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S参数反演电磁特性和Floquet端口提取超材料S参数的方法介绍

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HFSS中的Floquet端口专门用于平面周期结构。当用Floquet端口提取出S参数之后,就可用NRW方法从S参数中提取材料电磁特性。

S参数反演材料特性的方法



   

Nicolson-Ross-Weir(NRW)方法是一种用于从散射参数(S参数)中提取材料电磁特性的技术,广泛应用于微波工程和电磁学领域。




Floquet和NRW

As shown below👇


Floquet端口

平面周期结构的主要的例子是平面相控阵、超表面超材料、频率选择表面,当其可以理想化为无限大时,可通过分析一个单元格来完成对无限大结构的分析。


单个单元连接边界通常形成单元的侧壁,因此需要一个边界条件来考虑无限大的尺寸。


floquet port端口就是为此目的而设计的。


当适用Floquet端口提取出S参数之后,在频率选择表面材料,或者超材料、超表面、吸波材料等设计中,通过相应的反演公式,反演出最终的材料参数,比如等效介电常数和等效磁导率。


可以使用链接边界和两个Floquet ports构建用于频率选择曲面(FSS)仿真的单元,

一个端口在FSS平面上方,另一个端口在FSS结构之下。所应用的激励是Floquet 模,通常是一种或两种镜面模。作为场解的直接结果,FSS的反射和透射特性是根据计算的与Floquet 模相关的s矩阵项。这与使用pml或辐射边界来终止单元格时的模拟设置有些对比。在这些情况下,除了边界设置外,一个或多个入射波被单独定义为激发。FSS的传输和反射属性,然后自动计算为用户作为对现场解决方案的后处理操作。下面将考虑一个包含圆形孔的菱形晶格的导电屏。晶格的几何形状如下所示,其中一对晶格向量用蓝色表示。晶格矢量之间的夹角是60度。考虑一个正射到平面的平面波,偏振排列如图中红色箭头所示。传输损耗的大小和相位,作为频率的函数,是感兴趣的量。频带为8~20 GHz。



1、创建如下图所示的FSS单元格模型


2、完成FSS单元格的几何图形后,分配主边界和辅助边界。

3、选择顶部设置Floquet ports端口

选择底面,并重复此步骤以设置第二个Floquet ports

4、求解分析之后,选择需要的S参数






NRW方法


Nicolson-Ross-Weir(NRW)方法是一种用于从散射参数(S参数)中提取材料电磁特性的技术,广泛应用于微波工程和电磁学领域。

一、基本原理

NRW方法基于传输线理论,通过测量材料样品在波导或同轴线等传输系统中的散射参数(如反射系数S11和传输系数S21),来反演计算出材料的电磁参数,如复介电常数(ε)和复磁导率(μ)。主要公式如下,

二、方法特点

宽频带特性:NRW方法适用于较宽的频率范围,能够覆盖从低频到高频的多个频段。

高精度:在适当的测量条件下,NRW方法能够提供较为精确的电磁参数反演结果。

局限性:然而,NRW方法也存在一些局限性,如半波谐振、相角跳变和多值性等问题。这些问题可能导致在某些频率点上反演结果的不准确或不稳定。





End



   

NRW方法参考文献

[1] W. B. Weir, “Automatic measurement of complex dielectric constant and permeability at microwave frequencies,” Proc. IEEE, vol. 62, no. 1, pp. 33–36, 1974, doi: 10.1109/PROC.1974.9382.

[2] A. M. Nicolson and G. F. Ross, “Measurement of the Intrinsic Properties of Materials by Time-Domain Techniques,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 19, no. 4, pp. 377–382, Nov. 1970, doi: 10.1109/TIM.1970.4313932.



floquet端口参考文献:

[1]张国瑞, “宽带周期吸波结构设计及其电磁耦合特性研究,” 博士, 电子科技大学, 2019. [Online]. Available: https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcode=CDFD&dbname=CDFDLAST2020&filename=1019851425.nh&v=

[2]P. Xu et al., “Full-Wave Simulation and Analysis of Bistatic Scattering and Polarimetric Emissions From Double-Layered Sastrugi Surfaces,” IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 55, no. 1, pp. 292–307, Jan. 2017, doi: 10.1109/TGRS.2016.2606323.

[3]张庆乐, “新型电磁超材料在天线中的应用,” 硕士, 北京理工大学, 2016. [Online]. Available: https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcode=CMFD&dbname=CMFD201602&filename=1016716545.nh&v=

[4]彭洋, “基于电磁超材料的新型平面天线的研制,” 硕士, 电子科技大学, 2016. [Online]. Available: https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcode=CMFD&dbname=CMFD201701&filename=1016169555.nh&v=

[5]李梅, “基于人工电磁材料的宽角扫描相控阵天线研究,” 博士, 电子科技大学, 2016. [Online]. Available: https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcode=CDFD&dbname=CDFDLAST2017&filename=1016170130.nh&v=

[6]冯长乐, “基于电磁超材料的高增益天线研究,” 硕士, 电子科技大学, 2015. [Online]. Available: https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcode=CMFD&dbname=CMFD201601&filename=1015708143.nh&v=

[7]熊汉, “电磁超材料在微波吸波体与天线中的应用研究,” 博士, 电子科技大学, 2014. [Online]. Available: https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcode=CDFD&dbname=CDFDLAST2016&filename=1015711092.nh&v=

[8]H.-X. Xu et al., “Analysis and Design of Two-Dimensional Resonant-Type Composite Right/Left-Handed Transmission Lines With Compact Gain-Enhanced Resonant Antennas,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 61, no. 2, pp. 735–747, Feb. 2013, doi: 10.1109/TAP.2012.2215298.

[9]江俊波, “基于周期性结构的天线技术研究,” 博士, 西安电子科技大学, 2012. [Online]. Available: https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcode=CDFD&dbname=CDFD1214&filename=1013114279.nh&v=

[10] “Getting Started with HFSS: Floquet Ports,” 2021.



来源:灵境地平线
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首次发布时间:2024-08-14
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周末--电磁仿真
博士 微波电磁波
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