雙負介質覆蓋導體球寬帶散射特性分析

從雙負介質的本構關系出發(fā)，給出了描述雙負介質場與流的微分方程組，將其離散得到用于FDTD計算的三維遞推表達式。與文獻[5]結果對比并驗證了本文該算法和程序的正確性。最后，計算了導體球覆蓋雙負介質或等離子體時的電磁散射。計算表明：由于模擬的雙負介質是匹配介質，其吸波性能要明顯地優(yōu)于等離子體的；適當選取雙負介質參數(shù)，可以使雙負介質包層有效地減小目標的雷達回波。
關 鍵 詞 雙負介質; 電磁散射; 時域有限差分法; 等離子體

文獻[1]中指出，介電系數(shù)和磁導系數(shù)均為負的介質具有不同尋常的電磁特性，如逆斯涅耳定律(Reversed Snell Refraction)等。由于自然界并不存在雙負介質(指介電系數(shù)和磁導系數(shù)均為負)，因此文獻[1]的理論預言在隨后的30年里沒有得到重視。文獻[2]預言利用人造復合材料和金屬線陣列組合起來能夠制造出雙負性材料。文獻[3]根據(jù)文獻[2]的研究結果，用細金屬導線陣列和開路環(huán)諧振器(Split Ring Resonator，SRR)陣列構造出了介電系數(shù)與磁導系數(shù)同時為負的人工介質，這一發(fā)現(xiàn)引起了人們極大的關注。文獻[4]分別提出了另一種結構簡單、色散相對較小的雙負介質，不是由細金屬導線陣列和開路環(huán)諧振器構成，而是由傳輸線上加載串連的電容和并聯(lián)的電感構成。數(shù)值、解析和實驗的結果證明這種傳輸線模型確實能顯示文獻[1]預言的有關雙負介質的特性。近年來，隨著雙負材料制備的研究，其潛在應用逐步浮出水面。如利用雙負介質獨特的性質有望制造出尺度遠小于一個波長的諧振器和高定向天線等。值得注意的是雙負介質還有可能用于吸波和隱身。
從現(xiàn)有文獻看，時域有限差分(Finite-Difference Time-Domain，F(xiàn)DTD)方法[5-7]在對雙負介質的數(shù)值模擬方面獨占鰲頭，大部分結合理論分析的計算都是以色散介質Drude模型利用FDTD方法進行的。本文嘗試用FDTD方法仿真雙負介質與等離子體的隱身，比較兩者的吸波特性，探討雙負介質在隱身方面的應用前景。
1 雙負介質FDTD方法
1.1 描述雙負介質的微分方程
雙負介質的介電系數(shù)和磁導系數(shù)可用有耗Drude[5-6]模型來描述，即：