改进工字型超材料结构设计及其仿真验证

[摘 要]本文设计出一种改进工字型超材料结构，通过电磁仿真软件HFSS提取的反射―传输参数，并通过经典反演算法反演出等效电磁参数，反演结果显示该超材料结构满足在8.29GHz～8.36GHz频段内等效介电常数和等效磁导率同时为负的性质。

[关键词]超材料；工字型；HFSS；反演提取

中图分类号：TN94 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）45-0171-01

引言

电磁超材料是一种人工复合结构或复合材料，因其奇异的物理性质引发物理界、材料界的广泛研究兴趣。超材料目前广泛应用在电磁隐身、光学成像、天线特性改善[1]、无线电力传输等领域。

本文基于传统的金属条结构，提出了一种改进工字型超材料结构，通过经典反演法提取其有效电磁参数，验证其满足一维超材料的等效介电常数或磁导率同时为负的性质。

1 超材料结构设计

本文所提出的模型结构是基于平行金属条结构[2]，介质基板采用三氧化二铝陶瓷基板，相对介电常数为9.8，厚度为1.2mm。改进的工字型结构示意图如图1所示，对称地蚀刻在Z轴介质板两侧，其中结构整体长为10mm，宽为4mm，中间连接两边长方形的长方形长为3.5mm，宽为1mm，同时两边长方形的四个内顶点都有一个边长都为0.5mm的正方形。

2 反演提取公式

为验证该左手频段的存在，采用经典有效地NRW方法是一个有效途径[3]。其核心计算公式如下所示，

式中n代表折射率，k代表波数，d代表介质板厚度，z为波阻抗，

3 反演参数提取

根据上述的NRW反演有效参数的方法可知，须先构建传输矩阵，获得反射-传输参数即S11和S21。HFSS模拟仿真可得出相关曲线，其幅值图如图2所示，从图中可以看出在频点8.32GHz左右通透性较好，初步推断该结构的左手频段位于8.32GHz附近。

然后通过对导入仿真所得的S参数进行科学计算即可得其有效参数，结果如图3所示。从图中可以看出，在8.29GHz～8.36GHz频段内实现了超材料的等效介电常数和等效磁导率的实部同时负，验证了所提出的一维改进工字型模型为超材料结构。

4 结论

本文通过对传统金属条超材料结构进行改进，设计出改进工字型超材料结构。反演法结果验证了该结构在所需频段内满足等效介电常数和磁导率同时为负的性质。

参考文献

[1] 马波，阳小明等. 箭头型超材料设计及其在无线电力传输中的应用研究[J].西华大学学报：自然科学版，2015，34（5）：47-50

[2] 张松，屈绍波，马华等.基于平行金属条的左手结构设计与仿真研究[J].物理学报：2009，58（6）：1-3

[3] SMITH D R. Electromagnetic parameter retrieval from

inhomogeneous metamaterials[J]. Physical Review E： 2005， 71

（3）： 036617

基金项目：西华大学研究生创新基金项目（编号ycjj2015104）。