勵(lì)是外加DC磁場(chǎng)。圖10所示為這種超薄膜的傳輸特性隨外加DC磁場(chǎng)的變化。一些其他的方法也已經(jīng)可以用來控制超表面，并且在動(dòng)態(tài)控制領(lǐng)域也有許多研究在開展，我們將在第7和第9部分做討論。各向異性超表面：角獨(dú)立特性、吸波器和阻抗匹配表面。

各向異性散射體所組成的超薄膜可以用來獲得與各項(xiàng)同性超表面所不同的很多應(yīng)用。這些應(yīng)用中的一個(gè)有趣的體超材料是在其內(nèi)設(shè)計(jì)出各向異性的表現(xiàn)。實(shí)際上這個(gè)主意來著隱身斗篷材料，其有著很大的關(guān)注度。這種材料是通過在超材料里設(shè)計(jì)各向異性材料來設(shè)計(jì)的，覆蓋有這種材料的物體可以使光在其表面?zhèn)鞑セ蛘邚澢?。?jīng)過合理設(shè)計(jì)的各向異性超材料可以達(dá)到既不散射又不吸收能量，這樣就可以在電磁波里實(shí)現(xiàn)隱身效果。現(xiàn)在可以在理論上實(shí)現(xiàn)從射頻到可見光的隱身。但由于材料和結(jié)構(gòu)的本質(zhì)屬性，在獲得寬帶隱身效果來說還有著技術(shù)難點(diǎn)需要突破。試驗(yàn)證明窄帶單偏振的隱身實(shí)例已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。

同樣，這種概念也可以擴(kuò)展到超表面中。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，其表面設(shè)計(jì)將選用散射體所組成的超表面來達(dá)到期望的性能。例如，理論上可以可以設(shè)計(jì)出一種超表面來達(dá)到將EM波聚焦到目的區(qū)域，與聚焦天線陣列很像。如果可以按照期望的控制超表面的散射體，就可以得到一種能夠改變能量聚焦所在的方向和頻率的超表面，這種概念現(xiàn)在正在研究。

另一個(gè)例子是怎樣獲得不依賴角度（至少是某種參數(shù)范圍中）的反射和傳輸系數(shù)。對(duì)于一個(gè)給定的入射角，方程13給出了在發(fā)生全反射時(shí)表面電和磁的磁化系數(shù)。方程13給出了一種可以在這種全反射狀態(tài)下獲得近似角獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。以TE波為例，當(dāng)?MS>>?ES時(shí)，角依賴性被削弱，這是基于方程13中圓括號(hào)前部分控制第二角依賴部分。同樣地，對(duì)于TM波，當(dāng)?MS>>?ES時(shí),其角依賴性同樣變?nèi)?。?dāng)超薄膜的散射體結(jié)構(gòu)達(dá)到諧振頻率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生這種性質(zhì)。當(dāng)所指部分占優(yōu)勢(shì)時(shí)，方程13中全反射條件變成： yyzzzzyy

如果超表面設(shè)計(jì)成這種傳輸成分的表面特性的共振相比于普通成分來說非常高，則這種超表面或許會(huì)產(chǎn)生角獨(dú)立特性。這種特性在圖11中闡釋出來，其中我們畫出了超表面的反射系數(shù)，這個(gè)超表面是由圖1b所示金屬結(jié)構(gòu)組成。在圖中可以看到這個(gè)表面在600入射角處獲得近似角獨(dú)立。

我們可以將這個(gè)概念擴(kuò)展到很多其他的結(jié)構(gòu)上。例如，具有高的各向異性材料的板也可以獲得角獨(dú)立特性。文獻(xiàn)[61]展示，這種特性可以通過檢測(cè)不同各向異性基板的反射系數(shù)來觀測(cè)。另外，引進(jìn)計(jì)算電磁學(xué)中的完美匹配層（PML）可以減少輻射邊界所產(chǎn)生的誤差，同樣它也需要這種角獨(dú)立特性。這種PML可以通過超表面的理念來實(shí)現(xiàn)，這種課題正在研究中。

