帶缺口梯形電磁超材料結構仿真設計及驗證*

摘 要：文章基于傳統SRR/MW結構設計出一種帶缺口梯形超材料模型，通過電磁仿真軟件HFSS提取的反射-傳輸參數，并通過經典反演算法反演出等效電磁參數，反演結果顯示該超材料結構滿足在7.08GHz～7.21GHz頻段內等效介電常數和等效磁導率同時為負的性質。

關鍵詞：超材料；梯形；HFSS；等效電磁參數

引言

自從Veselago于1968年從理論上提出了超材料（MTM）的概念以來，超材料因其自然界常規材料所不具備的特殊電磁特性而越來越吸引著物理學界和材料界的廣泛重視[1]。Pendry等因其創造性地設計出由開口諧振環和金屬纖維的復合結構設計即經典SRR/MW模型[2]，成為后續各種改進超材料結構的原始基礎。

文章基于傳統SRR/MW的思路，設計出一種新型帶缺口梯形超材料模型，并通過仿真和等效參數提取驗證其滿足超材料頻段的性質。該模型幾何結構簡單，利于加工制造，是實用超材料模型的良好選擇方案。

1 超材料結構設計

超材料結構如圖1所示，介質板采用環氧玻璃布層壓板，介質板沿X軸方向長度為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；內梯形的上底為6mm，下底為10mm。在內外等腰梯形的上底邊上都有一個長為1mm，寬為0.5mm的長方形缺口，在內外梯形的缺口處的凸起部分為正方體，其中長寬都為0.5mm，厚度為0.1mm。此外金屬條蝕刻在介質基板的另外一側（背面側），其長為14mm，寬為1.6mm。

2 傳輸-反射參數仿真

采用電磁仿真軟件Ansoft HFSS對該模型進行仿真。最終可得出反射參數（S11）曲線圖和傳輸參數（S21）曲線圖，如圖2所示。從圖中可以看出在7.17GHz頻點左右超材料的通透性較好，S11和S21呈大致相反的相關關系，可以初步推斷該頻點周圍具有超材料性質。

3 反演參數提取

為驗證所提出的梯形型結構具備超材料性質，需要提取其有效電磁參數，采用NRW反演算法提取該超材料的等效介電常數和等效磁導率是一種被廣泛認可的有效方法[3]。圖3給出了等效介電常數和等效磁導率實部，從圖中可以看出，在7.08GHz～7.21GHz頻段內實現了超材料的等效介電常數和等效磁導率的實部同時為負，驗證了所提出的梯形模型為超材料結構。

4 結束語

文章通過對傳統SRR/MW超材料結構進行改進設計出一種帶缺口梯形超材料模型。反演法結果驗證了該結構存在超材料頻段的預期。

參考文獻

[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.

作者簡介：陳放（1991-），男，四川人，碩士研究生，研究方向：概率工程設計。