手征涂覆球对高斯波束的散射(2)
在上述展开式以及下面的有关展开式中,球矢量波函数mr(j)mn,nr(j)mn中的上标j取1或3取决于其中选用了第一类或第三类球贝塞尔函数(第一类球汉克尔函数)。
1.2手征涂覆层内部场的描述
手征媒质的本构关系可表示为D=ε0εrE+iκμ0ε0H,(6)
B=μ0μrH-iκμ0ε0E。(7)式(6)和式(7)中:κ为手征参数;μr和εr为手征媒值相对于自由空间的相对磁导率和介电常数。
手征媒质中的场(E,H)可表示为右旋圆极化波(E+,H+)和左旋圆极化波(E-,H-)的线性叠加[3],Ε
H=Ε+
H++Ε-
H-。(8)满足如下关系,E±=±iη0μrεrH±=±iηH±。(9)在无源情况下,非耦合的波动方程可表示为2E+
E-+k2+E+
k2-E-=0
0。(10)式(10)中:k±=k0(μrεr±κ),右和左旋圆极化波(E+,E-)的旋度和散度为×E+
E-=k+E+
-k-E-,(11)
·E+
E-=0
0。(12)为了把手征涂覆层内部的场也用球矢量波函数展开,可把球矢量波函数写为组合的形式mr(j)mn(k+r)+nr(j)mn(k+r),mr(j)mn(k-r)-nr(j)mn(k-r)。显然前者可表示E+,后者可表示E-,它们满足方程(10),(11)和(12)。所以,手征涂覆层内部的场可展开为
Ew=E0∑∞n=1∑nm=-n{icmn[mr(1)mn(k+r)+nr(1)mn(k+r)]+ic′mn[mr(3)mn(k+r)+nr(3)mn(k+r)]+dmn[mr(1)mn(k-r)-nr(1)mn(k-r)]+d′mn[mr(3)mn(k-r)-nr(3)mn(k-r)]}(13)
Hw=E0η∑∞n=1∑nm=-n{cmn[mr(1)mn(k+r)+nr(1)mn(k+r)]+c′mn[mr(3)mn(k+r)+nr(3)mn(k+r)]+idmn[mr(1)mn(k-r)-nr(1)mn(k-r)]+id′mn[mr(3)mn(k-r)-nr(3)mn(k-r)]}。(14)
1.3散射场的求解
介质球内部的场可展开为
Ew(1)=E0∑∞n=1∑nm=-n[ic(1)mnmr(1)mn(kr)+d(1)mnnr(1)mn(kr)],(15)
Hw(1)=E0η1∑∞n=1∑nm=-n[c(1)mnnr(1)mn(kr)-id(1)mnmr(1)mn(kr)],(16)
其中:k=k0;η1=η0;为介质相对于自由空间的折射率。
式(4),(5),(13)-(16)中的展开系数amn,bmn,cmn,c′mn,dmn,d′mn,c(1)mn和d(1)mn可由电磁场边界条件确定。
设手征涂覆层的外半径和介质球的半径分别为r0和r1,则边界条件可表示为Eiθ+Esθ=Ewθ,Eiφ+Esφ=Ewφ
Hiθ+Hsθ=Hwθ,Hiφ+Hsφ=Hwφatr=r0,(17)
Ewθ=Ew(1)θ,Ewφ=Ew(1)φ
Hwθ=Hw(1)θ,Hwφ=Hw(1)φatr=r1。(18)由式(17)和(18)可求出各展开系数。对于散射场,只需求出系数amn和bmn即可。
2数值结果
在实际应用中,我们通常对远区散射场感兴趣。远区场可由散射场取k0r→∞的渐进表达式得到[6]。本文中,我们设入射高斯波束为TE模,并在属于0xyz的球坐标系中计算归一化的微分散射截面πσ(θ,φ)λ2 [6]。
图2所示的是高斯波束入射时,手征涂覆球与介质涂覆球归一化微分散射截面的比较。从图2中可看出:两者无论在前向(θ=0)还是后向(θ=180°)数值结果都有明显的差别。
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