這種結(jié)構(gòu)為發(fā)展緊密的電磁吸波器提供了可匹配的能耗材料，并且使獨(dú)特的阻抗匹配表面得以實(shí)現(xiàn)?；谶@種想法的吸波器最近開始出現(xiàn)在文獻(xiàn)中[53-58]。這種結(jié)構(gòu)通常由覆蓋有金屬板的能耗基板和其前部的超表面組成（圖1b的第二幅圖）。這種結(jié)構(gòu)或許會(huì)是窄頻的，但它同樣也是很緊湊的。使用超表面的這種結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它有著很好的角獨(dú)立特性，這在理論和實(shí)驗(yàn)中都是已經(jīng)證明的了。對(duì)于角獨(dú)立特性的物理說明如上述或者文獻(xiàn)[60]。

不同的團(tuán)隊(duì)同樣也研究了超表面在阻抗匹配表面的應(yīng)用。與圖12a所示的金屬陣列相似的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被用來制作寬角度的阻抗匹配表面。這種結(jié)構(gòu)具有高各向異性，可以使角獨(dú)立特性得以實(shí)現(xiàn)。這種薄各向異性超表面的反射特性在圖12b中展示。諧振器尺度的優(yōu)化

Engheta展示了當(dāng)孔中部分填充負(fù)折射率材料時(shí)候，在λ/2尺寸規(guī)模的諧振器結(jié)構(gòu)的尺度還可以再減小。文獻(xiàn)[35,36]中擴(kuò)展了這個(gè)理論，使用超表面也達(dá)到了同樣的效果。利用超表面的優(yōu)勢(shì)是可以理論上比利用3D超材料所實(shí)現(xiàn)的尺寸要小。距離為d的兩個(gè)金屬板之間放置超表面，達(dá)到共振所需要的相位匹配條件是

當(dāng)?M??0時(shí)，n=0不成立。通過這個(gè)方程，可以看出如果合理設(shè)計(jì)超表面的話，諧振器尺寸可以超越λ/2波長(zhǎng)的限制。

例如，一個(gè)由兩金屬板及其之間的方形片狀物構(gòu)成的超薄膜。圖13所示為三種不同板的諧振頻率關(guān)于l/p（p為周期，l為單個(gè)方形物的尺寸）。當(dāng)l/p=0時(shí)，就是經(jīng)典結(jié)果d=λ/2。對(duì)于一個(gè)給定的d來說，電容性超表面可以很大程度上減小諧振頻率，或者是減小諧振器尺寸以得到期望的諧振頻率。方形片超薄膜諧振器的頻率減小在表1中展示，周期p=500μm。在表中，對(duì)于不同的l/p值列出了相對(duì)應(yīng)的減少值。這個(gè)表的結(jié)果展示了這種結(jié)構(gòu)可以減少共振器尺寸高達(dá)56%。如果經(jīng)過精細(xì)制作超表面散射體的極化特性，還可以達(dá)到更好的減少尺寸效果。實(shí)際上通過控制超表面的特性可以實(shí)現(xiàn)頻率靈活的諧振器。波導(dǎo)

對(duì)于一種入射波來說，超表面可以經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)來使其發(fā)生全反射，這就使俘獲并傳輸電磁能到兩個(gè)超表面之間成為了可能。圖14闡釋了波導(dǎo)的一些現(xiàn)象（與圖7不同的結(jié)構(gòu)使其具有了沿z軸方向傳播的性能）。假定波導(dǎo)方向沿z軸，??k0sin?，對(duì)于TE模型，從方程13可以看出傳輸常量須符合下式以達(dá)到全反射

對(duì)于漏模來說，這個(gè)常量通常很復(fù)雜。如果所選超表面滿足上述標(biāo)準(zhǔn)并且β一定，則x方向的傳輸波數(shù)如下

兩超表面的間距d

其中虛部ne越小越好，需要滿足

和

（后者條件是由于在接近兩個(gè)超表面時(shí)候模型將表現(xiàn)出一種表面波特性，很可能會(huì)增加其衰減）。對(duì)于TM模型類似的方程也在文獻(xiàn)[37]中提出了。

這種波導(dǎo)可以使其變得簡(jiǎn)潔，使用更少的材料，更低的輻射能耗。如果超表面由聚合物組成，則也可以得到一種柔性的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，再加上合適的超薄膜的話，可以實(shí)現(xiàn)柔性低損耗的波導(dǎo)，在THz頻段有著很大的應(yīng)用潛力。這可以用來設(shè)計(jì)智能可調(diào)頻率靈活的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。超表面上的復(fù)合波和表面波

