波導(dǎo)法測量材料的電容率和磁導(dǎo)率

付全紅,龐述先,樊元成,張富利

(西北工業(yè)大學(xué) a.理學(xué)院 應(yīng)用物理系;b.物理實驗教學(xué)中心，陜西 西安 710129)

電容率ε和磁導(dǎo)率μ是描述材料電磁性質(zhì)的基本參量，其中ε描述材料在電場中的極化性質(zhì)，而μ描述材料在磁場中的磁化性質(zhì)，它們共同決定了電磁波與材料的相互作用，因而，獲取材料的ε和μ(尤其是通過實驗測量獲取)在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中具有重要意義. Smith等人為了獲得“超構(gòu)材料”(metamaterials)的等效電容率ε和磁導(dǎo)率μ，提出了“散射參量提取法”(S-parameter retrieval method)，通過等效介質(zhì)板的散射參量S11和S21反推出ε和μ[1-2]. 為了避免數(shù)值計算或?qū)嶒灉y量誤差對多值函數(shù)分支選擇的影響，Chen等人發(fā)展了穩(wěn)健的“散射參量提取法”[3]；此外，他們還提出了適用于雙各向異性(bianisotropic)超構(gòu)材料的“散射參量提取法”，除了能夠提取電容率和磁導(dǎo)率張量外，還能夠提取電磁耦合系數(shù)[4]. 但是，這些“散射參量提取法”屬于自由空間測量，即平面波垂直入射到無限大介質(zhì)板上. 為了實現(xiàn)平面波入射，需要使用喇叭天線，而且需要將樣品放置在喇叭天線后面一定距離之外；為了避免衍射效應(yīng)，樣品的幾何尺寸需要遠大于波長；此外，為了消除雜散波的影響，需要在微波暗室中進行測量. 由于測量系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，易受到外界電磁環(huán)境的干擾，產(chǎn)生測量誤差. 矩形波導(dǎo)管是一種封閉系統(tǒng)，其中傳播的波導(dǎo)模為2個斜入射平面波的疊加，而且不同頻率的波導(dǎo)模對應(yīng)不同的入射角[5]. 與自由空間情形類似，本文通過求解電磁場的邊值問題，推導(dǎo)矩形波導(dǎo)管中介質(zhì)板的反射系數(shù)r和透射系數(shù)t，以及由介質(zhì)板的r和t確定材料的ε和μ的公式. 利用這種方法(即波導(dǎo)法)測量材料的ε和μ，由于在封閉的矩形波導(dǎo)管中進行，不受外界電磁環(huán)境的干擾，因而實驗操作簡便，所需樣品面積小，測量誤差小.

1 測量原理

如圖1所示，矩形波導(dǎo)管中，角頻率為ω的基模TE10沿z方向垂直入射到介質(zhì)板上. 假設(shè)矩形波導(dǎo)管的橫截面尺寸為a×b，介質(zhì)板的厚度為d.

圖1 波導(dǎo)管和介質(zhì)板示意圖

在區(qū)域Ⅰ(z<0)，電容率為ε1，磁導(dǎo)率為μ1，因此有

E1,y=E1+,y+E1-,y=

A1+sin (kxx)eiβ1z+A1-sin (kxx)e-iβ1z，

式中,

在區(qū)域Ⅱ(0

E2,y=E2+,y+E2-,y=

A2+sin (kxx)eiβ2z+A2-sin (kxx)e-iβ2z，

式中,

在區(qū)域Ⅲ(z>d)，電容率為ε3，磁導(dǎo)率為μ3，因此有

E3,y=A3sin (kxx)eiβ3z,

在邊界z=0處，由電磁場的邊值關(guān)系得

(1)

即

(2)

將式(2)寫成矩陣形式

(3)

在邊界z=d處，由電磁場的邊值關(guān)系得

(4)

即

(5)

將式(5)寫成矩陣形式

(6)

(7)

將式(7)化簡得

(8)

若已知介質(zhì)板的電容率ε和磁導(dǎo)率μ，則可由方程組(8)求得反射系數(shù)r和透射系數(shù)t：

(9)

