双负介质覆盖导体球宽带散射特性分析

从双负介质的本构关系出发，给出了描述双负介质场与流的微分方程组，将其离散得到用于FDTD计算的三维递推表达式。与文献[5]结果对比并验证了本文该算法和程序的正确性。最后，计算了导体球覆盖双负介质或等离子体时的电磁散射。计算表明：由于模拟的双负介质是匹配介质，其吸波性能要明显地优于等离子体的；适当选取双负介质参数，可以使双负介质包层有效地减小目标的雷达回波。
关 键 词 双负介质; 电磁散射; 时域有限差分法; 等离子体

文献[1]中指出，介电系数和磁导系数均为负的介质具有不同寻常的电磁特性，如逆斯涅耳定律(Reversed Snell Refraction)等。由于自然界并不存在双负介质(指介电系数和磁导系数均为负)，因此文献[1]的理论预言在随后的30年里没有得到重视。文献[2]预言利用人造复合材料和金属线阵列组合起来能够制造出双负性材料。文献[3]根据文献[2]的研究结果，用细金属导线阵列和开路环谐振器(Split Ring Resonator，SRR)阵列构造出了介电系数与磁导系数同时为负的人工介质，这一发现引起了人们极大的关注。文献[4]分别提出了另一种结构简单、色散相对较小的双负介质，不是由细金属导线阵列和开路环谐振器构成，而是由传输线上加载串连的电容和并联的电感构成。数值、解析和实验的结果证明这种传输线模型确实能显示文献[1]预言的有关双负介质的特性。近年来，随着双负材料制备的研究，其潜在应用逐步浮出水面。如利用双负介质独特的性质有望制造出尺度远小于一个波长的谐振器和高定向天线等。值得注意的是双负介质还有可能用于吸波和隐身。
从现有文献看，时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)方法[5-7]在对双负介质的数值模拟方面独占鳌头，大部分结合理论分析的计算都是以色散介质Drude模型利用FDTD方法进行的。本文尝试用FDTD方法仿真双负介质与等离子体的隐身，比较两者的吸波特性，探讨双负介质在隐身方面的应用前景。
1 双负介质FDTD方法
1.1 描述双负介质的微分方程
双负介质的介电系数和磁导系数可用有耗Drude[5-6]模型来描述，即：