有著傳統(tǒng)電介質(zhì)片的超表面在適當(dāng)?shù)臈l件下也能支持表面波的傳輸。然而，與傳統(tǒng)介質(zhì)片不同的是，通過設(shè)計(jì)超薄膜散射體特性，可以同時(shí)產(chǎn)生向前、后的表面波以及復(fù)合波。實(shí)際上，可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)散射體來使表面被或者復(fù)合波只在指定的頻率出現(xiàn)。在文獻(xiàn)[109]中給出了詳細(xì)的平面波的產(chǎn)生。超表面上線波源的反射系數(shù)的極值是超表面表面特性的函數(shù)。如果這些極值確定，在不同條件下表面?zhèn)鬏敳ǖ膫鬏敵Ａ坑上率浇o出

式中βs在表2中給出，數(shù)據(jù)為電波線源的不同條件，對(duì)于磁波，見文獻(xiàn)[109]。當(dāng)表面磁化率符合其中一個(gè)條件時(shí)，就會(huì)激發(fā)表面波或者復(fù)合波。圖15闡釋了頻率激發(fā)的超表面平面波或者是復(fù)合波。數(shù)據(jù)顯示當(dāng)磁波線源放置在球粒陣列上方時(shí)電場(chǎng)的大小。圖15a展示一種表面波的激發(fā)。圖15b展示復(fù)合波的例子。通過改變散射體的特性，表面磁化率也隨之改變。由此，從表2中看出，在任何想要的頻率下產(chǎn)生表面波或者復(fù)合波都是理論可行的，同樣也適用于頻率靈活的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

Figure 15.The magnitude of the E field(on a linear scale)from a magnetic line source placed 45.49mm above an array of spherical particles:(a)f=1.42GHz,one surface wave;and(b)f=1.5GHz,complex mode THz器件

可調(diào)表面可能有利于THz頻段的設(shè)備和構(gòu)成。基本上可調(diào)表面是通過改變電環(huán)境、電流或者元件環(huán)境來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電環(huán)境 改變時(shí)（通常由散射體內(nèi)半導(dǎo)體引起），這就是混合超材料。THz頻段范圍內(nèi)可調(diào)超表面具有舉足輕重的地位。這主要是由于實(shí)際應(yīng)用中缺乏THz技術(shù)。使用在微波和光子波段的器件，比如開關(guān)和調(diào)節(jié)器，并不能再THz范圍內(nèi)使用。一個(gè)主要的挑戰(zhàn)在于找到在THz波段可調(diào)并有強(qiáng)的響應(yīng)的天然材料。

眾多的實(shí)例證明THz超材料具有這種優(yōu)勢(shì)。THz超材料有利于更高的調(diào)節(jié)能力、簡(jiǎn)單的工藝、低損耗和動(dòng)態(tài)調(diào)控。第一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)控的實(shí)現(xiàn)是利用近紅外激光通過調(diào)節(jié)超表面基板的電導(dǎo)率來調(diào)節(jié)諧振響應(yīng)。模型由銅開口環(huán)諧振器和高阻抗砷化鎵基板組成。激光照射之后，砷化鎵帶隙激發(fā)傳導(dǎo)電子，使其具有類金屬性質(zhì)。這就使開口環(huán)諧振器的電容帶隙發(fā)生短路，以此調(diào)節(jié)器基礎(chǔ)諧振功能及改變超表面的宏觀響應(yīng)。這個(gè)觀念可用短載流子壽命的半導(dǎo)體來展示，它可以實(shí)現(xiàn)極快的調(diào)節(jié)，開關(guān)功能可以在20ps實(shí)現(xiàn)。光控很快被電控所取代。這里，通過分子束外延生長(zhǎng)出的適度參雜的砷化鎵層，其上排布金開口環(huán)陣列而形成一個(gè)肖特基結(jié)。超材料陣列被歐姆接觸環(huán)繞，以實(shí)現(xiàn)二次電連接。由于參雜的砷化鎵不足引起諧振，在自然狀態(tài)超表面沒有諧振。施加偏壓后，開口環(huán)在接近砷化鎵帶隙區(qū)域形成增大的耗盡區(qū)。這在開口環(huán)區(qū)域形成了一個(gè)絕緣的帶，重置了諧振效應(yīng)，因此改變其宏觀特性。使用這種方法實(shí)現(xiàn)了調(diào)幅和相位調(diào)制，其中一個(gè)根據(jù)是Kramers-Kronig關(guān)系。盡管開口環(huán)諧振器應(yīng)用存在窄帶寬的缺陷，但寬帶的調(diào)制是確實(shí)存在的。這是固態(tài)THz斬波器實(shí)現(xiàn)的起源，其可調(diào)制頻率達(dá)到30kHz，通常THz束受限于1kHz。這實(shí)例形象的闡釋了在室溫下調(diào)制THz波的改進(jìn)。

