[發明專利]一種基于等效電路的極化轉換超表面快速計算方法及系統

在審

• 申請號: 202310273024.3
• 申請日: 2023-03-20
• 公開（公告）號: CN116467998A
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 馬云鵬;常奇
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/398
• 分類號: G06F30/398;G06F17/16;G06N3/126
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 賈瑞華

本發明公開一種基于等效電路的極化轉換超表面快速計算方法與系統，涉及電磁計算領域，方法包括：采用全波模擬方法對單層金屬貼片在設定頻帶內斜對角極化方向的S參數進行仿真，得到S參數曲線；根據得到的S參數曲線繪制等效電路，確定等效電路中每條并聯支路的電容值和電感值；根據等效電路中每條并聯支路的電容值以及電感值，確定金屬貼片在加載任意介質層材料、介質層厚度以及任意周期超表面單元的ABCD矩陣；根據得到的ABCD矩陣，確定整個極化轉換超表面單元的S參數矩陣。本發明根據單層金屬貼片仿真的S參數曲線，通過矩陣變換的方式對整個極化轉換超表面的S參數進行計算，可以使設計優化時間相比于全波模擬方法有質的降低。

技術領域

本發明涉及電磁計算領域，特別是涉及一種基于等效電路的極化轉換超表面快速計算方法及系統。

背景技術

超表面由于加工成本低、厚度較小、低損耗等優點，使其成為電磁極化調控的研究熱點。其中，透射型極化轉換超表面是由單層或多層金屬陣列以及介質層兩部分組成，對于反射型極化轉換超表面還存在金屬基底。金屬陣列形狀、介質層厚度、介質層材料以及單元周期大小會決定超表面單元的電磁性能。目前，通常采用具有全波模擬功能的商業軟件計算超表面的S參數。當確定金屬陣列的形狀后，通常要選擇合適的介質層材料，以及對介質層厚度、周期單元大小進行優化。每次優化便需要對一個完整的極化轉換超表面單元的S參數進行全波計算，嚴重消耗計算資源，這不利于超表面單元的快速計算。

發明內容

本發明的目的是提供一種計算速度快的基于等效電路的極化轉換超表面快速計算方法及系統。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種基于等效電路的極化轉換超表面快速計算方法，其中所述極化轉換超表面的超表面單元包括：斜對角方向對稱的金屬貼片陣列、介質層，所述方法包括：

步驟1：采用全波模擬方法對超表面單元中的目標金屬貼片在設定頻帶內斜對角線極化方向的S參數進行仿真，得到所述目標金屬貼片斜對角極化方向的S參數曲線；

步驟2：根據所述S參數曲線諧振點個數，確定等效電路中支路數目以及每條支路的電容值和電感值；所述每條支路的電容值以及電感值根據所述S參數曲線上頻率點對應的反射參數擬合得到；

步驟3：根據所述等效電路中每條并聯支路的電容值以及電感值，確定所述目標金屬貼片在加載任意介質層厚度、材料以及周期大小時所述超表面單元的ABCD矩陣；

步驟4：根據所述ABCD矩陣，確定所述極化轉換超表面的S參數矩陣。

可選的，所述步驟2具體包括：

根據所述S參數曲線上的頻率點對應的反射參數，確定所述頻率點的等效阻抗；

根據所述S參數曲線上任意兩個頻率點的等效阻抗，擬合一條并聯支路的電容值以及電感值。

可選的，所述根據所述S參數曲線上頻率點對應的反射參數，確定所述頻率點的等效阻抗，具體包括：

根據公式計算所述頻率點u方向的等效阻抗，根據公式計算所述頻率點v方向的等效阻抗；

其中，Z₀為自由空間阻抗，Γ_u和Γ_v分別為超表面單元u方向和v方向的反射系數。

可選的，所述根據所述S參數曲線上任意兩個頻率點的等效阻抗，確定一條并聯支路的電容值和電感值，具體包括：

將所述S參數曲線上任意兩個頻率點u方向上的等效阻抗Z′_u代入公式計算u方向上第i個并聯支路的電容值和電感值；

將所述S參數曲線上任意兩個頻率點v方向上的等效阻抗Z′_v代入公式計算v方向上第i個并聯支路的電容值和電感值；