若已知介質(zhì)板的反射系數(shù)r和透射系數(shù)t，則由方程組(8)求得介質(zhì)板的電容率ε和磁導(dǎo)率μ：

(10)

或

(11)

通常，ε1=ε3，μ1=μ3，因而β1=β3，n1=n3，z1=z3，則式(9)～(11)分別可簡化為

(12)

(13)

(14)

由式(14)可求得介質(zhì)板的折射率n2和歸一化波阻抗z2，然后根據(jù)ε2,μ2與n2,z2之間的關(guān)系，即ε2/ε0=n2/z2，μ2/μ0=n2z2，可求得介質(zhì)板的電容率ε2和磁導(dǎo)率μ2.

由式(14)的第1式得

式中，m為整數(shù). 對于薄介質(zhì)板，厚度遠小于波長，因而m=0，即

(15)

在求解過程中，n2和z2的符號由Im (n2)>0和Re (z2)>0來確定.

2 相位修正

在測量原理中，介質(zhì)板的反射系數(shù)和透射系數(shù)的參考面分別為介質(zhì)板的前、后表面. 在實驗測量過程中，如果參考面的位置不滿足測量原理的要求，應(yīng)先對反射系數(shù)和透射系數(shù)的相位進行修正，然后才能代入公式求解.

假設(shè)反射系數(shù)和透射系數(shù)的參考面分別與介質(zhì)板的前、后表面相距u和v，反射系數(shù)和透射系數(shù)分別為r′和t′，則修正公式為

3 舉例驗證

假設(shè)矩形波導(dǎo)管為BJ9，其橫截面尺寸為a×b=247.65 mm×123.82 mm，考察的頻率范圍為0.8～1.1 GHz，介質(zhì)板的厚度為d=30 mm，電容率和磁導(dǎo)率分別為

式中，ωe=2π×1.2×109rad/s，γe=0.015ωe，ωm=2π×1.3×109rad/s，γm=0.005ωm. 介質(zhì)板兩側(cè)為空氣.

利用三維全波電磁場仿真軟件CST微波工作室對介質(zhì)板的反射系數(shù)和透射系數(shù)進行仿真，結(jié)果如圖2所示.

(a) 模

(b) 輻角圖2 介質(zhì)板的反射系數(shù)r和透射系數(shù)t

利用式(15)和式(14)的第2式，由介質(zhì)板的反射系數(shù)r和透射系數(shù)t，求得介質(zhì)板的折射率n和歸一化波阻抗z，進而求得介質(zhì)板的電容率ε和磁導(dǎo)率μ，結(jié)果如圖3所示.

(a)電容率ε

(b)磁導(dǎo)率μ圖3 介質(zhì)板的電容率ε和磁導(dǎo)率μ

從圖3中可以看出，利用波導(dǎo)法由介質(zhì)板的反射系數(shù)和透射系數(shù)求得的電容率和磁導(dǎo)率，即反演值，與理論值一致，表明波導(dǎo)法測量材料的電容率和磁導(dǎo)率正確有效.

4 結(jié)束語

通過求解電磁場的邊值問題，推導(dǎo)出矩形波導(dǎo)管中，介質(zhì)板的反射系數(shù)r和透射系數(shù)t，進而確定材料的電容率ε和磁導(dǎo)率μ的公式，并以具有Drude電色散和磁色散的介質(zhì)為例，利用“波導(dǎo)法”由介質(zhì)板的r和t求得材料的ε和μ，結(jié)果與理論值完全一致，實驗表明“波導(dǎo)法”測量材料的電容率和磁導(dǎo)率正確有效. 該工作是本科電動力學(xué)知識在科學(xué)研究中的典型應(yīng)用，有利于加強學(xué)生對基本電磁理論的理解和應(yīng)用. 該實驗具有實驗操作簡便、所需樣品面積小、測量誤差小等優(yōu)勢，對于電磁材料和電磁器件的設(shè)計和研究具有廣泛應(yīng)用價值.