铁磁性基体及金属线阵列复合体系双负材料特性.doc

铁磁性基体及金属线阵列复合体系双负材料特性摘 要：基于铁磁性基体与金属线阵列复合结构等效电磁参数的长波近似模型，设计了一种应用铁磁性基体的二维双负材料。根据带有介质包裹层的金属线的散射特性，采取多重散射方法计算了铁磁性基体与金属线阵列复合结构的传输谱；还通过全波仿真提取了单元结构的等效电磁参数。这些数值结果与长波近似模型的理论结果取得了很好的一致，确认了该模型的正确性。通过仿真周期复合体系中的电磁场分布，在所设计的双负频带内观察到了反向波现象，进一步验证了所设计的复合体系的双负特性。 关键词：铁磁性材料； 金属线阵列； 双负材料； 多重散射方法 中图分类号：TN6134 文献标识码：A 文章编号：1004373X(2012)10015505 基金项目：国家自然科学基金项目61071007)； 高等学校博士学科点专项科研基金项目(20100091120045;20110091110030)0 引 言 双负材料(DNM)是介电常数和磁导率同时为负数的材料，也常被称为左手材料(LeftHanded Material,LHM)，它具有一些反常的电磁性质，比如返波、逆多普勒效应、负折射率特性等［1］。自从第一个由谐振环(SplitRing Resonator,SRR)和金属线阵构成的DNM被实验验证以来［2］，DNM在基础科学和工程技术领域都成为研究热点［34］。Pendry和Smith等人的研究表明，金属线阵列能够降低复合体系的等离子体频率，在一定频段具有等效的负介电常数，而SRR结构则在其谐振频率附近具有等效的负磁导率［2］。实际上，很多天然铁磁性材料在其铁磁谐振频率附近就具有负的磁导率，通常铁磁谐振频率就在GHz量级，而且铁磁性材料还具有磁导率受外加偏置磁场调节的特点［5］，能够实现工作频段可调节的DNM。因此基于铁磁性材料的DNM受到广泛关注，国内外的一些研究小组分别通过理论和实验研究了如何应用铁氧体、铁磁性金属等铁磁性材料设计实现DNM［57］。 在Pendry有关金属细线阵列结构低频等离子体模型的基础上［2,8］，Dewar提出了一种采用磁性基体的金属线阵列结构［9］。他给出了这种复合结构的等效电磁参数在长波近似条件下的理论模型，并指出这种结构可以在一定频段实现DNM。本文基于Dewar提出的理论模型设计了一种应用铁磁性基体的二维DNM。建立了磁性基体中金属线单元结构的电磁散射模型，利用多重散射方法计算了该单元结构构成的复合体系的传输特性，并与利用近似模型计算的传输谱进行了对比，初步确认了该模型的正确性。通过全波电磁仿真结合电磁参数反演提取了该单元结构的等效电磁参数，进一步验证了长波近似模型的正确性。全波仿真了复合体系的电磁场分布，观察了反向波现象的发生，设计的复合体系在一定的频段内具有明显的DNM特性。 1 磁性基体与金属线复合结构等效电磁参数的理论模型 Dewar提出的结构如图1所示，磁性基体中插入金属细线阵列的复合结构［9］，这个结构和PendrySmith结构非常接近，只是周期结构中的背景媒质换成了本身具有负磁导率的铁磁性材料。但是，在PendrySmith结构中产生负磁导率的谐振环和产生负介电常数的金属细线之间是有一段间隙，并且在理论分析时认为它们相互之间没有耦合［2］。但是金属细线直接插入到铁磁性材料中构成的复合体系中，就必须考虑背景媒质的负磁导率对金属细线阵列结构等效负介电常数的影响［9］。因此，正如图1所示的那样，在Dewar提出的结构中，金属细线和磁性基体之间被一层磁导率大于0的介质隔离着。 图1 磁性基体（灰色区域）中金属细线 （黑色圆点）阵列复合结构单元示意图 假定金属线外包裹的介质层为自由空间，它的外径为r2，金属线半径为r，阵列周期常数为a，并且r0，|Re(keff)/lm(keff)|0，复合结构是所谓的单负材料，等效波数的虚部远大于实部，衰减很大。当入射电磁波的频率高于体系的等离子频率以后，由于介电常数和磁导率实部都大于0，复合结构变成正常材料。 图2 磁性基体金属线阵列复合结构等效电磁参数的计算值 图3 磁性基体中金属线阵列结构的等效波数2 磁性基体金属线阵列复合结构传输谱的数值计算 1