CST超表面仿真實例 - 電容或變容二極管調焦反射鏡

可變焦的超表面（focus tunable metasurface）類型反射鏡具有超薄、智能可控等特點，可用于成像、顯微等應用。而且經常有朋友問如何用電容或二極管調控超材料，這期我們就用個簡單的案例看看調控效果。

1. 單元仿真

單元尺寸我們用16x16x2mm, 介質eps=2.5，上面兩片銅片，下面銅層為地。中間畫一個空氣盒子，一來方便我們畫電容，二來可用空氣盒子對縫隙進行網格加密。

是的，這里用的就是普通的集總電容，電容值可以參數化，比如就叫“cap”。邊界可限制X軸極化，端口相位去嵌到表面。

如果有可變電容的數據，我們可以直接仿真用。這里我們假設沒有這些信息，我們做個電容值的參數掃描。

S11的相位。我們取6.5GHz工作頻率，有廣泛的相位可用。

可用后處理將相位unwrap，然后提取6.5GHz相位對電容的曲線：

2.   二維平面（相同電容） 

為了驗證焦點通過相位可調，我們復制單位結構成一列，然后看XZ平面上的焦點位置。激勵我們換成平面波，極化方向為X軸。

仿真結束，看電場（總場）。

之前寫過如何提取散射場："散射近場提取和散射截面-法諾共振球"。

這里簡單回顧：

復制項目，將所有結構排除仿真，由于是Hex網格，網格能夠保持不變。然后仿真入射平面波：

然后導入完整場結果，電場是m3d格式，運行后處理完成導入：

將兩個電場相減，得到散射場：

可見相同的電容，并不能形成焦點：

3.    二維平面（可調電容）

我們根據相控天線的相位差計算公式，可計算兩側單元的領先相位，以及所需電容。

修改電容后，重新仿真，獲取散射場，場類型為RMS值，可見焦點：

用另一組電容仿真，可將焦點調遠：

波動方向示意：

小結：

1.  所謂可編程超表面，或智能表面等應用，很多時候我們可以將其簡化為無源器件進行仿真，比如加個電容。

2.  本案例超表面運用相控陣列天線的控制原理。文中雖然只展示了XZ平面，焦點在Z方向上調整，不過足以證明仿真不限于此，可將焦點向更多方向及焦點調控。

3.   本案例運用了參數掃描，相位去嵌，場處理等功能。邊界用到E，M，open（add space）還有periodic。用戶可嘗試不同的邊界組合，觀察電場分布，理解這些邊界仿真的是什么情景。