別的許多THz調(diào)節(jié)器也通過可調(diào)諧超材料實(shí)現(xiàn)了。這包括頻率可調(diào)超表面，其中諧振頻率可在近紅外波段調(diào)諧。圖16所示為開口環(huán)結(jié)構(gòu)里植入了硅元。其自然狀態(tài)下，硅是絕緣的，因此對(duì)于整個(gè)開口環(huán)結(jié)構(gòu)來說其所增加的電容只有很小的數(shù)值。加入激勵(lì)光，半導(dǎo)體顯示器類金屬性質(zhì)，開口環(huán)電容增加，由此導(dǎo)致諧振頻率降低。其中的創(chuàng)新點(diǎn)是，與以前的調(diào)諧不同，這種不需要損壞開口環(huán)。這既證明了可動(dòng)力調(diào)諧諧振器，也使一種新的頻率調(diào)諧結(jié)構(gòu)成為了可能，這種結(jié)構(gòu)可以使寬帶THz入射波調(diào)制成1/2的頻率窄帶輸出。

可調(diào)THz超表面仍在新應(yīng)用以及新結(jié)構(gòu)上發(fā)展。調(diào)幅也被用在更精細(xì)的應(yīng)用上如空間光調(diào)制和量子激光調(diào)制。可調(diào)超材料也可以用另外的方法來得到，比如MEMS，其中開口環(huán)制作在懸臂上使開口環(huán)可以通過溫度的改變來調(diào)節(jié)共振頻率。別的溫度調(diào)節(jié)方法也在研究。有一種是通過溫度改變半導(dǎo)體載流子濃度，然后可以在THz范圍來改變其電容率。制作在一個(gè)基板上的超表面可以作為一個(gè)溫度調(diào)控功能的應(yīng)用。其他的方法中，二氧化釩也可以作為其基板。隨著溫度的變化，二氧化釩由金屬向絕緣體轉(zhuǎn)變，特別是其電介質(zhì)特性的變化，由此也引起宏觀超材料共振的變化。有一種有趣的記憶超材料也由這種概念得以發(fā)展。這里，二氧化釩的磁滯特性使電介質(zhì)特性溫度可調(diào)成為現(xiàn)實(shí)。制作在這種基板上面的THz超表面可以得到持久的共振頻率，可以制作成電磁響應(yīng)記憶材料。

近來的研究，HTz超表面通過改變諧振器的環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，其實(shí)現(xiàn)是通過在超表面的表面鍍電介質(zhì)層。這種想法可以用來實(shí)現(xiàn)遙感技術(shù)，因?yàn)槌砻嬷C振器鍍電介質(zhì)環(huán)境的改變非常敏感，特別是對(duì)于開口環(huán)帶隙處來說。這種觀念擴(kuò)展到了微波頻率，流體也使用在了可調(diào)表面、生物分子感測(cè)和微波輔助化學(xué)方面。這將會(huì)在后面詳細(xì)的談到?？梢姽獬砻?/p>

提到這部分，我們僅僅談?wù)摰匠砻嬖谏漕l、微波和THz的應(yīng)用。很少有應(yīng)用在可見光波段的超表面。在最近幾年，相對(duì)于射頻和微波頻率，可見光波段的超材料研究具有更大的魅力。在可見光頻率對(duì)材料實(shí)現(xiàn)自由的電磁控制使其可以解釋新的現(xiàn)象包括optical magnetism，負(fù)折射和超透鏡。在可見光頻率，由金和銀的納米結(jié)構(gòu)激發(fā)的等離子諧振器提供了同時(shí)控制超材料的電矩和磁矩的方法。這種結(jié)構(gòu)包括等離子納米結(jié)構(gòu)、球粒、有縫金屬薄膜、金屬漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)和雙層或者單層開口環(huán)諧振器。由于其在可見光頻率的所具有的高吸收特性和等離子材料，可見光超材料與實(shí)際應(yīng)用緊密的連接在一起。同樣的，克服等離子體損耗也被列上日程。這種結(jié)構(gòu)在新的特性和器件方面展示出很強(qiáng)的活力，如可見光調(diào)制頻率選擇表面和受激輻射所產(chǎn)生表面等離子體的應(yīng)用。另一可見光超材料、表面的研究是納米傳輸線。

