超表面 --- 电容或变容二极管调焦反射镜【CST 软件案例】

CST 可变焦的超表面（focus tunable metasurface）类型反射镜具有超薄、智能可控等特点，可用于成像、显微等应用。而且经常有朋友问如何用电容或二极管调控超材料，这期我们就用个简单的案例看看调控效果。

1. 单元仿真

单元尺寸我们用 16x16x2mm, 介质 eps=2.5，上面两片铜片，下面铜层为地。中间画一个空气盒子，一来方便我们画电容，二来可用空气盒子对缝隙进行网格加密。

是的，这里用的就是普通的集总电容，电容值可以参数化，比如就叫“cap”。边界可限制 X 轴极化，端口相位去嵌到表面。

如果有可变电容的数据，我们可以直接仿真用。这里我们假设没有这些信息，我们做个电容值的参数扫描。

S11 的相位。我们取 6.5GHz 工作频率，有广泛的相位可用。

可用后处理将相位 unwrap，然后提取 6.5GHz 相位对电容的曲线：

2.   二维平面（相同电容）

为了验证焦点通过相位可调，我们复制单位结构成一列，然后看 XZ 平面上的焦点位置。激励我们换成平面波，极化方向为 X 轴。

 仿真结束，看电场（总场）。

 之前写过如何提取散射场：

仿真实例031：散射近场提取和散射截面-法诺共振球

这里简单回顾：

复制项目，将所有结构排除仿真，由于是 Hex 网格，网格能够保持不变。然后仿真入射平面波：

 然后导入完整场结果，电场是 m3d 格式，运行后处理完成导入：

将两个电场相减，得到散射场：

可见相同的电容，并不能形成焦点：

3.    二维平面（可调电容）

我们根据相控天线的相位差计算公式，可计算两侧单元的领先相位，以及所需电容。

修改电容后，重新仿真，获取散射场，场类型为 RMS 值，可见焦点：

用另一组电容仿真，可将焦点调远：

波动方向示意：

小结：

1.    所谓可编程超表面，或智能表面等应用，很多时候我们可以将其简化为无源器件进行仿真，比如加个电容。

2.    本案例超表面运用相控阵列天线的控制原理。文中虽然只展示了 XZ 平面，焦点在 Z 方向上调整，不过足以证明仿真不限于此，可将焦点向更多方向及焦点调控。

3.    本案例运用了参数扫描，相位去嵌，场处理等功能。边界用到 E，M，open（add space）还有 periodic。用户可尝试不同的边界组合，观察电场分布，理解这些边界仿真的是什么情景。

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