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科技经济导刊杂志社:改进工字型超材料三维衍生结构设计及其仿真验证

点击次数:   更新时间:2015-9-8 14:06:11

改进工字型超材料三维衍生结构设计及其仿真验证

万 洪1      马 波1    杜晓风1     王邦吉2    莫骄弟3

 

(1.西华大学电气与电子信息学院  四川 成都  610039; 2.西南交通大学信息科学与技术学院   四川成都   611756;  3.重庆长客轨道车辆有限公司 重庆   401133

摘  要:研究课题设计出一种改进工字型超材料结构的三维立体衍生结构,通过电磁软件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8.21GHz~8.54GHz频段内等效介电常数和等效磁导率同时为负的性质,同时可实现在任意垂直入射方向都能满足双负性质的三维超材料结构。

关键词:超材料;三维衍生;HFSS;反演;提取

中图分类号:TB303   文献标识码:A   文章编号:

 

 

基金项目:西华大学研究生创新基金项目(编号:ycjj2015104)

作者简介:万洪(1989- ),男,四川人,硕士研究生,研究方向为超材料对天线性能的改善及无线电力传输。E-mail512778452@qq.com


 

    1  

电磁超材料是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。但大部分超材料结构设计都仅在一维单一入射情况下实现,往往以介质基板垂直入射或平行入射二者之一的方式而存在,其应用有较大的局限性。近年来三维入射超材料结构有少许报道[1],其应用范围大大扩展。本文就是基于传统的金属条结构[2],提出了一种改进工字型超材料结构的三维立体衍生结构。仿真验证表明该结构满足三维方向入射,而且在所需频段内实现等效介电常数和磁导率同时为负。

   2 超材料结构设计

实现三维超材料最基本的方法是在介质正方体基板各面蚀刻相同的谐振单元,但是这需要谐振单元高度对称,但此结构不易设计。本文提出一种基于垂直入射的改进型一维工字型结构的三维超材料构造方法,通过在介质基板正方体的六面蚀刻相同的改进型工字型结构,通过巧妙地各方向上对称摆放,即可实现在任意垂直入射方向(左右前后上下方向)都能满足超材料性质的三维超材料结构,如图1所示。介质立体基板采用三氧化二铝陶瓷基板,边长为10mm,相对介电常数为9.8。单面改进的工字型结构长为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均为0.5mm的正方形。

                          说明: D:\HFSS-simulation\3D工字型模型\3d(1).jpg

图1  工字型三维立体模型

    3 等效参数反演

电磁仿真软件HFSS可轻松获得传输-反射参数即S11和S21的相关曲线,其幅值图如图2所示,从图中可以看出在频点8.4GHz左右通透性较好,初步推断在8.4GHz附近有可能存在超材料频段。

图2  三维工字型超材料结构仿真S参数

采用NRW反演算法去提取其有效电磁参数[3],是验证所提出的三维工字型结构具备超材料性质的有力手段。图3给出了等效介电常数和等效磁导率实部,从图中可以看出,在8.21GHz~8.54GHz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为负,验证了所提出的改进型三维工字型模型为超材料结构。

说明: D:\HFSS-simulation\3D工字型模型\工字型.jpg

图3  三维反演法提取的有效参数实部图

   4 结论

    本文通过对基于传统金属条超材料结构的改进型超材料结构进行设计,提出改进工字型超材料结构的三维衍生结构。并用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]  Wang J F, Qu S B, Xu Z, et al. A broad band three-dimensional isotropic left-handed metamaterial[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2000, 42(15): 15413.

[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): 03661.


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