電磁波在異向介質(zhì)中傳播和散射特性的研究.pdf

1、自2001年SmithDR等人根據(jù)PendryJB等的研究結(jié)果，首次構(gòu)造出介電系數(shù)ε和磁導系數(shù)μ同時為負的人工異向介質(zhì)以來，對異向介質(zhì)的研究已經(jīng)成為國際學術(shù)界一個引人注目的前沿領(lǐng)域。 本論文用時域有限差分(FDTD：Finite—DifferenceTime—Domain)方法和Mie級數(shù)方法對電磁波在異向介質(zhì)中的傳播和散射特性進行了理論上的深入研究，探討其在隱身和波束分離器等各種工程中的應用。本文主要內(nèi)容為： 1．理論

2、和實驗研究了基本結(jié)構(gòu)偏移、切割、旋轉(zhuǎn)對異向介質(zhì)傳輸特性的影響。比較了提取的標準和偏移后的異向介質(zhì)有效介質(zhì)參數(shù)，結(jié)果表明：偏移使左手透射峰峰值降低，通帶帶寬減??；若將組成異向介質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元旋轉(zhuǎn)，完整的左手透射峰將不復存在；不同方向的切割會不同程度的改變異向介質(zhì)透射峰的性質(zhì)。 2．基于Mie級數(shù)解研究了金屬球被異向介質(zhì)覆蓋的散射。推導了可以用于計算單層和雙層均勻色散介質(zhì)球電磁散射的Mie級數(shù)解。比較了金屬球被異向介質(zhì)和鐵氧體覆蓋的散

3、射，Mie級數(shù)解計算結(jié)果表明：覆蓋層異向介質(zhì)不同介質(zhì)組合對金屬球后向散射截面有一定影響。 3．引入磁色散，推導了基于輔助差分(ADE：AuxiliaryDifferentiaEquation)和移位算子(SO：ShiftOperator)的FDTD方法。用極化和磁化等離子體Drude和Lorentz模型來模擬異向介質(zhì)，將μ表示以．jω為自變量的Padé近似，用a/at代替jω，過渡到時域，再引入離散時域移位算子代替時間微分算子來

4、處理μ，進而推導出SO—FDTD方法計算中磁感應強度B和磁場強度H之間的關(guān)系。推導了描述異向介質(zhì)場與流的微分方程組，將其離散得到二維ADE—FDTD遞推表達式。FDTD方法數(shù)值計算表明：(ⅰ)．異向介質(zhì)覆蓋層較大地減少金屬柱后向和小雙站角范圍內(nèi)的散射能量，而對前向和大雙站角范圍的散射則基本起增強作用。(ⅱ)．一般而言，隨著覆蓋層異向介質(zhì)中等離子體頻率、等離子體碰撞頻率、異向介質(zhì)厚度的增加，金屬柱的后向散射逐漸減小。(ⅲ)．異向介質(zhì)的匹配

5、和各向同性的程度對金屬球的后向散射有著重要的影響。適當選取異向介質(zhì)參數(shù)，可以使異向介質(zhì)包層能有效地減小目標的雷達回波。探討了異向介質(zhì)在隱身方面的應用。 4．用FDTD方法仿真高斯波束在異向介質(zhì)中的傳播。首先模擬了高斯波束在各向同性異向介質(zhì)板中的會聚效應、負折射、相位補償、平凹透鏡成像；ADE—FDTD方法數(shù)值結(jié)果得到：各向異性異向介質(zhì)(AMM：anisotropicmetamaterial)板的相對磁導系數(shù)μx決定波矢量是正常還