受限于制作規(guī)模，可見光超材料常常會(huì)單層二維散射體陣列，也就是超表面。很多發(fā)表出來的關(guān)于可見光超材料的東西也就是期望的可見光超表面。如上述，應(yīng)用體超材料須謹(jǐn)慎，廣義等效面條件為可大范圍的應(yīng)用在可見光方面的二維散射體陣列提供了獨(dú)特的描述。由此，這也是一種描述超表面的更為合適的方法，而不是使用那些適合描述體材料的方法。

盡管大部分所謂的可見光超材料就是超表面，我們也要提及最近的實(shí)現(xiàn)真正3D可見光超材料的研究，其中體特性如介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和折射率可以合適的并且唯一的確定。創(chuàng)新的制作技術(shù)如壓條發(fā)及堆垛法可以實(shí)現(xiàn)散射體的空間陣列。例如，有負(fù)折射率材料所制成的棱鏡已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光的負(fù)折射現(xiàn)象。用于可調(diào)表面、輔助化學(xué)及生物分子傳感器的微流體

超材料和超表面有一個(gè)缺陷，就是在期望的頻率范圍可使用的頻帶很窄。然而，這種缺陷在某種應(yīng)用上也可以變成優(yōu)勢(shì)。有三種這樣的應(yīng)用如流體調(diào)諧表面、微波輔助化學(xué)和生物分子傳感器。

9.1 流體調(diào)諧表面

超材料和超表面的高共振特性為這種結(jié)構(gòu)提供了可調(diào)諧頻率響應(yīng)。擾動(dòng)超表面的電或磁響應(yīng)可以實(shí)時(shí)的實(shí)施，由此可以改變材料的有效響應(yīng)。在第2部分中提到可以通過改變磁偏場(chǎng)來改變球粒超表面的磁電介質(zhì)的極化，在第7部分也提到了在THz頻段的應(yīng)用。然而，許多超材料和超表面電磁特性從屬于其金屬的幾何結(jié)構(gòu)。除了其幾何尺寸以外，這種金屬的極化率也受等離子諧振引起的電容或者感應(yīng)特性的影響。電連接諧振器提供了一種直接控制電容響應(yīng)的方法，通過電帶隙中材料的電特性來實(shí)現(xiàn)。一種實(shí)現(xiàn)這種控制的方法是使用不同的液體來填充縫隙。

圖17所示為一種電場(chǎng)耦合諧振器，所使用是流體調(diào)諧表面來使其運(yùn)行在S波段（2.6GHz-3.9GHz），其尺寸如下：t=w=0.5mm, d=9.5mm, l=5mm, g=0.15mm.如果單元結(jié)構(gòu)具有合適的導(dǎo)向，則這種單元結(jié)構(gòu)很容易受入射波電場(chǎng)的激發(fā)。

制作在超表面上的單元結(jié)構(gòu)具有以下誘人的特性：a 基于平面工藝，并由微波電路、聚乙烯和微流體管道組成，b 通過流體管道可以同時(shí)控制電容性縫隙，由此可以允許多種單元結(jié)構(gòu)公用流體管道，c 可以使流體管道直接與單元結(jié)構(gòu)的電容性縫隙接觸，這就有利于縫隙中激發(fā)的電場(chǎng)與流體管道的耦合。

圖18所示為一個(gè)3*6的方向陣列組成的流體調(diào)諧超表面。單元結(jié)構(gòu)的周期是11mm。圖19所示為通過72 x 34mm S波段的波導(dǎo)激勵(lì)下的仿真響應(yīng)。這個(gè)仿真是使用Ansoft HFSS實(shí)現(xiàn)的。

