ネガティブインデックス材料の電磁気的挙動の解析

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特にレーダ散乱を低減する用途においては、負の実部を持つ誘電率と透磁率の両方を持つ材料の電磁気的挙動に大きな関心があります。これらの材料は、負のインデックス材料 (NIM)、二重負の材料 (DNG)、左利きの材料を含むいくつかの名前を持っており、メタマテリアルのカテゴリです。この関心は、この特性とメタマテリアルの可用性に大きな部分に基づいています。XFdtd は、時間領域ソルバーですが、ソフトウェアに含まれている周波数依存の材料モデルを使用して、これらの材料の計算を行う機能を備えています。この例はこの機能を示し、これらの珍しい材料のためのいくつかの興味深い結果を提示します。

検討中の材料は、30 GHz で-1 の実質誘電率と透磁率の値を持っています。誘電率と透磁率の虚数部は、損失を低減するために関心のある周波数では小さいです。30GHz では、材料は、低損失と負の位相速度を持つ自由空間にほぼ等しいインピーダンスを持つ必要があります。

XFdtd は完全な3D 計算を目的としていますが、これらの図は2D ジオメトリ用に作成されたもので、これらのマテリアルの動作を示すのに効率的です。基本的なジオメトリは図1に示されており、マテリアルの2D スラブを表す長方形が含まれています。スラブの右側には、30 GHz の電圧源を持つ導波管によって給電された単純なホーンアンテナがあります。アンテナはスラブの法線とともに20度の角度で傾いています。電圧波形は、最初のサイクルで振幅がランプアップます。電界は、磁場が入射面にあるように、図の平面に垂直に分極されています。非常に小さなセルサイズを選択して、次の画像に詳細なフィールド解像度を提供します。表示されるフィールドは、dB スケールの瞬間的な電界です。

図1

材料スラブと傾斜ホーンラジエーターの基本的な二次元幾何学。

 

この例では、3つの異なる材料が考えられます。まず、図2に示すように、スラブが除去され、アンテナが空き領域に放射します。これは、アンテナホーンから発する不撹乱フィールドを示しています。

図2

ホーンラジエーターからの空の二次元空間における電界伝搬

 

次に一定の相対μ = ε = 4 の誘電体スラブが考えられる。このスラブは、フリースペースと同じインピーダンスを持つため、インタフェースには反射がありません。フィールドの相互作用は図3に示されており、信号の波長は材料内で圧縮することができますが、反射はサーフェスからは見えません。

図3

Ε = μ = 4 のインピーダンス整合材を介した電界伝搬。マテリアルサーフェスから反射は見られません。

 

最後に、負のインデックスマテリアルがスラブに適用されます。これは、ドルーデフォームの二重誘電体および磁気周波数依存モデルを使用して行われます。複素誘電率を図4にプロットして示します。透過性に関する類似のプロットも存在します。材料をスラブに割り当てた後、シミュレーションフィールドが計算され、図5に表示されるようになります。

図4

ドルーデ複素誘電率プロファイルは、30 GHz での実質誘電率 =-1 の負のインデックス材料です。

図5

材料内の異常なフィールド分布を示す、NIM スラブを介した遅延時間フィールドの伝搬。

 

図6-11 では、電磁波エネルギーが負の屈折率材料スラブと相互作用する現象を考えてみましょう。過渡電界中のヌルは、自由空間よりも DNG の方が速く移動するように見えますが、エネルギーはフリー・スペースの場合と同じ速度で DNG を通って伝搬します。DNG の伝搬方向は、「通常の」材料とは反対方向に傾いています。スラブを超える初期の過渡領域は、急速な空間的変動を示します。定常状態に達した後、DNG の波前線は、ソースに向かって移動するように見えます。これは、例をダウンロードし、XF7 内でフィールドシーケンスムービーを再生することによって視覚化するのが最適です。

図6

NIM スラブとの初期フィールドの相互作用。

図7

ステップ 2 NIM スラブとのフィールドの相互作用。

 

図8

ステップ 3 NIM スラブとのフィールドの相互作用。

図9

ステップ 4 NIM スラブとのフィールドの相互作用。

 

図10

ステップ 5 NIM スラブとのフィールドの相互作用。

図11

ステップ 6 NIM スラブとのフィールドの相互作用。