[发明专利]非对称人工电磁材料的等效电磁参数提取方法

摘要

本发明提出一种非对称人工电磁材料电磁参数的提取方法，用以解决由于结构的不对称性导致无法提取材料电磁参数的问题，提取方法实施步骤是单独仿真第一层材料的散射参数S′；利用S′与对称结构算法计算第一层材料的电磁参数；仿真非对称人工电磁材料的外部散射参数S；基于S与第一层的电磁参数获得第二层的电磁参数；利用S与第二层电磁参数重新修正第一层的电磁参数；循环上述步骤，直至修正后的两层中的电磁参数在整个频段内不再明显变化，将此作为最终电磁参数；将最终参数进行仿真得到散射参数S，与实际结构的S参数完全吻合，证实了本发明的准确性，可行性和实用性，实现了用对称的方法提取非对称人工电磁材料等效电磁参数的过程。

主权项

一种提取非对称人工电磁材料的等效电磁参数的方法，将非对称人工电磁材料在电磁波的传播方向上分为两层对称结构，利用等效媒质理论等效成两层均匀媒质Ⅱ和媒质Ⅲ，所述媒质Ⅱ的外侧为测试环境媒质Ⅰ，所述媒质Ⅲ的外侧为测试环境媒质Ⅳ，通常情况，媒质Ⅰ和媒质Ⅳ均为自由空间，令媒质Ⅰ和媒质Ⅱ的交界面作为边界一，令媒质Ⅲ和媒质Ⅳ的交界面作为边界三，将非对称人工电磁材料构成等效模型，从等效模型中提取媒质Ⅱ和媒质Ⅲ的电磁参数的步骤如下：(1)使用全波仿真软件HFSS对第一层对称结构进行仿真，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)获得的散射参数S′，计算得到第一层结构的相对等效波阻抗Z2(0)，相对等效折射率n2(0)，把这两个值作为等效媒质模型中媒质Ⅱ的电磁参数中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；(3)使用全波仿真软件HFSS对非对称人工电磁材料进行仿真，得到其外部散射参数S，所述S包括S11，S21，S12，S22四个参量；假设电磁波从媒质Ⅰ垂直入射，经由媒质Ⅱ和媒质Ⅲ从媒质Ⅳ中出射，采用笛卡尔直角坐标系，边界一与坐标系z＝0平面重合，理论分析四层等效媒质中的电磁场的表述形式，得到如下关系：其中，式【1】和式【2】中的S11为电磁波在边界一上的反射系数，S21为电磁波从媒质Ⅰ到媒质Ⅳ的传输系数，Z1为媒质Ⅰ的相对等效波阻抗，Z2为媒质Ⅱ的相对等效波阻抗，Z3为媒质Ⅲ的相对等效波阻抗，Z4为媒质Ⅳ的相对等效波阻抗，n2为媒质Ⅱ的相对等效折射率，n3为媒质Ⅲ的相对等效折射率，k0为电磁波在自由空间的波数，d2为媒质Ⅱ在沿电磁波传播方向上的厚度，d3为媒质Ⅲ在沿电磁波传播方向上的厚度，A，B均为式【1】运算的过渡变量；同理，若令入射波从媒质Ⅳ中垂直入射，经由媒质Ⅲ和媒质Ⅱ从媒质Ⅰ中出射，则可以得到另外两个散射参数S22，S12的表达式如下：其中，式【3】和式【4】的S22为电磁波在边界三上反射系数，S12为电磁波从媒质Ⅳ到媒质Ⅰ的传输系数，C，D均为式【3】运算的过渡变量；(4)最后采用数值迭代的方法用步骤(2)中获得的相对波阻抗和相对折射率作为迭代初值进行迭代运算，确定两层人工电磁材料的最终等效电磁参数值，具体实施步骤如下：(4.1)采用计算式【3】，【4】，基于步骤(2)中获得的媒质Ⅱ的相对波阻抗Z2(0),相对折射率n2(0)，计算获得媒质Ⅲ的相对波阻抗Z3(0),相对折射率n3(0)；(4.2)采用计算式【1】，【2】，基于步骤(4.1)中获得的媒质Ⅲ的相对波阻抗Z3(0),相对折射率n3(0)，计算得到媒质Ⅱ第一次修正后的相对波阻抗Z2(1),相对折射率n2(1)；(4.3)其次采用表达式【3】，【4】，基于步骤(4.2)中得到的媒质Ⅱ第一次修正后的相对波阻抗Z2(1),相对折射率n2(1)，计算获得媒质Ⅲ第一次修正后的相对波阻抗Z3(1),相对折射率n3(1)；(4.4)再采用表达式【1】，【2】，基于步骤(4.3)中得到的媒质Ⅲ第一次修正后的相对波阻抗Z3(1),相对折射率n3(1)，计算获得媒质Ⅱ第二次修正后的相对波阻抗Z2(2),相对折射率n2(2)；(4.5)循环步骤(4.3),(4.4)中的过程，直到多次修正后的媒质Ⅱ和媒质Ⅲ的相对波阻抗和相对折射率的值在整个频段内不再明显变化，则视重复修正后的相对波阻抗和相对折射率为最终的相对波阻抗和相对折射率，并将这两组最终相对波阻抗和相对折射率分别作为两层结构对应的相对等效波阻抗和相对等效折射率，用这两层对称结构的相对等效波阻抗和相对等效折射率共同描述非对称人工电磁材料的电磁特性，所述两层结构等效电磁参数中的相对等效介电常数和相对等效磁导率计算式如下：式【5】，式【6】中的ε2为第一层结构的相对等效介电常数，μ2为第一层结构的相对等效磁导率，ε3为第二层结构的相对等效介电常数，μ3为第二层结构的相对等效磁导率，n为最终修正次数。