這種3x6陣列通過Duroid 6002 高頻壓制成0.017mm厚的銅板覆在0.508mm厚的基板上，可以用來研究流體調(diào)諧。流體管道由聚合物制成。聚合物管道通過氰基丙烯酸鹽粘合劑粘貼在超表面上。圖20a展示了一種有聚合物管道并穿過縫隙的超表面。圖20b展示了由金、玻璃和聚乙烯管道構(gòu)成的另一種結(jié)構(gòu)。

這個(gè)超表面陣列由填充了2/3波導(dǎo)區(qū)域的聚苯乙烯泡沫支撐，被用作超表面的把手可以方便其移動(dòng)，可以更快的填充流體管道。之后波導(dǎo)的輸入和輸出就連接到矢網(wǎng)分析儀上來校準(zhǔn)。經(jīng)過校準(zhǔn)之后，我們測(cè)量了在波導(dǎo)2.6GHz到3.95GHz散射體的參數(shù)。這種方法對(duì)反射系數(shù)測(cè)得的不確定度是?|S11|?0.02。

管道中有沒有流體的測(cè)量可以用來定義傳輸共振。有著相對(duì)介電常數(shù)為81的去離子水被用來測(cè)超材料調(diào)節(jié)頻率的能力，在S波段其具有易操作、低揮發(fā)、高介電常數(shù)和低損耗。流體管道使用注射器填充。圖21是實(shí)驗(yàn)中波導(dǎo)下的超表面。

圖22為其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果證明其在150MHz的調(diào)諧能力。具有代表性的是，在有和沒有流體填充時(shí)其反射發(fā)生了明顯的滑移，從3.75GHz到3.6GHz。對(duì)于圖19的仿真結(jié)果與圖中沒有填充水時(shí)結(jié)果的不一致估計(jì)來源于工藝錯(cuò)誤。另外，附加的噪聲擾動(dòng)也來源于工藝的不均性及周期誤差，還有來源于管道與超表面粘結(jié)出產(chǎn)生的干擾。將來，工藝方面的進(jìn)展將會(huì)減小這種誤差。

此外，除了這種流體調(diào)諧作用，通過改變管道中流體而改變共振特性也是一種新的方法。這種方法以及應(yīng)用在了制造業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥和化學(xué)工程。超材料或超表面在感測(cè)和影響的應(yīng)用將會(huì)在后面做更細(xì)的論述。

9.2 微波輔助化學(xué)

處在諧振狀態(tài)的超薄膜可以在單元結(jié)構(gòu)里存儲(chǔ)電磁能。這種特性可以用來增加電磁場(chǎng)與流體管道中流體之間的相互作用?，F(xiàn)在有很多研究將微波能量來催化化學(xué)或者生物反應(yīng)，其中有許多是得益于超薄膜來增加電磁場(chǎng)與流體的相互作用。這里所說的超薄膜方法對(duì)于反應(yīng)來說非常重要，這種方法是通過控制反應(yīng)物的流動(dòng)來控制其化學(xué)反應(yīng)，流體中的能量可以通過調(diào)節(jié)電磁波的頻率和能量來控制。由于超薄膜陣列的諧振頻率可以通過單元結(jié)構(gòu)的形狀和排列來調(diào)控，有不同諧振頻率的不同超薄膜可以通過單一波導(dǎo)的不同頻率來產(chǎn)生激勵(lì)。上面所說的超表面結(jié)構(gòu)可以證明流體調(diào)諧性，也被研究用于集中波導(dǎo)的電磁場(chǎng)。

S頻段波導(dǎo)產(chǎn)生激勵(lì)時(shí)在波導(dǎo)中對(duì)電磁場(chǎng)強(qiáng)度做了仿真。每輸入1W3.29GHz波源，其中所計(jì)算的最大場(chǎng)強(qiáng)是800V/m。將超表面放入同一個(gè)波導(dǎo)中心，最大場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到125000.這就加強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)至少有兩個(gè)量級(jí)，對(duì)于吸收增強(qiáng)了至少四個(gè)量級(jí)。圖23展示了處于單元結(jié)構(gòu)中心的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

