手性材料电磁参量测量方法的理论研究

　　1 引言

　　作为一种新的电磁材料,手性材料在吸波材料、天线工程、微波、毫米波器件等领域中有潜在的实用价值。描述手性材料的电磁性质除了介电常数和磁导率两个参数外,还有一个称之为手性参数的物理量。手性参量的测量对手性材料实用化的研究起重要的作用。

　　目前只有V.V.Varadan等人采用自由空间的测量方法利用微波网络矢量分析仪通过测量网络参数进行了一些手性参量的测量工作[1,2],但这种测量方法只适用于微波网络矢量分析仪测量系统,而对一般的微波测量系统并不适用。本文从麦克斯韦方程组、边界条件和手性材料的物质方程出发,导出了单层平板形手性材料在有、无金属衬底情况下的电磁波的反射、透射关系,进而提出了一种采用自由空间法对一般的微波测量系统也适用的可同时测量手性材料的复介电常数、复磁导率和复手性参量的方法。与文献[1,2]的测量方法相比,该方法具有原理明确、适用性广的优点。

　　2 手性材料在有、无金属衬底情况下的电磁波的反射、透射关系

　　对于均匀的手性材料,有如下的物质方程[3]:

　　其中E、L、N分别为手性材料的复介电常数、复磁导率和复手性参量。手性材料内传播的特征波为两列右、左旋圆偏振波,其相应的特征波数分别为:

　　其中下标/+0对应于右旋圆偏振波,下标/-0对应于左旋圆偏振波。其特征阻抗为:

　　如图1所示,设有一笛卡尔坐标系表示的空间,一频率为X的平面波由空气沿Z轴方向垂直入射到无金属衬底的单层手性材料上,则手性材料左边的电场强度可写为:

　　其中分别为入射波的电场强度的x、y分量,分别为反射波的电场强度的x、y分量,为空气中的特征波数;其磁场强度为:

　　其中Eⁱ_c+x、Eⁱ_c+y分别为手性材料内向右传播的右旋圆偏振波的电场强度的x、y分量,Eⁱ_c-x、Eⁱ_c-y分别为手性材料内向右传播的左旋圆偏振波的电场强度的x、y分量,E^r_c+x、E^r_c+y分别为手性材料内向左传播的右旋圆偏振波的电场强度的x、y分量,E^r_c-x、E^r_c-y分别为手性材料内向左传播的左旋圆偏振波的电场强度的x、y分量;并由右旋圆偏振波、左旋圆偏振波的性质可知:

 （7）

　　其磁场强度为:

（8）

　　手性材料右边的电场强度可写为:

　　其中E^t_0x、E^t_0y分别为透射波的电场强度的x、y分量;其磁场强度为: