從雙負(fù)介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系出發(fā)，給出了描述雙負(fù)介質(zhì)場(chǎng)與流的微分方程組，將其離散得到用于FDTD計(jì)算的三維遞推表達(dá)式。與文獻(xiàn)[5]結(jié)果對(duì)比并驗(yàn)證了本文該算法和程序的正確性。最后，計(jì)算了導(dǎo)體球覆蓋雙負(fù)介質(zhì)或等離子體時(shí)的電磁散射。計(jì)算表明：由于模擬的雙負(fù)介質(zhì)是匹配介質(zhì)，其吸波性能要明顯地優(yōu)于等離子體的；適當(dāng)選取雙負(fù)介質(zhì)參數(shù)，可以使雙負(fù)介質(zhì)包層有效地減小目標(biāo)的雷達(dá)回波。
關(guān) 鍵 詞 雙負(fù)介質(zhì); 電磁散射; 時(shí)域有限差分法; 等離子體

文獻(xiàn)[1]中指出，介電系數(shù)和磁導(dǎo)系數(shù)均為負(fù)的介質(zhì)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(fù)介質(zhì)(指介電系數(shù)和磁導(dǎo)系數(shù)均為負(fù))，因此文獻(xiàn)[1]的理論預(yù)言在隨后的30年里沒(méi)有得到重視。文獻(xiàn)[2]預(yù)言利用人造復(fù)合材料和金屬線(xiàn)陣列組合起來(lái)能夠制造出雙負(fù)性材料。文獻(xiàn)[3]根據(jù)文獻(xiàn)[2]的研究結(jié)果，用細(xì)金屬導(dǎo)線(xiàn)陣列和開(kāi)路環(huán)諧振器(Split Ring Resonator，SRR)陣列構(gòu)造出了介電系數(shù)與磁導(dǎo)系數(shù)同時(shí)為負(fù)的人工介質(zhì)，這一發(fā)現(xiàn)引起了人們極大的關(guān)注。文獻(xiàn)[4]分別提出了另一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、色散相對(duì)較小的雙負(fù)介質(zhì)，不是由細(xì)金屬導(dǎo)線(xiàn)陣列和開(kāi)路環(huán)諧振器構(gòu)成，而是由傳輸線(xiàn)上加載串連的電容和并聯(lián)的電感構(gòu)成。數(shù)值、解析和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明這種傳輸線(xiàn)模型確實(shí)能顯示文獻(xiàn)[1]預(yù)言的有關(guān)雙負(fù)介質(zhì)的特性。近年來(lái)，隨著雙負(fù)材料制備的研究，其潛在應(yīng)用逐步浮出水面。如利用雙負(fù)介質(zhì)獨(dú)特的性質(zhì)有望制造出尺度遠(yuǎn)小于一個(gè)波長(zhǎng)的諧振器和高定向天線(xiàn)等。值得注意的是雙負(fù)介質(zhì)還有可能用于吸波和隱身。
從現(xiàn)有文獻(xiàn)看，時(shí)域有限差分(Finite-Difference Time-Domain，F(xiàn)DTD)方法[5-7]在對(duì)雙負(fù)介質(zhì)的數(shù)值模擬方面獨(dú)占鰲頭，大部分結(jié)合理論分析的計(jì)算都是以色散介質(zhì)Drude模型利用FDTD方法進(jìn)行的。本文嘗試用FDTD方法仿真雙負(fù)介質(zhì)與等離子體的隱身，比較兩者的吸波特性，探討雙負(fù)介質(zhì)在隱身方面的應(yīng)用前景。
1 雙負(fù)介質(zhì)FDTD方法
1.1 描述雙負(fù)介質(zhì)的微分方程
雙負(fù)介質(zhì)的介電系數(shù)和磁導(dǎo)系數(shù)可用有耗Drude[5-6]模型來(lái)描述，即：