[发明专利]一种基于等效电路的极化转换超表面快速计算方法及系统

说明书

本发明公开一种基于等效电路的极化转换超表面快速计算方法与系统，涉及电磁计算领域，方法包括：采用全波模拟方法对单层金属贴片在设定频带内斜对角极化方向的S参数进行仿真，得到S参数曲线；根据得到的S参数曲线绘制等效电路，确定等效电路中每条并联支路的电容值和电感值；根据等效电路中每条并联支路的电容值以及电感值，确定金属贴片在加载任意介质层材料、介质层厚度以及任意周期超表面单元的ABCD矩阵；根据得到的ABCD矩阵，确定整个极化转换超表面单元的S参数矩阵。本发明根据单层金属贴片仿真的S参数曲线，通过矩阵变换的方式对整个极化转换超表面的S参数进行计算，可以使设计优化时间相比于全波模拟方法有质的降低。

技术领域

本发明涉及电磁计算领域，特别是涉及一种基于等效电路的极化转换超表面快速计算方法及系统。

背景技术

超表面由于加工成本低、厚度较小、低损耗等优点，使其成为电磁极化调控的研究热点。其中，透射型极化转换超表面是由单层或多层金属阵列以及介质层两部分组成，对于反射型极化转换超表面还存在金属基底。金属阵列形状、介质层厚度、介质层材料以及单元周期大小会决定超表面单元的电磁性能。目前，通常采用具有全波模拟功能的商业软件计算超表面的S参数。当确定金属阵列的形状后，通常要选择合适的介质层材料，以及对介质层厚度、周期单元大小进行优化。每次优化便需要对一个完整的极化转换超表面单元的S参数进行全波计算，严重消耗计算资源，这不利于超表面单元的快速计算。

发明内容

本发明的目的是提供一种计算速度快的基于等效电路的极化转换超表面快速计算方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于等效电路的极化转换超表面快速计算方法，其中所述极化转换超表面的超表面单元包括：斜对角方向对称的金属贴片阵列、介质层，所述方法包括：

步骤1：采用全波模拟方法对超表面单元中的目标金属贴片在设定频带内斜对角线极化方向的S参数进行仿真，得到所述目标金属贴片斜对角极化方向的S参数曲线；

步骤2：根据所述S参数曲线谐振点个数，确定等效电路中支路数目以及每条支路的电容值和电感值；所述每条支路的电容值以及电感值根据所述S参数曲线上频率点对应的反射参数拟合得到；

步骤3：根据所述等效电路中每条并联支路的电容值以及电感值，确定所述目标金属贴片在加载任意介质层厚度、材料以及周期大小时所述超表面单元的ABCD矩阵；

步骤4：根据所述ABCD矩阵，确定所述极化转换超表面的S参数矩阵。

可选的，所述步骤2具体包括：

根据所述S参数曲线上的频率点对应的反射参数，确定所述频率点的等效阻抗；

根据所述S参数曲线上任意两个频率点的等效阻抗，拟合一条并联支路的电容值以及电感值。

可选的，所述根据所述S参数曲线上频率点对应的反射参数，确定所述频率点的等效阻抗，具体包括：

根据公式计算所述频率点u方向的等效阻抗，根据公式计算所述频率点v方向的等效阻抗；

其中，Z₀为自由空间阻抗，Γ_u和Γ_v分别为超表面单元u方向和v方向的反射系数。

可选的，所述根据所述S参数曲线上任意两个频率点的等效阻抗，确定一条并联支路的电容值和电感值，具体包括：

将所述S参数曲线上任意两个频率点u方向上的等效阻抗Z′_u代入公式计算u方向上第i个并联支路的电容值和电感值；

将所述S参数曲线上任意两个频率点v方向上的等效阻抗Z′_v代入公式计算v方向上第i个并联支路的电容值和电感值；