离开学术3年，这套CST超材料表面仿真实战教程留给“修习者”

导读：2003年电磁左手材料研制成功，人工电磁奇异介质被《科学》杂志评为年度全球十大科学进展之一。人工合成电磁复合平面材料并不是化学合成的新物质。传统材料模仿原子或分子周期化分布，当周期小于工作波长时，宏观电磁响应会发生特殊变化，得到自然界不存在的物理现象，例如双负材料(左手材料)就意味着在特定的频段内，物理学特性与自然界的规律完全相反。这些材料具有超越自然界材料的含义(前缀希腊语meta，超越之意)，同时也具有平面化特征，因此被称作超材料/超表面（metamaterials/metasurface）。

近日，笔者整理了超材料的一个应用分支——线圆极化转换平面，在仿真秀原创独家首发的视频教程《CST超材料表面仿真实战10讲》，内容包含了当前主流的SCI期刊的设计方法，同时也结合了自身的SCI论文现身说法，希望对各位在校研究生学习超材料表面有些许帮助，如有不当，欢迎批评指正，详情见后文。

2003年左手材料的研制

自然界中材料的电磁特性

一、超材料表面的定义和功能

超材料表面具有如下一般性特点：

[1] 人工合成电磁复合平面材料；

并不是化学合成新物质，而是传统材料(介质板，金属图形)的平面层叠加工实现

[2] 具有亚波长的重复性或渐变型微结构；

单个晶胞尺寸在工作频率对应自由空间波长的1/3~1/8之间(考虑到介质电导率大小、导波波长比自由空间短)

晶格大小不变，晶胞内部金属图案在X或Y平面方向表现重复性或渐变(视功能而定，渐变一般为波束形成类)

[3]对材料周围的透射和反射场有控制能力；

[4] 表现出自然界材料不存在的电磁特性；

在工作频率内具有奇异电磁特性，电导率或磁导率介于0-1、负值，但是在工作频率外电磁特性正常。

目前根据超材料表面对电波的操控现象，分成了如下几类：

本课程重点是对极化转换器（Polarization converter）特别是线圆极化转换器做讲解。

二、超材料表面的分析方法

如之前导读所述，超材料表面的奇异特性就在于在特定的频段内，电导率、磁导率、折射率会有可能呈0或负值，通过合理设计使得超材料覆盖自然界电磁特性的全部四个象限。主流的分析方法是异向介质参数提取法：

设平面波入射到厚度为d的异向介质平板，根据计算得到的散射参数S11﹑S21结果可以得到如下等式：

其中。m=0, ±1，±2…是与折射率n实部分量的支路选取相关的整数。因此异向介质的等效介电系数εeff和等效磁导系数μeff可以由折射率n和阻抗z计算得到。

实验室中也是通过类似测量方法确定折射率实部分量、特性阻抗曲线，异向介质的等效介电系数和等效磁导系数，当然还有其他功率透射实验方法、棱镜折射实验方法、Ｔ型波导的实验方法等。

三、超材料表面的研究的意义

为什么要研究超材料表面？

1、目前在微波、太赫兹、纳米光学中处于学术热门前沿

上述提到的七大功能分类都能在SCI二区、一区top顶刊中看到其身影，目前无论是读博还是做学术都需要相关SCI论文支撑，超材料表面不失为一个好的研究方向。

2、在通信国防领域中处于电磁干扰关键一环

超材料表面虽然制造成本高昂，在民品很少使用，但在军品天线罩、整流罩、屏蔽罩等有广泛应用。例如频率选择表面类似于空间滤波器，在波与波的传输之间就杜绝带外电磁干扰；例如天线阵列在主瓣偏离一定范围后很难通过阵面综合产生自适应零陷，这时就会有其他干扰通过副瓣干扰系统，或自身的发射信息被高副瓣电平所泄露，使用高阻抗表面可以完美解决此问题；例如使用吸波体/隐形材料可以削减飞行物的RCS（雷达散射截面）等等。超材料表面正处于应用的关键新兴节点。

四、我的超材料表面课程相关

大学期间我研究方向是人工合成电磁复合材料，自毕业至今，离开这个学术领域已经3年了，回想起读研期间的点点滴滴，还是有不少同行在和我讨论我超材料相关的话题，也是鉴于此将个人的学习心得体会和大家分享一下。学术方向的入门资料不如工程应用好搜集，普遍都是零星杂乱的内容，所以笔者把读研期间三年的主要研究内容汇聚起来成一个体系，方便修习超材料的研究生或者从事军品天线罩的同事探讨交流。

众所周知在电磁场领域很难上手，相关理论晦涩难懂，需要学习的知识软件太多，一开始很容易遇到无从下手的问题劝退了很多朋友，仿真是验证理论的最好方法同时也是设计的先行军，而超材料表面因为periodicity结构和传统的器件级仿真方法不同，相关的资料工程应用又很少涉及，因此难入门不会仿成了初学者的绊脚石。

超材料每个分支在学术研究都很热，从2003年的发展到至今内容繁多，笔者也是读研期间只记录了一个极化转换的线圆转化一个小分支，希望通过这个课程让在学习的朋友熟练掌握该领域的仿真技巧和发SCI期刊的相关思路。现在是信息爆炸的时代，得到知识的前提就是消耗大量时间去搜索、鉴别、汇总，本期的课程虽然是知识付费，但同时能在一定程度上快速完善和丰富自己的知识体系。以付费换取时间在宝贵的读研、工作期间也是值得的，希望通过此课程使得我们互相学习共同进步。

为了让大家彻底掌握超材料表面的仿真设计方法，课程对超材料的一个分支——线圆极化转换器表面做了着重讲解，以复现近期的SCI原刊成果为例子，手把手做理论讲解和仿真演示，彻底摆脱超材料表面难上手，理论复杂、不会建模仿真的问题。

内容涵盖了透射、反射、透反射兼具的相关案例和石墨烯等活性材料对极化转换表面的新进展，复现了微波、太赫兹、光学的SCI文献，辅以微创新的讲解方式同时夹杂了一些数据处理和作图技巧，让大家熟悉发此相关SCI期刊的常见套路。

1、以下时我的课程大纲

CST超材料表面仿真实战课程10讲：微波、太赫兹、光学人工合成复合超表面材料研究

2、用户得到

课程对超材料主流的频率选择表面、高阻抗表面、理想吸收体、极化转化器、辐射表面、波前控制表面、非线性超表面做了讲解，并着重对极化转换类超材料做展开，在石墨烯课程中讲解了相位梯度、波束形成、吸波体、EIT等学术热门分类；

课程以理论和仿真为主，对近期的SCI原刊做内容讲解和一步步的仿真演示，其中也包含了作者的SCI期刊现身说法，给予大家创新思路和发表高影响因子期刊的基本要素，学会发表期刊常用的微创新方法；仿真软件涉及CST、画图软件涉及Visio、数据处理软件涉及origin；

用户可以学到：

（6）为学习者提供知识圈答疑、订阅用户交流群，此外附件包含课程涉及的PPT、SCI文献、仿真案例模型。

3、适合谁看

适用于在读微波、太赫兹、光学人工合成复合超表面材料研究的研究生、本科生，以及从事军品整流罩、天线罩、吸波尖劈等行业设计人员