圖23所示電場(chǎng)結(jié)構(gòu)證明了超材料結(jié)構(gòu)在精確傳輸電磁能量方面的能力。上面所說的流體調(diào)諧超材料明確的證明了流體管道與組成超表面單元結(jié)構(gòu)縫隙的相互作用。由此可以想象得到這種覆有流體網(wǎng)絡(luò)的超表面通過流體管道可以用于精確傳輸微波場(chǎng)，這可以用于輔助化學(xué)反應(yīng)。

9.3 生物傳感器應(yīng)用

上面所說的流體調(diào)諧超材料可以擴(kuò)展到實(shí)現(xiàn)高的諧振頻率以及小片結(jié)構(gòu)的傳感應(yīng)用。單一單元結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)一種環(huán)形或者網(wǎng)格超材料，這可以制作小巧傳感器以用于醫(yī)藥應(yīng)用，在液體中計(jì)算細(xì)胞數(shù)或者監(jiān)測(cè)反應(yīng)。圖24就是這樣的一種例子。兩個(gè)開口環(huán)連接在一起成一種共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。單元結(jié)構(gòu)縫隙處連接一個(gè)流體管道，用來調(diào)節(jié)對(duì)單元結(jié)構(gòu)電容的影響。通過改變管道中液體的電磁特性，可以調(diào)諧共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的傳輸特性。

圖25是這種結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，流體的相對(duì)介電常數(shù)從81變到58.當(dāng)流體改變時(shí)，反射系數(shù)滑移幾十個(gè)MHz。這種通過使用一種流體管道來影響諧振特性的能力使小巧傳感器的實(shí)現(xiàn)成為了可能，這種傳感器可以應(yīng)用于生物傳感比如計(jì)算細(xì)胞數(shù)或者流體的細(xì)節(jié)。未來或許會(huì)實(shí)現(xiàn)這種類型的傳感，定義電容率的微小變化以及使用儀器計(jì)算微粒。同樣，別的類型的小巧傳感器也將會(huì)繼續(xù)研究，這將對(duì)綜合的傳感器件發(fā)展有莫大好處?，F(xiàn)行的研究主要在將這種概念應(yīng)用在流體中測(cè)定和計(jì)算微粒，如白細(xì)胞數(shù)。

結(jié)論

超表面是3D超材料的另一種補(bǔ)充。由于二維超表面的特性可以使其占用更少的物理空間因此可以有更小的損耗。我們指出有效特性模型可以適合于三維超材料，同時(shí)對(duì)于超表面和超薄膜來說，有效表面電、磁極化率會(huì)有更合適的效果，其中這些表面電、磁特性與組成超表面的散射體密切相關(guān)。在這篇文章中我們討論了從微波到可見光波段超表面的不同應(yīng)用。所談及的應(yīng)用只是現(xiàn)實(shí)的小小的小部分。同時(shí)提出了一些超材料可以使用的新的方面，并為超表面在新領(lǐng)域的應(yīng)用打開了希望的大門。這里提及的分析工具使我們可以在新的應(yīng)用中對(duì)建模、分析和生產(chǎn)有了可用之法。

那么什么是一維超材料呢？二維超表面的概念可以延伸到一維，僅僅使用線性單元而不是方形或者其他形狀，也就是說僅僅使用一種單一的亞波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)期望的效果。實(shí)際上，這種概念已經(jīng)有了一些新的應(yīng)用。具有代表性的應(yīng)用是一種使用單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電力小巧天線。在這個(gè)天線應(yīng)用中，單元結(jié)構(gòu)充當(dāng)天線的輻射元件的一個(gè)寄生元件，可以用來將電力小巧輻射單元與傳輸線和自由空間。納米微粒同樣用于所謂的調(diào)諧可見光納米天線。另一個(gè)例子是將一維單元結(jié)構(gòu)用作平面?zhèn)鬏斁€的調(diào)諧結(jié)構(gòu)，就像圖24所示的傳感器一樣。另一種新興的應(yīng)用領(lǐng)域是將一種一維納米微粒鏈用作波導(dǎo)來支持表面波。

然而更多的工作需要繼續(xù)來加強(qiáng)對(duì)超材料和超表面的理解、分析、設(shè)計(jì)以及制作技術(shù)，我們看到近些年超材料和超表面的發(fā)展帶我們走近了一百多年前Lamb,Schuster,Pocklington所作出的預(yù)言。這些材料發(fā)展永遠(yuǎn)的改變了射頻、微波、可見光和光子在未來的應(yīng)用。