帶缺口梯形電磁超材料結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)及驗(yàn)證*

摘 要：文章基于傳統(tǒng)SRR/MW結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一種帶缺口梯形超材料模型，通過(guò)電磁仿真軟件HFSS提取的反射-傳輸參數(shù)，并通過(guò)經(jīng)典反演算法反演出等效電磁參數(shù)，反演結(jié)果顯示該超材料結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足在7.08GHz～7.21GHz頻段內(nèi)等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的性質(zhì)。

關(guān)鍵詞：超材料；梯形；HFSS；等效電磁參數(shù)

引言

自從Veselago于1968年從理論上提出了超材料（MTM）的概念以來(lái)，超材料因其自然界常規(guī)材料所不具備的特殊電磁特性而越來(lái)越吸引著物理學(xué)界和材料界的廣泛重視[1]。Pendry等因其創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)出由開(kāi)口諧振環(huán)和金屬纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即經(jīng)典SRR/MW模型[2]，成為后續(xù)各種改進(jìn)超材料結(jié)構(gòu)的原始基礎(chǔ)。

文章基于傳統(tǒng)SRR/MW的思路，設(shè)計(jì)出一種新型帶缺口梯形超材料模型，并通過(guò)仿真和等效參數(shù)提取驗(yàn)證其滿(mǎn)足超材料頻段的性質(zhì)。該模型幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利于加工制造，是實(shí)用超材料模型的良好選擇方案。

1 超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超材料結(jié)構(gòu)如圖1所示，介質(zhì)板采用環(huán)氧玻璃布層壓板，介質(zhì)板沿X軸方向長(zhǎng)度為14mm，沿Z軸方向高度為16mm， 沿Y軸方向的厚度為1.6mm。其中內(nèi)外等腰梯形的寬度均為0.5mm，外梯形的上底為12mm，下底為16mm；內(nèi)梯形的上底為6mm，下底為10mm。在內(nèi)外等腰梯形的上底邊上都有一個(gè)長(zhǎng)為1mm，寬為0.5mm的長(zhǎng)方形缺口，在內(nèi)外梯形的缺口處的凸起部分為正方體，其中長(zhǎng)寬都為0.5mm，厚度為0.1mm。此外金屬條蝕刻在介質(zhì)基板的另外一側(cè)（背面?zhèn)龋溟L(zhǎng)為14mm，寬為1.6mm。

2 傳輸-反射參數(shù)仿真

采用電磁仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)該模型進(jìn)行仿真。最終可得出反射參數(shù)（S11）曲線(xiàn)圖和傳輸參數(shù)（S21）曲線(xiàn)圖，如圖2所示。從圖中可以看出在7.17GHz頻點(diǎn)左右超材料的通透性較好，S11和S21呈大致相反的相關(guān)關(guān)系，可以初步推斷該頻點(diǎn)周?chē)哂谐牧闲再|(zhì)。

3 反演參數(shù)提取

為驗(yàn)證所提出的梯形型結(jié)構(gòu)具備超材料性質(zhì)，需要提取其有效電磁參數(shù)，采用NRW反演算法提取該超材料的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率是一種被廣泛認(rèn)可的有效方法[3]。圖3給出了等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率實(shí)部，從圖中可以看出，在7.08GHz～7.21GHz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超材料的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率的實(shí)部同時(shí)為負(fù)，驗(yàn)證了所提出的梯形模型為超材料結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)SRR/MW超材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)出一種帶缺口梯形超材料模型。反演法結(jié)果驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)存在超材料頻段的預(yù)期。

參考文獻(xiàn)

[1] V. G. Veselago. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values ofε and μ[J].Sov. Phys. Usp：1968，10：509

[2]J.B.Pendry.Negative Refraction Makes a Perfect Lens[J].PhysicalReviewLetters：2000，85（18）：3966-3969.

[3]SMITH D R. Electromagnetic parameter retrieval from

Inhomogeneous metamaterials[J]. Physical Review E：2005，71（3）： 036617.

作者簡(jiǎn)介：陳放（1991-），男，四川人，碩士研究生，研究方向：概率工程設(shè)計(jì)。