[发明专利]非对称人工电磁材料的等效电磁参数提取方法

说明书

技术领域

本发明属于电磁场，电磁材料技术领域，进一步涉及到电磁参数提取方法，利用解析方法结合数值迭代方法提取人工电磁材料的等效电磁参数；该方法解决了非对称人工电磁材料的电磁参数提取问题。

背景技术

新型人工电磁材料(metamaterials)是一种异于天然的人工复合结构或复合材料,具有诸如负折射效应、反常多普勒效应、反常切伦科夫效应、完美透镜等超常物理特性；

1967年,前苏联科学家Veselago对电磁波在介电常数和磁导率同时为负的媒质中的传播特点作了理论研究,19世纪80年代,人们在实验中发现了微波频段介电常数和磁导率小于1的手征媒质,1996年和1999年,英国的Pendry等人先后提出用细金属线阵列来实现负介电常数,用开口谐振环(Splitring Resonator)阵列来实现负的磁导率,从而实现介电常数和磁导率同时为负值的媒质，2000年,美国杜克大学的Smith等人根据Pendry提出的理论模型,设计出了开口谐振环与导线阵列构成的左手材料,并通过棱镜实验验证了这种左手材料具有的负折射率特性；迄今发展出的“人工电磁材料”包括：“左手材料”、“光子晶体”、“超磁性材料”等；人工电磁材料(metamaterial)重要的三个重要特征是：

(1)metamaterial通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)metamaterial具有超常的物理性质，往往是自然界材料中所不具备的；

(3)metamaterial的性质往往不是由构成材料的本征性质决定，而决定于其中的人工结构；

在近十年来，人工电磁材料已经成为了材料科学、物理、化学以及工程学等学科的前沿发展方向，它提供了一种可以让人们随心所欲的制造具有许多特殊物理性质的全新思路与方法；人工电磁材料的等效电磁参数包括等效波阻抗，等效折射率，等效介电常数，等效磁导率四个参量，对人工电磁材料的等效电磁参数的提取已经成为了对人工电磁材料的研究方向之一，通过研究人工电磁材料的等效电磁参数，可以更好地了解其电磁特性；2005年，Smith等人提出了一种用散射参数S提取人工电磁材料等效电磁参数的方法，该方法能够很好地提取电小尺寸的人工电磁材料的等效电磁参数，但是却不能提取非对称的人工电磁材料和电大尺寸的人工电磁材料的电磁参数，2010年，一种基于K-K关系的等效电磁参数提取方法被提了出来，该方法能较好地解决分支不明确的缺点，但是却需要一个广义积分，这在实际工程中是繁重而低效率的,上述均是提取对称人工电磁材料等效电磁参数的方法，对于非对称人工电磁材料的情况目前还没有提及，因此，对于非对称人工电磁材料的等效电磁参数的提取是非常重要的；

发明内容

本发明提出了一种提取非对称人工电磁材料等效电磁参数的方法，采用了分层的方法提取等效电磁参数，经过多次迭代实现了非对称人工电磁材料的等效电磁参数的提取，解决了本技术领域中存在的非对称人工电磁材料的等效电磁参数的提取难题；

本方法的技术思路是：将非对称人工电磁材料在电磁波的传播方向上分成两层对称结构，把每一层对称结构均等效成均匀媒质，沿着电磁波的传播方向分别设为媒质Ⅱ和媒质Ⅲ，非对称人工电磁材料两侧为测试环境，设与媒质Ⅱ相邻的测试环境为媒质Ⅰ，与媒质Ⅲ相邻的测试环境为媒质Ⅳ；媒质Ⅰ和媒质Ⅱ的交界面作为边界一，媒质Ⅱ和媒质Ⅲ的交界面作为边界二，媒质Ⅲ和媒质Ⅳ的交界面作为边界三，接着分别对每层等效媒质中的电磁场进行理论解析，得到关于媒质Ⅱ和媒质Ⅲ的电磁参数的解析形式，然后通过确定媒质Ⅱ的电磁参数为求解初值，采用迭代的方法对求解过程中的媒质Ⅱ和媒质Ⅲ的电磁参数进行修正，最终求得媒质Ⅱ和媒质Ⅲ的电磁参数最终值，并将此最终值分别作为第一层结构和第二层结构的等效电磁参数，用这两组参数来共同描述整个非对称人工电磁材料的电磁特性；通过将媒质Ⅱ和媒质Ⅲ的电磁参数的最终值带入到全波仿真软件中再次进行建模仿真，得到外部散射参数S"，比较仿真得到的外部散射参数S"与实际人工电磁材料的外部散射参数S是否吻合，以验证提取的等效电磁参数的准确性；

实现本发明目的的技术方法的步骤如下：

(1)使用全波仿真软件HFSS对第一层结构单独进行仿真，得到其外部散射参数S′；

(2)采用对称结构的等效电磁参数提取方法，利用步骤(1)中得到的散射参数S′计算获得第一层结构的相对等效波阻抗，相对等效折射率，把所得到的相对等效波阻抗和相对等效折射率作为媒质Ⅱ的相对波阻抗和相对折射率，并将这两个值作为两层结构的等效电磁参数提取方法的迭代初值；